无线通信设备的射频指纹提取与识别方法

密码学报ISSN2095-7025CN10-1195/TNE-mail:[e-mail]search,2016,3(5):433–446http:.In:©《密码学报》编辑部版权所有.Tel/Fax:[phone]无线通信设备的射频指纹提取与识别方法*俞佳宝1,胡爱群1,朱长明2,彭林宁1,姜禹11.东南大学信息科学与工程学院,南京2100962.中国运载火箭技术研究院研发中心,北京100076通讯作者:胡爱群,E-mail:[e-mail]摘要:通过分析无线设备的通信信号来提取设备的射频指纹进行设备识别是一种保护通信系统安全的物理层方法.射频指纹是无线通信设备的物理层本质特征,很难被篡改.就像不同的人有不同的指纹,不同的无线设备也拥有不同的射频指纹,可用于无线设备的身份识别和接入认证.本文主要回顾了过去二十年国内外射频指纹技术的研究进展.根据射频指纹提取与识别的典型流程,首先分析了射频指纹的产生机理及众多可识别的设备类型,反应出射频指纹拥有广阔的应用前景.然后,本文将可识别信号主要分成了瞬态信号和稳态信号两类,并简述了检测和截取可识别信号的方法.随后,本文对射频指纹特征做了简单分类,归纳分析了射频指纹应该具备的五大特点,即通用性、唯一性、短时不变性、独立性以及稳健性.本文还从瞬态信号射频指纹技术和稳态信号射频指纹技术两个方面总结了该领域的研究现状.此外,本文对于如何评估射频指纹系统的性能也做了一定的论述.最后,本文指出了该领域进一步的研究方向和可能面临的技术难题.关键词:射频指纹;设备识别;物理层安全;特征提取中图法分类号:TP309.7文献标识码:ADOI:10.13868/j.cnki.jcr.000141中文引用格式:俞佳宝,胡爱群,朱长明,彭林宁,姜禹.无线通信设备的射频指纹提取与识别方法[J].密码学报,2016,3(5):433–446.英文引用格式:YUJB,HUAQ,ZHUCM,PENGLN,JIANGY.RFfingerprintingextractionandidentificationofwirelesscommunicationdevices[J].JournalofCryptologicResearch,2016,3(5):433–446.RFFingerprintingExtractionandIdentificationofWirelessCommunicationDevicesYUJia-Bao1,HUAi-Qun1,ZHUChang-Ming2,PENGLin-Ning1,JIANGYu11.SchoolofInformationScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China2.ResearchCenterofChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology,Beijing100076,ChinaCorrespondingauthor:HuAi-Qun,E-mail:[e-mail]:Wirelessdeviceidentificationviaradiofrequency(RF)fingerprintingextractedfromcommunicationsignalsisaphysicallayerapproachforcommunicationsystemsecurity.Inphysicallayer,RFfingerprintingisaninherentcharacteristicofwirelesscommunicationdevicesthemselves,whichcanhardlybetampered.Justaspeoplehaveuniquefingerprints,differentwirelessdevicesexhibitdifferentRFfingerprintswhichcanbeusedfor*基金项目:国家重点基础研究发展项目(973计划)(2013CB338003);国家自然科学基金项目(61571110);江苏省六大人才高峰项目;航天CALT基金项目收稿日期:2015-12-03定稿日期:2016-10-05434JournalofCryptologicResearch密码学报Vol.3,No.5,Oct.2016identificationandauthentication.ThispapermainlyprovidesareviewoftheresearchanddevelopmentinRFfingerprintingextractionandidentificationinthepasttwentyyears.AccordingtotheprocedureofRFfingerprintingextractionandidentification,wefirstanalyzethegenerationmechanismofRFfingerprintingandthecorrespondingidentificationdevices,whichreflectthebroadapplicationsoftheRFfingerprinting.Then,theidentificationsignalsaredividedintotransientsignalandsteady-statesignal,andamethodtodetectandextractsuchsignalsaredescribed.ThispaperfurtherclassifiestheRFfingerprintingandsummariestheirfivefeatures,i.e.,universality,uniqueness