JP2016040871A - 電波識別システム - Google Patents

Abstract

【課題】受信信号の波形から不要信号成分が抑圧された特徴を抽出して送信装置を精度よく識別する電波識別システムを提供する。
【解決手段】送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部１０１−Ｉを備える。推定部１０５−Ｉが、受信信号から抽出された既知信号の波形および辞書データにおける既知信号の波形を用いて受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する。等化部４−Iが、推定部１０５−Ｉが推定した伝達関数に基づいて受信信号の等化を行う。そして、特徴量評価部２００が、等化部４−Ｉにより等化された受信信号と辞書部１０１−Ｉの辞書データとの相関性を評価し、この受信信号を送信した送信装置を識別する。
【選択図】図２

Description

この発明は、受信した電波から送信源を識別する電波識別システムに関する。

社会の高度情報化の推進に伴って、携帯電話をはじめとした無線通信の普及が加速しており、無線通信における安全性の確立は重要な課題となっている。その安全性を脅かす例として虚偽の情報伝達がある。これは、虚偽者が正規の送信者になりすまして情報を伝達するものであり、意図してなりすましを行う虚偽者をネットワークの階層で検出することは難しい。

これに対して受信信号の波形を活用した送信源の識別技術の開発が進められている。
例えば、非特許文献１では、レーダ波の識別技術の１つである特定送信源識別（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）（以下、ＳＥＩと略す）を無線通信に適用する技術が提案されている。
また、非特許文献２および非特許文献３では、送信機の非線形特性（例えば、増幅器の非線形特性）を評価して受信信号の波形の特徴を抽出することでＳＥＩを実現している。

K．Kim，C．M．Spooner，I．Akbar，and J．H．Reed，"Specific Emitter Identification for Cognitive Radio with Application IEEE 802.11," IEEE GLOBECOM 2008，pp.1-5，2008. M．W．Liu and J．F．Doherty，"Specific Emitter Identification using Nonlinear Device Estimation," IEEE Sarnoff Symposium 2008，pp.1-5，April，2008． Z．Yu，C．Chen，W．Jin and G．Zhang, "Feature Extraction of Radar Emitter Harmonic Power Constraint Based on Nonlinear Characters of the Amplifier," Image and Signal Processing 2009，pp.1-4，Oct．，2009.

実際の通信波は、伝搬路の影響（マルチパスフェージング）で波形が歪んでいるので、このような通信波にＳＥＩを適用して所望の性能を達成することは難しい。
また、電波は一般的に伝搬過程で減衰するので、受信信号の波形から抽出する特徴量には、雑音に対するロバスト性が求められる。
このように無線通信において信頼性の高いＳＥＩを実現するためには、受信信号の波形から雑音を含む不要信号成分が抑圧された特徴量の抽出を行い、特徴量に対応する送信源を高精度に識別することができる電波識別システムが必要である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、受信信号の波形から不要信号成分が抑圧された特徴を抽出して送信装置を精度よく識別することができる電波識別システムを得ることを目的とする。

この発明に係る電波識別システムは、送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部と、受信信号から抽出された既知信号の波形および辞書データにおける既知信号の波形を用いて受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する推定部と、推定部が推定した伝達関数に基づいて受信信号の等化を行う等化部と、等化された受信信号と辞書データとの相関性を評価して、当該受信信号を送信した送信装置を識別する評価部とを備える。

この発明によれば、受信信号の波形から不要信号成分が抑圧された特徴を抽出して送信装置を精度よく識別することができるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る電波識別システムの構成を示すブロック図である。 実施の形態１における特徴量抽出部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る電波識別システムの動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る電波識別システムの構成を示すブロック図である。 実施の形態２における特徴量抽出部の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る電波識別システムの動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電波識別システムの構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１における特徴量抽出部の構成を示すブロック図である。
電波識別システム１は、無線通信におけるセキュリティの向上を目的として、例えば、受信装置に搭載され、この受信装置が受信した信号の波形に基づき送信装置の個体識別を行う。その構成は、図１に示すように、同期部２、特徴量抽出部１００−１〜１００−Ｌおよび特徴量評価部２００を備えている。

同期部２は、送信装置からバースト送信された信号の同期処理を行う。例えば、送信装置から受信したＫ個のバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）（ｋ＝１〜Ｋ）についてタイミング同期と周波数同期を行う。

