基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法，包括如下步骤：首先接收端接收无线设备基带的I/Q信号，并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样；然后使用延迟器对采样后的I/Q两路信号进行一定的延迟；再对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理，并将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中，形成星座轨迹图；最后在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征，即得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数。本发明专利技术方法通过将接收到的信号变换成差分星座轨迹图再获得其统计特征，可以在不获得设备发射信号先验知识的前提下很好地提取设备的射频指纹特征，适用于物理层安全以及无线接入设备的身份识别及认证中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信与信息安全领域，特别涉及一种无线目标身份识别及认证等系统 中使用的射频指纹特征提取方法。
技术介绍
当今，无线设备射频指纹的提取是对无线设备进行身份识别及认证的有效手段之 一。有研究表明，针对同一种制式的无线设备，不仅不同厂家的无线设备指纹特征不同，BP 使是同一厂家相同批次的无线设备，其射频指纹特征还是存在着一定的差异。因此，射频指 纹特征可以被认为是每一个无线设备发射机唯一的特征。此外，由于射频指纹是设备本身 所具有的物理特征，基于射频指纹的特征提取建立在通信系统的物理层上。在物理层上的 射频指纹信息不易受到修改，可以很好的从通信系统的底层保护系统的安全。 现有的射频指纹特征提取方法主要分为两类，一类是基于瞬态响应的射频指纹提 取方法，一类是基于稳态响应的射频指纹提取方法。这两类方法都可以获得唯一的射频指 纹信息，也是现在普遍使用的方法。 基于瞬态响应的射频指纹特征提取大多是直接在射频端采集设备发射出的信号。 因此该射频指纹特征提取方法需要能够工作在射频端采集信号的较为精密的仪器设备。此 外，由于采集无线设备的瞬态响应特征需要捕获无线信号在打开和关闭瞬间的信号起伏变 化，这样的要求也加大了采集信号时的难度。当接收信号的信噪比不高时，基于信号瞬态响 应的采集将会变得非常困难。 基于稳态响应的射频指纹提取方法需要获得设备的先验信息才能够正确的得到 载波频率偏移、同步信号相关值、基带I/Q两路信号偏移、解调信号的幅度和相位误差等参 数，在实际系统中使用也存在一定的局限性。本专利技术提出了一种直接将基带I/Q信号进行 差分处理后绘制星座轨迹图的射频指纹特征提取方法。使用该方法进行无线设备射频指纹 特征提取可以获得较为稳定的统计特征。此外，基于差分星座轨迹图的射频指纹特征提取 方法不需要获得设备发送信号的先验信息就可以快速获得无线设备唯一的射频指纹特征， 可以被用于物理层安全以及无线接入设备的身份识别及认证。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提出一种新式的无线设备射频指纹特征获取方法，通过将接收 的无线基带I/Q信号使用差分处理后得到差分星座轨迹图，再基于差分星座轨迹图提取统 计特征，该方法不需要获得设备发送信号的先验信息，可以在基带快速的获得无线设备的 射频指特征。 技术方案：本专利技术提出了一种基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取 方法，包括了如下的步骤： 步骤1 :接收端接收无线设备基带的I/Q信号，并以一定的采样率对接收到的无线 信号进行采样。接收端对无线设备基带I/Q信号的采样率应大于奈奎斯特采样定律所需要 的最低采样率。在一般的情况下，更高的采样率可以获得更精确的星座轨迹图，因此接收端 可以使用一定倍率的过采样去采样信号。接收端在收到过采样的基带信号后可以先对信号 进行预处理，预处理主要是对信号的能量进行归一化。 步骤2 :接收端对I路和Q路采样后的信号分别控制延迟。接收端可以将I路和Q 路采用一样的延迟，也可以对I路和Q路采用不一样的延迟。 步骤3:接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理，具体 过程为：将Ι/Q两路的当前信号值和经过一定延迟后的Ι/Q两路信号的共辄值进行相乘，得 到差分处理后的信号。 