一种基于多径时延的毫米波通信系统设备身份认证方法

本技术属于无线通信安全，具体的说是涉及一种基于多径时延的毫米波通信系统设备身份认证方法。

背景技术：

1、第五代（5g）及未来网络的快速发展高度依赖于毫米波频段与多天线技术的融合。毫米波技术凭借其丰富的带宽资源和极短的波长，使得在紧凑设备中集成大规模天线阵列成为可能，从而支持多输入多输出（mimo）架构以实现超高数据速率和超低延迟。然而，无线传输介质本质上具有开放性和广播特性，这使得毫米波通信系统极易受到恶意的伪装攻击。非法的攻击者可以轻易伪装成经过授权的合法发射机来欺骗接收机，进而引发中间人攻击和拒绝服务等严重的安全威胁。

2、对于上述威胁，传统的上层密码协议虽然有效，但往往伴随着较高的计算和通信开销。因此，物理层身份认证作为一种关键的补充防线应运而生。它利用无线链路独特且不可克隆的物理特性来验证设备身份，具有信息论安全、低计算复杂度以及与现有标准兼容等显著优势。

3、目前，传统方案主要依赖原始信道状态信息或相位特征，这些特征对微小的时间波动高度敏感，缺乏必要的时间稳定性。当噪声水平上升时，传统基于信道状态信息的方法容易出现明显性能退化，难以保持可靠的检测率。同时，现有技术普遍缺失对底层参数估计精度的理论性能边界的分析，无法为身份认证性能建立定量的基准和理论评估体系。因此，建立一种具有高抗噪性、高时间稳定性及具备严格理论性能边界的安全设备身份认证方案，是当前研究的一个重要方向。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的缺陷，结合毫米波信道固有的稀疏传播特性与高精度多径时延指纹，本技术提供了一种基于多径时延的毫米波通信系统设备身份认证方法，能够有效克服传统信道状态信息对环境波动的敏感性及在低信噪比下的性能退化，有助于增强通信链路的安全性。

2、为了达到上述目的，本技术是通过以下技术方案实现的：

3、本技术是一种基于多径时延的毫米波通信系统设备身份认证方法，应用于毫米波通信场景，包括作为接受端的基站bob、配备有单天线的合法发送端的合法设备alice以及配备有单天线的恶意节点的潜在攻击者eve，所述基站bob配备有个天线的均匀圆柱阵列，所述认证方法具体包括如下步骤：

4、步骤1、确定攻击场景与威胁假设：合法设备alice向基站bob发送数据帧，假设基站bob在时刻已通过上层密码机制验证了合法设备alice的身份，并提取存储了合法设备alice的多径时延特征作为合法指纹模板，在时刻，潜在攻击者eve试图伪装成合法设备alice与基站bob进行通信以实现未经授权的访问；由于合法信道与非法信道存在空间去相关性，基站bob需利用合法指纹模板区分当前接收的毫米波通信信号的来源；

5、步骤2、建立毫米波信道与信号模型：基站bob在接收毫米波通信信号后，根据毫米波通信系统的稀疏多径传播特性，建立包含多径数量、复路径增益、路径传播时延、到达方位角、到达仰角的频域信道向量；在所述频域信道向量的基础上，引入加性高斯白噪声并构建各子载波对应的接收信号模型；并基于相邻多径路径之间的传播时延差，建立多径时延随连续数据帧变化的一阶高斯-马尔可夫统计演化模型，为后续从接收信号中提取稳定的多径时延指纹提供模型基础；

6、步骤3、提取多径时延指纹：基站bob将步骤2得到的接收信号的多个子载波进行向量化处理，构造包含多径时延信息的联合时空响应矩阵，并通过协方差矩阵特征值分解获得信号子空间；随后利用相邻子载波之间由多径时延引起的相位旋转关系，构建时延相关子矩阵，估计各条多径路径的传播时延；最后计算相邻多径路径之间的时延差，形成当前数据帧的结构化多径时延指纹；

7、步骤4、基于二元假设检验的安全物理层身份认证：基站bob将步骤3得到的当前待认证发送端的结构化多径时延指纹，与步骤1中已存储的合法设备alice在上一已认证时刻的多径时延指纹进行偏差累积，得到检验统计量；将检验统计量与判决阈值进行比较，当检验统计量不大于判决阈值时，判定当前发送端为合法设备alice，身份认证成功；当检验统计量大于判决阈值时，判定当前发送端为潜在攻击者eve，身份认证失败并丢弃当前信号。

8、本技术的进一步改进在于：步骤2具体包括如下步骤：

9、步骤2.1、计算频域信道向量：由于毫米波信道的稀疏散射特性，第个子载波和时刻的频域信道向量表示为：

10、

11、其中，是可分辨的多径数量，是复路径增益，是路径传播时延，是包含到达方位角和仰角的阵列导向向量，是第条多径路径在时刻的到达方位角，第条多径路径在时刻的到达仰角；