特徴量抽出部１００−ｌ（ｌ＝１〜Ｌ）は、受信信号の波形と送信装置ごとの送信信号の波形の辞書データとの相関性を評価するための特徴量を抽出する。その構成としては、図２に示すように、周波数変換部３−ｌ，１０２−ｌ，１０４−ｌ、等化部４−ｌ、時間変換部５−ｌ、相関部６−ｌ、辞書部１０１−ｌ、信号抽出部１０３−ｌ、および推定部１０５−ｌを備える。

周波数変換部３−ｌ，１０２−ｌ，１０４−ｌは、入力信号を周波数変換する。周波数変換には、例えば、高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる。ただし、周波数変換の方法は、他の方法であってもよく、高速フーリエ変換に限定されるものではない。

等化部４−ｌは、推定部１０５−ｌにより推定された伝達関数に基づき受信信号の等化を行う。例えば、ｋ番目のバースト信号（受信信号）波形の伝搬路の周波数領域における伝達関数に基づいて、周波数変換された上記受信信号の周波数領域等化を行う。
なお、等化部４−ｌが行う等化については図３を用いて後述するが、下記の参考文献１に記載される等化を用いることも可能である。
参考文献１；松本 正，衣斐 信介， “ターボ等化の基礎，及び情報理論的考察，” 電子情報通信学会論文誌B，vol.J90-B no.1，pp.1-16，Jan.，2007.

時間変換部５−ｌは、等化部４−１が等化した信号を入力して時間変換する。時間変換には、例えば、逆高速フーリエ変換（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる。ただし、時間変換の方法は、他の方法であってもよく、逆高速フーリエ変換に限定されるものではない。

相関部６−ｌは、時間変換部５−１により時間変換された等化後の信号と辞書データとの相関値を算出する。ここでは、等化後の信号と辞書データの共役との乗算値を積分処理した値の絶対値を算出する。このように相関処理に積分処理が含まれているので、雑音に対してロバストな相関値を得ることができる。
なお、相関部６−ｌの相関処理については図３を用いて後述するが、下記の参考文献２に記載される相関処理を用いることも可能である。
参考文献２；R．M．Gerdes， M．Mina，S．F．Russell，T．E．Daniels，“Physical-Layer Identification of Wired Ethernet Devices”IEEE Trans．on Information Forensics and Security，vol.7，no.4，pp.1339-1353，Aug., 2012.

辞書部１０１−ｌは、送信装置ごとの既知信号を含んだ送信信号の波形の辞書データを保持する。ここでは、電波識別システム１には、識別候補として１番目からＬ番目までのＬ個の送信装置が登録されており、１番目の送信装置の辞書データが辞書部１０１−１に保持され、２番目の送信装置の辞書データが辞書部１０１−２に保持され、この順で辞書データが保持され、最後にＬ番目の送信装置の辞書データが辞書部１０１−Ｌに保持されている。

なお、本発明は、送信装置が生成する送信信号の波形について、送信装置ごとの正解の波形があることを前提とする。正解波形は、例えば、様々な送信装置から過去に受信した信号のうち、受信した時間が近しかった信号や同じ送信装置からの信号であると識別された信号の波形を平均化して得ることができる。
辞書部１０１−ｌには、この平均化の処理によって不要信号成分とマルチパス成分とが抑圧された信号波形（正解波形）が辞書データとして保持される。

また、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式などの無線通信で伝送路推定または各種の同期処理を行うために送信信号に含められる既知信号や信号の立ち上がり区間における波形は、通信データのように送信ごとに異なる波形ではない。このため、既知信号の波形や信号の立ち上がり区間の波形を、送信装置ごとの正解波形として利用することが可能である。
例えば、送信信号に含まれる既知信号の波形や送信信号の立ち上がり区間の波形を送信装置ごとに特定して辞書データとして保持してもよい。
以降では、送信信号に含められる既知信号の波形に関する辞書データを保持する場合について主に説明する。

信号抽出部１０３−ｌは、受信信号から既知信号を抽出する。既知信号とは、上述したように伝送路推定または各種の同期処理を行うために送信信号に含められる信号である。例えば、送信信号の時間方向と周波数方向の配置が既知のパイロット信号などがある。

