CN115396264A - 射频指纹提取方法、装置和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种射频指纹提取方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。所述方法包括：对射频信号进行采样，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；对所述接收信号恢复固定序列，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。采用本方法提取不含信道信息的射频指纹。
Description
技术领域
本申请涉及信息安全技术领域，特别是涉及一种射频指纹提取方法、装置和计算机设备。
背景技术
射频指纹(RFF,Radio Frequency Fingerprint)是一种从接收到的无线信号中提取到的发射设备本身具有的物理特征信息。这些特征主要是由无线发射机携带的固有的硬件信息转换得到的。无线设备的发射信号电路中不同的电子元器件的容差、PCB板的走线、锁相环晶振引起的相位噪声、滤波器的滤波特性、功率放大器和混频器引起的射频信号非线性等因素，使得每一台无线发射机工作时产生不同的射频响应参数，从而产生不同的射频指纹。
由于射频指纹具有唯一性、短时不变性的特征，因此可通过识别无线设备的射频指纹来实现对不同设备的识别与身份认证，进而保护无线通信的安全。近年来，针对不同通信协议的信号、不同调制方式、不同带宽的信号提出了丰富多样的射频指纹提取技术，但这些方法大多针对特定类型的信号提出，不具备射频指纹的统一性。
另外在实际的工作环境中，射频指纹的提取还会受到多变信道的影响。而信道的复杂多变也使得对信道成分的消除变得困难，提取出的射频指纹中往往掺杂着信道信息。而现有方法中，针对宽带通信体制，并未提出一种有效的能消除信道影响的射频指纹提取方法。此外，信道加性噪声也是射频指纹提取过程中的干扰项。在只利用一帧数据提取指纹时，去除噪声的过程就显得较为困难，难以得到纯粹的射频指纹。
由此可见，如何消除无线信号传输过程中的多径信道和噪声的干扰，从采集的信号中分离并提取出区分度高且稳定的射频指纹特征仍面临着极大的挑战性。当前迫切需要一种射频指纹提取方法，并能有效抵抗多变信道和噪声的影响。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提取不含信道信息的射频指纹的射频指纹提取方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种射频指纹提取方法。所述方法包括：
对射频信号进行采样，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；
对所述接收信号进行固定序列解调和重新调制，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；
基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；
将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；
基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
在其中一个实施例中，所述接收信号包括时域接收信号，所述参考发射信号包括时域参考发射信号，所述基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值，包括：
对所述时域接收信号进行频域变换，以得到频域接收信号；
对所述时域参考发射信号进行频域变换，以得到频域参考发射信号；
基于所述频域接收信号和所述频域参考发射信号，得到所述信道初始估计值。
在其中一个实施例中，所述信道初始估计值包括频域信道初始估计值，所述信道改进估计值包括频域信道改进估计值，所述将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值，包括：
对所述频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值；
对所述时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值，其中，所述加窗处理的窗函数用于滤除射频指纹和噪声；
对所述时域信道改进估计值进行频域变换，得到所述频域信道改进估计值。
