基于星座軌跡圖像特征的設備指紋提取及設備識別方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線通信和通信安全領域，具體涉及一種基于星座軌跡圖像特征的設 備指紋提取及設備識別方法。
【背景技術】
[0002] 隨著信息技術的發展，移動互聯網用戶數急劇上升。用戶使用的終端包括手機，平 板電腦，筆記本，臺式電腦等等，可謂無處不遍及人們的工作生活。對接入設備的身份進行 認證是保障通信系統安全的重要步驟。在傳統的無線通信系統中，設備接入時的認證主要 是依靠傳統的口令以及數字證書的方法來完成。
[0003] 近年的研究表明，可以通過無線通信系統發射的電磁波，提取其設備的射頻特征。 射頻指紋是指能夠產生射頻信號的發射器硬件模塊或設備所具有的物理特征，這個物理特 征從發射器發射的射頻信號中提取，作為識別發射器硬件模塊或設備的依據。目前研究表 明，類似于人類指紋的差異性，射頻指紋在當前的技術條件下具有可區分性，即可以把射頻 指紋作為區分不同發射器硬件模塊或設備的一種標準，并且具有應用價值。
[0004] 射頻指紋特征提取除了基于瞬態響應的射頻指紋提取方法及穩態響應的射頻指 紋提取方法，還可以通過星座軌跡圖的方法進行提取。使用星座軌跡圖進行射頻指紋特征 提取，可以在不了解目標設備先驗信息的情況下獲得目標設備發射的射頻信號的特征。
【發明內容】
[0005] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于星座軌跡圖像 特征的設備指紋提取及設備識別方法，從設備發射信號的星座軌跡圖中提取圖像特征作為 設備指紋，基于得到的無線設備射頻指紋特征，可以對接入的無線設備身份進行識別及認 證。
[0006] 技術方案:為實現上述目的，本發明提供一種基于星座軌跡圖像特征的設備指紋 提取及設備識別方法，包括以下步驟：
[0007] (1)認證判斷設備接收其合法設備的發射信號得到數字調制信號，并利用IQ信號 建立星座圖；
[0008] (2)對所述星座圖中的星座點進行階梯化處理得到星座軌跡圖，并提取所述星座 軌跡圖的內、外輪廓；
[0009] (3)提取所述星座軌跡圖的內、外輪廓的形狀特征S作為樣本；
[0010] (4)判斷采集的樣本數是否達到預設的數量，若是，則利用步驟(3)中提取的形狀 特征S建立所述合法設備的設備指紋F，并將該設備指紋F存儲在合法設備指紋樣本庫中； [0011] (5)當接入設備向所述認證判斷設備發送通信請求時，所述認證判斷設備的接收 端提取所述接入設備的設備指紋，并與所述合法設備指紋樣本庫中存儲的設備指紋進行比 對，若在所述合法設備指紋樣本庫中匹配到所述接入設備的設備指紋，則所述接入設備為 合法設備，若沒有匹配到所述接入設備的設備指紋，則所述接入設備為非法設備。
[0012]進一步地，若步驟(4)中采集的樣本數沒有達到預設的數量，則本發明方法進行以 下步驟：
[0013]改變所述IQ信號的時間窗口 W的寬度和位置，重復步驟⑵和步驟(3 )，對于一窗口 Wi，獲取其對應的形狀特征*^ ;
[0014] 改變所述IQ信號的采樣率R，重復步驟(2)和步驟(3)，對于一采樣率Ri，獲取其對 應的形狀特征\:
[0015] 進入步驟⑷。
[0016] 其中，步驟(2)中所述的階梯化處理是指在任意兩個星座點（^，71)，（12,72)中增 加(XI，y2)，將星座圖中的(XI，y 1)先連接(XI，y2)再連接(X2，y2)得到所述的星座軌跡圖。
[0017] 其中，步驟(3)中提取所述星座軌跡圖內外輪廓的形狀特征S，包括以下步驟：
[0018] 確定坐標：以坐標(0,0)為原點，以過原點的水平線為橫坐標，以過原點且與橫坐 標垂直的豎直線為縱坐標，橫、縱坐標將所述星座軌跡圖劃分為四個部分得到四個象限；
[0019] 確定星座軌跡圖外輪廓的標準形狀：以所述星座軌跡圖的外輪廓為外輪廓的初始 形狀，對所述外輪廓的初始形狀上各點求幅度值，分別獲取四個象限上幅度值的極值點，當 某一象限上出現極值相同的點時，則取這些點的幾何中點作為極值點；按順時針或逆時針 依次連接所獲取到的極值點，形成一個四邊形作為星座軌跡圖外輪廓的標準形狀；
[0020] 確定星座軌跡圖內輪廓的標準形狀：以所述星座軌跡圖的中心最大空白區域作為 內輪廓的初始形狀，在內輪廓中選取4個點，按順時針或逆時針依次連接這4個點形成一個 四邊形作為星座軌跡圖的內輪廓的標準形狀;所述4個點為:橫坐標最大值對應的點，橫坐 標最小值對應的點、縱坐標最大值對應的點、縱坐標最小值對應的點；
[0021] 確定形狀特征S:
[0022]所述形狀特征 S 為集合S = {Son、S〇i2、S〇i3、S〇i4、Sodi、S〇d2、C。、S〇a、S〇 s、Sm、Su2、Su3、 Sil4、Sidl、Sid2、Ci、Sia、Sis}，其中，Soll、Sol2、Sol3、Sol4分別為外輪廓的標準形狀的各邊邊長， Sck^Sw*別為外輪廓的標準形狀的各對角線長度，S〇a為外輪廓的兩條對角線夾角角度，C。 為外輪廓的中心點，SosS外輪廓的不對稱度;Sill、Sil2、Sil3、Sil4分別為內輪廓的標準形狀的 各邊邊長，s ldl、sld2分別為內輪廓的標準形狀的兩個對角線的長度，Ci為內輪廓的中心點， Sla為內輪廓的兩條對角線夾角角度;Sls為內輪廓的不對稱度。
