基于差分星座軌跡圖的無線設(shè)備射頻指紋特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信與信息安全領(lǐng)域，特別涉及一種無線目標(biāo)身份識別及認(rèn)證等系統(tǒng) 中使用的射頻指紋特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今，無線設(shè)備射頻指紋的提取是對無線設(shè)備進行身份識別及認(rèn)證的有效手段之 一。有研究表明，針對同一種制式的無線設(shè)備，不僅不同廠家的無線設(shè)備指紋特征不同，BP 使是同一廠家相同批次的無線設(shè)備，其射頻指紋特征還是存在著一定的差異。因此，射頻指 紋特征可以被認(rèn)為是每一個無線設(shè)備發(fā)射機唯一的特征。此外，由于射頻指紋是設(shè)備本身 所具有的物理特征，基于射頻指紋的特征提取建立在通信系統(tǒng)的物理層上。在物理層上的 射頻指紋信息不易受到修改，可以很好的從通信系統(tǒng)的底層保護系統(tǒng)的安全。
[0003] 現(xiàn)有的射頻指紋特征提取方法主要分為兩類，一類是基于瞬態(tài)響應(yīng)的射頻指紋提 取方法，一類是基于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的射頻指紋提取方法。這兩類方法都可以獲得唯一的射頻指 紋信息，也是現(xiàn)在普遍使用的方法。
[0004] 基于瞬態(tài)響應(yīng)的射頻指紋特征提取大多是直接在射頻端采集設(shè)備發(fā)射出的信號。 因此該射頻指紋特征提取方法需要能夠工作在射頻端采集信號的較為精密的儀器設(shè)備。此 外，由于采集無線設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)特征需要捕獲無線信號在打開和關(guān)閉瞬間的信號起伏變 化，這樣的要求也加大了采集信號時的難度。當(dāng)接收信號的信噪比不高時，基于信號瞬態(tài)響 應(yīng)的采集將會變得非常困難。
[0005] 基于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的射頻指紋提取方法需要獲得設(shè)備的先驗信息才能夠正確的得到 載波頻率偏移、同步信號相關(guān)值、基帶I/Q兩路信號偏移、解調(diào)信號的幅度和相位誤差等參 數(shù)，在實際系統(tǒng)中使用也存在一定的局限性。本發(fā)明提出了一種直接將基帶I/Q信號進行 差分處理后繪制星座軌跡圖的射頻指紋特征提取方法。使用該方法進行無線設(shè)備射頻指紋 特征提取可以獲得較為穩(wěn)定的統(tǒng)計特征。此外，基于差分星座軌跡圖的射頻指紋特征提取 方法不需要獲得設(shè)備發(fā)送信號的先驗信息就可以快速獲得無線設(shè)備唯一的射頻指紋特征， 可以被用于物理層安全以及無線接入設(shè)備的身份識別及認(rèn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種新式的無線設(shè)備射頻指紋特征獲取方法，通過將接收 的無線基帶I/Q信號使用差分處理后得到差分星座軌跡圖，再基于差分星座軌跡圖提取統(tǒng) 計特征，該方法不需要獲得設(shè)備發(fā)送信號的先驗信息，可以在基帶快速的獲得無線設(shè)備的 射頻指特征。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明提出了一種基于差分星座軌跡圖的無線設(shè)備射頻指紋特征提取 方法，包括了如下的步驟：
[0008] 步驟1 :接收端接收無線設(shè)備基帶的I/Q信號，并以一定的采樣率對接收到的無線 信號進行采樣。接收端對無線設(shè)備基帶I/Q信號的采樣率應(yīng)大于奈奎斯特采樣定律所需要 的最低采樣率。在一般的情況下，更高的采樣率可以獲得更精確的星座軌跡圖，因此接收端 可以使用一定倍率的過采樣去采樣信號。接收端在收到過采樣的基帶信號后可以先對信號 進行預(yù)處理，預(yù)處理主要是對信號的能量進行歸一化。
[0009] 步驟2 :接收端對I路和Q路采樣后的信號分別控制延遲。接收端可以將I路和Q 路采用一樣的延遲，也可以對I路和Q路采用不一樣的延遲。
[0010] 步驟3:接收端對經(jīng)過延遲器的信號按照一定的采樣點間隔進行差分處理，具體 過程為：將Ι/Q兩路的當(dāng)前信號值和經(jīng)過一定延遲后的Ι/Q兩路信號的共輒值進行相乘，得 到差分處理后的信號。
[0011] 步驟4 :接收端將差分處理后的信號直接繪制在以I路和Q路為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)空 間中，形成星座軌跡圖。在繪制星座軌跡圖前，不需要將信號經(jīng)過碼元同步及載波相位同 步。
