專利名稱：識別發(fā)射設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及通信技術(shù)。更具體地，本發(fā)明涉及識別發(fā)射設(shè)備。
背景技術(shù)：
有多種不同的通信系統(tǒng)在使用。近年來，無線通信已經(jīng)經(jīng)歷了擴張性的增長。例 如，蜂窩電話通信系統(tǒng)包括多個基站收發(fā)信機(BST)，其被統(tǒng)籌設(shè)置以提供對地理區(qū)域的無 線通信覆蓋。已知的識別技術(shù)考慮基站與該基站的通信范圍內(nèi)的移動站(例如蜂窩電話) 之間的有效通信。最近，更小的覆蓋區(qū)域蜂窩將在由基站服務(wù)的宏蜂窩的同一個地理區(qū)域內(nèi)使用變 得更有可能。這種微微蜂窩或毫微微蜂窩例如在將無線通信覆蓋擴展到家庭、商業(yè)建筑物 和公共場所方面提供優(yōu)勢。另外，這種更小的蜂窩在某些情況下實際上可增強宏蜂窩的服 務(wù)。例如，這種更小的蜂窩的更小的覆蓋區(qū)域可考慮到對終端用戶的更高的數(shù)據(jù)速率，可以 提高電池壽命和降低另外駐留在宏蜂窩中的終端用戶的負載。隨著這種更小的蜂窩的擴散，出現(xiàn)了其它的挑戰(zhàn)。例如，每當移動站在駐留在宏蜂 窩中和駐留在毫微微蜂窩中之間移動時，需要位置區(qū)域更新。在成功的位置更新之前，移動 站需要被毫微微基站認證。使用傳統(tǒng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中引入了額外的認證流量。在某些情況下， 宏蜂窩內(nèi)的大量移動站可在短時間內(nèi)檢測大量的毫微微基站。每一次這樣的檢測都會引入 額外的信令流量。在某些情況下，額外的信令流量可被稱為“信令風(fēng)暴”，它給系統(tǒng)帶來很大 負擔(dān)。另外，許多毫微微蜂窩將被專門配置，并僅允許特定的移動站獲得接入。因此，許 多位置更新信令流量將被浪費，因為移動站在任何情況下都不允許接入毫微微蜂窩。另一個與使用已知識別技術(shù)相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)包括使每個終端用戶設(shè)備的永久標識 符(即國際移動用戶識別(IMSI)碼)比其它方式更頻繁地交換。當IMSI的交換以純文本 發(fā)生時，網(wǎng)絡(luò)的安全性和私密性將被影響。每個毫微微蜂窩在確定是否授權(quán)接入毫微微蜂窩之前，必須識別移動站。因此，移 動站的某些識別是必需的。通過獲取移動站的IMSI來試圖進行識別有幾個缺點。例如，移 動站通常使用臨時移動用戶識別碼(TMSI)。移動站發(fā)送TMSI以執(zhí)行位置區(qū)域更新。如果 毫微微基站已經(jīng)知道與所接收的TMSI對應(yīng)的IMSI，則毫微微基站可以識別該移動站。如果 不知道，則毫微微基站必須聯(lián)系核心網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以解析從TMSI到IMSI的映射。這導(dǎo)致 在提供該映射的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的信令負荷極大地增加。此外，TMSI由網(wǎng)絡(luò)周期性地改變以保 護私密性，以致在毫微微基站上先前存儲的映射不可靠，因為該映射隨著時間而變得無效。在另一個可能的技術(shù)中，毫微微基站欺騙移動交換中心的到移動站的身份請求消 息以獲得IMSI。直接接收IMSI允許毫微微基站可以準確地識別移動站。然而，在這種情況 下，IMSI在空中以純文本發(fā)送，并考慮它以不想要或不期望的方式被檢測。如果沒有用于識別移動站的技術(shù)，則同信道毫微微蜂窩的部署可導(dǎo)致重大的信令 風(fēng)暴，并降低無線通信網(wǎng)絡(luò)的私密和安全機制。期望能夠在毫微微基站處識別移動站，而沒有這些缺陷。在 題 為"Device Identification Via Analog Signal Fingerprinting :A Matched Filter Approach(通過模擬信號指紋識別的設(shè)備識別匹配過濾方法)”的文件 中推薦另一種識別方法。作者指出由硬件和設(shè)備之間的制造矛盾導(dǎo)致的模擬信號的變化考 慮到對設(shè)備進行認證。該文件公開了一種匹配過濾方法。該文章的作者并未考慮在任何無 線通信的上下文中的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