在其中一个实施例中，所述接收信号包括多个固定序列的符号，所述信道改进估计值为多个且与所述固定序列相对应，所述基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹，包括：
将多个所述固定序列划分为多个分组；
针对每个分组，对所述分组内的所述信道改进估计值进行计算，得到所述分组对应的所述信道改进估计值的均值；
基于所述接收信号和与每个所述分组对应的所述信道改进估计值的均值，得到射频指纹。
在其中一个实施例中，所述射频指纹包括与每个所述分组对应的分段射频指纹，所述基于所述接收信号和与每个所述分组对应的所述频域信道改进估计值的均值，得到射频指纹，包括：
将与每个所述分组对应的频域接收信号进行计算，得到与每个所述分组对应的频域接收信号的均值；
分别将与每个所述分组对应的频域接收信号的均值除以相对应的所述频域信道改进估计值的均值，得到与每个分组对应的分段射频指纹。
第二方面，本申请还提供了一种射频指纹提取装置。所述装置包括：
信号接收模块，用于对射频信号进行过采样并通过下变频处理，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；
信号处理模块，用于对所述接收信号进行固定序列解调和重新调制，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；
信道估计模块，用于基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；
滤除模块，用于将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；
射频指纹计算模块，用于基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
上述射频指纹提取方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，所述方法包括：对射频信号进行采样，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；对所述接收信号进行固定序列解调和重新调制，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹，针对发射不同类型信号、不同调制方式或参数配置不同的发射机均可利用所述射频指纹提取方法提取到不含信道信息的射频指纹，并能有效抵抗多变信道和噪声的影响。
附图说明
图1为一个实施例中射频指纹提取方法的方法示意图；
图2为一个实施例中车联网LTE-V2X通信标准PSBCH同步子帧结构的示意图；
图3(a)和图3(b)为一个实施例中某一帧PSBCH信号的PSSS符号和另一帧PSBCH信号的DMRS符号的包含射频指纹的时域信道初始估计值h(n)波形图；
图4(a)和图4(b)为一个实施例中针对某一帧PSBCH信号的PSSS符号和另一帧PSBCH信号的DMRS符号添加的窗函数w(n)波形图；
图5(a)和图5(b)为一个实施例中针对某一帧PSBCH信号的PSSS符号和另一帧PSBCH信号的DMRS符号的频域参考发射信号X(k)和射频指纹RFF(k)的幅度波形对比图；
图6为一个实施例中射频指纹提取方法的流程示意图；
图7为一个实施例中射频指纹提取装置的结构框图；
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
考虑到在实际的工作环境中，射频指纹的提取会受到多变信道的影响。而信道的复杂多变也使得对信道成分的消除变得困难，提取出的射频指纹中往往掺杂着信道信息。
因此，本申请提供一种射频指纹提取方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，其能够提取出不含信道信息的射频指纹。
本申请实施例提供的射频指纹提取方法，可以应用于无线网络通信设备中，如车联网通信设备等。在本实施例中，以车联网通信设备为例，该通信设备中包含发射机和接收机，该通信设备的接收机可以接收由其他通信设备的发射机发射的射频信号，并利用本实施例提供的射频指纹提取方法从接收到的射频信号中提取出对应设备的不含信道信息的射频指纹，该射频指纹可以用作身份识别或接入认证等。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种射频指纹提取方法，包括以下步骤：
S101、对射频信号进行采样，以得到接收信号，接收信号中包含射频指纹和信道信息。
