基于差分星座轨迹图的无线设备瞬态特征提取与识别方法与流程

本发明属于信息安全技术领域，特别涉及了基于差分星座轨迹图的无线设备瞬态特征提取与识别方法。

背景技术：

基于设备射频指纹特征的无线目标识别具有抵御伪造、篡改和欺骗攻击的优点，是一种可以被广泛用于设备身份识别的新方法。申请号为2015108367155的专利提出了一种利用差分星座轨迹图的设备特征提取方法，可以有效克服由于信号发射源和接收端的频率偏差造成的接收信号在I/Q星座图上的旋转，但本专利申请主要是基于差分星座轨迹图提取设备的稳态特征。由于无线设备在信号发射和信号结束的瞬间会产生独特的特征，针对该特征的提取和识别将可以更有效地实现对无线设备个体的识别。此外，获得无线设备的稳态特征需要一定针对该无线设备的先验信息，而针对其信号发射和信号结束瞬态变化的特征提取和识别将不需要无线设备的先验信息，具有更好的适用性。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供基于差分星座轨迹图的无线设备瞬态特征提取与识别方法，通过差分星座轨迹图获得瞬态变化的特征，进而对无线设备的身份进行识别。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于差分星座轨迹图的无线设备瞬态特征提取与识别方法，包括以下步骤：

(1)获取无线设备基带信号并进行采样；

(2)将采样后的基带信号进行预处理，提取信号的瞬态发射和瞬态结束部分；

(3)将信号的瞬态发射和瞬态结束部分绘制在在差分星座轨迹图上；

(4)在差分星座轨迹图上将绘制的信号瞬态发射和瞬态结束部分按照固定数量的描绘点进行描绘，得到信号瞬态变化轨迹；

(5)将信号瞬态变化轨迹存储在特征库中，作为该无线设备的身份特征；或者提取信号瞬态变化轨迹的特征，存储在特征库中，作为该无线设备的身份特征；

(6)当需要进行设备身份识别时，将待识别的无线设备的信号瞬态变化轨迹与存储在特征库中的轨迹进行比较，对无线设备的身份进行识别。

进一步地，在步骤(1)中，采样的频率高于无线设备基带信号的宽度。

进一步地，在步骤(2)中，对采样后的基带信号的预处理包括将基带信号进行信号分片，去除采样信号中的噪声采样点，提取基带信号中的每一段发射脉冲信号，并对每一段发射脉冲信号进行幅度的归一化。

进一步地，提取基带信号中的每一段发射脉冲信号至少包含完整的无线设备瞬态发射的信号采样点和无线设备瞬态结束的信号采样点，所述无线设备瞬态发射的信号采样点是指信号幅度从接近0跃升至接近1时的信号采样点，所述无线设备瞬态结束的信号采样点是指信号幅度从接近1降至接近0时的信号采样点。

进一步地，在步骤(4)中，对多段发射脉冲信号的瞬态发射和瞬态结束部分对应的信号瞬态变化轨迹取平均，作为最终的信号瞬态变化轨迹。

进一步地，在步骤(3)中，将信号的瞬态发射和瞬态结束部分的采样点通过固定的差分间隔进行差分处理后绘制在星座图上，形成差分星座轨迹图，差分间隔为信号的符号速率。

进一步地，在步骤(4)中，相邻描绘点之间的间距相等。

进一步地，在步骤(5)中，提取信号瞬态变化轨迹的特征的方法为，提取信号瞬态变化轨迹中各描绘点的角度值，通过曲线拟合，得到角度值的曲线拟合参数，将曲线拟合参数作为无线设备的身份特征。

进一步地，在步骤(6)中，使用相关运算，得到待识别的无线设备的信号瞬态变化轨迹与特征库中轨迹的相关系数，基于设定的相关系数门限，识别无线设备的身份。

采用上述技术方案带来的有益效果：

传统的无线设备瞬态射频指纹特征的获取主要是在射频段进行获取，而本发明可以在无线信号的基带对任意信号调制的无线设备获取其瞬态的射频指纹特征，获得的射频指纹特征可以做为无线设备的身份识别信息。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为获取信号瞬态发射和瞬态结束部分的示意图；