一種識別發(fā)射設(shè)備的示例性方法包括接收信號。對信號的至少一個部分進行離散 傅立葉變換可產(chǎn)生表明發(fā)射設(shè)備的至少一個獨有特征的多個頻率。根據(jù)多個頻率確定發(fā)射 設(shè)備是否是已知設(shè)備。該示例性方法利用與其它設(shè)備相比每個發(fā)射設(shè)備在所發(fā)射的信號中引入變化的 獨特方式。利用對信號的至少一個部分進行傅立葉變換可允許分析該信號的該部分，以根 據(jù)信號的該部分檢測變得明顯的發(fā)射設(shè)備的獨有特征。這允許以特有的方式識別發(fā)射設(shè)備。通過以下的詳細說明，本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點將對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員變得 明顯。下面簡要描述伴隨詳細說明的附圖。


圖1示意性地表示示例性通信系統(tǒng)的所選擇的部分。圖2是概括一個示例性方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示意性地示出無線通信系統(tǒng)20的所選擇的部分。在該例子中，諸如毫微微基 站的覆蓋基站設(shè)備22在宏蜂窩覆蓋區(qū)域內(nèi)提供相對小的通信覆蓋區(qū)域，其中宏蜂窩覆蓋 區(qū)域由底層基站收發(fā)器提供，并在M處部分且示意性地示出。在基站設(shè)備22 (例如微微基 站或毫微微基站)的覆蓋區(qū)域與宏蜂窩覆蓋區(qū)域M之間至少有重疊。在這兩個覆蓋區(qū)域 之間還有某個同信道使用。在圖1的例子中，移動站沈足夠靠近基站設(shè)備22以成為在基站設(shè)備22的對應(yīng)蜂 窩上駐留的候選者。移動站沈向基站22提供具有對于移動站沈唯一的特定簽名或無線 頻率特征的信號28。來自移動站沈的信號的獨有簽名或特征是基于移動站沈內(nèi)硬件的獨 有方面。當信號在移動站沈中通過發(fā)射路徑被處理時，對于移動站沈唯一的信號簽名被 引入。例如，移動站沈內(nèi)的本地振蕩器具有相關(guān)聯(lián)的穩(wěn)定性。RF信號的中心頻率的精確 度取決于該本地振蕩器的穩(wěn)定性。另外，振蕩器的噪音等級確定所發(fā)射的無線頻率信號的 噪音等級。典型移動站內(nèi)的另一個組件包括放大器，它的線性度取決于特定的實現(xiàn)。諸如鄰 近信道功率或誤差矢量大小的信號質(zhì)量測量是取決于放大器的實現(xiàn)。移動站內(nèi)可能影響無線頻率簽名的另一個組件是過濾器。過濾器因制造商的不同而不同，并可隨產(chǎn)品批次的不同而不同。影響信號簽名的另一個特征是主板制造質(zhì)量，它在無線頻率等級上影響兩個相同 規(guī)格的主板之間的相似性。主板上的組件布置、組件公差、焊接材料一致性和溫度變化都可 影響最終產(chǎn)品的無線頻率性能。這些變化可在生產(chǎn)設(shè)備處不時發(fā)生。發(fā)射設(shè)備的上述特征或組件的任何一個提供獨有的無線頻率簽名，它在本發(fā)明的 公開示例性實施例中使用，以基于該簽名唯一地識別發(fā)射設(shè)備。圖1的例子包括另一個移動站30，它發(fā)射由基站設(shè)備22接收的信號32。正如在 圖1中示意性地示出的，信號32的無線頻率簽名不同于在觀處示出的信號的簽名。基站設(shè)備22包括無線頻率指紋識別模塊34，它獲取有關(guān)每個設(shè)備沈和30所發(fā)射 的信號的獨有特征的信息。簽名比較器模塊36將所確定的簽名與數(shù)據(jù)庫38中的信息進行 比較，以試圖將移動站識別為被允許接入對應(yīng)蜂窩的設(shè)備。