（通信与信息系统专业论文）基于幅频特性的无线信道指纹研究.pdf

摘要 摘要 认知无线电中认知能力的实现 也给无线通信带来了一些新的安全隐患 比 如冒充主用户攻击等 现有的安全技术一般都只是从发射机本身的特性来鉴别非 法入侵 本文引进无线信道的环境指纹来进一步提供安全保障 此外 无线信道 指纹的研究成果可以用于对一些环境敏感性区域进行监控 确定各种非法入侵和 盗窃行为 本文的主要研究成果是 在分析无线信道传播特性的基础上 应用无线信道 指纹的概念 从理论上初步研究室内多径传播的无线信道指纹特性并通过 u s r p u n i v e r s a ls o f t w a r er a d i op e r i p h e r a l g n ur a d i o 软件无线电平台 设计一 套收发信机 实现基于接收信号强度r s s r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h 的无线信道测 试系统 对多种无线网络场景进行测量 并基于幅频特性研究无线信道指纹的时 不变性 不同多径环境下信道指纹的差异性 空间分辨率以及对环境变化的敏感 性 测试结果与射线跟踪模拟预测室内无线电波传播结果都表明了不同位置信道 指纹的差异性 最后对无线信道指纹进行空间多维特征分析 结果表明随着无线 信道指纹所测频点数的增多 应用无线信道指纹进行信道识别效果越来越好 同 时也验证了测试系统具有较低的误判概率 性能比较良好 在未来的研究工作中可以使用该平台 利用m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t 技术对无线信道进行检测 以及对位置指纹进行定位分析 关键词 无线信道指纹 u s r p 幅频特性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc o g n i t i v er a d i oi sa b l et op e r f o r mt h ef u n c t i o no fs e n s i n g b u t o nt h eo t h e rh a n d i ta l s ob r i n g su sn e ws a f el e a ks u c ha st h ep r i m a r yu s e re m u l a t i o n a t t a c ki nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n g e n e r a l l y t h ee x i s t e n ts e c u r i t yt e c h n o l o g yu t i l i z e s t h es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i t t e rt od i s c e r ni n b r e a k i nt h i sp a p e rw ew o r ko v e r t h ef i n g e r p r i n to fw i r e l e s sc h a n n e lt of i n daf u r t h e r s e c u r i t y a c h i e v e m e n t so f f i n g e r p r i n ti nw i r e l e s sc h a n n e lc a nb ea p p l i e dt os e c u r i t ym o n i t o r i n gi na r e a st h a ta l e s e n s i t i v et oe n v i r o n m e n tf o rd e t e c t i n gi l l e g a li n t r u s i o na n de v e nb u r g l a r y t h em a i nr e s u l t so ft h i sr e s e a r c ha l e t h ec o n c e p to ff i n g e r p r i n ti nw i r e l e s s c h a n n e li sp u ti n t ou s ea f t e rt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e l a n d t h e n w ea n a l y z et h ef i n g e r p r i n to fw i r e l e s sm u l t i p a t hp r o p a g a t i o nc h a n n e li n d o o ri n t e r m so ft h et h e o r y w ed e s i g nt r a n s c e i v e r sb a s eo nu s r p u n i v e r s a ls o f t w a r er a d i o p e r i p h e r a l g n ur a d i op l a t f o r mt om e e tt h er e q u