推定部１０５−ｌは、信号抽出部１０３−ｌにより受信信号から抽出された既知信号の波形と辞書部１０１−ｌが保持する辞書データに含まれる既知信号の波形を用いて、受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する。例えば、受信信号がＫ個のバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）（ｋ＝１〜Ｋ）である場合に、ｋ番目のバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）の波形の伝搬路の周波数領域における伝達関数は、ｋ番目のバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）から抽出された上記既知信号の波形とｌ（ｌ＝１〜Ｌ）番目の送信装置の辞書データにおける既知信号部分の波形とを用いて推定される。

特徴量評価部２００は、等化された受信信号と辞書データとの相関性を評価して、当該受信信号を送信した送信装置を識別する評価部である。例えば、相関部６−１〜６−Ｌによってそれぞれ算出された相関値を、受信信号と辞書データとの相関性を評価するための特徴量として利用する。

また、同期部２、特徴量抽出部１００−１〜１００−Ｌおよび特徴量評価部２００は、例えば、この発明に特有な処理を記述したプログラムをマイクロコンピュータが実行することで、ハードウェアとソフトウェアとが協働した具体的な手段として実現される。

なお、図１および図２では、識別候補の送信装置の個数分の特徴量抽出部１００−１〜１００−Ｌを備える構成を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、特徴量抽出部を１つだけ備え、この特徴量抽出部の辞書部が送信装置の個数分の辞書データを保持し、その他の構成要素が送信装置ごとに処理を行うように構成してもよい。

次に動作について説明する。
図３は、実施の形態１に係る電波識別システムの動作を示すフローチャートである。
以降では、送信装置からバースト送信されたＫ個のバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）（ｋ＝１〜Ｋ）を、受信装置にて受信したものとして説明を行う。ｔは時間である。
まず、同期部２は、受信されたバースト信号ｒ_ｋ（ｔ）（以下、受信信号ｒ_ｋ（ｔ）と記載する）についてタイミング同期を実施する（ステップＳＴ１）。ここでは、同期部２が、電力の次元で受信信号ｒ_ｋ（ｔ）を正規化し、正規化した受信信号ｒ_{ｎｏｍ ｋ}（ｔ）の振幅が最初に０．５に達する時点を基準としてタイミングを合わせる。
なお、相関処理などの後述する信号合成を高精度に行うため、下記式（１）のように、正規化で用いた重みＷ_ｋを導出してもよい。ただし、Ｅ［・］は期待値である。
Ｗ_ｋ＝Ｅ［（｜ｒ_ｋ（ｔ）｜^２）^０．５］ （１）

次に、同期部２は、タイミング同期を行った受信信号について周波数同期を実施する（ステップＳＴ２）。周波数同期を行う際には、識別候補の送信装置の個数、すなわち、辞書データの個数分だけ受信信号ｒ_{ｎｏｍ ｋ}（ｔ）のコピーを行い、信号ｒ_{ｎｏｍ ｋ，ｌ}（ｔ）（ｌ＝１，・・・，Ｌ）を得る。そして、各信号ｒ_{ｎｏｍ ｋ，ｌ}（ｔ）に含まれる既知信号に着目して、既知信号間の位相の変化を既知信号間の時刻差によって周波数に変換して、得られた周波数偏差に基づき信号全体の位相補正を行う。このとき初期位相補正も同時に行う。同期部２が同期処理を施した受信信号ｒ_{ｓｙｍ ｋ，ｌ}（ｔ）は、特徴量抽出部１００−ｌにそれぞれ出力される。

上述したように正規化後の受信信号を辞書データの個数分（Ｌ個）だけコピーすることにより、送信装置ごとに既知信号の配置が異なる場合であっても、辞書データの既知信号の配置と一致する受信信号については正しく周波数同期を行うことが可能である。
また、辞書データの既知信号の配置と一致しない受信信号は正しく周波数同期が行われず、この受信信号と辞書データとの相関性が劣化するので、識別精度の向上に寄与する。
なお、同期部２は、ビットタイミング抽出（Ｂｉｔ Ｔｉｍｉｎｇ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）や自動周波数制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いてタイミング同期や周波数同期を行ってもよい。