設(shè)備阻止器模塊40方便與移動 站的通信以指明移動站是被授權(quán)通過基站22通信還是被阻止進行這種接入。如果被阻止， 則移動站繼續(xù)通過宏蜂窩M的基站收發(fā)信機進行通信。圖2包括示意性地表示示例性方法的流程圖50。在52處，信號在基站設(shè)備22處 接收。信號具有用于確定信號簽名的至少一個部分。如果簽名是已知設(shè)備的簽名，則發(fā)射 設(shè)備可被識別。為了說明的目的，具有已知內(nèi)容的信號的一部分被用于識別。在一個例子 中，信號的一部分包括隨機接入信道(RACH)前導(dǎo)。一個例子包括指示基站設(shè)備22的范圍 內(nèi)的所有發(fā)射設(shè)備(例如，宏蜂窩M內(nèi)的所有發(fā)射設(shè)備)發(fā)射完全相同的RACH前導(dǎo)序列。 因此，所接收的信號的那個部分包括已知內(nèi)容。保持在移動站之間相同的發(fā)射序列簡化了 識別在來自不同移動站的信號之間的特征差異的任務(wù)。某些示例性實現(xiàn)并不要求信號的一 部分具有已知內(nèi)容。所接收的信號的任何一個部分可用于基于信號簽名來識別發(fā)射設(shè)備。在一個UMTS實現(xiàn)的例子中，用于RACH前導(dǎo)的擾碼和簽名被限制于單個組合。提供 宏蜂窩覆蓋M的基站所發(fā)射的廣播信道包含將擾碼和簽名限制于該特定組合的信息。在 對應(yīng)的地理區(qū)域內(nèi)的移動站中接收廣播消息將響應(yīng)地將RACH前導(dǎo)配置為所選擇的內(nèi)容。 在一個例子中，系統(tǒng)信息塊5 (SIB 5)用于限制RACH擾碼和簽名的數(shù)量，其中移動站可從這 些RACH擾碼和簽名中進行選擇以建立RACH前導(dǎo)。這導(dǎo)致信號的那個部分的已知內(nèi)容。在 該例子中，RACH前導(dǎo)用于簽名分析和發(fā)射器識別。在M處，所接收的信號被處理以為特征提取做準備。在一個例子中，該處理包括 對所接收的信號進行數(shù)字化和下采樣。在過濾之后，時間信號的幅度被歸一化，在移動站接 收路徑和基站22接收路徑之間的任何頻率偏移被修正。一旦進行了這樣的步驟，就使用已 知技術(shù)開始特征提取以識別發(fā)射設(shè)備。在圖2的例子中，在56，對具有已知內(nèi)容的信號的所選擇的部分(例如RACH前導(dǎo)) 使用離散傅立葉變換(DFT)，以獲得表明發(fā)射設(shè)備的至少一個獨有特征的多個頻率。在該例 子中，離散傅立葉變換對RACH前導(dǎo)實施以產(chǎn)生在有限數(shù)量的離散頻率處具有頻率值的傅 立葉頻譜。離散傅立葉變換技術(shù)是已知的。一個例子包括以大于兩倍最高頻率分量采樣信號。這個例子包括向下轉(zhuǎn)換所接收 的無線頻率信號以及以每秒12. 5個樣本的采樣速率獲取它。這導(dǎo)致離散傅立葉變換分量 涵蓋了從0到6. 25MHz的頻譜。信號的有限采樣導(dǎo)致不連續(xù)的平頂波形。平頂波形具有不同于原始連續(xù)時間信號的頻譜特征。應(yīng)用平滑窗口以通過最小化平頂波形的躍遷邊緣來改善采樣信號的頻譜特 征。一個例子包括將來自每個RACH前導(dǎo)的樣本數(shù)據(jù)分割成窗口重疊的時間幀。這允許使 用快速傅立葉變換算法來提取用于變換的有限序列。由于隨機波形的傅立葉轉(zhuǎn)換提供隨機結(jié)果，因此，在一個例子中，頻譜平均化用于 除去隨機噪音和瞬時事件的影響，以創(chuàng)建信號的底層頻率內(nèi)容的更清晰圖片。在一個例子 中，所接收的信號的每個RACH前導(dǎo)部分的時域樣本被分成重疊窗口的樣本段。這些段是轉(zhuǎn) 換后的頻率，對所生成的頻率的幅度求平均以除去不想要的噪音的影響，并減小隨機變化。 然后，每個RACH前導(dǎo)的平均功率頻譜可用作簽名比較器模塊36的輸入。一旦獲取，在58處，表明發(fā)射設(shè)備的獨有信號簽名或特征的數(shù)據(jù)被用于確定發(fā)射 設(shè)備是否是已知的。換句話說，通過對信號的RACH前導(dǎo)部分使用離散傅立葉變換而獲取的 頻率被用于確定發(fā)射設(shè)備的無線頻率指紋或簽名，以確定該設(shè)備是否是用于與基站設(shè)備22 進行通信的已知或被授權(quán)的設(shè)備。