在本实施例中，接收机以预设的采样率fs对射频信号r(t)进行过采样，得到离散信号r(n)，并通过下变频处理得到时域基带接收信号yr(n)，其中t表示连续时间，n表示离散时间。需要指出的是，该射频信号由待提取设备的发射机经多径信道传输，因此，该射频信号和该接收信号中均包含待提取设备的信道信息和射频指纹，该射频信号为帧结构中包含固定序列符号的任意类型的无线信号，不受通信协议、调制方式、带宽的限制，且接收机采样率fs大于奈奎斯特采样率，即要求过采样。
如图2所示，以射频信号为车联网LTE-V2X通信标准中的物理直通链路广播信道(PSBCH,Physical Sidelink Broadcast Channel)同步子帧结构为例，该帧结构中包含多个固定序列，固定序列的符号可以表示为PSSS(primary sidelink synchronizationsignal，主同步信号)、SSSS(secondary sidelink synchronization signal，辅同步信号)、DMRS(demodulation reference signal，解调参考信号)等，PSBCH同步子帧中共包含7个固定序列的符号。接收机以30.72Msps采样率进行基带信号采样，得到接收信号，一个PSBCH同步子帧长度为1ms，则整个子帧对应30720个采样点。
进一步地，在步骤S101中，还包括：对时域基带接收信号进行处理，以去除时域基带接收信号中的残留频偏和相偏，得到包含信道信息和射频指纹的时域接收信号。
具体地，对时域基带接收信号进行时间同步、载波频偏和补偿处理以去除时域基带接收信号中的残留频偏和相偏。更具体地，使用本地生成的时域参考发射信号和时域基带接收信号进行复数共轭相关计算以实现时间同步，然后对同步后的信号的相邻重复符号进行复相关或差分处理，从而实现载波频偏估计以及频偏补偿，然后去除残留频偏和相偏，针对每一帧接收的时域基带接收信号均可得到包含信道信息和射频指纹的时域接收信号y(n)。
需要指出的是，时间同步方法包括但不限于与本地信号做复数共轭相关法，载波频偏估计以及频偏补偿方法包括但不限于相邻重复导码复相关法或差分法。
S102、对接收信号恢复固定序列，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号。
也就是说，对包含射频指纹和信道信息的接收信号进行固定序列符号解调后，再次进行调制以恢复固定序列，从而得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号。在本实施例中，针对PSBCH信号的帧结构中的固定序列，从包含射频指纹和信道信息的每一帧时域接收信号y(n)的所有的PSSS、SSSS、DMRS符号部分解出
等参数后恢复固定序列，从而得到对应的不含射频指纹和信道信息的时域参考发射信号x(n)，其中
表示直通链路同步信号ID号。也就是说，对每一帧信号所有的序列定义方式固定的符号进行处理，该固定序列包括但不限于前导序列、同步序列、解调参考序列、控制序列等。
S103、基于接收信号和参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值。
在本实施例中，根据接收信号和参考发射信号的比值，得到含有射频指纹的信道初始估计值。需要指出的是，该信道初始估计值包括频域信道初始估计值，也就是说，在计算得到频域信道初始估计值之前，需先将时域接收信号和时域参考发射信号进行频域转换。
具体地，步骤S103可以包括：
S201、对时域接收信号进行频域变换，以得到频域接收信号。
S202、对时域参考发射信号进行频域变换，以得到频域参考发射信号。
S203、基于频域接收信号和频域参考发射信号，得到信道初始估计值。
在本实施例中，频域变换包括但不限于傅里叶变换、余弦变换等。
以N点傅里叶变换为例，频域接收信号表示为：
其中，Y(k)为频域接收信号，y(n)为时域接收信号，N为信号的长度。
和/或，频域参考发射信号表示为：
其中，X(k)为频域参考发射信号，x(n)为时域参考发射信号。
也就是说，对每一帧时域接收信号y(n)和时域参考发射信号x(n)中的所有PSSS、SSSS、DMRS符号均做N点傅里叶变换从时域变换到频域。在本实施例中，在30.72Msps采样率下做傅里叶变换的点数N为2048点，其中，DMRS符号占据6个资源块共计72个子载波，PSSS、SSSS符号占据带宽的中心62个子载波。
和/或，频域信道初始估计值表示为：
其中，H(k)为频域信道初始估计值。
也就是说，针对所有PSSS、SSSS、DMRS符号，由频域接收信号Y(k)和频域参考发射信号X(k)计算得到包含射频指纹的频域信道初始估计值H(k)，其中，PSSS、SSSS符号长度N为62，DMRS符号长度N为72。
S104、将信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值。