步骤4 :接收端将差分处理后的信号直接绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空 间中，形成星座轨迹图。在绘制星座轨迹图前，不需要将信号经过码元同步及载波相位同 步。 步骤5 :在坐标空间中统计星座轨迹图的统计特征，得到统计星座轨迹图以及可 供提取特征向量的参数，具体过程为：基于获得的无线设备Ι/Q两路星座轨迹图，在星座轨 迹图上分别将I路和Q路按照一定的间隔分割成若干区域，在每个区域统计落入该区域点 的个数，通过对星座轨迹图上采样点的统计，获得星座轨迹图的统计特征。 有益效果：本专利技术方法通过将接收到的信号变换成差分星座轨迹图再获得其统计 特征，可以在不获得设备发射信号先验知识（调制方式，中心频率，码元速率等参数）的前 提下提取设备的射频指纹特征。 此外，本专利技术方法通过将I路和Q路引入不同差分延迟的方法，可以将恒 包络调制的信号如最小频移键控MSK(MinimumShiftKeying)，偏移四相相移键控 0QPSK(0ffset_QuadraturePhaseShiftKeying)信号的特征放大，得到可以提取射频指 纹特征的差分星座轨迹图。 最后，本专利技术可以在没有获得信号载波频率的情况下通过差分处理将信号在接收 端与发射端的频率偏差变为恒定的参量，从而获得稳定的星座轨迹图，以供提取统计特征。 该方法可以适用于大部分的单载波调制系统。【附图说明】 图1是本专利技术方法的总体流程框图； 图2是本专利技术实施例获得的MSK信号差分星座轨迹图； 图3是本专利技术实施例的采样点S在统计星座轨迹图中的位置示意图； 图4是本专利技术实施例获得的MSK信号差分星座轨迹图的统计特征。【具体实施方式】 下面结合附图，对本专利技术方法进行详细的阐述。 如图1为本专利技术提出的基于差分星座轨迹图的射频指纹特征提取方法的总体流 程框图，具体包括如下步骤： 1)接收端接收无线设备基带的Ι/Q信号，并以一定的采样率对接收到的无线信号 进行米样； 2)接收端使用延迟器对采样后的Ι/Q两路信号进行一定的延迟； 3)接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理； 4)接收端将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中，形成 星座轨迹图； 5)接收端在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征，得到统计星座轨迹图以及可 供提取特征向量的参数。 下面，将分别针对每一个部分阐述具体的实施方式： 接收基带信号与信号预处理 接收机接收无线信号，并在基带获得I/Q两路无线信号。接收端在收到过采样的 基带信号后可以先对信号进行预处理，预处理主要是对信号的能量进行归一化。 获得差分星座轨迹图 在数字通信中，获取星座图是为了研究解调信号的性能，因此一般只绘制用于判 决的采样点。为了能够更好的研究接收信号所包含的射频指纹特征，在接收端以高于发射 端采样率的方式获得过采样的信号。将过采样的信号绘制在复平面上，就可以得到信号的 星座轨迹图。 由于是采用了过采样，不仅是原先星座图中每一个判决的采样点，甚至是判决采 样点之间的变化过程都可以在星座轨迹图上表现出来。在获得星座轨迹图的过程中，有一 点值得注意的是，由于接收机和发射机的载频会有一定的频率偏差。如果直接将过采样的 信号绘制在复平面上，会因为频偏而使得绘制的信号产生旋转。因此，在获得星座轨迹图后 可以采用差分的方式获得差分星座轨迹图。在接收端获得差分星座轨迹图具体的过程如 下： 首先，发射机发射的信号如下所示： S(t) =X(f)er-T!:'[00当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于差分星座轨迹图的无线设备射频指纹特征提取方法，其特征在于：包括如下步骤：1)接收端接收无线设备基带的I/Q信号，并以一定的采样率对接收到的无线信号进行采样；2)接收端使用延迟器对采样后的I/Q两路信号进行一定的延迟；3)接收端对经过延迟器的信号按照一定的采样点间隔进行差分处理；4)接收端将差分处理后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中，形成星座轨迹图；5)接收端在坐标空间中获得星座轨迹图的统计特征，得到统计星座轨迹图以及可供提取特征向量的参数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林宁，胡爱群，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32