i r e m e n to fg e t t i n gr s s r e c e i v c d s i g n a ls t r e n g t h d a t ai nr e c e i v e ra n dt h e nm e a s u r e m e n tw a st a k e ni nd i f f e r e n ts c e n c s f o rd a t aa c q u i s i t i o n a n dt h e nw es t u d yt i m e i n v a r i a n c eo fw i r e l e s sc h a n n e l f i n g e r p r i n t i nf i x e ds c 宅n c t h ed i f f e r e n c eo ff i n g e r p r i n tu n d e rd i f f e r e n tw i r e l e s s c h a n n e l t h es p a t i a l r e s o l u t i o na n di t s s e n s i t i v i t y t oe n v i r o n m e n tb a s eo nt h e a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s a n db o t ht h er e s u l t so ft e s ta n dr a yt r a c i n g t e c h n i q u es h o wt h ed i f f e r e n c eo ff i n g e r p r i n tu n d e rd i f f e r e n tw i r e l e s sc h a n n e l f i n a l l y w i t ht h em e t h o do fm u l t i d i m e n s i o n a la n a l y s i sw ed of u r t h e ra n a l y s i s a n dt h er e s u l t s h o w st h a tt h es y s t e mh a sl o we r r o rr a t e a n de r r o rr a t ed e c r e a s e sw i t hn u m b e r so f f r e q u e n c y a n dt h ec a p a c i t yo fd i s c e r n m e n ta l s ob e c o m e sb e t t e ra n db e t t e r i no u rf u r t u r er e s e a r c h b a s e do nt h i sp l a t f o r m m i m o m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l e o u t p u t m a yb eu s e dt od e t e c tt h es i g n a la n dp e r f o r mp o s i t i o n a la n a l y s i sf o r f i n g e r p r i n ti nw i r e l e s sc h a n n e l k e y w o r d s f i n g e r p r i n t u s r p a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s i i i c o n t a n t s c h a r t e r1i n t r o d u c t i o n c o n t a n t s i ir e s e a r c hb a c k g r o u n d l i i 1s p e c t r u ms e n s i n gt e c h n o l o g i e sf o rc o g n i t i v er a d i o 1 1 2f i n g e r p r i n ta n dt h e s i g n i f i c a n c eo fi t sr e s e a r c h 2 1 3s t a t u sq u oo nc h a n n e l f i n g e r p r i n ta n dr e l a t e dc o n t e n t 3 1 4t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t 1 5d i s s e r t a t i o no r g a n i z a t i o n 1 6s u m m a r y c h a t e r2c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l 6 2 1p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l 6 2 2f i n g e r p r i n