在本实施例中，可以对信道初始估计值进行加窗处理，以滤除射频指纹和噪声。需要指出的是，在加窗处理之前，需将频域信道初始估计值进行时域转换以得到时域信道初始估计值。
具体地，信道初始估计值包括频域信道初始估计值，信道改进估计值包括频域信道改进估计值，接收信号包括频域接收信号，步骤S104可以包括：
S301、对频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值。
S302、对时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值，其中，加窗处理的窗函数用于滤除射频指纹和噪声。
S303、对时域信道改进估计值进行频域变换，得到频域信道改进估计值。
在本实施例中，时域变换包含但不限于傅里叶逆变换、余弦逆变换等。
以N点傅里叶逆变换为例，时域信道初始估计值表示为：
其中，h(n)为时域信道初始估计值。
在本实施例中，对PSSS、SSSS符号的频域信道初始估计值H(k)做62点傅里叶逆变换，对DMRS符号的频域信道初始估计值H(k)做72点傅里叶逆变换，得到时域信道初始估计值h(n)。
在本实施例中，根据每一帧PSBCH接收信号经历的实际信道的不同，对时域信道初始估计值h(n)添加不同的窗函数w(n)，从而计算得到对应的时域信道改进估计值
其中，对PSSS、SSSS符号添加的窗函数的长度n为62，对DMRS符号添加的窗函数的长度n为72。窗函数包含但不限于矩形窗、汉明窗、汉宁窗、三角窗、不对称窗等。
在本实施例中，以矩形窗函数为例进行说明。图3(a)和图3(b)展示了其中两帧信号的时域信道初始估计值h(n)波形图。图3(a)所示为某一帧的PSSS符号经历的时域信道初始估计值h(n)函数，其仅在第1个点处幅值较高，后面的点处幅值都很低，说明信道主要集中在第1个点处，后面部分可看作是射频指纹和噪声。因此添加了如图4(a)所示的矩形窗函数w(n)，其仅在第1个点处的幅值为1，其余点均设为0，以滤除时域信道初始估计值h(n)中的噪声和射频指纹，计算时域信道改进估计值
图3(b)所示为另外一帧PSBCH信号的DMRS符号经历的时域信道初始估计值h(n)函数，其在起始9个点和后5个点处幅值较高，其余的点处幅值都很低，说明信道主要集中在两端，中间部分可看作是射频指纹和噪声。因此添加了如图4(b)所示的矩形窗函数w(n)，其仅在前9个点和后5个点处的幅值为1，其余点均设为0，以滤除时域信道初始估计值h(n)中的噪声和射频指纹，计算时域信道改进估计值
在本实施例中，对时域信道改进估计值进行傅里叶逆变换以得到频域信道改进估计值，频域信道改进估计值表示为：
其中，
为频域信道改进估计值。
具体地，对PSSS、SSSS符号的时域信道改进估计值
做N为62点的傅里叶变换，对DMRS符号的时域信道改进估计值
做N为72点的傅里叶变换，得到频域信道改进估计值
S105、基于接收信号和信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
在本实施例中，根据接收信号和信道改进估计值的比值，得到不含信道信息的射频信号。进一步地，将频域接收信号Y(k)除以对应的频域信道改进估计值
得到最终的不含信道信息的射频指纹RFF(k)。
具体地，射频指纹表示为：
其中，RFF(k)为射频指纹。
综上，本申请实施例提供的射频指纹提取方法，其对射频信号进行采样，以得到接收信号，接收信号中包含射频指纹和信道信息；对接收信号进行固定序列解调和重新调制，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；基于接收信号和参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；将信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；基于接收信号和信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹，针对发射不同类型信号、不同调制方式或参数配置不同的发射机均可利用射频指纹提取方法提取到不含信道信息的射频指纹，并能有效抵抗多变信道和噪声的影响。
具体地，步骤S105可以包括：
S401、将多个固定序列划分为多个分组。
S402、针对每个分组，对分组内的信道改进估计值进行计算，得到分组对应的信道改进估计值的均值。
S403、基于接收信号和与每个分组对应的信道改进估计值的均值，得到射频指纹。
在本实施例中，当帧结构定义的一帧信号中有M个序列固定的符号，对应的频域信道改进估计值
