一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法。该方法的主要步骤包括：S1：采集实际环境中无线设备的输出信号，并进行预处理。S2：通过计算信号循环前缀与重复时域信号的差分函数估计载波频偏，并对将信号进行载波频偏去除，实现载波同步。S3：将信号从时域上按单个符号进行划分，去除其中与传输数据有关的物理信号。S4：对每个符号进行半波频移，并对每个符号进行子载波调制元素提取。整合为资源格矩阵。S5：将资源格矩阵渲染为资源格元素图作为同步子帧的射频指纹。本发明专利技术提取了时域和频域两个维度的信息，可以极大程度保留接收信号中设备相关特征，且可以快速获取车联网设备射频指纹，可作为车联网的射频指纹提取方法。取方法。取方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法


[0001]本专利技术属于通信与信息安全
，涉及一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法。

技术介绍

[0002]如同每个人都有不同的指纹一样,每个射频设备的硬件也会有差异,这种硬件差异被称为“设备指纹”。这种差异会反映在电磁波信号中,通过分析接收到的射频信号可以提取出设备的特征。发射机本振的偏差、同相/正交(Inphase/Quadrature,I/Q)不平衡、滤波器独特的频率响应特征、功放的非线性、天线的耦合差别等都会对发射的信号产生独特的影响。将无线设备发射的信号的中提取到的特征作为其设备身份的唯一标识,从而准确识别不同发射源个体是一种可行可靠的解决方案。
[0003]近年来，随着城市拥堵问题的产生而提出的车路互联网系统受到人们的关注。车联网是实现自动驾驶乃至无人驾驶的重要组成部分，也是未来智能交通系统的核心组成部分。在车联网系统中的核心技术是车用无线通信技术(Vehicle to Everything，V2X)，其中C
‑
V2X是基于3G/4G/5G等蜂窝网通信技术演进形成的车用无线通信技术，包含短距离直接通信接口(PC5)和终端与基站之间的通信接口(Uu)。在没有基站覆盖的情况下，C
‑
V2X采用的是基于LTE
‑
V2X协议的PC5接口支持不同设备间进行通信。车联网设备每160ms发送一次同步子帧，其中同步符号与数据无关。本专利技术将基于同步子帧提出一种用于车联网用户认证的射频指纹形成方法。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对车联网在高速移动的环境下，对于身份识别时效性要求较高的特点，本专利技术提出了一种仅依靠物理层能够快速提取特征的射频指纹方法。该方法基于与数据无关的同步信号，将调制信息幅值特征转换为易识别的颜色特征，快速获得设备射频指纹信息。在现实场景下，本专利技术提取得到的射频指纹可以进行降维操作得到射频指纹特征，或者用于神经网络训练自动学习射频指纹特征进而指导分类，达到设备识别或设备认证的效果。
[0005]技术方案：一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]S1：采集实际环境中无线设备的输出信号，并进行预处理。
[0007]S2：通过计算信号循环前缀与重复时域信号的差分函数估计载波频偏，并对将信号进行载波频偏去除，实现载波同步。
[0008]S3：将信号从时域上按单个符号进行划分，去除其中与传输数据有关的物理信号。
[0009]S4：对每个符号进行半波频移，并对每个符号进行子载波调制元素提取。整合为资源格矩阵。
[0010]S5：将资源格矩阵渲染为资源格元素图作为同步子帧的射频指纹。
[0011]进一步的，步骤S1预处理包括：信号检测、信号截取、能量归一化、时域同步。其中信号检测是通过解调参考信号位置判断子帧类型，并保留同步子帧信号用于后续指纹提取。
[0012]进一步的，步骤S3中单个符号中需要将信号中包含数据的PSBCH符号去除，并且需要截取完整的OFDM符号，舍弃符号循环前缀部分。
[0013]进一步的，步骤S4的具体步骤为：
[0014]对每个符号进行傅里叶变换，提取符号频域中设置有调制符号的子载波，不包括没有信号的空子载波得到单一符号的资源格元素。对每个符号子载波调制元素进行归一化后，将每个符号的资源格元素按照子载波序号大小排列成竖排，每个OFDM符号解调得到M
×
1的子载波调制元素矩阵，并将多个符号的资源格元素按符号在同步子帧中出现顺序合并，得到一个大小为M
