基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证方法

摘要

本发明涉及一种基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证方法。根据无线通信环境，由时域信道得到时变信道的多径延迟特征，将其作为初始参考值。根据多径延迟特征设置信道阶数值和动态误差值，将参考值划分为基准值和校准值。通过时变信道多径延迟特征检测，将新的多径延迟特征与参考值对比，在判定误差值范围内，认为收到的消息是合法的认证成功，否则是不合法的认证失败。并将相同的延迟特征作为基准值的扩展，不同的延迟特征为校准值的扩展，并更新信道阶数。如此下去，实现基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证。本发明提高了无线通信环境中终端处于移动状态下的认证效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传输领域的安全认证方法，具体是利用无线信道多径延迟的动态变化特征进行物理层认证。

背景技术

物理层认证技术利用信道的物理特征进行身份认证，逐渐成为研究的热点。其区别于传统的算法加密的认证技术，利用信道时变性、互异性和唯一性的天然特性进行身份认证，能很好的辅助传统认证，解决模仿攻击的问题，并与上层技术融合无需增加额外开销。

对现有技术文献检索发现，一般方法采用对信道时域响应进行估计后嵌入水印标签，再通过假设检验条件来判断认证是否成功。该方法虽然能对用户进行身份认证，但还需要在传输中嵌入水印加密信息，进行复杂的运算处理，一般适用于固定的传输环境，并且这种方法没有充分利用无线信道的物理特征。在实时变化的通信环境中，由于用户位置的改变计算开销将会增大，误码率升高，这种嵌入水印标签的认证方法不再适用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证方法。当用户位置发生变化时，利用时变信道多径延迟的动态变化特征进行身份认证，提高在移动无线通信环境中的认证效率。

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用复杂度较低的基于多径延迟特征检测的方法来进行时变信道下的无线物理层认证。在发送端到接收端的无线信道中，由于反射、折射和散射的影响，信息沿多条路径传输，收到的信息是每条路径信息经过时延、衰落和相移后的集合。其中各个路径延迟信息特征τ_l构成的集合称之为多径延迟，记为τ＝[τ₁,τ₂,τ₃…τ_L]；τ_l所处的路径记为a_l，多径延迟对应的路径集合为a＝[a₁,a₂,a₃…a_L]。根据通信系统中时域信道提取出时变信道的多径延迟信息。设置初始参考值，信道阶数值和动态误差值。根据时变信道多径时延的特征可将初始参考值划分为基准值和校准值。通过特征检测的方法将新出来的时变信道多径延迟信息与参考值对比，如果检测到的多径延迟特征和信道阶数在判定误差允许的范围内，认为收到的信息是合法的认证成功，否则是不合法的认证失败。并将检测到的相同的延迟特征作为基准值的扩展，不同的延迟特征作为校准值的扩展，加入到参考值中，丢弃掉参考值中旧的基准值和校准值，并将信道阶数更新为匹配到的多径延迟特征个数。如此下去，实现基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证。

以下对本发明作进一步说明，基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证方法具体步骤如下：

1)在安全通信环境下，对时变信道进行时域估计得到初始多径延迟信息，将其作为初始参考值，记为τ_A。根据多径时延动态特征设置初始信道阶数H，动态误差δ，并将初始参考值划分成基准值τ_A1和校准值值τ_A2。

2)第K个时刻收到一个符号对其进行身份认证。由时域信道得到该时刻信道的多径时延信息τ_K。

3)基准值特征检测，将多径时延信息τ_K与参考基准值τ_A1进行特征检测。在动态误差δ允许范围内的，相同的时延作特征为第K个时刻收的基准值τ_K1，不同的延迟特征作为该时刻的校准值τ_K2。其中相同的延迟特征个数作为K时刻的信道阶数，记为H^。

4)用户身份检测，由公式(1)计算多径时延特征相似度。

其中a_i为参考基准值τ_A1中多径时延特征τ_i对应的路径，k_i为K个时刻的基准值τ_K1中多径时延特征τ_i对应的路径。

若γ>ε(ε为判定误差)，认为收到的信号是合法的，认证成功，转7)；否则进行校准值检测，转5)。

5)校准值特征检测，将第K个时刻的校准值τ_K2与参考校准值τ_A2进行特征检测。在动态误差δ允许的范围内，将检测到的时变信道多径时延移特征移入K时刻的基准值τ_K1中，更正τ_K1，τ_K2，H～。

6)用户身份检测，由公式(1)计算多径时延特征相似度，若γ>ε(ε为判定误差)，认为收到的信号是合法的，认证成功，转7)；否则认证失败，转8)。

7)更新参考值中的基准值和校准值以及信道阶数。将K时刻的基准值τ_K1和校准值τ_K2分别加入到参考值的基准值τ_A1与校准值τ_A2中，丢弃掉参考值中旧的基准值和校准值，信道阶数H＝H～。