特徴量抽出部１００−ｌにおいて、同期部２から入力された受信信号ｒ_{ｓｙｍ ｋ，ｌ}（ｔ）は、周波数変換部３−ｌおよび信号抽出部１０３−ｌにそれぞれ出力される。
信号抽出部１０３−ｌは、受信信号ｒ_{ｓｙｍ ｋ，ｌ}（ｔ）から既知信号ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｔ）を抽出する（ステップＳＴ３）。既知信号ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｔ）は、信号抽出部１０３−ｌから周波数変換部１０４−ｌに送られる。周波数変換部１０４−ｌは、既知信号ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｔ）の周波数変換を実施する（ステップＳＴ４）。周波数変換後の既知信号Ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｆ）は推定部１０５−ｌに出力される。周波数変換には高速フーリエ変換を用いてもよく、他の方法であってもよい。

なお、無線通信方式によっては、時間領域で伝搬路の推定に利用可能な既知信号が畳み込まれて、周波数領域において直交している場合がある。この既知信号を利用する場合、上述した信号抽出部１０３−ｌと周波数変換部１０４−ｌの処理順を入れ替えてもよい。

一方、辞書部１０１−ｌは、ｌ番目の送信装置に関する辞書データの波形における既知信号ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｔ）を周波数変換部１０２−ｌに出力する。周波数変換部１０２−ｌは、辞書部１０１−ｌから入力した既知信号ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｔ）の周波数変換を実施する（ステップＳＴ５）。周波数変換後の既知信号Ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｆ）は、周波数変換部１０２−ｌから推定部１０５−ｌに出力される。
ここでの周波数変換には高速フーリエ変換を用いてもよく、他の方法であってもよい。
なお、辞書部１０１−ｌが保持する辞書データは、タイミング同期および周波数同期が実施済みであるものとする。

次に、推定部１０５−ｌは、受信信号から抽出した既知信号についての周波数変換後の信号Ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｆ）の波形と辞書データに含まれる既知信号についての周波数変換後の信号Ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｆ）の波形とを用いて、ｋ番目の受信信号波形の伝搬路の周波数領域における伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）を、下記式（２）に従って算出する（ステップＳＴ６）。
なお、伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）は伝搬路のインパルス応答であり、これを用いて伝搬路の影響をキャンセル可能な等化を行うことができる。得られた伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）は等化部４−ｌに出力される。
Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）＝Ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｆ）／Ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｆ） （２）

また、辞書データの既知信号に由来する信号Ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｆ）においても個体差が存在するため、伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）を正しく求められない場合がある。例えば、送信装置ごとに信号の立ち上がり区間でΔｔ_ｌの時間差が存在したことによってタイミング同期後の信号波形においても時間差Δｔ_ｌが存在する場合、正しい伝搬路の伝達関数をＨ_ｋ（ｆ）とし、正解波形の時間差をΔｔ_ｌ０とすると、伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）は、下記式（３）から算出することができる。
Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）＝Ｒ_{ｐｌｔ ｋ，ｌ}（ｆ）／Ｓ_{ｒｅｆ ｌ}（ｆ）
＝Ｈ_ｋ（ｆ）／ｅｘｐ｛−ｊ２π（Δｔ_ｌ−Δｔ_ｌ０）ｆ｝ （３）

上記式（３）では、正解波形である場合のみ、伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）は正しい伝達関数Ｈ_ｋ（ｆ）となり、その他の場合はΔｔ_ｌ−Δｔ_ｌ０の大きさに伴って誤差が生じる。後述する等化の処理では、この誤差の大きさに応じて等化の精度が劣化する。
このように、本発明における周波数領域等化は、不正解の波形を劣化させて正解として識別されないようにする効果もある。
ただし、本発明において等化は周波数領域に限定されるものでなく、時間領域で行ってもよい。

一方、周波数変換部３−ｌは、同期部２から入力した受信信号ｒ_{ｓｙｍ ｋ，ｌ}（ｔ）に周波数変換を実施して周波数変換後の信号Ｒ_ｋ，ｌ（ｆ）を算出する（ステップＳＴ７）。周波数変換後の受信信号Ｒ_ｋ，ｌ（ｆ）は、周波数変換部３−ｌから等化部４−ｌに出力される。なお、周波数変換には、高速フーリエ変換を用いてもよく、他の方法であってもよい。

