[發明專利]一種魯棒的低功耗設備射頻指紋識別方法

有效

• 申請號: 201910080693.2
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109921886B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 胡愛群;俞佳寶;彭林寧;李古月
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04L1/20
• 分類號: H04L1/20;H04B17/391;H04B17/00;G06K9/62
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 馮艷芬

本發明公開了一種魯棒的低功耗設備射頻指紋識別方法，包括：(1)采集不同信噪比仿真環境中低功耗設備的輸出信號；(2)對采集的信號進行預處理，并將預處理后的信號劃分成訓練集和驗證集；(3)對于訓練集中信號，選擇前導的最后i個符號作為訓練樣本，選擇設備型號作為對應標簽，進行卷積神經網絡訓練，得到目標信號區間為i的卷積神經網絡CNN_i；(4)采用驗證集得到每個信噪比區間下的最優目標信號區間；(5)計算待識別低功耗設備的輸出信號的信噪比，選擇該信噪比對應的最優目標信號區間i*，并將前導信號中最后i*個符號輸入卷積神經網絡CNN_i*進行識別，得到預測的設備型號。本發明可以在低功耗設備存在低功耗模式切換的情況下，有效地抵抗存在的半穩態現象，極大地提高設備識別性能。

技術領域

本發明涉及信息安全領域，尤其涉及一種魯棒的低功耗設備射頻指紋識別方法。

背景技術

隨著物聯網技術的蓬勃發展，尤其是其中ZigBee等低功耗設備在智能城市、智能交通、智能醫療等關鍵基礎設施中的不斷普及，其安全問題不容忽視。然而，傳統的設備身份認證通常關注于比特層的身份憑證，包括MAC地址和加密密鑰等，由于這些設備性能相對較差，入侵者容易攻破這些設備中的傳統的安全保護機制，從而獲得合法的身份憑證對整個網絡進行信息竊取和破壞。近年來，基于無線設備射頻指紋技術對無線設備進行識別和認證收到了廣泛的關注。射頻指紋是無線設備在生產制造過程中由于硬件容差和工藝技術導致的設備的本質特征，其具有唯一性和難以克隆的特性，可以有效抵御偽造、篡改等攻擊，可以用來進行低功耗設備的身份識別和認證。

現有的射頻指紋技術根據其提取特征的目標信號區間通常可以分成以下兩種，即瞬態射頻指紋技術和穩態射頻指紋技術。瞬態信號由于其持續時間極短，需要高成本的采集設備，因此，瞬態射頻指紋技術一般不適用于低功耗設備的指紋提取與識別，穩態射頻指紋技術使用相對便宜的采集設備更加合適。然而，ZigBee等低功耗設備大部分時間工作在低功耗模式(睡眠模式)，這些設備通常需要從低功耗模式中喚醒發送信號進行認證，當然，從正常模式直接發送信號進行認證這種情形也存在。當在存在低功耗模式切換時，由于喚醒期間的長電路啟動時間，存在半穩態現象，即前導的前幾個符號在不同次采集時不穩定。因此，現有的穩態射頻指紋技術將整個前導視為穩態部分在這種情況下并不合理。由于低功率設備和低功耗模式切換工作場景的普遍存在，一種可以處理半穩態信號段的魯棒的低功耗設備射頻指紋提取方法是是迫切需求的。

發明內容

發明目的：本發明針對現有技術存在的問題，提供一種魯棒的低功耗設備射頻指紋識別方法，實現對實際應用中低功耗設備的識別和認證。本發明通過預先模擬不同的信噪比，得到不同信噪比下的最佳目標信號區間，可以有效權衡半穩態信號中信號抖動、噪聲以及有助于設備識別的有效信息，從而在實際的環境中通過估計接收信號信噪比，選取最佳目標信號區間進行射頻指紋提取和識別，提高低功耗設備在實際使用中的識別性能。

技術方案：本發明所述的魯棒的低功耗設備射頻指紋識別方法包括以下步驟：

(1)采集不同信噪比仿真環境中低功耗設備的輸出信號，包括正常模式和從低功耗模式切換到正常模式的信號；

(2)對不同信噪比仿真環境中采集的信號進行預處理，并將預處理后的信號按預設比例隨機劃分成訓練集和驗證集；

(3)對于訓練集中的所有信號，選擇其前導的最后i個符號作為訓練樣本，即目標信號區間為i的訓練樣本，選擇訓練樣本的設備型號作為對應標簽，進行卷積神經網絡訓練，從而得到目標信號區間為i的卷積神經網絡CNN_i，其中，i＝1,…,n，n為前導符號個數；

(4)將驗證集按照采集環境的信噪比區間劃分為多個子集合，對于每個信噪比區間對應的子集合中的信號，分別采用訓練好的n個卷積神經網絡進行指紋識別，將識別準確率最高的卷積神經網絡對應的目標信號區間作為該信噪比區間下的最優目標信號區間；