基于启发式聚类的多属性物理层认证方法、装置和服务器制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于启发式聚类的多属性物理层认证方法、装置和服务器。该方法包括步骤：对接收到的信号进行采样，提取多重PHY特征，构建原始特征空间；通过二重主成分分析将原始特征空间映射到正交子空间；在正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果；以最优的聚类结果为基础，通过欧氏距离判决当前接收到的信号是否合法。该装置包括采样模块、去相关性模块、聚类模块和认证模块。该认证服务器部署有该认证装置。本发明专利技术通过主成分分析将特征空间映射到正交低维子空间，提高了物理层特征认证的稳定性；提出基于分裂能量和合并能量的非参数聚类算法，可以自动确定聚类个数，以极低的复杂度实现极高的认证性能。

Heuristic Clustering-based Multi-attribute Physical Layer Authentication Method, Device and Server

The invention discloses a multi-attribute physical layer authentication method, device and server based on heuristic clustering. The method includes the following steps: sampling the received signals, extracting multiple PHY features, and constructing the original feature space; mapping the original feature space to the orthogonal subspace through the dual principal component analysis; performing non-parametric local heuristic clustering on the orthogonal subspace to return the optimal clustering results; and judging the current join by the Euclidean distance based on the optimal clustering results. Is the received signal legitimate? The device includes sampling module, decorrelation module, clustering module and authentication module. The authentication server is deployed with the authentication device. The method maps feature space to orthogonal low-dimensional subspace by principal component analysis, which improves the stability of physical layer feature authentication. A non-parametric clustering algorithm based on splitting energy and merging energy is proposed, which can automatically determine the number of clusters and achieve extremely high authentication performance with very low complexity.

【技术实现步骤摘要】
基于启发式聚类的多属性物理层认证方法、装置和服务器
本专利技术涉及无线通信
，特别涉及基于启发式聚类的多属性物理层认证方法、装置和服务器。
技术介绍
在无线通信中，信号经无线信道的传播导致身份信息存在泄露的风险。目前较为广泛使用的身份认证方法是采用密钥作为身份标识的密码认证，相关研究主要集中在密钥管理的安全性和有效性上。然而，随着无线网络框架的发展，密钥管理变得越来越复杂，使其可能不适用于资源受限的情况。同时，随着基于身份的攻击方式的出现，如欺骗攻击、拒绝服务攻击等，攻击者很容易伪造他们的MAC地址和其他身份信息，伪装成另一个发送方，在很多领域都造成了巨大的损失，身份安全问题近年来得到了越来越多的关注。相比较而言，物理层(PHY，PhysicalLayer)认证方式的计算复杂度低，安全性高，因此被作为身份认证的另一种可行的解决方案。PHY认证机制的一般原理是身份验证服务器采集接收信号，提取PHY特征值，然后将这些特征值与参考值进行比较。如果PHY特征与参考值之间的差异小于认证之前训练阶段可以得到的阈值，则认证过程返回来自合法终端的接收信号。换句话说，PHY认证利用了合法接收信号和欺骗信号之间物理层特征的差异来区分它们。与密钥认证相比，PHY特性直接与通信设备和相应环境相关，具有极高的伪造难度。