等化部４−ｌは、周波数変換後の受信信号Ｒ_ｋ，ｌ（ｆ）とｋ番目の受信信号波形の伝搬路の周波数領域における伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）とを用いて、下記式（４）に従って周波数領域等化を実施して等化後の受信信号Ｅ_ｋ，ｌ（ｆ）を得る（ステップＳＴ８）。ただし、（・）^＊は共役を表す。αは０以上の大きさをもつ正の実数である。
Ｅ_ｋ，ｌ（ｆ）＝Ｒ_ｋ，ｌ（ｆ）Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）^＊／｛｜Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）｜^２＋α｝
（４）

上記式（４）において、αが０であると正確に等化が行われるが、不要信号が増幅される問題がある。一方でαの値が大きくなるに従って、等化の正確性は低くなるものの不要信号の強調が小さくできる。従って、等化部４−ｌでは、Ｒ_ｋ，ｌ（ｆ）に含まれる雑音を含む不要信号の量に基づいてαを決定し、Ｅ_ｋ，ｌ（ｆ）を求める。
このようにして得られたＥ_ｋ，ｌ（ｆ）は時間変換部５−ｌに入力される。

時間変換部５−ｌは、等化部４−ｌから入力した等化後の信号Ｅ_ｋ，ｌ（ｆ）に対して時間変換を実施する（ステップＳＴ９）。時間変換された信号ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）は、相関部６−ｌに出力される。なお、時間変換には、逆高速フーリエ変換を用いてもよく、他の方法であってもよい。

ステップＳＴ１０において、相関部６−１は、時間変換部５−ｌから入力したＫ個分の等化後の受信信号ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）を、下記式（５）に従って平均化して信号ｅ_ｌ（ｔ）を算出する。
ｅ_ｌ（ｔ）＝Ｅ［｛ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）／（Ｅ［｜ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）｜^２］）^０．５｝］
（５）

また、タイミング同期における正規化を実施する前の受信信号の電力を勘案して平均化を行う場合には、例えば、下記式（６）に従って平均化を行ってもよい。
ｅ_ｌ（ｔ）＝
Ｅ［｛Ｗ_ｋｅ_ｋ，ｌ（ｔ）／（Ｅ［｜Ｗ_ｋｅ_ｋ，ｌ（ｔ）｜^２］）^０．５｝］ （６）

次に、相関部６−ｌは、平均化した等化後の受信信号ｅ_ｌ（ｔ）と辞書部１０１−ｌから入力したｌ番目の送信装置に関する辞書データｓ_ｌ（ｔ）のそれぞれの立ち上がり区間の波形であるｅ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）とｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）を抽出する。
そして、相関部６−ｌは、抽出した信号ｅ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）とｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）を用い、下記式（７）に従って相関処理を実施する。相関処理により得られた相関値ｃ_ｌは、特徴量評価部２００に出力される。
なお、相関処理は、既知信号の波形部分に対して行うようにしてもよい。
ｃ_ｌ＝｜∫ｅ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）ｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）^＊ｄｔ｜ （７）

上記式（７）に示すように、相関部６−ｌによる相関処理は、積分処理を含む相関処理であり、この相関処理で得られた相関値が受信信号と辞書データとの相関性を示す特徴量とされる。従って、積分処理によって、受信信号の波形における雑音を含む不要信号成分が抑圧され、雑音に対してロバストな特徴量を得ることができる。

特徴量評価部２００は、相関部６−１〜６−Ｌからそれぞれ入力したＬ個の相関値ｃ_ｌ（ｃ_１〜ｃ_Ｌ）に基づいて受信信号と辞書データとの相関性を評価して、当該受信信号を送信した送信装置を識別する（ステップＳＴ１１）。評価方法としては、例えば、Ｌ個の相関値ｃ_１〜ｃ_Ｌの中で最大の相関値に対応する送信装置を、受信信号を送信した送信装置として識別する。

なお、上記実施の形態１では受信信号に対して等化を行う場合を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、辞書データに伝達関数を乗算することにより得られる波形と受信信号との相関性を評価する構成としても同様の効果を得ることが可能である。
この場合、例えば、図２で等化部４−ｌを省略した構成となり、相関部６−ｌが、受信信号から抽出した既知信号または立ち上がり区間の波形を平均化した信号と、辞書データにおける既知信号または立ち上がり区間の波形に伝達関数を乗算した信号を用いて、上記式（７）に従って相関値を算出する。特徴量評価部２００は、この相関値に基づいて受信信号と辞書データとの相関性を評価して、この受信信号を送信した送信装置を識別する。

