專利名稱：基于射頻指紋的無線發射機的識別方法
技術領域：
本發明涉及無線通信設備領域，尤其涉及一種基于射頻指紋的無線發射機的識別方法。
背景技術：
隨著安全威脅的逐步增多，無線網絡的物理層安全方法正得到越來越多的關注。根據射頻指紋(RF fingerprints,簡稱RFF)識別無線設備從而實現其接入控制已被提出用來增強無線網絡的物理層安全。RFF可概括為攜帶了無線電發射機硬件信息的接收無線電信號的變換，并且這種變換具備可比性。由開機瞬態信號變換而來的turn-on RFF是經典的RFF,包括包絡turn-on RFF與相位turn-on RFF等。圖Ia-圖Ie揭示了五個Wi-Fi 802. llb/g無線網卡的包絡turn-on RFF樣本對齊圖，其中圖Ia-圖Ie中的每一個圖分別對應一個無線網卡，每個圖中樣本數為50。圖Ia揭示了卡I (card-1)的包絡turn-on RFF及其后的barker碼包絡，由圖Ia可知，該型號無線網卡首先以階躍方式到達額定功率，然后進行Barker碼發送；如圖Ia所示，截取其頭部包含瞬態信號的Iusec長包絡作為該無線網卡的包絡turn-on RFF(以下簡稱為turn-onRFF)。圖I中圖lb、lc、ld及Ie分別為同一廠家相同型號的另外4個無線網卡的50個turn-on RFF樣本的對齊圖。由圖Ia-Ie可知，該五個無線網卡的turn-on RFF差異很小。此外，在 I. 0. Kennedy、P. Scanlon 和 M. M. Buddhikot 共同發表的題為 “PassiveSteady State RF Fingerprinting A Cognitive Technique for Scalable Deployment ofCo-Channel Femto Cell Underlays，，(發表于 Proc. IEEE New Fron. in Dyn. Spec. AccessNetworks (DySPAN/ 08), 2008, PP. 1-12)的論文中指出tu rn-on RFF所需采樣率極高，因而其實用價值有限。最近，出現了把前導穩態信號功率譜、頻偏及調制域參數等作為RFF用來識別無線電設備的探索研究。有關RFF的研究歷史表明，根據RFF識別無線電發射機是一個極其困難的問題。
發明內容
本發明旨在提出一種利用功率斜升期間發送的前導信號進行變換的射頻指紋識別技術。根據本發明，提出一種基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，包括接收無線發射機發射的無線信號，無線信號是無線發射機在功率漸升的同時發射的前導序列信號；檢測無線信號的參考時刻；根據檢測到的參考時刻對無線信號進行前導信號的截取；把截取后的前導信號變換為射頻指紋；對變換后的射頻指紋進行特征提取，進行無線發射機的識別。在一個實施例中，檢測無線信號的參考時刻包括根據對應的IEEE標準設計相關模板b(t)，b(t)與前導基本周期的包絡幅度函數epOTi(t)的形狀相似；計算接收的無線信號的前導包絡e(t);計算前導包絡e(t)與相關模板b(t)的相關c(t);根據c(t)性質確定接收無線信號的參考時刻，根據參考時刻對無線信號進行截取和對齊。在一個實施例中，無線信號是Wi_Fi802. llb/g信號，該Wi_Fi802. llb/g信號的前
Nramp - 'N~l
導包絡e(t)為沖)=尸0)x藝epen(t-mxTp)+ ^ ‘(卜似7；);其中，P⑴是功率漸升
m=0n=Nramp
導致的包絡幅度函數，0 < t < Nramp XTp ；Nramp是功率漸升階段的基本周期個數；TP是基本周期；epOTi(t)是前導基本周期的包絡幅度函數小是前導基本周期總數。
在一個實施例中，計算前導包絡e(t)與相關模板b(t)的相關
cit) =b(T) xe(t + T)dT ;其中，當 t = Nramp X Tp 時 c ⑴值是 Nramp X Tp 彡 t < (Nramp+1) X Tp
內c(t)的局部最大值；當t彡NrampXTp時c(t)具有周期為Tp的局部最大值。在一個實施例中，根據c (t)性質確定接收無線信號的參考時刻包括搜索c(t)的局部最大值，找到第一個局部最大值的時刻t = NrampXTp，并且第二個局部最大值時刻與t=NrampX Tp之間間隔時間為基本周期Tp長，t = Nramp X Tp作為接收Wi-Fi802. I lb/g信號的參考時刻，根據檢測到的參考時刻對接收Wi-Fi802. llb/g信號進行截取，然后把截取后的Wi-Fi802. llb/g信號變換為射頻指紋。本發明的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法利用功率斜升期間發送的前導信號變換得到的ramp-up RFF，具有RFF可分性優并且所需采樣率低的優勢，ramp-up RFF可用于基于前導的無線設備多RFF識別，從而實現無線網絡物理層安全增強等目的。
