一种基于解调符号的QPSK-OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法

摘要

本发明公开了一种基于解调符号的QPSK‑OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法，在通用数字通信接收机的基础上，增加了非线性射频指纹认证功能。本发明包括两种判决，第一种是通用数字通信中的符号判决，第二种是射频指纹认证的通信发射机判决，第一种判决属于数字信号的处理范畴，第二种判决属于模拟信号的处理范畴。基于使用正交多项式的用于Hammerstein系统的最小方差无偏辨识技术，称为MVUIT，用于估计复合线性传输信道，估计的线性信道用于均衡后续的有效载荷符号，这些有效载荷符号用于通过MVUIT估计发射机的非线性，用于认证无线设备。仿真表明，有效载荷符号的长度越长，正确的分类性能越好。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于解调符号的QPSK-OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法。

背景技术

随着物联网(IOT)和第五代移动通信技术的飞速发展，通信网络的物理层安全性已不可避免地成为热门话题。射频指纹(RFF)认证是用于物理层信息安全的方法之一，它依赖于发射机的硬件特性，而不是数字信息(例如，加密密钥或媒体访问控制MAC地址)来认证真实身份无线电设备。尽管通信帧的先验数字前导是确定的，但是从不同的无线设备发送的相应模拟信号却不同，因为它们的发送器硬件是唯一的，即使这些设备是同一类型。因此所接受的前导信号被广泛用于开发用于无线设备认证的RFF。

现有文献中指出，使用同步码RFF时，28个不同的Wi-Fi设备的识别准确度高于95％。还有文献提出了一种用于Wi-Fi设备的基于同步码的RFF的特征缩减和和子空间变换的技术。此外还有文献提出了一种前导码处理技术，该技术可用于准确地认证IEEE802.15.4设备，但是该技术无法区分具有相同类型的设备。此外，基于前同步码的RFF通常持续时间短且可见，很容易受到高端仪器的伪造攻击。另外，现有文献中还提出了一种基于维纳模型的非线性信道接受端均衡方案，该方案把非线性信道建模为Hammerstein系统，在接受端采用LS估计算法分别进行线性和非线性部分的均衡，取得了一定的效果。

另一方面相关研究历史表明，发射机的非线性估计也可以被用作为另一个重要的RFF，即非线性RFF，用于认证无线设备。无线电设备的非线性RFF由发射机的功率放大器和DAC等确定，其中包括发射机非线性模型的系数估计。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于解调符号的QPSK-OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法。

为实现本发明的目的，提供一种基于解调符号的QPSK-OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法，所述方法包括：

频域训练导频p[n]和OFDM帧的有效载荷符号u[n]，经过Hammerstein系统后输出的信号经过加性高斯白噪声v(t)干扰后得到接受信号d(t)；

对所述接受信号d(t)进行采样，得到采样后训练符号信号d

基于p[n]和d

所述均衡后的有效载荷信号

基于

从所述非线性射频指纹中提取特征，对发射机实体进行分类和判断。

进一步地，所述Hammerstein系统包括：静态非线性子系统和后续动态线性子系统。

进一步地，所述最小方差无偏辨识技术的识别过程包括：

步骤1:根据QPSK-OFDM符号u[n]构造延迟矢量u

步骤2:构造u

步骤3:构造用于正交化的上三角阵

步骤4:计算Ψ

步骤5:计算

步骤6:计算

步骤7:计算

其中，L为等效多径信道总长，P为非线性常规多项式模型参数，

进一步地，所述第二次采用最小方差无偏辨识技术估计所述Hammerstein系统的非线性的具体过程包括：

d

采用基于p与d

定义快速傅里叶变换矩阵F，

d

去除循环前缀CP后，线性卷积信道变成循环卷积信道，d

基于

跟现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明估计的线性信道用于均衡后续的有效载荷符号，这些有效载荷符号用于通过MVUIT估计发射机的非线性，并认证无线设备，仿真表明，有效载荷符号的长度越长，正确的分类性能越好。当Eb/N0为20dB(一个有效载荷符号)或10dB(8个有效载荷符号)时，在多径瑞利衰落信道下的正确分类率接近100％。

附图说明

图1是一个实施例的QPSK-OFDM无线设备的非线性射频指纹认证方法的系统模型；

图2是一个实施例的QPSK-OFDM发射机与信道的离散等效模型；

图3是一个实施例的Hammerstein系统的线性矢量模型；

图4为数据实验中1个载荷符号且Eb/N0为10dB时两发射机特征的一组样本散布示意图；

图5为数据实验中不同Eb/N0与不同载荷数下的正确分类率示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在一个实施例中，提出的用于QPSK-OFDM无线设备的非线性指纹认证方法的系统模型如图1所示：

p[n]和u[n]分别表示频域(FD)训练导频和OFDM帧的有效载荷符号，x(t)是来自无线QPSK-OFDM设备的非线性发射机的发射信号，h

借助p[n]和d

均衡后的有效载荷信号为

基于

在上面，最小无偏辨识(MVUIT)被使用了两次。

OFDM发射机的非线性是有记忆的，QPSK-OFDM无线发射机和信道部分建模为包含静态非线性和后续动态线性子系统的Hammerstein系统。离散等效模型如图2所示：

图2中，u[n]表示频域QPSK符号，IFFT模块包含串变并、离散傅里叶变换、加循环前缀(CP)与并变串；u(n)表示离散QPSK-OFDM信号，

如图3所示，为Hammerstein系统的线性矢量模型，QPSK-OFDM信号u(n)经过静态非线性后为：

其中P为奇数,φ

接收信号

其中

在一个实施例中，Hammerstein系统的辨识步骤如下：

步骤1:根据QPSK-OFDM符号u[n]构造延迟矢量u

步骤2:构造u

步骤3:构造用于正交化的上三角阵

步骤4:计算Ψ

步骤5:计算

步骤6:计算

步骤7:计算

其中，

假设QPSK-OFDM系统的导频为块状，即一帧的第一个OFDM符号的所有子载波上的FD符号都是导频，跟随的OFDM符号是有效载荷符号。

用d

d

由于去除CP后，线性卷积信道变成了循环卷积信道，d

下面，采用两个非线性发射机与一个多径衰落信道的数值实验验证本发明提出的方法的可行性与有效性。

OFDM符号的子载波为2048，所有子载波上的FD符号比特映射策略都为QPSK，CP长度为512,无虚载波，一帧含一个OFDM训练符号，OFDM载荷符号数分别设为p＝1,2,4与8。两个待认证发射机的静态非线性参数如表1所示，两发射机分别用Transmitter-1与Transmitter-2表示：

表1:两发射机的静态非线性参数

采用最大延迟为8个样点、径数为5的随机瑞利衰落信道模拟复合线性信道，且假设在一帧的时间内保持不变。

首先保证QPSK-OFDM系统满足瑞利衰落信道下的理论误比特率(BER)性能；然后设定Eb/N0(信噪比参数)从0dB到20dB变化，间隔为5dB；采用获得的非线性RFF

一个标准的k-NN分类器，k＝1或3，用于分类实验。每次分类实验中，33个样本用作训练集，其余的33个样本用作测试集。当p＝1,2,4与8时，在不同的E

图5表明，即使当E

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。