以上のように、この実施の形態１によれば、送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部１０１−１〜１０１−Ｌを備え、推定部１０５−１〜１０５−Ｌが、受信信号から抽出された既知信号の波形および辞書データにおける既知信号の波形を用いて受信信号の伝搬路の伝達関数を推定し、等化部４−１〜４−Ｌが、推定部１０５−１〜１０５−Ｌが推定した伝達関数に基づいて受信信号の等化を行う。
そして、特徴量評価部２００が、等化部４−１〜４−Ｌによって等化された受信信号と辞書部１０１−１〜１０１−Ｌの辞書データとの相関性を評価して、この受信信号を送信した送信装置の識別を行う。
このように構成することで、受信信号の波形から不要信号成分が抑圧された特徴を抽出することができ、送信装置を精度よく識別することができる。

また、この実施の形態１によれば、推定部１０５−ｌは、受信信号の伝搬路の周波数領域における伝達関数Ｈ_ｋ，ｌ（ｆ）を推定し、等化部４−ｌは、受信信号の周波数領域等化を行う。このようにＳＥＩにおいて受信信号内の既知信号に着目して伝達関数を推定して周波数領域等化を行うことにより、受信信号の伝搬路の影響をキャンセルしながら不正解の識別結果を劣化させることができる。
なお、実施の形態１における等化は、無線通信における等化の概念を単純にＳＥＩ適用したものではない。すなわち、一般的な無線通信における等化では受信信号に対して等化を一通り行えばよいが、実施の形態１における等化は、識別候補の送信装置の個数に対応する辞書データごとに行われ、従来の無線通信を目的とした等化とは一線を画している。

非特許文献２，３では、非線形増幅特性を導出して信号波形の特徴量を求めていたが、この場合、信号に元々含まれている不要信号成分が増大する可能性があり、高精度な特徴量の抽出を行えない可能性があった。
これに対して、この実施の形態１によれば、等化された受信信号と辞書データの共役とを乗算して積分処理した相関値を特徴量として算出する相関部６−ｌを備えており、特徴量評価部２００は、相関部６−ｌが算出した相関値に基づいて受信信号と辞書データの相関性を評価する。このように非線形増幅特性を導出するのではなく、積分処理を含む相関処理により得られる相関値を、受信信号と辞書データとの相関性を評価するための特徴量として利用している。これにより受信信号の波形における不要信号成分が抑圧され、高精度な評価が可能な特徴量を求めることが可能である。

さらに、この実施の形態１によれば、相関部６−ｌは、等化された受信信号と辞書データのそれぞれの立ち上がり区間の波形から相関値を算出する。受信信号の立ち上がり区間の波形は、この信号を送信した送信装置における送信信号増幅器の非線形増幅特性が反映された波形となっているので、受信信号と辞書データとの相関性を正確に評価することが可能となる。

さらに、この実施の形態１によれば、相関部６−ｌは、等化された受信信号と辞書データのそれぞれに含まれる既知信号から相関値を算出する。
送信信号における既知信号の配置は送信装置ごとに決まっているので、受信信号と辞書データとで既知信号の配置が一致する場合は、受信信号と辞書データとの相関性を正確に評価することが可能な相関値が得られ、一致しない場合には、受信信号と辞書データとの相関性が劣化する。これにより、不正解の波形を的確に除くことができる。

さらに、この実施の形態１によれば、送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部１０１−１〜１０１−Ｌを備え、推定部１０５−１〜１０５−Ｌが、受信信号から抽出された既知信号の波形および辞書データにおける既知信号の波形を用いて受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する。特徴量評価部２００は、伝達関数が乗算された辞書データ（辞書データにおける既知信号または立ち上がり区間の波形）と受信信号（受信信号における既知信号または立ち上がり区間の波形）との相関性を評価して当該受信信号を送信した送信装置を識別する。このように構成することでも、上記と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る電波識別システムの構成を示すブロック図である。図５は、実施の形態２における特徴量抽出部の構成を示すブロック図である。
電波識別システム１Ａは、実施の形態１と同様に無線通信におけるセキュリティの向上を目的として、例えば受信装置に搭載され、この受信装置が受信した信号の波形に基づき送信装置の個体識別を行う。その構成は、図４に示すように、同期部２、特徴量抽出部１００ａ−１〜１００ａ−Ｌおよび特徴量評価部２００Ａを備えている。
なお、図４において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