在一個例子中，確定發(fā)射設(shè)備是否已知包括確定發(fā)射設(shè)備是否屬于一組已知種類 中的一個。在這樣的例子中，數(shù)據(jù)庫38包括表明所接收信號的什么特征符合發(fā)射設(shè)備的特 定種類的信息。當所接收的信號特征完全與特定種類的一個或多個對應(yīng)時，根據(jù)設(shè)備所屬 的種類，確定該設(shè)備是否是已知或可接受的設(shè)備。一個例子包括使用最近鄰分類算法以確定信號從哪個設(shè)備獲得。最近鄰算法包括 訓(xùn)練樣本，這些樣本被映射到基于種類標簽而劃分成區(qū)域的多維特征空間。使用歐氏距離 量度，發(fā)射所接收的信號的設(shè)備的種類被預(yù)測為最接近的訓(xùn)練樣本的種類。一旦對于訓(xùn)練 集合中的每個樣本提取特征，則計算平均值和標準差以用于歸一化。訓(xùn)練集合中的每個特 征維度被分別測量和移動以具有零平均值和單位變量。然后，在試圖識別設(shè)備的過程期間， 相同的歸一化參數(shù)被應(yīng)用于來自從發(fā)射設(shè)備接收的每個信號的一組信息。一個例子包括利用投票算法以提供更健壯的分類技術(shù)。在這樣的例子中，移動站 是否被識別的決定是基于移動站所發(fā)送的RACH前導(dǎo)的數(shù)量。設(shè)備阻止器模塊40獲取每個 RACH前導(dǎo)的分類器(即信號比較器模塊36)的輸出。具有最多投票的種類被認為是該設(shè)備 所屬的種類。這種方法允許補償基站設(shè)備22所接收的伴有噪音或受損的RACH前導(dǎo)數(shù)據(jù)。能夠?qū)⒁苿诱咀R別為數(shù)據(jù)庫38內(nèi)已知種類的成員考慮到避免基站設(shè)備22與網(wǎng)絡(luò) 的另一個部分之間的額外信令。如果簽名比較器模塊36不能夠以高的信任等級對特定的 移動站RACH前導(dǎo)進行分類，則可能向移動站請求更多的RACH前導(dǎo)信號。在一個例子中，這 通過在基站設(shè)備22處不響應(yīng)RACH前導(dǎo)而發(fā)生。在這種情況下，移動站將重發(fā)若干次包括 RACH前導(dǎo)的信號，通常沿著路徑增加發(fā)射功率。這向基站設(shè)備22提供更多RACH前導(dǎo)信息， 這可通過降低或最小化與已經(jīng)接收的一個或多個RACH前導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的噪音的影響來方便識 別移動站?！┖灻容^器模塊36能夠成功地識別移動站，那么肯定的確認消息(AICH)被 發(fā)送到移動站。當移動站沒有被識別為已知或授權(quán)設(shè)備時，否定的確認可從設(shè)備阻止器模 塊40發(fā)送到對應(yīng)的移動站。這種否定的確認表明該設(shè)備已被拒絕并將不被允許駐留到基 站設(shè)備22的蜂窩。在某些情況下，基于上述的RF簽名或指紋識別技術(shù)，具有足夠高信任度的發(fā)射設(shè) 備的肯定識別或分類將是不可能的。在這種情況下，某些例子包括考慮移動站的TMSI或IMSI，用于試圖允許它與基站設(shè)備22進行通信。一個例子包括欺騙到移動站22的MSC或 SGSN身份請求。另一個例子包括在基站22處從移動站獲取TMSI，然后向核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信 號以獲取移動站的TMSI與IMSI之間的映射信息。一旦移動站被肯定地接受，本地區(qū)域代碼更新處理隨著基站設(shè)備22通知核心網(wǎng) 絡(luò)而開始。移動站通過向核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號來解析TMSI-IMSI映射。一旦以全信任度證實 為屬于一組被授權(quán)的發(fā)送設(shè)備，那么移動站被基站設(shè)備22接受，并且核心網(wǎng)絡(luò)得到通知。 如果在查詢核心網(wǎng)絡(luò)后移動站被確定為不屬于授權(quán)的組，則移動站將被拒絕。