圖Ia-圖Ie揭不了五個符合Wi-Fi 802. llb/g無線網卡的包絡turn-on RFF樣本對齊圖。圖2揭示了 RFF識別系統的等效線性時不變(LTI)模型。圖3a-圖3e揭示了 Ramp-up RFF子類的樣本對齊圖。圖4揭示了根據本發明的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法的流程圖。圖5揭示了根據發明的一實施例中檢測無線信號的參考時刻的流程圖。圖6揭示了根據本發明的一實施例中檢測無線信號的參考時刻的過程中的IEEE802. Ilb的前導包絡e (n)、相關模板b (n)及與相關c (n)。圖7揭示了圖6所示的實現中進行對齊后的前導包絡射頻指紋的疊加圖。
具體實施例方式首先結合附圖2和附圖3a_3e介紹一下本發明的理論依據根據射頻指紋(RF fingerprints,簡稱RFF)識別無線設備是具有潛力的無線網絡物理層認證方法之一，然而，經典的turn-on RFF等實用價值有限。可分性比turn-on RFF更優并且其所需采樣率更低的RFFjIS ramp-up RFF在識別無線設備方面具有很高的應用價值。首先構建RFF識別系統的線性時不變等效模型；然后基于等效模型提出ramp-upRFF的產生方法，即無線發射機功率漸升的同時發送前導序列，變換功率漸升期間的前導信號為ramp-up RFF ;最后采用Wi-Fi無線網卡對ramp-up RFF及其優點進行實驗驗證。Ramp-up RFF可應用于基于前導的無線發射機的多RFF識別中；Ramp_up RFF的產生方法可應用到相關無線設備的設計制造并規定到相關標準中。RFF識別系統的等效線性時不變(LTI)模型如圖2所示。其中，m(t)為待識別無線發射機的基帶等效，htx(t)與hTCV(t)分別為待識別無線發射機與接收系統的結構及內部構件實際值Vi, i = 1,2,3...與V」，j = 1,2,3...確定的等效沖擊響應，heh(t)為無線信道的等效沖擊響應，n(t)為等效AWGN噪聲，r(t)為接收信號，T {r (t)}為r(t)的變換。當“RFF變換”使T{r(t)}僅為Vi的函數，并且不同無線發射機的T {r (t)}具備可比性時，T{r(t)}可作為RFF用于無線發射機的識別。由于構件容差的存在，RFF具備唯一性。圖2中的接收信號為 r (t) = [m(t)*htx(t)*hch(t)+n(t)]*hrcv(t) (I)其中，*表示卷積運算。經典的turn-on RFF等價于式(I)中r(t)為單位階躍響應(m(t)為單位階躍激勵u (t)，等價于發射機功率以階躍方式到達額定發射功率)時的變換；假設理想的“RFF變換”去除了 hjthna)與hTCV(t)的影響，即T{r(t)}僅為m(t)與htx(t)的函數，表示為T {r (t)} = F1 {u (t), htx (t)} (2)其中Fk，k= 1，2，3...表示不同函數。由于不同無線發射機的單位階躍激勵u (t)具備可比性，又由于htx(t)僅由待識別無線發射機的硬件性質(結構及構件實際值Vi)唯一確定，因而不同無線發射機的式(2)具備可比性，可表示為T{r(t)} = FilmU), htx(t)} (3)= F2 (Vi, i = 1,2,3...}可作為RFF (即turn-on RFF)用于無線發射機的識別。當無線發射機采用斜升方式進行功率控制，并且功率斜升的同時進行前導序列發送時，功率斜升期間的接收前導信號r(t)可等效為w(0 = [^ Z ~ tP )] * mI(4)
P其中為功率斜升控制的等效乘性激勵，Ap為功率斜升幅度，T p與
P分別為功率斜升步長及其序號，Hi1U)為功率斜升期間發送的前導信號。假設理想的“RFF變換”去除了 h Jthna)與hTCV(t)的影響，表示為T {r(t)} = F3 {Ap, u(t), x p, p, In1 (t), htx(t)} (5)式(5)中，Ap，xp,p,htx(t)由待識別無線發射機的硬件性質唯一確定,Hi1 (t)是先驗且確定的，并且單位階躍激勵u(t)也是確定的，因而不同無線發射機的式(5)具備可比性;所以式(5)T {r(t)} = F3 {Ap, u(t), x p, p, In1 (t), htx(t)} (6)= F4 {Ap, T p, p, Vi, i = I, 2, 3. . . }作為一種新的RFF(即ramp-up RFF)用于基于前導的無線發射機識別。對比式(6)與式(3)可知影響ramp-up RFF的因素比影響turn-on RFF的因素增加了功率斜升控制參數Ap，Tp, p ;而在射頻段，容差引起的構件微小差異會產生發送信號的較大差異；所以ramp-up RFF可分性比turn-on RFF可分性優。另外，根據式⑷可知,ramp-up RFF的功率斜升時間比turn-on RFF的瞬態時間長且可控，所以在用于RFF變換的接收無線信號樣點數相同的條件下，ramp-up RFF所需采樣率比turn-on RFF所需采樣率低；當延長功率斜升時間后，ramp-up RFF所需采樣率將更低。