[发明专利]基于多重间隔差分星座轨迹图的射频指纹提取方法

说明书

本发明涉及一种基于多重间隔差分星座轨迹图的射频指纹提取方法,具体包括如下步骤：步骤1：对接收基带I/Q信号预处理；步骤2：对I路和Q路采样后的信号使用延迟器分别控制延迟；步骤3：使用不同的采样点间隔进行差分处理；步骤4：将不同的采样点间隔差分星座轨迹图进行特征融合；步骤5：识别设备。本发明所获得的多重间隔差分星座轨迹图保持了各个差分星座轨迹图所具有的特征，信息量更为丰富，能够更好地展示不同设备的载波偏移的差异。同时可以提升对环境的鲁棒性，即使在低信噪比环境下也可以更好地完成无线设备身份的识别。并且多重差分间隔提取射频指纹特征在达到丰富可用特征的同时简化射频指纹提取的计算复杂度。

技术领域

本发明涉及通信与信息安全领域，具体说是一种基于多重间隔差分星座轨迹图的射频指纹提取方法。

背景技术

随着移动通信设备的不断普及和物联网技术的蓬勃发展，无线通信在军事和民用两方面都发挥着不可替代的作用，已成为现代社会不可或缺的一部分。然而，无线网络由于其开放性，相比于传统的有线网络更容易受到大规模的恶意攻击，其安全问题不容忽视。传统的保护无线网络安全的方法通常是基于密码机制的安全协议来实现对数据完整性和机密性进行保护，并实现对通信双方身份的认证。然而，实际的无线网络安全协议会存在漏洞。例如，IEEE 802.11无线局域网最初的有线等效加密协议易受统计分析攻击，蓝牙通信进行身份认证时易被盗取认证指令等。这些问题使得现有的身份认证机制存在重大安全隐患。因此，亟需寻找一种新型的安全机制来有效识别授权用户和非授权用户，从而降低来自恶意用户的潜在威胁。

近年来，无线通信设备的射频指纹提取和设备身份识别方法得到了国内外广泛的关注。该方法通过分析无线设备的通信信号来提取设备的“射频指纹(Radio FrequencyFingerprint,RFF)”。就像每个人有不同的指纹，每个无线设备固有的硬件差异会反映在通信信号中，形成该设备所固有的信号特征，即射频指纹。通过分析接收到的射频信号就可以提取出该特征。这种从物理层通信信号中提取设备硬件所产生的固有信号特征的方法被称为“射频指纹提取”。而利用射频指纹对不同的无线设备的身份进行识别的方法则称为“射频指纹识别”或“基于射频指纹的设备身份识别”。基于射频指纹的无线通信设备身份识别方法，可以有效发现伪装身份的无线设备，从而提高无线网络的安全性。

与本发明最相近的方案见于文献[1]。其主要思想是通过将接收到的信号变换为差分星座轨迹图获得其统计特征，可以在不获得设备发射信号先验知识的前提下进行设备的射频指纹特征提取，适用于物理层安全以及无线接入设备的身份识别及认证。该方法利用了发射机与接收机之间的载波频率偏差，通过对接收信号进行差分运算，将载波频率偏移转化为信号在星座轨迹图的复平面上的相位旋转。将一定数量的采用某一间隔获得的差分运算结果绘制在星座轨迹图的复平面上，即可获得采用该差分间隔的差分星座轨迹图。由于不同无线设备的载波频率偏移不同，其差分星座轨迹图所产生的相位旋转也不同。因此可以通过考察差分星座轨迹图中相位旋转的相似程度，来判断不同信号是否来自于同样的无线设备，以此作为无线设备身份识别的依据。

在上述传统方案中，差分间隔的选择决定了射频指纹的性质。当选取短的差分间隔时，由于进行差分运算的信号采样时间相隔较近，由载波频率偏移造成的累积相位偏移不明显，因此对载波频率偏移识别的分辨率不高，无法识别具有相近载波频率偏移的设备。而当选取长的差分间隔时，若某一设备的载波频率偏移较大，则其产生的累积相位偏移可能会超过，产生相位混淆，影响对无线设备的正确识别。由此可见，传统的基于单一差分间隔的差分星座轨迹图无法兼顾载波频率偏移分辨能力和载波频率偏移适用范围，导致无线设备识别性能有限。

缩略语、英文和关键术语定义列表：

1、DCTF：Differential Constellation Trace Figure，差分星座轨迹图

2、mDCTF：multi-level DCTF，多重间隔差分星座轨迹图

3、I/Q信号：In-phase/Quadrature signal，同相/正交信号