特徴量抽出部１００ａ−ｌ（ｌ＝１〜Ｌ）は、受信信号の波形と送信装置ごとの送信信号の波形の辞書データとの相関性を評価するための特徴量を抽出する。
その構成としては、図５に示すように周波数変換部３−ｌ，１０２−ｌ，１０４−ｌ、等化部４−ｌ、特徴量抽出部７−ｌ、辞書部１０１−ｌ、信号抽出部１０３−ｌ、および推定部１０５−ｌを備える。
なお、図５において、図２と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

特徴量抽出部７−ｌは、等化された受信信号と辞書データのそれぞれの立ち上がり区間の周波数領域成分の特徴を示す特徴量を抽出する。例えば、周波数領域成分のスペクトルにおけるサイドローブの高さ、サイドローブと中心周波数との距離（周波数間隔）、ナルの深さ、ナル点と中心周波数との距離（周波数間隔）、左右のサイドローブの高さの比といった特徴量を抽出する。
特徴量評価部２００Ａは、特徴量抽出部７−ｌにより抽出された周波数領域成分の特徴量に基づいて受信信号と辞書データとの相関性を評価して、この受信信号を送信した送信装置の識別を行う。

また、同期部２、特徴量抽出部１００ａ−１〜１００ａ−Ｌおよび特徴量評価部２００Ａは、例えば、この発明に特有な処理を記述したプログラムをマイクロコンピュータが実行することで、ハードウェアとソフトウェアとが協働した具体的な手段として実現される。

なお、図４および図５では、識別候補の送信装置の個数分の特徴量抽出部１００ａ−１〜１００ａ−Ｌを備える構成を示したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、特徴量抽出部を１つだけ備え、この特徴量抽出部の辞書部が送信装置の個数分の辞書データを保持し、その他の構成要素が送信装置ごとに処理を行うように構成してもよい。

次に動作について説明する。
図６は、実施の形態２に係る電波識別システムの動作を示すフローチャートである。
図６において、ステップＳＴ１からステップＳＴ８までの処理は図３と同じであるので、説明を省略する。
ステップＳＴ９ａにおいて、特徴量抽出部７−ｌは、等化部４−ｌから入力したＫ個分の等化後の受信信号Ｅ_ｋ，ｌ（ｆ）を、下記式（８）に従って平均化して信号Ｅ_ｌ（ｔ）を算出する。
Ｅ_ｌ（ｔ）＝Ｅ［｛Ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）／Ｅ［（｜Ｅ_ｋ，ｌ（ｔ）｜^２）^０．５］｝］
（８）

また、タイミング同期における正規化を実施する前の受信信号の電力を勘案して平均化を行う場合には、例えば、下記式（９）に従って平均化を行ってもよい。
また、タイミング同期時に行った正規化前の信号電力を勘案して平均をとるのであれば、例えば下記式（９）に従って平均化を行ってもよい。
Ｅ_ｌ（ｔ）＝
Ｅ［｛Ｗ_ｋＥ_ｋ，ｌ（ｔ）／（Ｅ［｜Ｗ_ｋＥ_ｋ，ｌ（ｔ）｜^２］）^０．５｝］ （９）

平均化された信号Ｅ_ｌ（ｆ）の時間波形が矩形波であればｓｉｎｃ関数となるが、信号Ｅ_ｌ（ｆ）の立ち上がり区間には、過渡応答特性と非線形増幅特性が含まれているため、Ｅ_ｌ（ｆ）はｓｉｎｃ関数とならない。特に、非線形増幅特性の位相特性に奇数次の項が含まれている場合には、スペクトルが非対称になる。
そこで、特徴量抽出部７−ｌは、受信信号Ｅ_ｌ（ｆ）の立ち上がり区間における周波数領域成分の特徴量を、特徴量ベクトルｆ_{ｒｅｃ ｌ}として抽出する。