tc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l7 2 3p r o p a g a t i o nm o d e l s 8 2 4f i n g e r p r i n td e t e c t i o n 1 1 2 4 1t i m e d o m a i nd e t e c t i o n 1 2 2 4 2s p a t i a l d o m a i nd e t e c t i o n 1 2 2 4 3f r e q u n c y d o m a i nd e t e c t i o n 1 2 2 5s u m m a r y i c h a r t e r3t e s ts y s t e mf o rw i r e l e s sc h a n n e l 3 1p r i n c i p l eo fs y s t e m 3 2s y s t e mm o d u l e s 1 4 1 4 1 5 3 2 1u s r p 1 6 3 2 2g n ur a d i o 1 0 3 3d e v e l o p m e n to ft h e s y s t e m 2 4 1 基于幅频特性的无线信道指纹研究 3 3 1d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft r a n s m i t t e r 2 4 3 3 2d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fr e c e i v e r 2 6 3 4s u m m a r y 3 0 c h a t e r4m e a s u r e m e n to fw i r e l e s sc h a n n e l s 3 1 4 1i d e a so ft e s ta n dp r o c e s so fd a t a a c q u i s i t i o n 3 1 4 1 1t h es y s t e m 3 1 4 1 2s c e n e sf o r e x p e r i m e n t 3 2 4 1 3p r o c e s so fm e a s u r e m e n t 3 3 4 2t e s tr e s u l tf o r t i m e i n v a r y i n g 4 3t e s tr e s u l tf o r s p a t i a lr e s o l u t i o n 4 4t e s tr e s u l tf o r s e n s i t i v i t yo fe n v i r o n m e n t 4 5s u m m a r y c h a t e r5 t e s t i n gr e s u l ta n a l y s i s 5 1c o m p a r i s o nw i t hr e s u l t o fr a y t r a c i n gm e t h o d 5 2m u l t i d i m e n s i o n a l a n a l y s i s 5 3n o t e w o r t h yi na c t u a la p p l i c a t i o n 5 4s u m m a r y c h a t e r6s u m m a r ya n do u t l o o k 6 1s u m m a r yo ft h e d i s s e r t a t i o n 6 2f u t u t e rw o r k r e f e r e n c e p u b l i c a t i o n s a c k n o w l e d g e m e n t s 一5 2 5 2 5 2 4 x 5 7 5 8 4 6 9 1 2 2 7 o i m 弘 剪 缸 钇 铊 钉 如 n c o n t a n t s a p p e n d i x x i 5 9 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 当今社会发展迅速 社会安全问题日益突出 窃贼的手段和技术越来越先进 人们对安全的要求越来越高 在某些特定场合 如金库 仓库 工厂内部一些禁 止人员出入的地方 以及家庭人员外出时家的安全问题等都是目前所关注的重要 问题 如果能够及时监测室内环境并确认室内环境的变化 就能确认窃贼入侵 从而避免不必要损失 另外 在认知网络中 当一个攻击者伪造合法节点的识别 号 就可能顺利地欺骗对方 实施模仿主用户 p r i m a r yu s e re m u l a t i o n p u e 攻 击 而无线信道的衰落难以预测和仿冒 当发射机间的地理位置大于信号的波长 时 信道响应是不相关的i 利用无线信道指纹的相关特性可以抵御此类非法攻 击 本课题研究在特定场合下 通过认知无线电频谱感知技术对无线信道进行监 测 从而进行无线信道的认知 提取出无线信道的指纹 利用无线信道指纹来鉴 别环境是否受到非法入侵 达到安全监测的目的 1 1 1 认知无线电频谱感知技术概述 认知无线电1 2 1 c o g n i