基于主动指纹的设备身份认证关键技术研究

作     者：詹红燕 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王霄峻;戴佳

授予年度：2022年

学科分类：0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 

主      题：5G NR IQ不平衡 CFO估计 射频指纹 SVDD 

摘      要：射频指纹认证技术作为物理层安全增强技术之一,具有节约终端资源、难以伪造等优势,因此获得了广泛的关注和研究。然而随着5G时代的到来,移动通信终端的数量呈现爆发式增长,相似设备的射频指纹特征难以区分的问题更加凸显。本文针对RF指纹区分度不够的问题,利用通信协议本身的容差,提出在发射端引入主动指纹,由此放大相似设备间的指纹特征差异,使网络能容纳更多设备认证。本文以5G NR的上行链路收发过程为系统架构,设计了相应的主动指纹提取与认证方法,以增强5G物理层安全。主要工作包括以下方面:(1)引入了“主动指纹的概念并选取合适的射频指纹特征作为主动指纹。研究了当前常见的IQ不平衡、DC偏移、CFO、相位噪声、功率放大器非线性这些发射机损伤模型。通过对比分析,从中选择了IQ不平衡和CFO作为主动指纹。(2)针对5G PUSCH,提出了IQ不平衡和CFO作为主动指纹时接收端先估计后补偿的处理方案。该方案在精确估计指纹的同时,可以有效减轻主动指纹的添加对通信误码率的影响。对于IQ不平衡,利用嵌入的DMRS进行信道估计和均衡以去除信道的影响,之后在时域通过盲补偿算法对IQ不平衡进行估计和补偿。对于CFO,研究了基于循环前缀的和基于导频的两种适用于PUSCH结构的估计算法,仿真结果表明两种方法各有优劣。(3)针对5G PRACH,提出了IQ不平衡和CFO作为主动指纹时接收端的识别方案。对于CFO,对比了基于CP和基于前导的两种方案,仿真结果显示基于前导的方法精确度更高。对于IQ不平衡,采用LMS自适应滤波器得到信道冲激响应,并进一步运算估计出IQ不平衡参数。仿真结果显示,提取的IQ不平衡具有高区分度的特点。此外,研究发现,即使添加很大的主动指纹,对PRACH检测的影响也很小。(4)提出了基于PRACH的三维主动指纹认证方案。接收端提取出IQ不平衡参数和CFO组成的三维主动指纹,并通过SVDD为合法设备建立认证模型。仿真结果表明,在SNR≥10d B时,认证模型具有较高的灵敏度;各种信道场景下的认证正确率在SNR=5d B时接近90%,TDL-D信道下的正确率在SNR≥15d B接近100%。最终,本文提出了主动指纹随机选择的分配方案。本文提出的“主动指纹通过设备的软件校准程序或预失真器就可以实现,其识别和认证方法针对设备固有指纹也同样适用。