[0023]其中，所述外輪廓的不對稱度心8的定義為：以角度1°為間隔，分別從原點引出360 條線，求取這360條線與所述星座軌跡圖外輪廓的初始形狀及外輪廓的標準形狀的兩個交 點的幅度差，各幅度差依次排列所形成的向量;所述內輪廓的不對稱度S is的定義為：以角度 1°為間隔，分別從原點引出360條線，求取這360條線與所述星座軌跡圖內輪廓的初始形狀 及內輪廓的標準形狀的兩個交點的幅度差，各幅度差依次排列所形成的向量。
[0024]為了減少存儲空間，所述外輪廓的不對稱度S〇s的定義可進一步為：以角度1°為間 隔，分別從原點引出360條線，求取這360條線與所述星座軌跡圖外輪廓初始形狀及圖5的外 輪廓標準形狀的兩個交點的幅度差，以每個象限為一個分組，對所述幅度差進行分組求和， 得到四維不對稱度;所述內輪廓的不對稱度S ls的定義為：以角度1°為間隔，分別從原點引出 360條線，求取這360條線與所述星座軌跡圖內輪廓的初始形狀及內輪廓的標準形狀的兩個 交點的幅度差，以每個象限為一個分組，對所述幅度差進行分組求和，得到四維不對稱度。
[0025] 有益效果:本發明中基于星座軌跡圖像特征的設備指紋提取及設備識別方法，利 用發射信號的星座圖軌跡形成設備指紋，并進一步利用已經存儲的設備指紋進行無線設備 的身份認證和識別。該方法不同于傳統的采用密碼機制與安全協議的身份認證算法，是一 種基于物理層特征的非密碼認證方法。因此，本發明方法具有一定先進性和有效性，為無線 設備的安全通信提供了新思路。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明中基于星座軌跡圖像特征的設備指紋提取及設備識別方法的流程 圖；
[0027]圖2為階梯化處理星座圖的示意圖；
[0028] 圖3為CC2530芯片的0QPSK信號星座圖；
[0029] 圖4為CC2530芯片的0QPSK信號星座軌跡圖；
[0030] 圖5為圖4中星座軌跡圖內、外輪廓的標準形狀；
[0031] 圖6為改變時間窗口 W獲得的一種星座軌跡圖；
[0032] 圖7為改變采樣率R獲得的一種星座軌跡圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0034]為了方便理解，本實施例以三個無線通信設備:第一設備、第二設備、第三設備為 例來進行說明本發明中基于星座軌跡圖像特征的設備指紋提取及設備識別方法方法，第一 設備和第二設備之間存在信息互通，彼此為對方的合法設備;在兩個設備之間進行信息互 通之前，其中一設備的發送端會向對方的接收端發送通信請求，第二設備和第三設備均是 第一設備的接入設備，即向第一設備發送通信請求的設備，第一設備成為認證判斷設備。以 第一設備的接收端為例，該第一設備可以接收到第二、第三設備發送過來的無線信號，第一 設備接收到某一接入設備的通信請求時，對該設備進行身份認證，判斷其是否為合法設備， 若為合法設備則可進行后續通信。
[0035] 如圖1所示，本發明中基于星座軌跡圖像特征的設備指紋提取及設備識別方法主 要包括合法設備指紋樣本庫的建立和通信請求設備的指紋匹配，具體包括如下步驟：
[0036] (1)第一設備的接收端接收第二設備(本實施例中第一設備的合法設備)的發射信 號得到數字調制信號，并利用IQ信號建立星座圖；
[0037] (2)對星座圖中的星座點進行階梯化處理得到星座軌跡圖，并提取所述星座軌跡 圖的內外輪廓；
[0038] (3)提取所述星座軌跡圖內外輪廓的形狀特征S作為樣本；
[0039] (4)判斷采集的樣本數是否達到預設的數量，若是，則利用步驟(3)中提取的形狀 特征S建立第二設備的設備指紋F，并將該設備指紋F存儲在合法設備指紋樣本庫中；
[0040] 本實施例中，第一設備的合法設備只有第二設備，若合法設備為多個，則按照步驟 (1)至(4)中的步驟，將所有的合法設備指紋存儲在合法設備指紋樣本庫中；
[0041] (5)當某一接入設備向第一設備發送通信請求時，第一設備的接收端提取該設備 的設備指紋F，并與所述合法設備指紋樣本庫中存儲的設備指紋進行比對，若在所述合法設 備指紋樣本庫中匹配到該設備的設備指紋F，則該設備為合法設備，如本實施例中的第二設 備;若沒有匹配到該設備的設備指紋F，則該設備為非法設備，如本實施例中的第三設備。 [0042]為了增加樣本數目，本實施例中，若上述步驟(4)中采集的樣本數沒有達到預設的 數量，則進行以下步驟：
[0043] 改變所述IQ信號的時間窗口 W的寬度和位置，重復步驟(2)和步驟(3)，產生形狀特 征Sw;
[0044] 改變所述IQ信號的采樣率R，重復步驟(2)和步