分别为：
然后，将经历信道近似相同的符号进行组合，针对每个分组，对分组内的信道改进估计值进行叠加求平均。具体地，将M个符号划分成P个分组，每个分组内的频域信道改进估计值为
至
则对于每个分组，与每个分组对应的频域信道改进估计值的均值，则与每个分组对应的频域信号改进估计值表示为：
然后，对于每个分组，与每个分组对应的频域信道改进估计值的均值，表示为：
其中，
为与第i个分组对应的频域信道改进估计值的均值，
至
为第i个分组内的频域信道改进估计值，0≤i≤P-1，M0＝0，Mp＝M，M为固定序列的数量，P为分组。
在上述实施例中，考虑到当一帧信号内有多个序列固定的符号，可将其中经历信道相同的符号分段组合，然后针对每个分组，对该分组内符号对应的频域信道改进估计值求平均，以抑制噪声的影响，从而得到更为准确的频域信道改进估计值，从而有利于计算得到更加准确的射频指纹RFF(k)。
进一步地，步骤S403可以包括：
S501、将与每个分组对应的频域接收信号进行计算，得到与每个分组对应的频域接收信号的均值；
S502、分别将与每个分组对应的频域接收信号的均值除以相对应的频域信道改进估计值的均值，得到与每个分组对应的分段射频指纹。
也就是说，当一帧信号中包含多段不同的固定序列符号时，则分段计算射频指纹，得到多个分段射频指纹RFF(k)的组合。具体地，将每一组序列相同且经历信道相同的相邻符号进行组合，M个符号划分成Q个分组，同一分组内的符号其本地信号均是相同的，每个分组内的时域接收信号为
至
则与每个分组对应的时域接收信号表示为：
且，对应的频域接收信号表示为：
其中，0≤i≤Q-1，M0＝0，MQ＝M，Q为分组。
然后，将每个分组内的频域接收信号Y(k)进行叠加平均，再除以对应的频域信道最终估计值
从而得到最终的射频指纹RFF(k)，即表示为多个分段射频指纹的组合。具体地，该射频指纹RFF(k)可以表示为：
其中，
分别是与每个分组对应的频域信道改进估计值。
因此，最终的射频指纹RFF(k)可以简化表示为：
RFF(k)＝[RFF0(k)，RFF1(k)，RFF2(k)，…RFFi(k)…，RFFQ-1(k)]，0≤k≤N-1
其中，RFF(k)为射频指纹，RFFi(k)为第i个分组对应的分段射频指纹，0≤i≤Q-1，Q为分组。
在一个可选实施例中，PSBCH同步子帧定义的一帧信号中有7段序列固定的符号，考虑到在所处环境中一帧信号经历的信道大致相同，因此可将它们组合成一组，进行叠加求平均。
具体地，根据每一帧信号中7段序列固定的符号的每一段符号对应的时域接收信号y(n)和时域参考发射信号x(n)，计算得到对应的时域信道改进估计值
然后，对PSSS、SSSS符号的时域信道改进估计值
做N为62点的傅里叶变换，对DMRS符号的时域信道改进估计值
做N为72点的傅里叶变换，得到与每个固定序列符号对应的频域信道改进估计值
因此，与7个固定序列符号对应的时域接收信号y(n)的组合可以表示为：
y(n)＝[yPSSS1(n)，yPSSS2(n)，yDMRS1(n)，yDMRS2(n)，yDMRS3(n)，ySSSS1(n)，ySSSS2(n)]，0≤n≤N-1
相应地，与7个固定序列符号对应的时域参考发射信号的组合可以表示为：
x(n)＝[xPSSS1(n)，xPSSS2(n)，xDMRS1(n)，xDMRS2(n)，xDMRS3(n)，xSSSS1(n)，xSSSS2(n)]，0≤n≤N-1
相应地，与7个固定序列符号对应的频域信道改进估计值
的组合可以表示为：
其中，PSSS、SSSS符号的长度N为62，DMRS符号的长度N为72。
然后，将每一帧PSBCH信号7段符号经历的信道进行叠加并求平均，以抑制噪声的影响，从而得到最终的频域信道改进估计值
表达式如下：
需要指出的是，由于PSSS、SSSS符号只占据带宽的中心62个子载波，针对包含PSSS、SSSS符号的情况只能对中心62个子载波叠加求平均，对于只含DMRS的符号可对72个子载波求平均。
考虑到针对多个固定序列相同且经历信道相同的符号，可先进行频域接收信号的叠加平均，再除以对应的频域信道改进估计值，以进一步去除噪声的影响，得到更稳定的射频指纹RFF(k)。
需要说明的一点是，若只有一个分组，则可以直接将频域接收信号Y(k)除以该信号对应的频域信道改进估计值便可得到最终的不含信道信息的射频指纹RFF(k)。
在本实施例中，由于每一帧PSBCH信号中包含3类不同的固定序列符号，其中PSSS、SSSS信号分别包含2个序列相同的符号，DMRS信号包含3个序列相同的符号。因此，将序列相同且经历信道相同的相邻符号进行组合，从而将这7个固定序列符号划分成3个分组，分别为第一分组、第二分组以及第三分组。
