一种电力无线专网设备接入认证方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电力无线专网设备接入认证方法及系统。所述方法包括：获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图；将获取的差分星座轨迹图划分成至少一个子区域；对每个子区域计算聚类中心，并将计算出的聚类中心按照预定规则进行组合，生成无线设备的射频指纹特征；将生成的射频指纹特征与预先存储在射频指纹库中对应的射频指纹特征进行对比，根据对比文件，对无线设备进行认证。本发明专利技术可以作为电力无线设备身份认证的方式之一，由于设备的射频信号具有不易仿造和伪装的特性，可以有效识别非法接入设备，大大提升了系统的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种电力无线专网设备接入认证方法及系统
本专利技术涉及无线通信
，特别是一种基于差分星座轨迹图的电力无线专网设备接入认证方法及系统。
技术介绍
随着无线专网在电力系统中的广泛应用，为配电自动化、源网荷储互动等控制类业务和用电信息采集、移动作业、视频监控等管理类业务提供了便捷的接入手段。电力无线专网继承了无线网络组网灵活、建设便捷、应用成熟的优势，同时其频段、设备、网络的专用避免了无线公网在带宽、时延、业务中断率、安全可靠性方面的限制，能够有效补充有线传输网络并高效解决电力通信“最后一公里”接入问题，打通电力通信网“神经末梢”，具有传统有线通信和无线公网通信不可比拟的优势。然而，随着无线专网接入终端数量的急剧增加，在源网荷储、配变监测、移动应用等各类混合业务统一接入的场景下，当前普遍采用的通过核心网进行集中式处理的方式将无法满足负荷控制类电力业务的实时性要求，同时电力无线专网也继承了无线系统的信道开放、网络共享、终端移动等特性，对于电力业务的安全性也提出了巨大挑战。无线网络由于其开放的信道环境，攻击者使用简单的设备就可以发起嗅探；无线网络安全协议通常存在漏洞，非法用户窃取到密钥就能够入侵；这些都给无线网络带来诸多安全问题。安全问题是无线网络的一个核心问题，特别是对于政府、金融以及医疗等对信息安全较为敏感的行业。无线网络安全是决定一个无线网络能否实用的首要准则。传统的保护无线通信系统安全的加密和认证方法是基于OSI七层模型中物理层以上层次，通过设计基于密码机制的安全协议来实现对数据完整性和机密性的保护以及提供通信双方身份的认证。然而，实际的无线网络安全协议通常会存在漏洞。现阶段，无线通信系统的身份认证主要依赖于设备固有的身份认证或者通过协议约定认证。例如控制设备可以根据接入设备的MAC地址，对接入设备进行认证，或者依靠预先共享的密钥进行认证。然而，基于OSI上层协议的设备MAC地址容易受到篡改，基于预先共享密钥的认证则需要额外的通信信道支持。由于辐射源电子元件的制造容差和退化老化效应，以及对元件的人为调试等因素，即使是同一型号同一批次的辐射源也存在差异。辐射源发射信号时，其硬件差异会给信号带来独特的调制。由于设备的MAC地址容易伪造，而加密序列也随着计算能力的不断提高存在被破解的可能，因此需要从根源上提升系统接入的认证级别，即从硬件的射频差异着手。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于差分星座轨迹图的电力无线专网设备接入认证方法及系统，以能够有效识别非法接入设备，极大地提升系统的安全性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种电力无线专网设备接入认证方法，包括以下步骤：获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图；将所述差分星座轨迹图划分成至少一个子区域；对至少一个子区域中的每个子区域计算聚类中心，并将计算出的聚类中心按照预定规则进行组合，生成无线设备的射频指纹特征；将生成的无线设备的射频指纹特征与预先存储在射频指纹库中的对应射频指纹特征进行对比，根据对比文件，对无线设备进行认证。进一步地，所述获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图，包括以下步骤：接收无线设备基带I/Q信号，并对接收到的信号进行过采样；对过采样后的信号进行能量归一化；对能量归一化的信号进行延迟、差分运算；将延迟差分后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中，形成差分星座轨迹图。进一步地，用于接收无线设备基带I/Q信号的设备采用被动侦听的设备。进一步地，所述对过采样后的信号进行能量归一化，按照下式进行计算：其中，(Ii,Qi)表示过采样后I/Q信号的坐标，(Ii′,Qi′)表示能量归一化后I/Q信号的坐标，m表示采样点的个数。进一步地，所述对能量归一化的信号进行延迟、差分运算，按照下式进行计算：(Ii″+Qi″j)＝(Ii′+Qi′j)·(Ii+n′+Qi+n′)i＝1,2,...,mIi″＝Ii′Ii+n′-Qi′Qi+n′i＝1,2,...,mQi″＝Ii′Qi+n′+Ii+n′Qi′i＝1,2,...,m其中，n表示差分间隔，j表示复数的虚数单位，Ii′、Qi′分别表示能量归一化后信号的I路、Q路坐标，Ii+n′、Qi+n′分别表示延迟后信号的I路、Q路坐标，Ii″、Qi″分别表示延迟差分后信号的I路、Q路坐标，m表示采样点的个数，Ii+n′、Qi+n′。进一步地，所述获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图，还包括：对绘制的差分星座轨迹图中的所有采样点进行数据预处理，去除不符合要求的采样点。进一步地，对绘制的差分星座轨迹图中的所有采样点进行数据预处理，去除不符合要求的采样点，包括以下步骤：分别计算差分星座轨迹图中所有采样点的幅值；计算所有采样点幅值的平均值，并删除幅值是平均值3倍以上的采样点。进一步地，所述将所述差分星座轨迹图划分成至少一个子区域，包括以下步骤：计算差分星座轨迹图中剩余各采样点的幅值，得到最大幅值；将得到的最大幅值进行N等分，其中N为大于等于2的整数，计算各个等分点与坐标原点之间的距离；以坐标原点为圆心，分别以各个等分点与坐标原点之间的距离为半径作圆，得到的同心圆将差分星座轨迹图划分为一个圆形子区域和N-1个环形子区域。进一步地，所述对至少一个子区域中的每个子区域计算聚类中心，并将计算出的聚类中心按照预定规则进行组合，生成无线设备的射频指纹特征，包括以下步骤：采用k-means聚类算法，从距离原点最近的子区域开始，由内而外地依次对各个子区域中的采样点进行k聚类，得到Nk个聚类中心；将得到的Nk个聚类中心先按照其幅值，再依据它们在区间[-π,π]的相位从小到大依次进行排列，得到排序后的Nk个聚类中心K1,K2,...Kk,Kk+1,Kk+2,...,K2k,...,KNk；采用k-means聚类算法，对在圆心为(0,0)、半径为所述最大幅值的圆内的采样点进行k聚类，得到k个聚类中心，按照上述相同的方式进行排序，得到排序后的k个聚类中心K1′,K2′,...,Kk′；按照下式计算排序后的聚类中心的差值：将计算得到的(ΔK1,ΔK2,...ΔKk,ΔKk+1,ΔKk+2,...,ΔK2k,...,ΔKNk)作为代表无线设备身份的射频指纹特征。进一步地，所述将生成的无线设备的射频指纹特征与预先存储在射频指纹库中的对应射频指纹特征进行对比，根据对比文件，对无线设备进行认证，包括：计算生成的无线设备的射频指纹特征与射频指纹库中对应的射频指纹特征的欧氏距离之和，根据该距离值对无线设备进行认证。另一方面，本专利技术还提供了一种电力无线专网设备接入认证系统，包括：获取模块，配置为获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图；区域划分模块，配置为将所述差分星座轨迹图划分成至少一个子区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力无线专网设备接入认证方法，其特征在于，包括以下步骤：/n获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图；/n将所述差分星座轨迹图划分成至少一个子区域；/n对至少一个子区域中的每个子区域计算聚类中心，并将计算出的聚类中心按照预定规则进行组合，生成无线设备的射频指纹特征；/n将生成的无线设备的射频指纹特征与预先存储在射频指纹库中的对应射频指纹特征进行对比，根据对比结果，对无线设备进行认证。/n