t i v er a d i o c r 是j o s e p hm i t o l a 在软件无线电概念的基 础上提出来的 它是一个智能的无线通信系统 通过不断对周围无线环境的当前 状况实时感知 并根据环境的变化智能地调整通信环境中的可能参数 检测出频 谱空穴 并伺机接入 从而保证通信的可靠性和频谱的高利用率 有效缓解了频 谱资源的短缺问题 由于认知无线电采用开放式的频谱和动态接入方式 除了传 统无线通信系统所面临的窃听 信息干扰和路由安全等安全问题外 同时还有一 些新的安全隐患 3 1 比如模仿主用户攻击 自私行为攻击 公共控制信道干扰 干扰主用户 攻击频谱管理者等等 目前识别认知无线电中干扰源的方法主要有 对发射机本身的识别 主要包括识别由模拟器件的固有参数差别引起的包括瞬 态 时钟 相位噪声等 对软件无线电中信号调制方式的识别 对无线信道指纹 的识别 通过对频谱不间断的扫描 从而识别出可能的干扰 认知无线电可以在时域 频域和空域多维空间对频谱进行不断地扫描 检测 基于幅频特性的无线信道指纹研究 获得各个频点的信息 感知并分析特定区域的频段特征 对不同的无线环境 要 求不同的灵敏度和感知的速度 因此对频谱环境的检测方法也有所不同 一般来 说 目前常用的频谱感知技术有 发射源检测 干扰检测和合作检测 为了在某 个区域上应用认知无线电技术 最重要的是对该地无线信道环境的感知 估计出 信道的状态信息 并做出决策 4 1 认知无线电是以软件无线电为基础的 引入软件无线电理念是研究认知无线 电技术的前提 现有的软件无线电平台有多种 它们各自有各自的优点和适用性 u s r p g n ur a d i o 是个理想的软件无线电开发平台 5 1 1 2 无线信道指纹及研究意义 信号通过无线信道传播对环境具有依赖性 呈现出非常强的特殊性 对于收 发信机位置固定的系统 且环境相对 安静 即没有受到扰动的情况下 无线 电波形成不同的特定模式的多径信号 其信道的多径结构具有惟一性 在接收端 相同频点处的信号强度r s s 将比较稳定 而不同频点处的信号强度将有差异 而这些不同频点处的信号强度特征组成的向量 我们可以认为是该无线信道的 指纹 具有唯一性 但是在无线信道多径传播环境中 收发信机之间的相对 移动或者传播环境内障碍物位置的变化 如人坐着头动一下 手动一下 旋转胳 膊等动作也会造成传输路径的改变 也就是形成各种不同的传播多径 从而使信 道指纹具有时变特性 这种时变特性会使接收天线在各个频点处接收到的信号的 幅值和相位发生变化或者畸变 这时候的信道特性与之前的信道特性将有较大的 差异 表现出不同的指纹特征 我们可以利用无线信道指纹的这种特性 设计一 套符合需求的无线信道测试系统 并在实际环境中对无线信道的指纹进行研究 具有重要意义 1 掌握无线信道本身的特性是研究无线传输技术的基础 国内外很多学 者对无线信道进行理论研究和实际测量 并取得很多科研成果 然而 与有线信 道不同 无线信道传播环境复杂多变 仍有许多待研究课题 由于无线环境的多 样性 现场实测一直被作为研究无线信道的重要方法 在不同场景下 对无线信 道中的电波传播实测 可以观察无线信道的各种特征行为 从这些特征行为中 2 第一章绪论 提取出能够表征无线信道的关键参数 这对于研究无线通信安全具有重要意义 并且可以应用于监测 确认非法入侵 2 尽管已有的基于加密等的上层安全机制依然是保障无线网络安全的核 心环节 但是具有广播特性的无线信道很容易被入侵 而识别移动设备的m a c 地址又很容易被仿冒 为了解决无线环境中的安全问题 在近些年的研究中 研 究者们提出了环境指纹的概念 所谓的环境指纹 就是寻找一些能够证明无线通 信唯一性的物理特性 并利用这些物理特性来鉴别环境是否受到非法入侵 3 随着社会的不断发展 在越来越多的场合 安全防范显得越来越重要 安防措施直接关系到安防的效果 很多特殊场所 如金库 仓库 还有工厂内部 一些禁止人员出入的地方 现有的防盗措施一般采取技防和人防 但是从全国经 常发生的金库被盗案例来看 在人防的同时 对技防的要求也逐渐提升 这些场 所对环境变化具有很强的敏感性 而研究出一套对无线信道指纹敏感性较高的无 线通信系统 用于监测敏感区域及对敏感环境进行识别是很有意义和使用价值 的 在环境被稍微扰动的情况下 终端就能快速通过无线信道指纹检测出入侵或 盗窃行为 1 3 无线信道指纹及其相关内容的研究现状 目前从国内外文献来看 针对无线信道的研究主要体现在对接收信号强度 r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h r s s 的测量 并采用各种指纹算法 如位置指纹等研 究无线信道特性 并用于识别发射机 对无线信道的研究是研究无线信道指纹的 基础 目前的研究主要从以下4 个方面1 6 l 1 信道实测 利用时域 频域或者空域对无线信道进行实测 并经过后 处理算法 总结出无线信道的规律 并且以数学模型的方式将信道特性体现出来 从而获得收发信机之间的无线信道特性 2 理论分析 用统计理论分析无线电波在无线信道中的传播特性 并提 出一些假设条件 简化信道数学模型 对无线信道用各种数学模型来描述 这种 简化的数学模型对信道的描述都是近似的 但是即使这样 这种通过理论对无线 信道进行建模对人们认识和研究无线信道特性仍可起指导作用 