因此，对于每个分组，与每个分组对应的时域接收信号Y(k)可以表示为：
其中，[YPSSS1(k)，YPSSS2(k)]为第一分组的时域接收信号，[YDMRS1(k)，YDMRS2(k)，YDMRS3(k)]为第二分组的时域接收信号，[YSSSS1(k)，YSSSS2(k)]为第三分组的时域接收信号。
然后，考虑到同一分组内的符号其本地信号均是相同的，因此，将同一个分组内的频域接收信号Y(k)进行叠加平均，再除以经历的相同信道的频域信道改进估计值
从而得到与每个分组对应的分段射频指纹。
因此，射频指纹RFF(k)可以表示为：
RFF(k)＝[RFFPSSS(k)，RFFDMRS(k)，RFFSSSS(k)]，0≤k≤N-1
其中，RFFPSSS(k)为与第一分组对应的分段射频指纹，RFFDMRS(k)为与第二分组对应的分段射频指纹，RFFSSSS(k)为与第三分组对应的分段射频指纹，RFFPSSS(k)、RFFSSSS(k)的长度N为62，RFFDMRS(k)的长度N为72。
其中，与第一分组对应的分段射频指纹可以表示为：
相应地，与第二分组对应的分段射频指纹可以表示为：
相应地，与第三分组对应的分段射频指纹可以表示为：
如图5(a)和图5(b)所示为本实施例中的两帧PSBCH信号按本实施例提供的射频指纹提取方法提取的射频指纹RFF(k)和其频域参考发射信号X(k)的幅度波形对比图，其中，图5(a)所示为某一帧PSBCH信号的PSSS符号的频域参考发射信号X(k)和射频指纹RFF(k)的幅度波形图，图5(b)所示为另外一帧PSBCH信号的DMRS符号的频域参考发射信号X(k)和射频指纹RFF(k)的幅度波形对比图。将两者波形放在一起便于观察和比对。PSSS和DMRS符号在频域都是恒模序列，参考幅值均为1，而实际通信设备的射频指纹RFF(k)在每个频点处都与参考信号有差异，这一差异即体现了射频指纹的细节，因此，更加有利于用作身份识别和接入认证等。
可以看出，使用本实施例提供的射频指纹提取方法对30dB信噪比下4台不同的LTE-V2X通信设备在不同信道环境下发射的5帧不同的PSBCH帧信号提取的在某一维度k处的射频指纹RFF(k)值如表1所示。可见，同一设备在不同信道环境下采集的信号帧特征基本保持一致，不同设备间的射频指纹特征值有一定差异。
表1
| 帧号 | 设备1 | 设备2 | 设备3 | 设备4 |
| 1 | 0.9975 | 1.0085 | 1.0105 | 1.0303 |
| 2 | 0.9977 | 1.0086 | 1.0102 | 1.0303 |
| 3 | 0.9977 | 1.0086 | 1.0099 | 1.0302 |
| 4 | 0.9976 | 1.0085 | 1.0102 | 1.0299 |
| 5 | 0.9976 | 1.0086 | 1.0105 | 1.0304 |
因此，本申请实施例提供的射频指纹提取方法，能够有效地消除无线通信环境中多变信道对射频指纹提取的干扰，并有效抑制了噪声，从而实现针对发射不同类型信号、不同调制方式或参数配置不同的发射机均可利用射频指纹提取方法提取到不含信道信息的射频指纹，并能有效抵抗多变信道和噪声的影响，从而更加有利于用作身份识别或接入认证等。
作为一个示例性的实施例，如图6所示，在本实施例中提供的射频指纹提取方法的流程如下：
S1、接收机过采样并下变频处理得到时域基带接收信号；
S2、对接收信号进行时间同步、载波偏频估计和补偿处理，得到携带射频指纹和信道信息的时域接收信号；
S3、对时域接收信号进行频域变换，得到频域接收信号；
S4、对接收信号进行解调和恢复固定序列，得到不含射频指纹和信道信息的时域参考发射信号；
S5、对时域参考发射信号进行频域变换，得到频域参考发射信号；
S6、根据频域接收信号和频域参考发射信号计算得到频域信道初始估计值；
S7、对频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值；
S8、对时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值，以滤除信道信息和噪声；
S9、对时域信道改进估计值进行频域变换，得到频域信道改进估计值；
S10、根据频域接收信号和频域信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