また、辞書部１０１−ｌは、ｌ番目の送信装置に関する辞書データの立ち上がり区間の信号ｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）を周波数変換部１０２−ｌに送る。周波数変換部１０２−ｌは、信号ｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｔ）を周波数変換し、周波数変換後の信号Ｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｆ）を辞書部１０１−ｌに返信する。周波数変換後の信号Ｓ_{ｒｍｐ ｌ}（ｆ）は、辞書部１０１−ｌから特徴量抽出部７−ｌに送られる。
特徴量抽出部７−ｌは、辞書部１０１−ｌから入力した辞書データの立ち上がり区間の周波数領域成分であるＳ_{ｒｍｐ ｌ}（ｆ）の特徴量を、特徴量ベクトルｆ_{ｄｉｃ ｌ}として抽出する。このようにして得られた特徴量ベクトルｆ_{ｒｅｃ ｌ}および特徴量ベクトルｆ_{ｄｉｃ ｌ}は、特徴量評価部２００Ａに出力される。

特徴量評価部２００Ａは、特徴量ベクトルｆ_{ｒｅｃ ｌ}と特徴量ベクトルｆ_{ｄｉｃ ｌ}を用い、下記式（１０）に従って特徴量Ａを算出する。そして、特徴量評価部２００Ａは、特徴量Ａに基づいて受信信号と辞書データとの相関性を評価し、この受信信号を送信した送信装置を識別する（ステップＳＴ１０ａ）。評価方法としては、例えば、最も小さな特徴量Ａに対応する送信装置を、この受信信号を送信した送信装置として識別する。
Ａ＝｜ｆ_{ｒｅｃ ｌ}−ｆ_{ｄｉｃ ｌ}｜^２ （１０）

以上のように、この実施の形態２によれば、特徴量評価部２００Ａは、等化された受信信号と辞書データのそれぞれの立ち上がり区間の周波数領域成分の特徴量に基づいて、受信信号と辞書データとの相関性を評価する。
このように構成することでも、受信信号の波形から不要信号成分が抑圧された特徴を抽出して送信装置を精度よく識別することができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１Ａ 電波識別システム、２ 同期部、３−１〜３−Ｌ，１０２−１〜１０２−Ｌ，１０４−１〜１０４−Ｌ 周波数変換部、４−１〜４−Ｌ 等化部、５−１〜５−Ｌ 時間変換部、６−１〜６−Ｌ 相関部、７−１〜７−Ｌ，１００−１〜１００−Ｌ，１００ａ−１〜１００ａ−Ｌ 特徴量抽出部、１０１−１〜１０１−Ｌ 辞書部、１０３−１〜１０３−Ｌ 信号抽出部、１０５−１〜１０５−Ｌ 推定部、２００ 特徴量評価部。

Claims (7)

1. 送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部と、
   受信信号から抽出された既知信号の波形および前記辞書データにおける既知信号の波形を用いて前記受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する推定部と、
   前記推定部が推定した伝達関数に基づいて前記受信信号の等化を行う等化部と、
   等化された前記受信信号と前記辞書データとの相関性を評価して、当該受信信号を送信した送信装置を識別する評価部とを備える電波識別システム。
2. 前記推定部は、前記受信信号の伝搬路の周波数領域における伝達関数を推定し、
   前記等化部は、前記受信信号の周波数領域等化を行うことを特徴とする請求項１記載の電波識別システム。
3. 等化された前記受信信号と前記辞書データの共役との乗算値を積分処理してなる相関値を算出する相関部を備え、
   前記評価部は、前記相関部が算出した相関値に基づいて前記受信信号と前記辞書データとの相関性を評価することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電波識別システム。
4. 前記相関部は、等化された前記受信信号と前記辞書データとのそれぞれの立ち上がり区間の波形から前記相関値を算出することを特徴とする請求項３記載の電波識別システム。
5. 前記相関部は、等化された前記受信信号と前記辞書データとのそれぞれに含まれる既知信号から前記相関値を算出することを特徴とする請求項３記載の電波識別システム。
6. 前記評価部は、等化された前記受信信号と前記辞書データのそれぞれの立ち上がり区間の周波数領域成分の特徴量に基づいて、前記受信信号と前記辞書データとの相関性を評価することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電波識別システム。
7. 送信装置ごとの既知信号を含む送信信号の波形の辞書データを保持する辞書部と、
   受信信号から抽出された既知信号の波形および前記辞書データにおける既知信号の波形を用いて前記受信信号の伝搬路の伝達関数を推定する推定部と、
   前記伝達関数が乗算された前記辞書データと前記受信信号との相関性を評価して、当該受信信号を送信した送信装置を識別する評価部とを備える電波識別システム。

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