8)进行下一个时刻用户身份的认证，转2)。

本发明利用时变信道多径时延动态信息作为认证特征，采用复杂度较低的特征检测方法。由于无线信道多径时延信息对空间时间比较敏感，不同时间不同空间互不相同，当用户位置发生变化时，通过引入动态误差捕捉相似特征，不断更新基准值和校准值，跟踪时变信道多径时延的变化，从而对移动的用户进行身份认证。本发明还引入判定误差，能有效提高在动态环境下认证效率。

附图说明

附图1为基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证流程图。

附图2为基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证性能图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的技术方案做进一步描述。

以一个单发单收的OFDM系统为例，通信系统工作在散射丰富的室外移动的环境中，采用多径瑞利衰落无线信道，这种信道通常有2-6根多径位置。此处信道多径数目设为6，时域信道估计的多径数此处设置为9。本发明进行基于时变信道多径延迟特征的无线物理层认证步具体骤如下：

1)在安全通信环境下，对时变信道进行时域估计得到用户初始多径时延信息，将其作为参考值。不同时刻收到的符号都对应一个时变信道多径时延特征的参考值。此处以两个参考值为例，分别记为：

τ₁＝[1,26,58,88,139,203,122,461,291]；

τ₂＝[1,26,58,87,139,395,435,202,185]。

在动态误差δ误差允许的范围内，寻找相同的多径延迟特征。例中当δ＝1，得到相同的多径延迟特征为6，即信道阶数为H＝6。根据多径时延特征对参考值初始化，将相同的延迟特征作为基准值，不同的延迟特征作为校准值。分别可以得到τ₁和τ₂的基准值和校准值，取它们并集可以得到参考值的基准值和校准值，如下：

基准值：τ_A1＝[1,26,58,87,88,139,203,202]；

校准值：τ_A2＝[122,461,291,395,435,185]。

参考值的校准值和基准值将作为特征检测的初始标准。

2)第K1时刻，K2分别收到1个符号，对其进行认证。由时域信道估计可以分别得到时刻K1，K2的多径延迟信息，如下所示：

K1时刻：τ_K1＝[1,26,57,86,146,201,275,168,408]；

K2时刻：τ_K2＝[1,23,58,89,123,265,412,213,197]。

3)基准值特征检测，将K1、K2时刻的多径延迟信息τ_K1、τ_K2分别与参考基准值τ_A1进行特征检测。在动态误差δ允许的范围内，检测出相同的延迟特征作为基准值，不同的延迟特征作为校准值。分别得到：

K1时刻的基准值τ_{K1_1}＝[1,26,57,86,201]，校准值τ_{K1_2}＝[146,275,168,408]；

K2时刻的基准值τ_{K2_1}＝[1,57,89]，校准值τ_{K2_2}＝[23,123,265,412,213,197]。

其中相同延迟特征的个数作为估计的信道阶数，分别得到：

K1时刻的信道阶数H1～＝5，K2时刻的信道阶数H2～＝3。

4)用户身份检测，由公式(1)计算多径时延特征相似度：

若此处判定误差ε＝0.9，则：

γ_K1≥ε，认为收到的信号是合法的，认证成功，转7)；

γ_K2<ε，进行校准值检测，转5)。

5)校准值特征检测，将K2时刻的校准值τ_K2与参考值的校准值τ_A2进行特征检测。在动态误差δ允许的范围内，将检测到的多径时延特征移入到τ_K1中。更正τ_{K2_1}，τ_{K2_2}，H2～，如下：

基准值τ_{K2_1}＝[1,57,89,123]，估计值τ_{K2_2}＝[25,265,412,213,197]，信道阶数H2～＝4。

6)更正后，用户身份检测:

γ_K2<ε，认为收到的信号是不合法的，认证失败，转8)。

7)更新参考值的基准值和校准值以及信道阶数。将K1时刻的基准值τ_{K1_1}和校准值τ_{K2_2}分别加入到参考值的基准值τ_A1与校准值τ_A2中，丢弃掉参考值中旧的基准值和校准值。更新后如下：

基准值：τ_A1＝[1,26,57,58,86,88,139,201,202]，

校准值：τ_A2＝[146,275,168,408,395,435,185]，更新信道阶数：H＝H～＝5。

8)进行下一个时刻用户身份的认证，转2)。

本发明只需对时变信道多径时延特征进行认证检测，由于多径时延特征信息对空间、时间比较敏感，能很好识别用户。当用户位置发送改变后，利用无线信道的互相关性，通过动态误差可以捕捉到相同的多径时延特征，从而实现移动环境下的身份认证。通过不断更新参考值中基准值和校准值，可以动态的跟踪用户路径，判定误差γ的设置可以容许误差的存在，提高了认证检测效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。