[發明專利]基于多重間隔差分星座軌跡圖的射頻指紋提取方法

有效

• 申請號: 201911317866.4
• 申請日: 2019-12-19
• 公開（公告）號: CN111163460B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 劉銘;韓曉藝;魏蘭蘭;彭林寧;王東;張軍霞;任佳鑫;劉念;鄭雅文
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: H04W12/06
• 分類號: H04W12/06
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

本發明涉及一種基于多重間隔差分星座軌跡圖的射頻指紋提取方法,具體包括如下步驟：步驟1：對接收基帶I/Q信號預處理；步驟2：對I路和Q路采樣后的信號使用延遲器分別控制延遲；步驟3：使用不同的采樣點間隔進行差分處理；步驟4：將不同的采樣點間隔差分星座軌跡圖進行特征融合；步驟5：識別設備。本發明所獲得的多重間隔差分星座軌跡圖保持了各個差分星座軌跡圖所具有的特征，信息量更為豐富，能夠更好地展示不同設備的載波偏移的差異。同時可以提升對環境的魯棒性，即使在低信噪比環境下也可以更好地完成無線設備身份的識別。并且多重差分間隔提取射頻指紋特征在達到豐富可用特征的同時簡化射頻指紋提取的計算復雜度。

技術領域

本發明涉及通信與信息安全領域，具體說是一種基于多重間隔差分星座軌跡圖的射頻指紋提取方法。

背景技術

隨著移動通信設備的不斷普及和物聯網技術的蓬勃發展，無線通信在軍事和民用兩方面都發揮著不可替代的作用，已成為現代社會不可或缺的一部分。然而，無線網絡由于其開放性，相比于傳統的有線網絡更容易受到大規模的惡意攻擊，其安全問題不容忽視。傳統的保護無線網絡安全的方法通常是基于密碼機制的安全協議來實現對數據完整性和機密性進行保護，并實現對通信雙方身份的認證。然而，實際的無線網絡安全協議會存在漏洞。例如，IEEE 802.11無線局域網最初的有線等效加密協議易受統計分析攻擊，藍牙通信進行身份認證時易被盜取認證指令等。這些問題使得現有的身份認證機制存在重大安全隱患。因此，亟需尋找一種新型的安全機制來有效識別授權用戶和非授權用戶，從而降低來自惡意用戶的潛在威脅。

近年來，無線通信設備的射頻指紋提取和設備身份識別方法得到了國內外廣泛的關注。該方法通過分析無線設備的通信信號來提取設備的“射頻指紋(Radio FrequencyFingerprint,RFF)”。就像每個人有不同的指紋，每個無線設備固有的硬件差異會反映在通信信號中，形成該設備所固有的信號特征，即射頻指紋。通過分析接收到的射頻信號就可以提取出該特征。這種從物理層通信信號中提取設備硬件所產生的固有信號特征的方法被稱為“射頻指紋提取”。而利用射頻指紋對不同的無線設備的身份進行識別的方法則稱為“射頻指紋識別”或“基于射頻指紋的設備身份識別”。基于射頻指紋的無線通信設備身份識別方法，可以有效發現偽裝身份的無線設備，從而提高無線網絡的安全性。

與本發明最相近的方案見于文獻[1]。其主要思想是通過將接收到的信號變換為差分星座軌跡圖獲得其統計特征，可以在不獲得設備發射信號先驗知識的前提下進行設備的射頻指紋特征提取，適用于物理層安全以及無線接入設備的身份識別及認證。該方法利用了發射機與接收機之間的載波頻率偏差，通過對接收信號進行差分運算，將載波頻率偏移轉化為信號在星座軌跡圖的復平面上的相位旋轉。將一定數量的采用某一間隔獲得的差分運算結果繪制在星座軌跡圖的復平面上，即可獲得采用該差分間隔的差分星座軌跡圖。由于不同無線設備的載波頻率偏移不同，其差分星座軌跡圖所產生的相位旋轉也不同。因此可以通過考察差分星座軌跡圖中相位旋轉的相似程度，來判斷不同信號是否來自于同樣的無線設備，以此作為無線設備身份識別的依據。

在上述傳統方案中，差分間隔的選擇決定了射頻指紋的性質。當選取短的差分間隔時，由于進行差分運算的信號采樣時間相隔較近，由載波頻率偏移造成的累積相位偏移不明顯，因此對載波頻率偏移識別的分辨率不高，無法識別具有相近載波頻率偏移的設備。而當選取長的差分間隔時，若某一設備的載波頻率偏移較大，則其產生的累積相位偏移可能會超過，產生相位混淆，影響對無線設備的正確識別。由此可見，傳統的基于單一差分間隔的差分星座軌跡圖無法兼顧載波頻率偏移分辨能力和載波頻率偏移適用范圍，導致無線設備識別性能有限。

縮略語、英文和關鍵術語定義列表：

1、DCTF：Differential Constellation Trace Figure，差分星座軌跡圖

2、mDCTF：multi-level DCTF，多重間隔差分星座軌跡圖

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