,short-timeinvariance,independenceandrobustness.Thispaperalsosummarizesthestateofartontheprocedureoftransientandsteady-statebasedtechniques.ItalsodescribeshowtoevaluatetheperformanceofRFfingerprintingidentificationsystems.Finally,somepotentialresearchdirectionsandchallengesinthisareaarepointedout.Keywords:Radiofrequency(RF)fingerprinting;deviceidentification;physicallayersecurity;featureextraction1引言随着移动通信设备的不断普及和物联网技术的蓬勃发展,无线通信在军事和民用两方面都发挥着不可替代的作用,已成为现代社会不可或缺的一部分.然而,无线网络由于其开放性,相比于传统的有线网络更容易受到大规模的恶意攻击,其安全问题不容忽视.传统的保护无线网络安全的方法通常是基于比特层面的(即OSI七层模型中物理层以上的层次),通过设计基于密码机制的安全协议来实现对数据完整性和机密性的保护以及提供通信双方身份的认证.然而,实际的无线网络安全协议通常会存在漏洞[1].例如,IEEE820.11无线局域网(WLAN)昀初的有线等效加密(WEP)协议易受统计分析攻击[2],虽然此后升级为WPA和WPA2,但其口令句可以被恢复,仍然存在着各种各样的安全问题[3].此外,一旦密钥泄露,现有的安全机制无法实现身份认证.因此,人们急需寻找一种新型的安全机制有效识别授权用户和非授权用户,从而降低来自恶意用户的潜在威胁.在过去的十几年里,无线通信设备的射频指纹提取和识别方法得到了国内外广泛的关注.这种方法通过分析无线设备的通信信号来提取设备的“射频指纹(RadioFrequencyFingerprinting,RFF)”[4–13].就像每个人有不同的指纹,每个无线设备也有不同的射频指纹——即硬件的差异,这种硬件上的差异会反映在通信信号中,通过分析接收到的射频信号就可以提取出该特征.这种根据通信信号提取设备硬件特征的方法被称为“射频指纹提取”,而利用射频指纹对不同的无线设备进行识别的方法则称为“射频指纹识别”.无线通信设备的射频指纹提取和识别方法工作在物理层,因此其既能够单独运作,也可以辅助和增强传统的无线网络识别机制,从而为无线网络提供更高的安全性能.“射频指纹”这一概念昀早是在2003年由加拿大的Hall等人在文献[14]中提出的,通过提取蓝牙通信信号中的射频指纹进行蓝牙通信设备的识别.但这种基于通信信号来进行设备识别的方法其实早在1995年就已经由Choe等人和Toonstra等人分别在文献[15]和文献[16]中提出,其中Toonstra等人更是明确提出利用无线发射机的瞬态信号产生独特的“指纹”进行设备识别.在随后的十年里,人们围绕瞬态信号展开研究.直到2008年,Kennedy等人首次提出了基于稳态信号的射频指纹研究[17].近几年来,基于稳态信号的射频指纹提取和识别技术得到了越来越多的重视,也取得了一定的成果.然而,随着国外对于射频指纹技术的愈发重视,国内对于这一领域的关注却不是很多.本文主要通过回顾和总结过去二十年射频指纹提取和识别的研究进展,旨在使大家对射频指纹提取和识别技术有进一步的了解.本文的第2节首先提出了射频指纹提取和识别的工作流程,随后在2.2节分析了射频指纹的产生机理,在2.3节归纳了可进行识别的无线通信设备类型,在2.4节将用来提取设备特征的信号段定义为“可识别信号”,将其分为瞬态信号和稳态信号两类,并简述了检测和截取可识别信号的方法.然后,在2.5节对提取的射频指纹特征做了简单分类,在2.6节归纳了射频指纹应该具备的特点,在2.7节则简单提及了俞佳宝等:无线通信设备的射频指纹提取与识别方法435分类的步骤.本文的第3节从瞬态信号射频指纹技术和稳态信号射频指纹技术两个方面总结了该领域的研究现状.本文的第4节则对如何评估射频指纹系统的性能做了一定的论述.昀后,我们在第5节指出了该领域潜在的研究方向和可能面临的难题,并对全文做了总结.2射频指纹提取与识别流程2.1基本模型无线通信设备射频指纹提取与识别过程如图1所示:无线通信设备发送射频信号,射频指纹提取与识别系统采集该信号.采集到的射频信号与发送信号相比,受到了多径信道的影响,因此根据接收信号提取的特征可以分成两部分:基于信道的特征和基于发射机的特征.其中,基于信道的特征表征了无线信道响应以及周围环境影响,被称为信道指纹;而基于发射机的特征则主要代表了发射机模拟电路的射频特征,被称为设备指纹,本文研究的主要是后者.图1射频指纹提取与识别的流程Figure1TheprocedureofRFfingerprintingextractionandidentification系统采集信号后,根据后续的射频指纹提取要求,要对信号先进行下变频、相位补偿、能量归一化、丢弃不合格信号等预处理.在信号的预处理阶段,要求尽可能少引入噪声.因此,信号采集和预处理一般要求使用高端仪器设备,大部分文献也都是采用示波器等高精度设备进行信号的采集和预处理的.然而,考虑到实际应用场景,近些年的文献中开始研究采用通用软件无线电外设(UniversalSoftwareRadioPeripheral,USRP)等中低端接收设备进行设备的射频指纹提取和识别[18–20].文献[20]还比较了分别采用高端设备和低端设备进行信号采集预处理的识别性能,实验结果显示采用高端设备的识别性能比采用低端设备高10%左右.在进行预处理后,识别系统检测和截取可识别信号,将这段信号