一种基于扩频还原的射频指纹提取方法与流程

本发明涉及通信与信息安全，尤其是涉及一种基于扩频还原的射频指纹提取方法。

背景技术：

1、扩频通信是一种可靠安全的通信技术，它通过将信号调制到较宽的频带上进行传输，保证通信服务质量和用户隐私数据的安全。然而大量部署的物联网设备一旦遭受攻击，不仅会造成信息泄露，也给物联网的安全带来巨大隐患，识别物联网设备的合法身份是保障物联网安全的重要途径。

2、近年来射频指纹技术在无线设备身份识别方面取得显著进展。射频指纹反映了射频模块硬件差异，硬件特征自然地嵌入到设备发射的信号中，通过外部设备采集和处理信号提取出每个设备的射频指纹，从而用来识别和验证设备的身份。经证实射频指纹具有唯一性、不可克隆性和长期稳定性等特点，在物联网安全和应用中发挥重要作用。

3、信道衰落对射频指纹的影响不可避免。信号在传输过程中会经历各种信道衰落的干扰，如路径损耗、阴影衰落这样的大尺度衰落和多径效应、多普勒效应这样的小尺度衰落。这些衰落会模糊从信号中提取出来的射频指纹特征，在干扰严重的情况下甚至会导致射频指纹被干扰覆盖和淹没，现有的射频指纹提取方法无法很好的去除干扰，使得设备识别效果下降。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了实现复杂环境下射频指纹的有效提取，降低信道衰落对射频指纹识别的干扰提供的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，包括：

4、s1、获取扩频信号的一个信号帧；

5、s2、将信号帧进行预处理并进行同步和补偿；

6、s3、将s2中同步过程中的同步点作为起始点，进行信号帧的分割和解码，得到分割的每个符号的解码结果；

7、s4、基于解码结果确定扩频码，将每个符号的扩频码调制到分割得到的每个接收符号上，得到还原的接收符号；

8、s5、对还原后的每个接收符号归一化后变换到频域并进行筛选，得到每个符号的射频指纹；

9、s6、将每个符号的射频指纹求和取均值得到该信号帧的射频指纹。

10、进一步地，s2中，信号帧的同步和补充的具体步骤为：利用同步算法对预处理后的信号帧进行同步操作，实现帧同步与位同步，然后利用载波频偏估计算法和载波相偏估计算法估计出同步后的信号帧的载波频偏与载波相偏，对载波频偏与载波相偏进行补偿。

11、进一步地，s3的具体步骤为：

12、将s2中同步过程中的同步点作为起始点，进行信号帧逐符号分割，分割后得到信号帧的所有接收符号，提取每个符号并使其i/q路在时域上对齐，将所有理想符号与每个对齐后的接收符号进行共轭相乘运算，对于一个接收符号，选择运算结果中模值最大的作为该接收符号的对应的解码结果。

13、进一步地，接收符号为：

14、

15、其中，si(n)表示信号帧的第i个符号，xi(n)表示x(n)内第i个符号，表示xi(n)的i路，表示xi(n)的q路，pi(n)表示调制到xi(n)的第i个扩频序列，表示pi(n)的实部，表示pi(n)的虚部，x(n)表示扩频调制前的基带载波信号，表示直接序列扩频调制。

16、进一步地，解码结果为：

17、

18、其中，ssci表示第i个符号的解码结果，rt(n)表示编号为t的理想符号，t表示所有理想符号构成的编号集合，l表示一个符号长度，*代表复数的共轭，×代表复数乘法，abs代表复数取模值运算，si(n)表示信号帧的第i个符号。

19、进一步地，s4中，将每个符号的扩频码调制到分割得到的每个接收符号上具体为：将每个接收符号在时域上乘以各自对应的扩频码，然后得到还原的接收符号。

20、进一步地，还原的接收符号为：

21、

22、其中，si(n)为第i个接收符号，表示第i个接收信号的解码结果对应的复数形式的扩频码序列，表示的实部，表示的虚部，表示si(n)的实部，表示si(n)的虚部，表示第i个还原的接收符号，表示pi(n)的实部，表示pi(n)的虚部，pi(n)表示调制到xi(n)的第i个扩频序列。

