多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法和装置制造方法及图纸

本申请提出了一种多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法，包括：在无线接入点/用户端接收另一端发射的训练信号和任意未知信号，并对训练信号进行差分，生成无线信道矩阵，根据任意未知信号和无线信道矩阵生成信号向量，对所有信号向量进行处理，得到发射端所有链路信号；使用所有链路信号训练射频指纹特征识别模型，并生成设备射频指纹库；获取待认证设备的待识别信号输入到模型中进行识别，得到待认证设备射频指纹特征，并与设备射频指纹库对比，得到待认证设备射频指纹识别结果。采用上述方案的本发明专利技术可以同时实现多个设备及每个设备的多条链路信号的分离，并保证不发生指纹混叠，从而实现多个设备的射频指纹识别。别。别。

【技术实现步骤摘要】
多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法和装置


[0001]本申请涉及无线网络接入认证
，尤其涉及多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法和装置。

技术介绍

[0002]在现实环境中，无线网络极易受到各类窃听与干扰攻击，带来非法接入、数据泄露等一系列网络安全威胁。对设备进行严格的接入认证是防范这些威胁的主要手段之一。现有的接入认证技术主要分为两大类，第一类是基于密码学方法的接入认证技术，第二类称为射频指纹识别技术。
[0003]基于密码学方法的接入认证技术采用加密、哈希函数、数字签名等密码学方法，基于待认证设备所拥有的秘密值对其进行接入认证。例如在WiFi无线网络中，无线接入点(或路由器)一般采用WPA或WPA2协议对移动设备进行接入认证。WPA或WPA2协议采用了加密算法，基于协议双方使用的同一预共享密钥(即秘密值)进行身份验证和密钥交换。
[0004]射频指纹识别技术基于待认证设备的硬件特征或无线信道的特点对其进行认证，可以分为两类：第一类是基于无线信道的射频指纹识别技术，该类技术识别被认证设备和认证设备之间的无线信道特征；第二类是基于硬件特征的射频指纹识别技术，该类技术识别被认证设备的硬件特征。这里的硬件特征主要指设备射频前端的组成器件与关联电路因材料、工艺、老化等因素产生的偏离标称值的电路容差，具体如时钟抖动、DAC采样误差、混频器频率偏移、功放非线性效应、IQ失衡等。
[0005]基于密码学方法的接入认证技术增加了消息的大小、传输开销和延时，在计算能力受限的无线设备中，难以满足高带宽、低延迟的通信要求。此外，随着密码分析行业的发展，旧的密码学方法不断被发现存在重大漏洞。量子计算机也可以高效地破解大部分密码学方法，对基于密码学方法的认证技术造成了极大威胁。基于硬件特征的射频指纹识别技术没有上述基于密码学方法存在的缺点，但已有的研究大部分针对单天线设备的射频指纹提取和识别，对多天线多链路设备(即MIMO设备)，或者多个用户同时通信场景下对所有接入用户进行射频指纹识别尚无明确方案。