3 无线信道的计算机模拟 如前所述 对无线信道的任何理论分析 都 3 基于幅频特性的无线信道指纹研究 要假设一些条件 使模型简化 而实际无线传播环境是复杂多变的 这就导致了 理论结果的应用范围具有局限性 而针对某个特定环境进行的无线信道实测 较 为费时 费力 近年来 随着计算机技术的不断发展 学者们开始使用计算机对 无线信道进行模拟 计算机具有很强的计算能力 通过算法能灵活快速而且比较 准确地预测各种无线环境 因此 计算机模拟预测无线信道越来越成为研究无线 信道的一种重要方法 4 信道确定性建模 采用电磁波仿真技术 建立特定场景环境 设置发 射源位置 接收点和障碍物材料参数 并通过相关计算来预测无线电波传播模型 进一步通过各种相关后处理算法 便可以得到表征信道的各种参数 就国内外的 研究现状来看 目前主要采用不变性测试方程法 时域有限差分法 和射线跟踪 法等技术来预测无线电波传播模型 1 4 本文主要研究内容 本课题来源于高通基金中的认知无线电安全技术的研究项目 旨在使用 u s r p 和g n ur a d i o 架构的软件无线电实验平台 设计一套收发信机 实现基于 接收信号强度r s s 的无线信道测试系统 对不同场景的无线信道进行实测 并 基于幅频特性研究无线信道指纹的相关特性 目的是利用无线信道环境指纹特性 防御认知无线电安全中的模仿主用户攻击以及一些非法入侵和盗窃行为 本文所做的主要研究工作包括 本文在介绍了无线信道的传播特征后 分析 无线信道指纹的特性及其研究价值 并从理论上研究分析和仿真了小尺度衰落的 多径传输信道模型 得出不同信道指纹的差异性 而掌握信道特征的最直接手段 是对信道进行实测 本文在了解u s r p u n i v e r s a ls o f t w a r er a d i op e r i p h e r a l 通用 软件无线电外设 各个电路单元和接口及其功能的基础上 研究在其上搭载的软 件模块g n ur a d i o 分析其现有的信号处理模块以及模块之间如何通过p y t h o n 提供接口来组织工作 之后 结合u s r p 进行收发信机软件模块设计 实现基于 接收信号强度r s s 的无线信道测试系统 并利用该系统对不同场景下的无线信 道进行实测 通过后续数据初步处理分析 得出无线信道指纹的时不变性 不同 信道指纹的差异性 指纹的空间分辨率以及指纹对环境变化的敏感性 并给出无 线信道指纹的应用场景及在实际应用中注意的地方 最后将实测结果与利用射线 4 第一章绪论 跟踪模拟预测室内无线传播环境的结果做对比分析 并从实测数据中提取无线信 道指纹 采用信道特征的空间多维方法进一步分析 1 5 论文的章节安排 本论文的章节安排如下 第一章 是本文的绪论部分 总领全文 介绍了本论文的研究背景及无线信 道指纹的研究意义 并介绍国内外在无线信道指纹及其相关内容的研究现状 第二章 在介绍无线信道的传播特性和无线信道指纹特征的基础上 对小尺 度衰落的多径传输信道模型进行了m a t l a b 仿真 并引出射线跟踪模拟预测室 内多径传播模型 以便与最后的实测环境做对比分析 最后介绍了常用的三种无 线无线信道指纹检测方法 时域检测 空域检测 频域检测 第三章 介绍了通用软件无线电外设u s r p 的硬件架构及其上搭载的g n u r a d i o 的软件架构 以及系统开发环境的搭建和可能出现的问题及相应的解决方 法 最后对系统做了验证性测试 并结合u s r p g n ur a d i o 进行收发机软件模块 设计 以最终达到系统的设计目的 为室内多径环境下的实测做准备 第四章 在系统平台搭建好的基础上 选取一个对实验环境最有利的时段 利用u s r p 对室内各种不同实验场景进行实测 并对所采集的数据做初步分析 得出无线信道指纹的相关特性 第五章 进一步利用射线跟踪法对室内无线信道环境进行模拟预测 并与 u s r p g n u r a d i o 无线信道实测结果做对比分析 并从实测数据中 提取信道指 纹特征 建立多维信道特征模型 研究系统性能随所测频点数的变化情况 最后 概述了利用无线信道指纹应该注意的地方 第六章 对本文的研究工作进行总结 并对未来的研究工作给与展望 1 6 本章小结 本章为本文的绪论部分 介绍了论文的研究背景和论文思想来源 概述了无 线信道指纹的研究意义以及无线信道指纹及其相关内容的研究现状和本文的主 要研究内容 并对本文的工作及章节做了安排 5 第二章无线信道特征 2 1 无线信道传播特征 第二章无线信道特征 信道是发射端和接收端之间信息传输的媒介 无线信道以空间电磁波为传输 载体 其传播环境比较复杂多变 易受干扰 无线信号在传播过程中 由于反射 衍射 散射 形成各种复杂的传播路径 多径传播是无线信道最主要的传播特征 多径传播导致在接收端信号不是简单的从单一路径来的 而是各种复杂的传播路 径信号的随机组合 因为电波在各个路径传播的距离不同 所以各个路径电波到达接收机的时间 也相应不同 导致相位也不同 这些信号在接收端相互叠加 当同相叠加时信号 加强 而反相抵消时信号减弱 这样接收端的信号幅度将急剧变化 即产生了多 径衰落 这种衰落会由于收发机位置的变化和无线信道传播环境的改变出现随机 的变化 电磁波的多径传播会引起接收端信号幅度的衰落和时延扩展现象 从空间角 