图3为差分星座轨迹图；

图4、图5分别为差分轨迹图上平均后的瞬态发射和瞬态结束部分示意图；

图6、图7分别为差分轨迹图上描绘的瞬态发射和瞬态结束部分轨迹示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出的基于差分星座轨迹图的无线设备瞬态特征提取与识别方法，如图1所示，步骤如下：

步骤1：获取无线设备基带信号并进行采样；

步骤2：将采样后的基带信号进行预处理，提取信号的瞬态发射和瞬态结束部分；

步骤3：将信号的瞬态发射和瞬态结束部分绘制在在差分星座轨迹图上；

步骤4：在差分星座轨迹图上将绘制的信号瞬态发射和瞬态结束部分按照固定数量的描绘点进行描绘，得到信号瞬态变化轨迹；

步骤5：将信号瞬态变化轨迹存储在特征库中，作为该无线设备的身份特征；或者提取信号瞬态变化轨迹的特征，存储在特征库中，作为该无线设备的身份特征；

步骤6：当需要进行设备身份识别时，将待识别的无线设备的信号瞬态变化轨迹与存储在特征库中的轨迹进行比较，对无线设备的身份进行识别。

下面，将分别针对每个流程进行详细的说明。

系统对接收的信号在基带进行采样。在实际环境中，最好以无线设备原信号码元速率的整数倍为宜。在未知无线设备信号码元速率的前提下，以无线设备基带信号带宽的5-10倍为宜。系统采样后的信号为X。

系统对采样的信号进行预处理。系统首先将采样获得的信号X片段进行统计，得到不同采样点幅度的统计结果。根据统计的结果估计出噪声的幅度A1和信号幅度A2。根据噪声幅度A1和信号幅度A2估计出信号的判决门限A3。在获得的信号X片段中选取高于A3的信号片段。为了能够获得完整的信号瞬态发射和瞬态接收的信号，在选取高于A3的信号片段后，将额外的再补充每一个片段前后若干个采样点的信号，具体的额外选取采样点数值可以根据实际系统的采样率进行设置。通过上述处理，得到了分片后的信号Yi，其中i代表不同的信号片段。在本实施例中，假设一共采集了N段。最终，系统将不同的分片信号进行能量归一化，得到归一化幅度为1的信号片段，H为归一化的系数。

之后，系统通过之前估计的噪声幅度A1、信号幅度A2以及归一化的系数H，选取信号的瞬态发射和瞬态结束部分，将每一分片的信号瞬态发射和瞬态结束部分记为Zi。图2为获取信号瞬态发射和瞬态结束部分的示意图。

系统根据原信号的符号速率，将瞬态部分的采样点通过固定的差分间隔进行差分处理后绘制在星座图上，形成差分星座轨迹图。差分间隔的选取为信号的符号速率。信号的符号速率可以通过已知信息获得，也可以通过信号的带宽进行估计。图3为差分星座轨迹图。

为了能够将信号的瞬态部分提取成特征。需要在差分星座轨迹图上对瞬态部分进行处理，转换成固定的特征。由于瞬态部分的轨迹长度不一，需要选取固定长度的特征点以确定其特征。例如选取的特征点数为M。则针对每一段信号瞬态开启和瞬态结束部分Zi，计算总的距离长度为L。则在原轨迹上每隔L/M长度求取一个描绘点由于在实际系统中，每一次获得的瞬态发射和瞬态结束部分的轨迹可能存在着一定的偏差。为了能够获得稳定的瞬态轨迹，需要将多段分片信号的结果进行平均，具体的做法如下：

图4和图5分别为差分轨迹图上平均后的瞬态发射和瞬态结束部分示意图，图6和图7分别为差分轨迹图上描绘的瞬态发射和瞬态结束部分轨迹示意图。

最终，可以将获得的作为设备的射频指纹特征，储存在设备射频指纹库中。当设备接入时，可以将新接入设备的指纹和存储在设备射频指纹库中的通过相关运算判断其身份是否符合认证。

此外，在得到设备瞬态部分的特征后，可以提取中每一个采样点的角度值。在本实施方式中，可以通过3阶的曲线拟合，得到其角度值的曲线拟合参数，将其曲线拟合的参数作为其设备的特征进行存储。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。