×
N的资源格矩阵。其中M为调制元素非空的子载波数，N为除数据符号外的符号数，资源格矩阵内元素为：
[0015][0016]进一步的，步骤S5的具体步骤为：
[0017]将资源格矩阵内元素根据其模值a
r,l
大小根据统一的颜色模型、相同的颜色分类范围以及相同组合颜色数所得标准映射为不同颜色，得到资源格元素图。这里的颜色模型指的是在某三维颜色空间中的一个可见子光集，它包含某个色彩与的所有色彩。资源格元素图中横轴为时域，代表不同的符号，纵轴为频域，代表中心频率不相同的子载波。
[0018]有益效果：本专利技术与现有方法相比，显著的特点是：在车联网的背景下，通过本方法基于LTE
‑
V2X中特有的同步子帧，利用其数据无关特性，进行资源格元素提取，并转换为图片格式，可以快速获取车联网设备射频指纹。本专利技术不需要复杂的数学运算，将射频指纹搬移到三维维度,能够提取信号时域以及频域的信息,且可以极大程度保留接收信号中设备相关特征。通过仿真和实验可以得到，使用本专利技术可以利用物理层信息准确识别设备，识别准确率可达95％。
附图说明
[0019]图1是本专利技术一个实施例的流程示意图。
[0020]图2是LTE
‑
V2X物理层帧结构示意图。
[0021]图3是去除PSBCH符号后帧结构示意图。
[0022]图4是具体实例射频指纹提取得到指纹结构示意图。
具体实施方式
[0023]以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0024]本专利技术提供的基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，整体方案如图1，包括以下步骤:
[0025]S1：采集实际环境中无线设备的输出信号，并进行预处理。具体实例使用的采集信号为LTE
‑
V2X制式下的同步子帧，采集频率为f
s
，频域子载波间隔为Δf，物理层帧结构如图2，同步子帧长度为N
subslot
，每个符号前都有一段复制OFDM符号尾部信息的循环前缀(CP)，
利用此帧结构设计进行粗同步以及细同步，得到子帧同步点n
syn
，以及各个符号同步点在帧结构中PSBCH为用于传输用户数据的广播信道。PSSS为主同步信号，位于子帧的第2、3个符号。SSSS为辅同步信号，位于子帧的第12、13个符号。在帧结构的设计上每个同步子帧中分别有两个相邻且相同的PSSS和SSSS信号。DMRS为解调参考信号，位于子帧的第5、7、10个符号。GP为保护间隔，为一空白符号。PSSS、SSSS、DMRS信号只与用户ID有关，具有数据无关性。
[0026]S2：通过计算信号循环前缀与重复时域信号的差分函数估计载波频偏，并对将信号进行载波频偏去除，实现载波同步。频偏估计的公式为：
[0027][0028][0029][0030]其中y
PSSS
(n)、y
SSSS
(n)对应的PSSS以及SSSS时域符号，为复数辐角主值，求得的信号频率偏移为f
o
。
[0031]S3：将信号从时域上按各个符号同步点对子帧进行单个符号划分，得到每个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采集实际环境中无线设备的输出信号，并进行预处理；S2：通过计算信号循环前缀与重复时域信号的差分函数估计载波频偏，并对将信号进行载波频偏去除，实现载波同步；S3：将信号从时域上按单个符号进行划分，去除其中与传输数据有关的物理信号；S4：对每个符号进行半波频移，并对每个符号进行子载波调制元素提取，整合为资源格矩阵；S5：将资源格矩阵渲染为资源格元素图作为同步子帧的射频指纹。2.根据要求1所述一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，其特征在于，步骤S1中预处理包括：信号检测、信号截取、能量归一化、时域同步；其中信号检测是通过解调参考信号位置判断子帧类型，并保留同步子帧信号用于后续指纹提取。3.根据要求1所述一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，其特征在于，步骤S3中单个符号中需要将信号中包含数据的PSBCH符号去除，并且需要截取完整的OFDM符号，舍弃符号循环前缀部分。4.根据要求1所述一种基于同步子帧的资源格元素图射频指纹形成方法，其特征在于...

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