度考虑多径衰落时 接收端信号的幅度将随着收发信机距离的变动或收发信机之 间障碍物的变化而产生不同程度的衰落 其中主要由移动用户附近阻塞物对信号 的散射所引起的多径效应表现为较快的幅度变化叫快衰落 在有些地方也叫小尺 度衰落 而由于在电波传输路径上受到建筑物或山丘等的阻挡所产生的阴影效应 而产生的损耗所引起的衰落以及空间扩散损耗叫慢衰落 通常也叫大尺度衰落 从时间角度考虑 信号经过不同的路径传播时延不同 当发射机发送一个信号时 接收端信号不仅包含该信号 还将包括该信号的各个延时信号 信号经过无线信 道传输后在接收端会有不同程度的衰减 而且不同的无线信道对信号的衰减程度 是不一样的 在无线信道中 信号的衰减程度主要与信号传播距离 传播路径 信号频率等因素密切相关门 下面介绍下无线信道中的大尺度衰落和小尺度衰 落 无线信道大尺度衰落又称阴影衰落 通常是指由于发射机和接收机之间的距 离以及两者之间各种遮挡所引起的信号能量的随机变化 可认为其服从对数正态 分布 大尺度衰落用来描述收发信机之间的距离有大尺度变化时 接收信号平均 6 基于幅频特性的无线信道指纹研究 值的变化规律 在实际无线信道中 小尺度衰落和大尺度衰落是同时存在的 但是很少在理 论分析或计算机仿真中同时考虑 主要是因为同时考虑的复杂度太高 一般来说 如果研究的目的针对的是接收机基带信号处理 只需要考虑小尺度衰落模型 因 为考虑到基带信号处理的码元周期都很短 这个时候短时间内信号的变化是一个 重要的考察量 这也是基带信号处理研究的主要问题 此时信号虽然还是会受到 大尺度衰落的影响 但是 在很短的时间内 这些影响可以忽略不计 如果研究 的目的是针对无线电波的覆盖范围等 一般只要考虑大尺度衰落的影响 因为它 们研究的是信号在长时间 大范围内的均值情况 相对大尺度衰落而言 小尺度 衰落对无线信道的影响更为显著和复杂 所以一直是无线信道研究的的重点和难 点 8 1 所谓小尺度衰落是由于收发信机之间空间位置的微小变化 导致信号经过多 条路径在空间传播后 接收机端幅度和相位都快速变化 它描述了信号在无线信 道中经过短时间或者短距离传播后 接收信号场强瞬时值的快速变化特性 这种 变化主要包括振幅 相位 频率以及多径传播所造成的信号延迟等 变化程度取 决于信号强度 相对传播所用的时间 以及传播信号的带宽等 无线信道的小尺 度衰落特性是无线通信的重要衰落特征 是基带信号处理过程所必须面对的主要 问题之一 在无线信道中 许多物理因素都会对小尺度衰落造成影响 这些因素主要包 括多径传播 无线信号的传输带宽 移动台 如手机等移动设备 的运动速度以 及环境内障碍物的变化等 9 l 2 2 无线信道指纹特征 通常我们所说的指纹识别技术是利用指纹的唯一性通过计算机实现的身份 识别的一种手段 也是当今应用最为广泛的生物特征识别技术 无线信道具有很 多表征参数 如信号经过无线信道多径衰落后的信号幅度 同一信道在不同的频 点处衰落也不一样 不同的多径形成不同的衰落 信号通过无线信道传播对环境 具有依赖性 呈现出非常强的特殊性 对于固定收发信机位置的静态无线环境中 无线电波形成不同的特定模式的多径信号 其信道的多径结构具有惟一性 在接 7 第二章无线信道特征 收端相同频点处的信号强度将比较稳定 而不同频点处的信号强度将有差异 而 这些不同频点处的信号强度特征值组成的向量 我们可以认为是该无线信道的 指纹 具有唯一性 但是在无线信道多径传播环境中 收发信机之间的相对 移动或者传播环境内障碍物位置的变化 如人坐着头动一下 手动一下 旋转胳 膊等动作也会造成传输路径的改变 也就是形成各种不同的传播多径 从而接收 天线接收到的信号的强度和相位会发生变化或者畸变 这时候的信道特性与之前 的信道特性将有较大的差异 表现出不同的指纹特征 利用无线信道的这种特性 可以抵御认知无线电中的模仿主用户攻击 同时可以对一些对环境变化比较敏感 的地带 如金库或者公司一些禁止人员出入的地方防患要求较高的地方进行敏感 性监控 可以及时发现非法入侵 达到安全监测的目的 无线信道指纹是小尺度衰落的一种表征 多径衰落效应引起小尺度衰落 导 致接收端收到的信号是发射信号经过多径传播后的矢量合成 多径的随机性导致 信号的相位也具有随机性 同相信号叠加增强 反相信号叠加减弱 因此接收端 信号经过矢量合成后可能发生严重的衰落 这种衰落往往是无线信号经过短时间 或短距离传输形成的幅度快速衰落 以致大尺度衰落可忽略不计 因此 本文所 设计的基于u s r p j g n ur a d i o 平台的无线信道测试系统 在实测中对多径传播环 境下小尺度衰落信道进行研究 分析无线信道指纹特性 该研究具有可行的理论 指导和一定的研究价值 2 3 无线信道传播模型 我们知道 无线通信系统的传播环境是复杂多变的 无线信号在空间传播过 程中不仅会随着收发信机距离的增加而产生路径损耗 而且还会因为起伏多变的 地形 障碍物的遮蔽而发生 阴影效应 与此同时 信号在传播过程中由于多 点反射产生小尺度衰落 在无线通信系统中 由于反射 衍射和散射始终存在 不可避免会产生多径波 由于信号强度 多径时延 信号带宽等因素影响 最终 在接收端矢量合成的信号强度和相位也会相应发生变化 任何无线通信系统的设 计标准都需要指定一个能表征无线信道特征的信道模型作为无线通信系统性能 评估的基础 常用的无线信道传播模型1 