[0012] 步驟5 :在坐標(biāo)空間中統(tǒng)計星座軌跡圖的統(tǒng)計特征，得到統(tǒng)計星座軌跡圖以及可 供提取特征向量的參數(shù)，具體過程為：基于獲得的無線設(shè)備Ι/Q兩路星座軌跡圖，在星座軌 跡圖上分別將I路和Q路按照一定的間隔分割成若干區(qū)域，在每個區(qū)域統(tǒng)計落入該區(qū)域點 的個數(shù)，通過對星座軌跡圖上采樣點的統(tǒng)計，獲得星座軌跡圖的統(tǒng)計特征。
[0013] 有益效果：本發(fā)明方法通過將接收到的信號變換成差分星座軌跡圖再獲得其統(tǒng)計 特征，可以在不獲得設(shè)備發(fā)射信號先驗知識（調(diào)制方式，中心頻率，碼元速率等參數(shù)）的前 提下提取設(shè)備的射頻指紋特征。
[0014] 此外，本發(fā)明方法通過將I路和Q路引入不同差分延遲的方法，可以將恒 包絡(luò)調(diào)制的信號如最小頻移鍵控MSK(MinimumShiftKeying)，偏移四相相移鍵控 0QPSK(0ffset_QuadraturePhaseShiftKeying)信號的特征放大，得到可以提取射頻指 紋特征的差分星座軌跡圖。
[0015] 最后，本發(fā)明可以在沒有獲得信號載波頻率的情況下通過差分處理將信號在接收 端與發(fā)射端的頻率偏差變?yōu)楹愣ǖ膮⒘?，從而獲得穩(wěn)定的星座軌跡圖，以供提取統(tǒng)計特征。 該方法可以適用于大部分的單載波調(diào)制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明方法的總體流程框圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明實施例獲得的MSK信號差分星座軌跡圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明實施例的采樣點S在統(tǒng)計星座軌跡圖中的位置示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明實施例獲得的MSK信號差分星座軌跡圖的統(tǒng)計特征。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明方法進行詳細(xì)的闡述。
[0021] 如圖1為本發(fā)明提出的基于差分星座軌跡圖的射頻指紋特征提取方法的總體流 程框圖，具體包括如下步驟：
[0022] 1)接收端接收無線設(shè)備基帶的Ι/Q信號，并以一定的采樣率對接收到的無線信號 進行米樣；
[0023] 2)接收端使用延遲器對采樣后的Ι/Q兩路信號進行一定的延遲；
[0024] 3)接收端對經(jīng)過延遲器的信號按照一定的采樣點間隔進行差分處理；
[0025] 4)接收端將差分處理后的信號繪制在以I路和Q路為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)空間中，形成 星座軌跡圖；
[0026] 5)接收端在坐標(biāo)空間中獲得星座軌跡圖的統(tǒng)計特征，得到統(tǒng)計星座軌跡圖以及可 供提取特征向量的參數(shù)。
[0027] 下面，將分別針對每一個部分闡述具體的實施方式：
[0028] 接收基帶信號與信號預(yù)處理
[0029] 接收機接收無線信號，并在基帶獲得I/Q兩路無線信號。接收端在收到過采樣的 基帶信號后可以先對信號進行預(yù)處理，預(yù)處理主要是對信號的能量進行歸一化。
[0030] 獲得差分星座軌跡圖
[0031] 在數(shù)字通信中，獲取星座圖是為了研究解調(diào)信號的性能，因此一般只繪制用于判 決的采樣點。為了能夠更好的研究接收信號所包含的射頻指紋特征，在接收端以高于發(fā)射 端采樣率的方式獲得過采樣的信號。將過采樣的信號繪制在復(fù)平面上，就可以得到信號的 星座軌跡圖。
[0032] 由于是采用了過采樣，不僅是原先星座圖中每一個判決的采樣點，甚至是判決采 樣點之間的變化過程都可以在星座軌跡圖上表現(xiàn)出來。在獲得星座軌跡圖的過程中，有一 點值得注意的是，由于接收機和發(fā)射機的載頻會有一定的頻率偏差。如果直接將過采樣的 信號繪制在復(fù)平面上，會因為頻偏而使得繪制的信號產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。因此，在獲得星座軌跡圖后 可以采用差分的方式獲得差分星座軌跡圖。在接收端獲得差分星座軌跡圖具體的過程如 下：
[0033] 首先，發(fā)射機發(fā)射的信號如下所示：
[0034] S(t) =X(f)er-T!:'
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