技术实现思路

[0006]本申请的第一个目的在于提出一种多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法，解决了现有方法不存在多天线多链路设备的指纹的系统识别的技术问题，实现了同时对多个设备及每个设备的多条链路信号的分离，并在分离时完整保留对应链路的指纹信息而不发生指纹混叠，使得单个MIMO发射机的多条链路指纹可以通过类似单天线单链路发射机的方法进行指纹提取与识别。
[0007]本申请的第二个目的在于提出一种多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别装置。
[0008]为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种多用户无线通信场景下的MIMO
设备射频指纹识别方法，包括：在无线接入点/用户端接收用户端/无线接入点发射的训练信号和任意未知信号，并对训练信号进行差分，生成无线信道矩阵，根据任意未知信号和无线信道矩阵生成信号向量，对所有用户设备的所有信号向量进行处理，得到所有用户设备的链路信号，其中，若无线接入点为信号发射端时，用户端为信号接收端，若用户端为信号发射端时，无线接入点为接收端，训练信号携带训练序列，任意未知信号携带通信数据；将所有设备的所有链路信号作为训练数据对射频指纹特征识别模型进行训练，得到训练好的射频指纹特征识别模型，并生成设备射频指纹库，其中，设备射频指纹库用于存储训练产生的设备信息和对应的射频指纹特征；获取待认证设备的待识别信号，并将待识别信号输入训练好的射频指纹特征识别模型中进行识别，得到待认证设备射频指纹特征，将待识别设备射频指纹特征与设备射频指纹库对比，得到待认证设备射频指纹识别结果。
[0009]本申请实施例的多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法，针对上行通信场景多个设备的信号在无线接入点处产生时空混叠的现象，提出了链路分离技术，从而可以区分多个设备的信号，进而针对多个设备进行指纹提取与识别，本申请提出的链路分离技术采用矩阵运算，可同时实现多个设备及每个设备的多条链路信号的分离，并在分离时完整保留对应链路的指纹信息而不发生指纹混叠，使得单个MIMO发射机的多条链路指纹可以通过类似单天线单链路发射机的方法进行指纹提取与识别。
[0010]可选地，在本申请的一个实施例中，若无线通信场景为上行通信场景，方法包括：
[0011]在无线接入点接收多个用户端发射的训练信号，并对训练信号进行差分，得到无线信道矩阵；
[0012]在预设时间段的每个时刻内通过无线接入点接收多个用户端发射的任意未知信号；
[0013]根据每个时刻接收的多个用户发射的任意未知信号和无线信道矩阵计算得到该时刻对应的信号向量；
[0014]将预设时间段内的所有时刻的信号向量进行拼接，并根据拼接后的信号向量得到所有设备的所有链路信号。
[0015]可选地，在本申请的一个实施例中，对训练信号进行差分，得到无线信道矩阵，包括：
[0016]对多个用户端发射的训练信号进行差分，并对差分后的数据进行拼接，得到第一拼接数据；
[0017]对无线接入点接收到的训练信号进行差分，并对差分后的数据进行拼接，得到第二拼接数据；
[0018]根据第一拼接数据和第二拼接数据计算得到无线信道矩阵。
[0019]可选地，在本申请的一个实施例中，多个用户端同时发射的训练信号表示为：
[0020]x
t0
,x
t1
,
…
,x
tK
(K>M)
[0021]其中，t0,t1,
…
,tK为发射时刻，M为接收端的天线总数，K为发射的训练信号个数；
[0022]无线接入点接收到的训练信号表示为：
[0023][0024]y
t1
＝HAx
t1
+Hb+w
t1
[0025]…
[0026]y
tK
＝HAx
tK
+Hb+w
tK
[0027]其中，t0,t1,
…
,tK为发射时刻，H为剥离了发射机射频指纹特征的收发天线之间的无线信道矩阵，A由射频指纹特征参数α
i
确定，b由射频指纹特征参数β
i
确定，b＝{β1,β2,
…
,β
M
}
T
，w为噪声；
[0028]多个用户端发射的训练信号进行差分后的数据表示为：
[0029][0030]第一拼接数据表示为：
[0031]ΔX
t
＝[Δx
t1
,Δx
t2
,
…
,Δx
tK
][0032]无线接入点接收到的训练信号进行差分后的数据表示为：
[0033][0034]第二拼接数据表示为：
[0035]ΔY