在本实施例中，基于信道估计的通用的射频指纹提取方法，针对帧结构中序列定义方式固定的符号，均可从接收信号中恢复固定序列得到理想发射信号，随后利用接收信号和理想发射信号进行准确的信道估计，根据信道估计结果最终将接收信号中的信道成分去除，从而得到纯净的射频指纹。该提取射频指纹的方法简单有效，消除了无线通信环境中多变信道对射频指纹提取的干扰，并有效抑制噪声，使得对于不同通信协议、不同调制方式、不同带宽的信号均可利用这样一种通用的方法提取射频指纹，降低了射频指纹系统的复杂度，能够适用于各种无线通信体制，特别是宽带无线通信体制。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的射频指纹提取方法的射频指纹提取装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个射频指纹提取装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于射频指纹提取方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种射频指纹提取装置100，包括：
信号接收模块110，用于对射频信号进行过采样并通过下变频处理，以得到接收信号，接收信号中包含射频指纹和信道信息；
信号处理模块120，用于对接收信号进行固定序列解调和重新调制，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；
信道估计模块130，用于基于接收信号和参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；
滤除模块140，用于将信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；
射频指纹计算模块150，用于基于接收信号和信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
在其中一个实施例中，上述接收信号包括时域接收信号，上述参考发射信号包括时域参考发射信号，上述信道估计模块130还包括：
第一转换单元，用于对时域接收信号进行频域变换，以得到频域接收信号；
第二转换单元，用于对时域参考发射信号进行频域变换，以得到频域参考发射信号；
初始估计值获取单元，用于基于频域接收信号和频域参考发射信号，得到信道初始估计值。
在其中一个实施例中，上述信道初始估计值包括频域信道初始估计值，上述信道改进估计值包括频域信道改进估计值，上述滤除模块140包括：
第三转换单元，用于对频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值；
第四转换单元，用于对时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值，其中，加窗处理的窗函数用于滤除射频指纹和噪声；
改进单元，对时域信道改进估计值进行频域变换，得到频域信道改进估计值。
在其中一个实施例中，上述接收信号包括多个固定序列的符号，上述信道改进估计值为多个且与固定序列相对应，上述射频指纹计算模块150包括：
划分单元，用于将多个固定序列划分为多个分组；
计算单元，用于针对每个分组，对分组内的信道改进估计值进行计算，得到分组对应的信道改进估计值的均值；
指纹获取单元，用于基于接收信号和与每个分组对应的信道改进估计值的均值，得到射频指纹。
在其中一个实施例中，上述射频指纹包括与每个分组对应的分段射频指纹，上述射频指纹计算模块150还包括：
均值计算单元，用于将与每个分组对应的频域接收信号进行计算，得到与每个分组对应的频域接收信号的均值；
处理单元，用于分别将与每个分组对应的频域接收信号的均值除以相对应的频域信道改进估计值的均值，得到与每个分组对应的分段射频指纹。
上述射频指纹提取装置100中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是车联网通信设备，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的通信设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种射频指纹提取方法。
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种射频指纹提取方法，其特征在于，所述方法包括：
对射频信号进行采样，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；
对所述接收信号恢复固定序列，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；
基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；
