基于星座轨迹图像特征的设备指纹提取及设备识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信和通信安全领域，具体涉及一种基于星座轨迹图像特征的设 备指纹提取及设备识别方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息技术的发展，移动互联网用户数急剧上升。用户使用的终端包括手机，平 板电脑，笔记本，台式电脑等等，可谓无处不遍及人们的工作生活。对接入设备的身份进行 认证是保障通信系统安全的重要步骤。在传统的无线通信系统中，设备接入时的认证主要 是依靠传统的口令以及数字证书的方法来完成。
[0003] 近年的研究表明，可以通过无线通信系统发射的电磁波，提取其设备的射频特征。 射频指纹是指能够产生射频信号的发射器硬件模块或设备所具有的物理特征，这个物理特 征从发射器发射的射频信号中提取，作为识别发射器硬件模块或设备的依据。目前研究表 明，类似于人类指纹的差异性，射频指纹在当前的技术条件下具有可区分性，即可以把射频 指纹作为区分不同发射器硬件模块或设备的一种标准，并且具有应用价值。
[0004] 射频指纹特征提取除了基于瞬态响应的射频指纹提取方法及稳态响应的射频指 纹提取方法，还可以通过星座轨迹图的方法进行提取。使用星座轨迹图进行射频指纹特征 提取，可以在不了解目标设备先验信息的情况下获得目标设备发射的射频信号的特征。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于星座轨迹图像 特征的设备指纹提取及设备识别方法，从设备发射信号的星座轨迹图中提取图像特征作为 设备指纹，基于得到的无线设备射频指纹特征，可以对接入的无线设备身份进行识别及认 证。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明提供一种基于星座轨迹图像特征的设备指纹 提取及设备识别方法，包括以下步骤：
[0007] (1)认证判断设备接收其合法设备的发射信号得到数字调制信号，并利用IQ信号 建立星座图；
[0008] (2)对所述星座图中的星座点进行阶梯化处理得到星座轨迹图，并提取所述星座 轨迹图的内、外轮廓；
[0009] (3)提取所述星座轨迹图的内、外轮廓的形状特征S作为样本；
[0010] (4)判断采集的样本数是否达到预设的数量，若是，则利用步骤(3)中提取的形状 特征S建立所述合法设备的设备指纹F，并将该设备指纹F存储在合法设备指纹样本库中； [0011] (5)当接入设备向所述认证判断设备发送通信请求时，所述认证判断设备的接收 端提取所述接入设备的设备指纹，并与所述合法设备指纹样本库中存储的设备指纹进行比 对，若在所述合法设备指纹样本库中匹配到所述接入设备的设备指纹，则所述接入设备为 合法设备，若没有匹配到所述接入设备的设备指纹，则所述接入设备为非法设备。
[0012]进一步地，若步骤(4)中采集的样本数没有达到预设的数量，则本发明方法进行以 下步骤：
[0013]改变所述IQ信号的时间窗口 W的宽度和位置，重复步骤⑵和步骤(3 )，对于一窗口 Wi，获取其对应的形状特征*^ ;
[0014] 改变所述IQ信号的采样率R，重复步骤(2)和步骤(3)，对于一采样率Ri，获取其对 应的形状特征\:
[0015] 进入步骤⑷。
[0016] 其中，步骤(2)中所述的阶梯化处理是指在任意两个星座点（^，71)，（12,72)中增 加(XI，y2)，将星座图中的(XI，y 1)先连接(XI，y2)再连接(X2，y2)得到所述的星座轨迹图。
[0017] 其中，步骤(3)中提取所述星座轨迹图内外轮廓的形状特征S，包括以下步骤：
[0018] 确定坐标：以坐标(0,0)为原点，以过原点的水平线为横坐标，以过原点且与横坐 标垂直的竖直线为纵坐标，横、纵坐标将所述星座轨迹图划分为四个部分得到四个象限；
[0019] 确定星座轨迹图外轮廓的标准形状：以所述星座轨迹图的外轮廓为外轮廓的初始 形状，对所述外轮廓的初始形状上各点求幅度值，分别获取四个象限上幅度值的极值点，当 某一象限上出现极值相同的点时，则取这些点的几何中点作为极值点；按顺时针或逆时针 依次连接所获取到的极值点，形成一个四边形作为星座轨迹图外轮廓的标准形状；
[0020] 确定星座轨迹图内轮廓的标准形状：以所述星座轨迹图的中心最大空白区域作为 内轮廓的初始形状，在内轮廓中选取4个点，按顺时针或逆时针依次连接这4个点形成一个 四边形作为星座轨迹图的内轮廓的标准形状;所述4个点为:横坐标最大值对应的点，横坐 标最小值对应的点、纵坐标最大值对应的点、纵坐标最小值对应的点；
[0021] 确定形状特征S:
[0022]所述形状特征 S 为集合S = {Son、S〇i2、S〇i3、S〇i4、Sodi、S〇d2、C。、S〇a、S〇 s、Sm、Su2、Su3、 Sil4、Sidl、Sid2、Ci、Sia、Sis}，其中，Soll、Sol2、Sol3、Sol4分别为外轮廓的标准形状的各边边长， Sck^Sw*别为外轮廓的标准形状的各对角线长度，S〇a为外轮廓的两条对角线夹角角度，C。 为外轮廓的中心点，SosS外轮廓的不对称度;Sill、Sil2、Sil3、Sil4分别为内轮廓的标准形状的 各边边长，s ldl、sld2分别为内轮廓的标准形状的两个对角线的长度，Ci为内轮廓的中心点， Sla为内轮廓的两条对角线夹角角度;Sls为内轮廓的不对称度。
[0023]其中，所述外轮廓的不对称度心8的定义为：以角度1°为间隔，分别从原点引出360 条线，求取这360条线与所述星座轨迹图外轮廓的初始形状及外轮廓的标准形状的两个交 点的幅度差，各幅度差依次排列所形成的向量;所述内轮廓的不对称度S is的定义为：以角度 1°为间隔，分别从原点引出360条线，求取这360条线与所述星座轨迹图内轮廓的初始形状 及内轮廓的标准形状的两个交点的幅度差，各幅度差依次排列所形成的向量。
[0024]为了减少存储空间，所述外轮廓的不对称度S〇s的定义可进一步为：以角度1°为间 隔，分别从原点引出360条线，求取这360条线与所述星座轨迹图外轮廓初始形状及图5的外 轮廓标准形状的两个交点的幅度差，以每个象限为一个分组，对所述幅度差进行分组求和， 得到四维不对称度;所述内轮廓的不对称度S ls的定义为：以角度1°为间隔，分别从原点引出 360条线，求取这360条线与所述星座轨迹图内轮廓的初始形状及内轮廓的标准形状的两个 交点的幅度差，以每个象限为一个分组，对所述幅度差进行分组求和，得到四维不对称度。
[0025] 有益效果:本发明中基于星座轨迹图像特征的设备指纹提取及设备识别方法，利 用发射信号的星座图轨迹形成设备指纹，并进一步利用已经存储的设备指纹进行无线设备 的身份认证和识别。该方法不同于传统的采用密码机制与安全协议的身份认证算法，是一 种基于物理层特征的非密码认证方法。因此，本发明方法具有一定先进性和有效性，为无线 设备的安全通信提供了新思路。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明中基于星座轨迹图像特征的设备指纹提取及设备识别方法的流程 图；
[0027]图2为阶梯化处理星座图的示意图；
[0028] 图3为CC2530芯片的0QPSK信号星座图；
[0029] 图4为CC2530芯片的0QPSK信号星座轨迹图；
[0030] 图5为图4中星座轨迹图内、外轮廓的标准形状；
[0031] 图6为改变时间窗口 W获得的一种星座轨迹图；
[0032] 图7为改变采样率R获得的一种星座轨迹图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0034]为了方便理解，本实施例以三个无线通信设备:第一设备、第二设备、第三设备为 例来进行说明本发明中基于星座轨迹图像特征的设备指纹提取及设备识别方法方法，第一 设备和第二设备之间存在信息互通，彼此为对方的合法设备;在两个设备之间进行信息互 通之前，其中一设备的发送端会向对方的接收端发送通信请求，第二设备和第三设备均是 第一设备的接入设备，即向第一设备发送通信请求的设备，第一设备成为认证判断设备。以 第一设备的接收端为例，该第一设备可以接收到第二、第三设备发送过来的无线信号，第一 设备接收到某一接入设备的通信请求时，对该设备进行身份认证，判断其是否为合法设备， 若为合法设备则可进行后续通信。
[0035] 如图1所示，本发明中基于星座轨迹图像特征的设备指纹提取及设备识别方法主 要包括合法设备指纹样本库的建立和通信请求设备的指纹匹配，具体包括如下步骤：
[0036] (1)第一设备的接收端接收第二设备(本实施例中第一设备的合法设备)的发射信 号得到数字调制信号，并利用IQ信号建立星座图；
[0037] (2)对星座图中的星座点进行阶梯化处理得到星座轨迹图，并提取所述星座轨迹 图的内外轮廓；
[0038] (3)提取所述星座轨迹图内外轮廓的形状特征S作为样本；
[0039] (4)判断采集的样本数是否达到预设的数量，若是，则利用步骤(3)中提取的形状 特征S建立第二设备的设备指纹F，并将该设备指纹F存储在合法设备指纹样本库中；
[0040] 本实施例中，第一设备的合法设备只有第二设备，若合法设备为多个，则按照步骤 (1)至(4)中的步骤，将所有的合法设备指纹存储在合法设备指纹样本库中；
[0041] (5)当某一接入设备向第一设备发送通信请求时，第一设备的接收端提取该设备 的设备指纹F，并与所述合法设备指纹样本库中存储的设备指纹进行比对，若在所述合法设 备指纹样本库中匹配到该设备的设备指纹F，则该设备为合法设备，如本实施例中的第二设 备;若没有匹配到该设备的设备指纹F，则该设备为非法设备，如本实施例中的第三设备。 [0042]为了增加样本数目，本实施例中，若上述步骤(4)中采集的样本数没有达到预设的 数量，则进行以下步骤：
[0043] 改变所述IQ信号的时间窗口 W的宽度和位置，重复步骤(2)和步骤(3)，产生形状特 征Sw;
[0044] 改变所述IQ信号的采样率R，重复步骤(2)和步