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多用户无线通信场景下的MIMO设备射频指纹识别方法，其特征在于，包括以下步骤：在无线接入点/用户端接收用户端/无线接入点发射的训练信号和任意未知信号，并对所述训练信号进行差分，生成无线信道矩阵，根据所述任意未知信号和所述无线信道矩阵生成信号向量，对所有用户设备的所有信号向量进行处理，得到所有用户设备的链路信号，其中，若所述无线接入点为信号发射端时，所述用户端为信号接收端，若所述用户端为信号发射端时，所述无线接入点为接收端，所述训练信号携带训练序列，所述任意未知信号携带通信数据；将所有设备的所有链路信号作为训练数据对射频指纹特征识别模型进行训练，得到训练好的射频指纹特征识别模型，并生成设备射频指纹库，其中，所述设备射频指纹库用于存储训练产生的设备信息和对应的射频指纹特征；获取待认证设备的待识别信号，并将所述待识别信号输入所述训练好的射频指纹特征识别模型中进行识别，得到待认证设备射频指纹特征，将所述待识别设备射频指纹特征与所述设备射频指纹库对比，得到待认证设备射频指纹识别结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述无线通信场景为上行通信场景，所述方法包括：在所述无线接入点接收多个用户端发射的训练信号，并对所述训练信号进行差分，得到所述无线信道矩阵；在预设时间段的每个时刻内通过所述无线接入点接收多个用户端发射的任意未知信号；根据每个时刻接收的多个用户发射的任意未知信号和所述无线信道矩阵计算得到该时刻对应的信号向量；将所述预设时间段内的所有时刻的信号向量进行拼接，并根据拼接后的信号向量得到所述所有设备的所有链路信号。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述训练信号进行差分，得到所述无线信道矩阵，包括：对所述多个用户端发射的训练信号进行差分，并对差分后的数据进行拼接，得到第一拼接数据；对所述无线接入点接收到的训练信号进行差分，并对差分后的数据进行拼接，得到第二拼接数据；根据所述第一拼接数据和所述第二拼接数据计算得到所述无线信道矩阵。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个用户端发射的训练信号表示为：x
t0
,x
t1
,
…
,x
tK
(K>M)其中，t0,t1,
…
,tK为发射时刻，M为接收端的天线总数，K为发射的训练信号个数；所述无线接入点接收到的训练信号表示为：y
t1
＝HAx
t1
+Hb+w
t1
…
y
tK
＝HAx
tK
+Hb+w
tK
其中，t0,t1,
…
,tK为发射时刻，H为剥离了发射机射频指纹特征的收发天线之间的无线信道矩阵，A由射频指纹特征参数α
β
确定，b由射频指纹特征参数β
β
确定，b＝β1,β2,
…
,β
M
}
T
，w为噪声；所述多个用户端发射的训练信号进行差分后的数据表示为：所述第一拼接数据表示为：ΔX
t
＝[Δx
t1
,Δx
t2
,
…
,Δx
tK
]所述无线接入点接收到的训练信号进行差分后的数据表示为：所述第二拼接数据表示为：ΔY
t
＝[Δy
t1
,Δy
t2
,
…
,Δy
tK
]所述无线信道矩阵表示为：其中，ΔY
t
表示所述第二拼接数据，ΔX
t
表示所述第一拼接数据；所述信号向量表示为：其中，y表示无线接入点接收到N路信号，y＝{y1,y2,
…
,y
N
}
T
，表示所述无线信道矩阵；所述拼接后的信号向量表示为：Z＝[z1,z2,
…
]所述所有设备的所有链路信号表示为：其中，表示第l个设备包含的所有链路序号集合，Z
j
表示Z的第j行向量。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述无线通信场景为下行通信场景，所述方法包括：在用户端接收无线接入点在多个时间段内发射的多个训练信号，其中，所述时间段由所述无线接入点随机选择得到；对所述多个训练信号进行差分，得到所述无线信道矩阵；根据所述多个时间段对所述无线信道矩阵进行拆分，得到每个时间段对应的无线信道矩阵；在用户端接收所述多个时间段内所述无线接入点发射的所有未知信号；根据每个时间段对应的无线信道矩阵和每个时间段内在用户端接收到的未知信号计算生成该时间段的信号向量，并将所有时间段的信号向量进行拼接，得到拼接后的信号向
量；获取所有用户端的拼接后的信号向量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张骞允，王振东，李释洁，吴比翼，关振宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：