【技术特征摘要】
1.一种电力无线专网设备接入认证方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图；
将所述差分星座轨迹图划分成至少一个子区域；
对至少一个子区域中的每个子区域计算聚类中心，并将计算出的聚类中心按照预定规则进行组合，生成无线设备的射频指纹特征；
将生成的无线设备的射频指纹特征与预先存储在射频指纹库中的对应射频指纹特征进行对比，根据对比结果，对无线设备进行认证。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图，包括以下步骤：
接收无线设备基带I/Q信号，并对接收到的信号进行过采样；
对过采样后的信号进行能量归一化；
对能量归一化的信号进行延迟、差分运算；
将延迟差分后的信号绘制在以I路和Q路为坐标轴的坐标空间中，形成差分星座轨迹图。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对过采样后的信号进行能量归一化，按照下式进行计算：



其中，(Ii,Qi)表示过采样后I/Q信号的坐标，(Ii′,Qi′)表示能量归一化后I/Q信号的坐标，m表示采样点的个数。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对能量归一化的信号进行延迟、差分运算，按照下式进行计算：
(Ii″+Qi″j)＝(Ii′+Qi′j)·(Ii+n′+Qi+n′)i＝1,2,...,m
Ii″＝Ii′Ii+n′-Qi′Qi+n′i＝1,2,...,m
Qi″＝Ii′Qi+n′+Ii+n′Qi′i＝1,2,...,m
其中，n表示差分间隔，j表示复数的虚数单位，Ii′、Qi′分别表示能量归一化后信号的I路、Q路坐标，Ii+n′、Qi+n′分别表示延迟后信号的I路、Q路坐标，Ii″、Qi″分别表示差分后信号的I路、Q路坐标，m表示采样点的个数。


5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取无线设备基带I/Q信号的差分星座轨迹图，还包括：
对绘制的差分星座轨迹图中的所有采样点进行数据预处理，去除不符合要求的采样点。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对绘制的差分星座轨迹图中的所有采样点进行数据预处理，去除不符合要求的采样点，包括以下步骤：
分别计算差分星座轨迹图中所有采样点的幅值；
计算所有采样点幅值的平均值，并删除幅值是平均值3倍以上的采样点。


7....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锐，黄进，缪巍巍，赵高峰，李洋，张明轩，汪大洋，李沛，蔡昊，陈悟，
申请(专利权)人：国网电力科学研究院有限公司，南京南瑞信息通信科技有限公司，国网江苏省电力有限公司，国网江苏省电力有限公司信息通信分公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32