0 有o k u m u r a h a t a 传播模型 i c e 传播模型 8 基于幅频特性的无线信道指纹研究 c o s t 2 3 1 h a t a 传播模型 经验模型和确定性模型 其中o k u m u m h a t a 传播模型 l e e 传播模型 c o s t 2 3 1 h a t a 传播模型 适用于预测室外和室内传播场景的经 典大尺度传播模型 而经验模型和确定性模型为两种传统的室内信号的传播模 型 经验模型中的室内统计传播模型有下面几种 自由空间信道模型 对数距离 的路径损耗模型 无线信道衰减因子模型 基于冲激响应的统计多径模型 马特 内 马恩纳 k e e n a n m o t l e y 模型 多墙模型 多径传播信道的信道的冲激响应是一个随机变量 为了研究无线信道的实际 传播特性 必须从无线信道特征的统计分析入手 并建立信道的统计分析模型 1 0 l 假设通过无线信道传输一个窄脉冲信号 则接收信号为一个窄脉冲序列 如果反 复多次进行窄脉冲探测的实验 则接收到脉冲的个数 各个脉冲的幅度以及脉冲 之间的相对延迟特性都是随机变化的 如果通过正弦信号进行探测实验 而且电 波入射角不同 收发机相对运动速度也不同 则接收信号不再是一个单频信号 而是呈现出信号的谱扩展特性 谱扩展特性与电波入射角和收发信机相对运动速 度密切相关 假设收发机位置相对不变 设多径传播信道的发送信号为 s f re u f e 弘石 c 2 1 其中 o 为基带信号 丘为载波频率 则经多径传播路径后 接收到的信 号可以表示为 x f 酗 f t o 2 2 其中口 f 表示第z 条传播路径上接收信号的衰减因子 t 1 0 表示第z 条路径 上的传输时延 它们将随不同多径而随机变化 把 2 1 带入 2 2 可以得到 x o r e 骞qo 扫无引 k o 一 p p 知印 2 3 所以 多径信道冲击响应为 9 第二章无线信道特征 j l z f 篆n 以心 p 川酬f 6 f 一7 心 2 4 假设接收端接收的多径信号为无穷多 且各路径之间的时延间隔充分小 则 该信道为连续多径信道 接收信号可以表示为 厂 t f a l t s t 一力咖 2 5 将式 2 1 带入 2 5 可得 o r e qo 弘眦f 比 一州z p 坼 2 6 所以 多径传输信道建模如图2 1 所示 发送信号s f f 图2 1 多径传播信道模型 在实验室环境下 把发射机和接收机放置在直射距离1 0 米的两个位置 假 设衰减系数不变 为一个常量 信号每传播1 米延迟时间为3 3 n s 则在直射情 况下 延迟时间为3 3 n s 假定发射机到接收机的最大延迟时间为3 倍的直射延 迟时间 即最大延迟时间为9 9 n s 取多径数n 为4 到1 0 做仿真实验 实验中 我们假定延迟时间与多径数服从均匀分布 图2 2 为不同多径环境下的无线信道 指纹 1 0 基于幅频特性的无线信道指纹研究 从图2 2 中可以明显看出 多径数不一样时 接收端接收到的信号强度 即 r s s 随频率起伏变动明显不一样 而且 在每种多径环境下 由不同频点处的 r s s 值组成的多径信道指纹特征也不一样 图2 2 不同多径环境下信道指纹 为了比较准确模拟室内无线信道特征 得到接收端经多径信道后合成的不同 位置的场强强度 从而进一步研究无线信道指纹特性 目前 射线跟踪法是进行 电波传播预测的一种有效方法 这种方法可以处理比较复杂的环境 已被广泛地 用于预测室内环境下无线电波传播 第五章节中将介绍射线跟踪法模拟室内多径环境 并与本文所设计的系统的 实测结果做对比分析 2 4 无线信道指纹检测 无线信道指纹的常见检测方法有时域检测 空域检测 频域检测 下面概述 介绍下这三种方法 第二章无线信道特征 2 4 1 时域检测 时域检测是以被测无线信道在时间领域的特性为依据 测量并提取信道的特 征值 这些特征值能够反映信号在时域上的某些特征 是对测试信号最简单最直 观的描述 时域检测可以提供与系统的时间相应的全部信息 具有直接准确的优 点 在对信道进行时域检测中 为了能够获得准确的信道信息 需要注意以下两 点 1 为了避免多径传播的信号产生混叠 并且要有足够的时间分辨率 发射脉 冲宽度要足够窄 2 多个脉冲发送的时间间隔要合理设置 避免脉冲重复时间不 合理给测试带来影响 如果脉冲重复时间过短会造成信号之间的混叠 同时也减 小了最大可分辨的多径时延 因为在下一个脉冲发送时 前一个脉冲的多径分量 还没有得到充分的衰减 如果脉冲重复时间过长 就无法反映小尺度衰落在短时 间内的快衰落特性 6 l 2 4 2 空域检测 空域检测是利用空间信道的相关性对空间矢量信道进行研究的一种方法 由 于多径传播引起信号的空间分布 接收信号到达角的方向 即角度扩展是相当重 要的 1 1 1 空域检测主要是求解衰落信号空间相关系数 在多天线条件下 例如 m i m o 系统中 经常会用到无线信号的空域检测 这种方法同时考虑了单元天线 的间距 辐射方向 和互耦等天线特性以及信号到达角等特征和所处环境特征 特别是有向单元天线接收非等功率信号的普遍情形 由于空域上蕴含的极大潜力 和研究价值 近些年 学者们对无线信道的空域特性研究热情高涨 也从中得出 了很多有实用意义的结果 这方面文献 1 2 已作了很好的综述 具有代表性的是日 