但是，由于无线信道的存在，无线电波的传播路径复杂，信号经无线信道到达接收端会受到各种衰落的影响，因此物理层特征存在很强的不稳定性，对认证性能影响很大。因此，有必要设计合理的物理层特征和校验手段，以保障认证性能。即为了提高PHY认证的可靠性，有效的特征处理过程是必不可少的。聚类分析是将海量数据划分为不同聚类集的过程，同一个聚类集内的数据彼此相似，不同聚类集间的数据差异较大。由于数据量的快速增长，聚类算法在数据处理领域得到了广泛的应用。传统的聚类算法是迭代下降聚类算法，例如PAM(PartitioningAroundMedoid)，目的是在已知聚类数时确定聚类集。但对于PHY认证问题，根据采样对象的特点，需要自动确定聚类集的数量。并且，传统的聚类算法会带来极高的计算复杂度。随着无线网络的发展，延迟成为重要的性能指标。传统的身份验证延迟包含密钥传输延迟和计算延迟。但是对于MEC(MobileEdgeComputing)场景中的PHY认证来说，传输延迟是可以忽略的。因此，身份验证算法的延迟与算法复杂度呈正相关，计算复杂度被用来表示身份验证延迟。在基于PAM的系统演进算法中，搜索最优的集群中心会带来很大的计算复杂度，这在延迟敏感场景中是不可接受的。因此，如何在提升PHY认证的可靠性的同时，降低认证过程的计算复杂度进而减少身份验证延迟，成为了本领域技术人员有待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于启发式聚类的多属性物理层认证方法、装置和服务器，以解决上述技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术实施例的第一个方面，提供了一种基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，包括如下步骤：对接收到的信号进行采样，提取多重PHY特征，构建原始特征空间；通过二重主成分分析将所述原始特征空间映射到正交子空间；在所述正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果；以所述聚类结果为基础，通过欧氏距离判决当前接收到的信号是否合法。可选的，提取多重PHY特征，构建原始特征空间，包括：从样本中提取出多重PHY特征，形成样本空间；所述多种PHY特征包括但不限于基于接收信号的PHY特征、基于信道特性的PHY特征和基于发射机制造偏差的PHY特征；对所述样本空间的各重PHY特征作归一化处理并附以权重系数，得到第一特征向量，由所述第一特征向量组成特征空间。可选的，通过二重主成分分析将所述原始特征空间映射到正交子空间，包括：将所述原始特征空间分解为合法信号子空间和攻击信号子空间；求解所述合法信号子空间的第一转移矩阵；正交化所述合法信号子空间，得到正交化的第一对角矩阵；单位化所述第一对角矩阵；求解所述攻击信号子空间的第二转移矩阵；正交化所述攻击信号子空间，得到正交化的第二对角矩阵。可选的，求解所述合法信号子空间的第一转移矩阵，包括：获取已知的合法信号子空间的原始的第一协方差矩阵ΣL；对所述第一协方差矩阵进行特征值分解；特征值λi由大到小排序，每一特征值对应的第二特征向量归一化为列向量，构成合法信号子空间的第一转移矩阵PL；(ΣL-λiI)pi＝0其中，这里，λi表示特征值，pi表示第二特征向量，I表示单位矩阵；所述步骤正交化所述合法信号子空间、得到正交化的第一对角矩阵，包括：将所述原始特征空间通过所述第一转移矩阵PL投影，得到第一中间态合法信号子空间Ω'L和第一中间态攻击信号子空间Ω'S，此时第一中间态合法信号子空间Ω'L对应的第一中间态协方差矩阵Σ'L正交化为第一对角矩阵ΛL，第一中间态攻击信号子空间对应的第二中间态协方差矩阵Σ′S为非对角阵；S'＝PL·S＝Ω'L+Ω'S其中，S'表示第一中间态空间，为第一中间态合法信号子空间Ω′L和第一中间态攻击信号子空间Ω′S的合集；所述步骤单位化所述第一对角矩阵，包括：计算得到所述第一对角矩阵ΛL开平方之后的逆矩阵将所述第一中间态协方差矩阵Σ′L分别左乘所述逆矩阵、右乘所述逆矩阵的转置，得到被单位化的第二中间态合法信号子空间Ω″L对应的第三中间态协方差矩阵Σ″L，以及第二中间态攻击信号子空间Ω″S的第四中间态协方差矩阵Σ″S；其中，S″表示第二中间态空间，为第二中间态合法信号子空间Ω″L和第二中间态攻击信号子空间Ω″S的合集；所述步骤求解所述攻击信号子空间的第二转移矩阵，包括：将所述第四中间态协方差矩阵Σ″S的特征值由大到小排序，每一特征值对应的第三特征向量归一化为列向量，构成所述攻击信号子空间的第二转移矩阵PS；所述步骤正交化所述攻击信号子空间，得到正交化的第二对角矩阵ΛS，包括：将所述第二中间态空间S″通过所述第二转移矩阵PS投影，得到到正交合法信号子空间SpL和正交攻击信号子空间SpS，并按照下式得到所述攻击信号子空间对应的、正交化的第二对角矩阵ΛS：Sp＝PS·S″＝SpL+SpS可选的，在所述正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果，包括：步骤S51，通过启发式聚类算法得到初始化后的K个第一聚类中心和第一聚类集，定义每一聚类集为一簇；步骤S52，遍历所有所述第一聚类中心，返回欧式距离最小的两个所述第一聚类集，定义为兄弟簇；步骤S53，计算所述兄弟簇的分裂能量和合并能量；步骤S54，判断所述合并能量是否大于所述分裂能量，所述合并能量大于所述分裂能量，则将所述兄弟簇合并为一个聚类集，返回簇数为K-1的分类结果；所述分裂能量大于或等于所述合并能量，则将K个所述聚类集分裂为K+1个聚类集，返回簇数为K+1的分类结果；其中，Ep(K)为分裂能量，Em(K)为合并能量。