23、进一步地，s5的具体步骤为：对扩频还原后的每个符号能量归一化，然后将基带载波信号变换到频域确定有效频点，确定频谱筛选的范围，进行筛选，选取有效频点处的频谱幅度值组成新的射频指纹特征数据序列，得到符号的射频指纹。

24、进一步地，频谱筛选的范围为：

25、ind＝f(abs(x(x))>0)

26、其中，x(k)表示x(n)的频域变换结果，x(n)表示扩频调制前的基带载波信号，f表示返回符合条件的序列下标运算。

27、进一步地，符号的射频指纹为：

28、

29、其中，表示的频域变换结果，表示第i个还原的接收符号，ind表示频谱筛选范围，g表示依据ind提取序列中相应下标的元素组成新的序列运算，rffi表示第i个符号的射频指纹；

30、s6中，信号帧的射频指纹为：

31、

32、其中，rffi表示第i个符号的射频指纹，n表示符号总数，rff表示信号帧的射频指纹。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明通过解码扩频信号得到扩频码，将扩频码调制到接收的扩频信号上，利用扩频码自身相乘为一的特性去除了接收信号中的数据信息，提取得到的射频指纹中不包含任何数据相关的信息，实现了数据无关性。此外，扩频还原使得复杂信道对扩频信号的影响转化为对单频正弦波信号频谱幅度的影响，通过能量归一化去除了信道干扰，有利于获得稳定的射频指纹特征，适用于直接序列扩频的通信体制，进而可为此类无线设备在复杂环境下的身份识别提供技术手段，实现复杂环境下射频指纹的有效提取，有效抵抗无线信道的影响。

技术特征：

1.一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，s2中，信号帧的同步和补充的具体步骤为：利用同步算法对预处理后的信号帧进行同步操作，实现帧同步与位同步，然后利用载波频偏估计算法和载波相偏估计算法估计出同步后的信号帧的载波频偏与载波相偏，对载波频偏与载波相偏进行补偿。

3.根据权利要求1所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，s3的具体步骤为：

4.根据权利要求3所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，接收符号为：

5.根据权利要求4所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，解码结果为：

6.根据权利要求1所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，s4中，将每个符号的扩频码调制到分割得到的每个接收符号上具体为：将每个接收符号在时域上乘以各自对应的扩频码，然后得到还原的接收符号。

7.根据权利要求6所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，还原的接收符号为：

8.根据权利要求1所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，s5的具体步骤为：对扩频还原后的每个符号能量归一化，然后将基带载波信号变换到频域确定有效频点，确定频谱筛选的范围，进行筛选，选取有效频点处的频谱幅度值组成新的射频指纹特征数据序列，得到符号的射频指纹。

9.根据权利要求8所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，频谱筛选的范围为：

10.根据权利要求9所述的一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，其特征在于，符号的射频指纹为：

技术总结
本发明涉及一种基于扩频还原的射频指纹提取方法，包括：S1、获取扩频信号的一个信号帧；S2、将信号帧进行预处理并进行同步和补偿；S3、进行信号帧的分割和解码，得到分割的每个符号的解码结果；S4、将每个符号的扩频码调制到分割得到的每个接收符号上，得到还原的接收符号；S5、对还原后的每个接收符号归一化后变换到频域并进行筛选，得到每个符号的射频指纹；S6、将每个符号的射频指纹求和取均值得到该信号帧的射频指纹。与现有技术相比，本发明具有实现复杂环境下射频指纹的有效提取，有效抵抗无线信道的影响等优点。

技术研发人员：周樨,唐丹红,蔡阳,陈科山,刘谦,李峰,熊芬芳,陈佳俊,徐之欣,顾凯玲
受保护的技术使用者：国网上海市电力公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16