本东京大学的n a o h i k 0 1 w a k i r i 采用立体天线阵从空域角度对信号的多径到达角进 行测量 2 4 3 频域检测 对无线信道的指纹检测 也可以检测无线信道在不同频率时的特性 称为频 域测量 频域测量以被测无线信道和被测系统在频率领域的特性为依据 对无线 信道进行测量 并提取信道的特征参数 如在各个频点处的接收信号强度r s s 和相位特性 并对这些特征值进行研究 频域检测具有明显的优点 通过实验直 接求得频率特性 间接揭示系统的性能 得出定性和定量的结论 易于实验分析 常用的频域检测方法有 通过检测接收信号的强度和相位延迟随频率的变化 并 1 2 基予幅频特性的无线信道指纹研究 利用曲线 图表及经验公式 分析无线信道特性 2 5 本章小结 无线信道的信道传播特征是研究信道的理论基础 本章对多径环境下的信道 大尺度衰落和小尺度衰落作了概要阐述 并分析了无线信道指纹的特征 及对其 研究的意义和使用价值 并建立了基于冲激响应的多径传播衰落模型 对其进行 仿真 之后概述介绍了常用的几种无线信道检测方法 1 3 第三章无线信道指纹测试系统 第三章无线信道指纹测试系统 无线信道实测是获取信道特性的最直接手段 本章引用软件无线电的设计理 念 介绍了u s r p g n ur a d i o 平台的软硬件架构及其开发环境 并基于此设计一 套收发信机 实现基于接收信号强度r s s 的无线信道测试系统 3 1 系统的原理 对无线信道研究并进行实测分析具有重要的研究意义和应用价值 无线信道 指纹的研究成果可以用于对一些环境敏感性区域进行监控 确定各种非法入侵和 盗窃行为 而实际环境下的信道测试是唯一获得无线信道真实状况的手段 本系 统旨在设计一套对无线信道进行检测的无线通信系统 在接收机端对信号进行采 集 获取接收信号强度 r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h r s s 并通过后续处理分析 分析信道指纹特性 同时对系统性能进行评估 系统功能框图如图3 1 所示 图3 1 系统功能框图 在图3 1 中 首先根据测试需要在发射机端产生一个模拟信号 本设计的发 射机产生一个功率 频点可控的正弦波信号 信号经过前置低噪放大后 形成射 频信号发送出去 在接收端对信号进行高速的山 d 变换 把信号转化成计算机 能够处理的数字信号 然后进行信号的采集和存储 最后利用相关软件工具和算 法设计对采集到的数据进行分析与计算1 1 3 l 并进行后续结果分析 设计一套符合需求的收发信机是研究信道指纹的基础 鉴于软件无线电的 趋势和优势1 1 4 l 本文利用u s r p g n ur a d i o 的软件无线电平台 1 5 设计无线信道 指纹研究系统 u s r p 硬件平台的基本框图如图3 2 所示 1 4 基于幅频特性的无线信道指纹研究 r e c e i v e r 几研 d e f i n e d c o d e tu s r p m o t h e rb o a r d 匾f r o n t 丫 e n d 固fronte n d 口丫 l l 堕兰堕蚋o t h e rb o a r d j 图3 2u s r p 硬件平台的基本框图 图3 2 中p c 机部分主要完成基带处理功能 基带处理是软件无线电系统要 完成的主要任务之一 系统在这里将调用各种软件功能模块 完成信号的配置工 作 1 6 1 u s r p 母板通过高速u s b 2 0 接口与普通p c 机连接来达到与p c 之间的数据 交换 在发送端u s r p 对信号进行内插 上变频到中频频段 并最终通过d a c 进行数模转换 然后由子板形成射频信号并发送 在接收端 通过模数转换将信 号转换为计算机所需要的数字信号 并通过数字下变频器把信号从中频波段转换 到基带信号以及对信号进行抽取 使得信号速率能够被高速u s b 2 0 所采用 并 与p c 机的运算能力匹配 之后对信号进行采集 并对采集到的信号做幅频特性 分析 研究无线信道的指纹特性 并提取指纹 进一步采用多维空间方法对无线 信道指纹进行研究 软件部分是软件无线电的关键 根据需求在p c 上面设计软件功能模块 实 现本文需要的无线信道指纹研究系统 最后在室内环境下进行实测 实测选择 1 1 个频点 分别是2 3 5 g h z 2 4 0 g h z 2 4 5 g h z 2 5 g h z 2 5 5 g h z 2 6 g h z 2 6 5 g h z 2 7 g h z 2 7 5 g h z 2 8 g h z 2 8 5 g h z 发送信号为正弦波 发射机发送 功率控制在0 d b m 即l m w 的发送功率 下面详细介绍下系统的各个模块 3 2 系统模块介绍 该无线信道指纹研究系统是基于u s r p g n ur a d i o 软件无线电平台 基于该 1 5 尝墨圈 s 一 一r l 第三章无线信道指纹测试系统 平台 在p c 机上设计软件功能模块 实现在接收端接收信号强度r s s g n u r a d i o 已经成为软件定义无线电的主要软件 u s r p 是软件无线电的硬件平台 是由m a t te t t u s 作为g n ur a d i o 的无线收发硬件平台而开发创建的 两者构成了 一个开发和测试信