據此，基于前導的無線發射機ramp-up RFF產生方法可總結為功率斜升同時發送前導序列，變換功率斜升期間的接收前導信號為RFF用于無線發射機識別。圖3a_3e揭示了對于上述理論的實驗驗證結果。由于IEEE 802. llb/g規定其物理層包的直序擴頻前導(DSSS-preamble)采用產生ramp-on RFF的這種功率漸升同時發送前導序列方式，因而同一廠家同一型號的Wi-Fi802. Ilb無線網卡被用于實驗。構建一個“RF信號采集與處理系統”用于Wi-Fi 802. Ilb無線網卡的DSSS-preamble分析。無線網卡安裝于計算機，設定為ad_hoc工作模式，工作頻道為2. 412GHz,無線網卡不斷發送包宣布其存在。一個外接高增益天線的Agilent射頻示波器54854A用于RF信號采集，采樣率為lOGSps，垂直分辨率為8bit。采集時，戶內溫度與濕度保持恒定；并且對采集場所進行了電磁屏蔽；待識別無線網卡天線與接收天線距離約為IOcm018只D-Link AirPlus USB Wi-Fi 802. Ilb無線網卡被用于實驗，功率設為“continuous access”模式,前導設為“short”模式。采用構建的“RF信號采集與處理系統”采集每只無線網卡的RF包，并采用Matlab (歸一化、下變頻、帶通濾波、下采樣為llOMSps及增加AWGN噪聲)與Simulink(costas PLL)進行軟件無線電處理,得到其DSSS-preamble的基帶信號A (n)及其正交分量r, (n)，則其包絡為
權利要求
1.一種基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，其特征在于，包括 接收無線發射機發射的無線信號，所述無線信號是無線發射機在功率漸升的同時發射的前導序列信號； 檢測所述無線信號的參考時刻； 根據檢測到的參考時刻對所述無線信號進行前導信號的截取； 把截取后的前導信號變換為射頻指紋； 對變換后的射頻指紋進行特征提取，進行無線發射機的識別。
2.如權利要求I所述的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，其特征在于，檢測所述無線信號的參考時刻包括 根據對應的IEEE標準設計相關模板b(t)，b(t)與前導基本周期的包絡幅度函數eperi (t)的形狀相似； 計算接收的無線信號的前導包絡e(t)； 計算前導包絡e(t)與相關模板b(t)的相關c(t)； 根據c(t)性質確定接收無線信號的參考時刻，根據參考時刻對無線信號進行截取和對齊。
3.如權利要求2所述的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，其特征在于，所述無線信號是Wi-Fi802. llb/g信號，該Wi-Fi802. llb/g信號的前導包絡e (t)為
4.如權利要求3所述的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，其特征在干，計算前導包絡e(t)與相關模板b(t)的相關c(t)包括
5.如權利要求4所述的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，其特征在于，根據c(t)性質確定接收無線信號的參考時刻包括 捜索c(t)的局部最大值，找到第一個局部最大值的時刻t = NrampXTp,并且第二個局部最大值時刻與t = NrampXTp之間間隔時間為基本周期Tp長，t = NmpXTp作為接收Wi-Fi802. llb/g信號的參考時刻，根據檢測到的參考時刻對接收Wi-Fi802. llb/g信號進行截取，然后把截取后的Wi-Fi802. llb/g信號變換為射頻指紋。
全文摘要
本發明揭示了一種基于射頻指紋的無線發射機的識別方法，包括接收無線發射機發射的無線信號，無線信號是無線發射機在功率漸升的同時發射的前導序列；檢測無線信號的參考時刻；根據檢測到的參考時刻對無線信號進行前導信號的截取；把截取后的前導信號變換為射頻指紋；對變換后的射頻指紋進行特征提取，進行無線發射機的識別。本發明的基于射頻指紋的無線發射機的識別方法利用功率斜升期間發送的前導信號變換得到的ramp-up RFF(Radio Frequency Fingerprints，簡稱RFF)，具有RFF可分性優并且所需采樣率低的優勢，ramp-up RFF可用于基于前導的無線設備的多RFF識別，從而實現無線網絡物理層安全增強等目的。
文檔編號G06K7/00GK102693411SQ20111007422
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者包志華, 周暉, 喜琍, 張士兵, 徐晨, 朱海峰, 楊永杰, 王志亮, 章國安, 胡愛群, 蔣華, 袁紅林, 高月紅 申請人:南通大學