论文部分内容阅读
随着无线网络的飞速发展与安全威胁的与日俱增,无线网络的物理层安全正在变得越来越重要。认证是无线网络业务的安全基础,它保证通信双方是其所声称的身份,防止非法用户的接入与访问。基于物理层之上的认证一般采用密码机制与安全协议实现。密码机制存在密钥泄露的风险,而安全协议通常存在安全缺陷。无线设备发射机的由于器件容差产生的射频指纹具有难以克隆的物理特性,可以用来进行无线设备的身份认证。这方面的相关文献较少,本文对基于射频指纹的无线网络物理层认证的若干关键性基础问题进行了一些探索研究,包括“射频指纹”的定义、“射频指纹识别”的过程划分与体系结构、射频指纹识别系统的基本模型、数字化射频指纹的可分离性、射频指纹的检测与变换方法等等。
本文的主要贡献如下:
1.对“射频指纹”的概念进行了概括与提炼,尝试性提出一种“射频指纹”定义:射频指纹是携带无线设备发射机硬件信息的接收无线信号的变换结果,这种变换结果体现无线设备发射机的硬件特性并具备可比性。把“射频指纹识别”过程分为四个步骤:(1)接收无线信号的起始时刻检测与截取；(2)射频指纹变换；(3)特征提取；(4)无线设备的识别或确认。这种划分方法指出同一种射频指纹可以进行多种特征的提取。尝试性构建了包括信号层、射频指纹层、特征层及无线发射机层的射频指纹识别体系结构。本文的其它内容基于提出的这种“射频指纹”定义、“射频指纹识别”过程划分及体系结构展开。
2.基于一种通用的无线数字发射机结构,对射频指纹的产生机理进行了分析与仿真,指出无线发射机的构件存在容差是产生射频指纹的主要内在机理。通过对无线设备发送的射频信号进行非线性与时变性分析,提出了射频指纹识别系统的一种基本模型,推导了该模型中接收无线信号的基带与带通理想等效形式。
3.对数字化射频指纹的可分离性进行了理论分析,推导了其与主要影响因素之间关系的解析式。根据该解析式,得出如下结论:数字化射频指纹的可分离性由其识别系统分辨力、指纹维数与待识别无线设备发射机结构及构件容差性质的相对程度决定。另外,根据该解析式,可以推知:模拟射频指纹具有唯一性。
4.针对Wi-Fi发射机,提出了一种基于前导的射频指纹检测方法。该方法根据Wi-Fi物理层帧前导的特征,运用“相关”技术进行检测。实验表明,由于该方法基于前导的稳态信号进行,因而得到的射频指纹的稳定性优于文献中基于瞬态信号检测得到的射频指纹的稳定性。
5.对文献中已有的射频指纹变换方法进行了分析与分类,根据用于变换的接收无线信号类型把“射频指纹”分为“基于瞬态信号”的 turn-on射频指纹与“基于稳态信号”的steady-state射频指纹两类,在此基础上,提出了多种射频指纹变换与识别方法。
把待识别发射机建模为线性与非线性的混合系统,提出了“功率渐升前导射频指纹”变换及其产生方法。建模分析显示:该射频指纹的可分性比经典的turn-on与steady-state射频指纹的可分性优。
把待识别Wi-Fi发射机建模为非线性系统,提出了Wi-Fi信号的相空间差射频指纹识别方法,该方法利用了待识别发射机硬件的非线性信息,算法比同类方法简单。
当待识别无线发射机、无线信道及“射频指纹识别系统”可等效为线性系统时,提出了“BPSK基带倒谱与频偏对数谱射频指纹”与“ARMA模型系数射频指纹”变换方法。提出的“BPSK基带倒谱与频偏对数谱射频指纹”主要由待识别发射机的硬件特性决定,因而具备独立性、时间平移不变性与稳健性；但是这两种射频指纹存在一些应用限制。提出的“ARMA模型系数射频指纹”具有明确的物理意义,与直接采用ARMA系统模型的零点或极点构成的射频指纹相比,其可分离性有可能得到增强。
提出的这五种射频指纹中,“功率渐升前导射频指纹”属于turn-on射频指纹,其它四种射频指纹属于steady-state射频指纹。