步骤S55，重复步骤S52-S54，直到找到一个兄弟簇，其分裂能量大于合并能量，但将其分裂后所得的兄弟簇的合并能量大于分裂能量，则聚类结束，得到第二聚类集和第二聚类中心，作为最优的聚类结果返回。可选的，计算所述兄弟簇的分裂能量和合并能量，包括：假设兄弟簇x和y分别包含nx和ny个样本点，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于，包括如下步骤：对接收到的信号进行采样，提取多重PHY特征，构建原始特征空间；通过二重主成分分析将所述原始特征空间映射到正交子空间；在所述正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果；以所述聚类结果为基础，通过欧氏距离判决当前接收到的信号是否合法。

【技术特征摘要】
1.基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于，包括如下步骤：对接收到的信号进行采样，提取多重PHY特征，构建原始特征空间；通过二重主成分分析将所述原始特征空间映射到正交子空间；在所述正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果；以所述聚类结果为基础，通过欧氏距离判决当前接收到的信号是否合法。2.根据权利要求1所述的基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于，所述步骤提取多重PHY特征，构建原始特征空间，包括：从样本中提取出多重PHY特征，形成样本空间；所述多种PHY特征包括但不限于基于接收信号的PHY特征、基于信道特性的PHY特征和基于发射机制造偏差的PHY特征；对所述样本空间的各重PHY特征作归一化处理并附以权重系数，得到第一特征向量，由所述第一特征向量组成原始特征空间。3.根据权利要求1所述的基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于，所述步骤通过二重主成分分析将所述原始特征空间映射到正交子空间，包括：将所述原始特征空间分解为合法信号子空间和攻击信号子空间；求解所述合法信号子空间的第一转移矩阵；正交化所述合法信号子空间，得到正交化的第一对角矩阵；单位化所述第一对角矩阵；求解所述攻击信号子空间的第二转移矩阵；正交化所述攻击信号子空间，得到正交化的第二对角矩阵。4.根据权利要求3所述的基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于：所述步骤求解所述合法信号子空间的第一转移矩阵，包括：获取已知的合法信号子空间的原始的第一协方差矩阵ΣL；对所述第一协方差矩阵进行特征值分解；特征值λi由大到小排序，每一特征值对应的第二特征向量归一化为列向量，构成合法信号子空间的第一转移矩阵PL；(ΣL-λiI)pi＝0其中，这里，λi表示特征值，pi表示第二特征向量，I表示单位矩阵；所述步骤正交化所述合法信号子空间、得到正交化的第一对角矩阵，包括：将所述原始特征空间通过所述第一转移矩阵PL投影，得到第一中间态合法信号子空间Ω'L和第一中间态攻击信号子空间Ω'S，此时第一中间态合法信号子空间Ω'L对应的第一中间态协方差矩阵Σ'L正交化为第一对角矩阵ΛL，第一中间态攻击信号子空间对应的第二中间态协方差矩阵Σ′S为非对角阵；S′＝PL·S＝Ω′L+Ω′S其中，S'表示第一中间态空间，为第一中间态合法信号子空间Ω′L和第一中间态攻击信号子空间Ω′S的合集；所述步骤单位化所述第一对角矩阵，包括：计算得到所述第一对角矩阵ΛL开平方之后的逆矩阵将所述第一中间态协方差矩阵Σ′L分别左乘所述逆矩阵、右乘所述逆矩阵的转置，得到被单位化的第二中间态合法信号子空间Ω”L对应的第三中间态协方差矩阵Σ”L，以及第二中间态攻击信号子空间Ω”S的第四中间态协方差矩阵Σ”S；其中，S”表示第二中间态空间，为第二中间态合法信号子空间Ω”L和第二中间态攻击信号子空间Ω”S的合集；所述步骤求解所述攻击信号子空间的第二转移矩阵，包括：将所述第四中间态协方差矩阵Σ”S的特征值由大到小排序，每一特征值对应的第三特征向量归一化为列向量，构成所述攻击信号子空间的第二转移矩阵PS；所述步骤正交化所述攻击信号子空间，得到正交化的第二对角矩阵ΛS，包括：将所述第二中间态空间S”通过所述第二转移矩阵PS投影，得到正交合法信号子空间SpL和正交攻击信号子空间SpS，并按照下式得到所述攻击信号子空间对应的、正交化的第二对角矩阵ΛS：Sp＝PS·S″＝SpL+SpS5.根据权利要求1所述的基于启发式聚类的多属性物理层认证方法，其特征在于，所述步骤在所述正交子空间上执行非参数的局部启发式聚类，返回最优的聚类结果，包括：步骤S51，通过启发式聚类算法得到初...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，徐瑨，夏仕达，张志远，陶小峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学深圳研究院，北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：广东,44