12、步骤 2.2、构建时延演化统计模型：将多径分量的到达建模为泊松过程，不同传播路径之间的时延差服从独立同分布的指数分布，反映物理环境在连续数据帧之间的缓慢变化特性，将相邻多径传播路径之间的时延差分量在连续时刻之间的演化建模为一阶高斯-马尔可夫过程：

13、

14、

15、其中，和为第个路径之间的时延差的高斯分量，为控制时延时间稳定性的相关系数，为高斯分量的方差，和为独立同分布的零均值高斯随机扰动项；其中，多径分量是同一发送信号经过不同传播路径后，到达基站的各信号分量。每一条多径分量对应一组参数，包括复路径增益、路径传播时延、到达方位角和到达仰角。

16、步骤 2.3、构建接收信号模型：在观测窗口内，接收端在子载波处的接收信号向量表示为：

17、

18、其中，为时延引起的相位旋转，为加性高斯白噪声。

19、本技术的进一步改进在于：步骤3具体包括如下步骤：

20、步骤 3.1、提取信号子空间：将所有个子载波上的聚合接收信号矩阵向量化，得到观测信号模型：

21、

22、其中，表示khatri-rao积，代表包含了多径时延信息的联合时空响应矩阵，为由多径传播时延引起的子载波相位旋转矩阵，为接收端阵列流形矩阵，为多径路径增益向量，为接收噪声矩阵的向量化形式，基于得到的观测信号模型计算观测信号的协方差矩阵：，并对协方差矩阵进行特征值分解，分离并提取出信号子空间矩阵与正交的噪声子空间矩阵；

23、步骤 3.2、构建时延相关子矩阵：利用延迟选择矩阵从信号子空间矩阵中提取与各子载波频率相关的时延子矩阵，根据相邻子载波间的频率特性，建立满足相位旋转关系的模型：，其中为包含多径时延信息的旋转算子矩阵；

24、步骤 3.3、利用tls-esprit算法求解相邻多径路径之间的时延差，将相邻子载波的时延子矩阵堆叠，构造出两个重叠的块矩阵和：，；

25、对复合矩阵执行奇异值分解，利用总体最小二乘法对噪声进行抑制：，将右奇异矩阵划分为的子块，估计出最优的旋转算子矩阵：；

26、步骤 3.4、构建结构化多径时延指纹：对旋转算子矩阵进行特征值分解，提取旋转算子矩阵的复特征值，计算得出各条路径的多径时延值：

27、

28、其中，为子载波间隔，随后，计算相邻多径分量之间的路径间时延差：，以此构建当前帧的结构化多径时延指纹特征，其中为第条多径传播路径在时刻的估计传播时延。

29、本技术的进一步改进在于：步骤4具体包括如下步骤：

30、步骤 4.1、构建检验统计量：提取时刻验证通过的参考指纹，将时刻提取的未知指纹与参考指纹进行偏差累积，构建检验统计量：

31、；

32、步骤 4.2、建立二元假设检验判决：定义零假设即发射机为合法用户alice与备择假设即发射机为攻击者eve，将检验统计量与判决阈值比较：若，则接受，判定信号来自合法设备，身份认证成功；若，则接受，判定信号来自未经授权的伪装设备，身份认证失败并丢弃信号。

33、本技术的有益效果是：

34、本技术利用毫米波传播固有的稀疏性，将多径时延作为物理层指纹。与传统的瞬时信道状态信息或相位特征相比，多径时延具有极强的空间几何依赖性和卓越的时间稳定性，能够有效克服环境微小时间波动带来的干扰，提升了指纹特征的唯一性和身份认证的可靠性。

35、本技术在毫米波通信系统中，利用基于总体最小二乘的旋转不变子空间技术来提取多径时延特征。该方法有效克服了现有延迟估计方法的分辨率限制，通过深度挖掘信号的空间和频率相干性以减轻噪声影响，在低信噪比体制下依然表现出优于传统信道状态信息方案的抗噪性能和检测成功率。

36、本技术利用连续数据帧之间路径间时延差的时间一致性，将物理层身份认证严谨地公式化为二元假设检验问题，推导出了虚警概率和检测概率的闭式解析表达式，为系统安全性能的定量评估和决策阈值的动态调整提供了精确、易于处理的统计理论支撑。

37、本技术推导了多径时延估计性能边界，将底层参数估计精度与上层身份认证性能紧密地从数学上联系起来。分析与仿真结果证实，本技术的性能逼近这些理论最优边界，为下一代毫米波安全通信系统的设计提供了定量基准与理论指引。