[發(fā)明專利]一種基于主成分分析和殘差網(wǎng)絡的物理層認證方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010311808.7
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111541632B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設計）人: 潘緋;李曉凡;蒲海波;王維;郭艷
• 申請（專利權）人: 四川農(nóng)業(yè)大學
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04L29/08;H04L29/06
• 代理公司: 成都巾幗知識產(chǎn)權代理有限公司 51260
• 代理人: 邢偉

本發(fā)明公開了一種基于主成分分析和殘差網(wǎng)絡的物理層認證方法,包括以下步驟：S1.利用接收機提取來自已知合法終端和非法終端的原始信道矩陣，上傳到云端服務器；依據(jù)主成分分析方法，對每一個原始信道矩陣進行主成分分析以實現(xiàn)降維，得到降維信道信息集；S2.在每一個維度下，云端服務器分別將降維信道信息集離線地劃分為訓練集和驗證集，得到各個維度對應的訓練集和驗證集；S3.在每一個維度下，云端服務器將該維度對應的訓練集和驗證集輸入改進的殘差網(wǎng)絡進行離線訓練和驗證，得出信道認證的最優(yōu)維度和改進的殘差網(wǎng)絡的最優(yōu)模型，并將其發(fā)送給接收機；S4.接收機基于最優(yōu)維度和改進的殘差網(wǎng)絡的最優(yōu)模型，實現(xiàn)對未知信道信息的在線認證。本發(fā)明物理層認證方法具有準確率高，受噪聲影響小的優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明涉及無線通信中的物理層信道認證方案，尤其是涉及一種基于主成分分析和殘差網(wǎng)絡的物理層認證方法。

背景技術

物理層認證是一種在無線通信系統(tǒng)中的安全認證方案，其基本思想是利用通信雙方之間的無線信道指紋，即信道的空時唯一性，來區(qū)分發(fā)射節(jié)點。相對于基于密碼學的上層認證方案，基于信道指紋的物理層認證方案消耗的計算資源少，認證效率高。當前的物理層認證主要使用的方案有兩大類，一類是基于閾值篩選的方案，這種方案在移動場景下的認證準確率與理想值相差較大。CN109862563A針對此類方案準確性不高的問題提出了一種改進，但本質仍然是基于閾值篩選的方法。另一類物理層認證是基于傳統(tǒng)機器學習的方案，如CN108718292中使用的SVM(Support Vector Machine,支持向量機)；CN108924836B使用的DNN(Deep Neural Networks，深度神經(jīng)網(wǎng)絡)，CN108924150A中使用的BPNN(BackPropagation Neural Network，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡)等。另外，陳潔，陳松林，文紅等提出了一種基于Adaboost的物理層信道認證模型，采用了基于自適應增強(Adaboost)的物理層認證方案。然而，以上基于傳統(tǒng)機器學習的物理層信道認證方案的準確率與普適性雖有所改進，但仍有不足。

當前在機器學習領域最流行的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN，Convolutional NeuralNetwork)方法，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(DNN)以及反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(BPNN)等傳統(tǒng)機器學習算法有較大區(qū)別，因為其解決了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡參數(shù)太多，很難訓練的問題，另外，CNN使用了“局部感受”和“權值共享”的概念，大大減少了網(wǎng)絡參數(shù)的數(shù)量，加快了運算效率且有效防止了過擬合。

殘差網(wǎng)絡(ResNet)由Deep Residual Learning for Image Recognition一文提出，其在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的基礎上，加入了一個恒等映射模塊，解決了過去神經(jīng)網(wǎng)絡隨著網(wǎng)絡加深出現(xiàn)的梯度消失和梯度爆炸問題，從而有效地提高了準確率。但是，殘差網(wǎng)絡本身通常用來處理二維數(shù)據(jù)，用于處理一維數(shù)據(jù)是并不合適的；主成分分析(PCA，PrincipalComponent Analysis)方法通過某種線性投影，將高維的數(shù)據(jù)映射到低維的空間中，并期望在所投影的維度上數(shù)據(jù)的信息量(方差)最大，也就是從信道矩陣中有效地提取影響認證的主要元素，在降低數(shù)據(jù)維度的同時，使得“信息”損失較小。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于主成分分析和殘差網(wǎng)絡的物理層認證方法，有效地提高了物理層認證的準確率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種基于主成分分析和殘差網(wǎng)絡的物理層認證方法，包括以下步驟：

S1.利用接收機提取來自已知合法終端和非法終端的原始信道矩陣，并構建信道信息集上傳到云端服務器；

云端服務器依據(jù)主成分分析方法，離線地對原始信道矩陣進行主成分分析以實現(xiàn)降維，得到降維信道信息集；在進行主成分分析降維時，基于不同的降維維度，最終得到多個不同維度的降維信道信息集；