将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；
基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收信号包括时域接收信号，所述参考发射信号包括时域参考发射信号，所述基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值，包括：
对所述时域接收信号进行频域变换，以得到频域接收信号；
对所述时域参考发射信号进行频域变换，以得到频域参考发射信号；
基于所述频域接收信号和所述频域参考发射信号，得到所述信道初始估计值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信道初始估计值包括频域信道初始估计值，所述信道改进估计值包括频域信道改进估计值，所述接收信号包括频域接收信号，所述将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值，包括：
对所述频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值；
对所述时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值；所述加窗处理的窗函数用于滤除射频指纹和噪声；
对所述时域信道改进估计值进行频域变换，得到所述频域信道改进估计值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述接收信号包括多个固定序列的符号，所述信道改进估计值为多个且与所述固定序列相对应，所述基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹，包括：
将多个所述固定序列划分为多个分组；
针对每个分组，对所述分组内的所述信道改进估计值进行计算，得到所述分组对应的所述信道改进估计值的均值；
基于所述接收信号和与每个所述分组对应的所述信道改进估计值的均值，得到射频指纹。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频指纹包括与每个所述分组对应的分段射频指纹，所述基于所述接收信号和与每个所述分组对应的所述频域信道改进估计值的均值，得到射频指纹，包括：
将与每个所述分组对应的频域接收信号进行计算，得到与每个所述分组对应的频域接收信号的均值；
分别将与每个所述分组对应的频域接收信号的均值除以相对应的所述频域信道改进估计值的均值，得到与每个分组对应的分段射频指纹。
6.一种射频指纹提取装置，其特征在于，包括：
信号接收模块，用于对射频信号进行过采样并通过下变频处理，以得到接收信号，所述接收信号中包含射频指纹和信道信息；
信号处理模块，用于对所述接收信号恢复固定序列，以得到不含射频指纹和信道信息的参考发射信号；
信道估计模块，用于基于所述接收信号和所述参考发射信号，得到含有射频指纹的信道初始估计值；
滤除模块，用于将所述信道初始估计值中的射频指纹滤除，以得到不含射频指纹的信道改进估计值；
射频指纹计算模块，用于基于所述接收信号和所述信道改进估计值，得到不含信道信息的射频指纹。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述接收信号包括时域接收信号，所述参考发射信号包括时域参考发射信号，所述信道估计模块，包括：
第一转换单元，对所述时域接收信号进行频域变换，以得到频域接收信号；
第二转换单元，对所述时域参考发射信号进行频域变换，以得到频域参考发射信号；
初始估计值获取单元，基于所述频域接收信号和所述频域参考发射信号，得到所述信道初始估计值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信道初始估计值包括频域信道初始估计值，所述信道改进估计值包括频域信道改进估计值，所述接收信号包括频域接收信号，所述滤除模块包括：
第三转换单元，用于对所述频域信道初始估计值进行时域变换，得到时域信道初始估计值；
第四转换单元，用于对所述时域信道初始估计值进行加窗处理，得到时域信道改进估计值；所述加窗处理的窗函数用于滤除射频指纹和噪声；
改进单元，对所述时域信道改进估计值进行频域变换，得到所述频域信道改进估计值。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
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