上述例子允許微微或毫微微基站快速地檢測終端用戶發(fā)射設(shè)備，而無需與宏蜂窩 基礎(chǔ)架構(gòu)的其它設(shè)備進行過多的交互?；诎l(fā)射設(shè)備所發(fā)送的信號的獨有特征，每個微微 或毫微微基站能夠接受或拒絕該發(fā)射設(shè)備。所公開的例子的一個特征在于它們對物理層信號操作，以致它不影響更高層協(xié) 議。對于在宏蜂窩中使用的標準不需要修改。另外，所公開的例子不需要任何移動站本身 的改變。示例性技術(shù)的有效部署顯著地降低了底層網(wǎng)絡(luò)的宏蜂窩覆蓋區(qū)域內(nèi)重疊蜂窩的擴 散所引入的信令流量方面的潛在增長。以上說明是示例性的，而并非限制。對所公開的例子的變形或修改對于本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說變得顯而易見，并且這些變形或修改并不脫離本發(fā)明的實質(zhì)。本發(fā)明的 保護范圍僅通過研究后附的權(quán)利要求來確定。權(quán)利要求
1.一種識別發(fā)射設(shè)備的方法，包括以下步驟 接收信號；對所述信號的至少一個部分使用離散傅立葉變換以產(chǎn)生表明發(fā)射設(shè)備的至少一個獨 有特征的多個頻率；以及基于所述多個頻率確定所述發(fā)射設(shè)備是否是已知設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)射設(shè)備是移動站，所接收的信號是無線通信信號。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述信號的所述至少一個部分包括隨機接入信道 前導(dǎo)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，包括指示基站附近內(nèi)的所有移動站發(fā)射相同的隨機接 入信道前導(dǎo)序列，以致所述至少一個部分具有已知內(nèi)容。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，包括確定所述多個頻率是否表明所述發(fā)射設(shè)備在至少一個預(yù)定類別內(nèi)；以及 如果所述發(fā)射設(shè)備在所述至少一個類別內(nèi)，則確定所述發(fā)射設(shè)備是已知設(shè)備。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，包括存儲與已知設(shè)備對應(yīng)的至少一組頻率；以及 將所產(chǎn)生的多個頻率與所存儲的至少一組頻率進行比較；以及 如果在所產(chǎn)生的多個頻率與所存儲的一組頻率之間有至少一個所選擇級別的對應(yīng)，則 確定所述發(fā)射設(shè)備是已知設(shè)備。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，包括將所產(chǎn)生的多個頻率劃分成多個重疊窗口的樣本段；對每個段進行頻率轉(zhuǎn)換以提供對應(yīng)的多個合成頻率；確定所述合成頻率的幅度的平均值作為所接收的信號的功率頻譜指示；以及使用所述功率頻譜指示以確定所述發(fā)射設(shè)備是否是已知設(shè)備。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，包括通過確定與多個預(yù)定類別的每一個對應(yīng)的具有從所述發(fā)射設(shè)備接收的所述至少一個 部分的一定數(shù)量的信號以及確定所述設(shè)備屬于具有最大數(shù)量的信號的類別來確定所述發(fā) 射設(shè)備是否是已知設(shè)備。
9.一種基站設(shè)備，包括 接收器，用于接收信號；指紋識別模塊，其對所述信號的至少一個部分使用離散傅立葉變換以提供表明發(fā)射設(shè) 備的至少一個獨有特征的多個頻率；以及簽名比較器模塊，其確定所述多個頻率是否表明已知的發(fā)射設(shè)備。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，包括表明已知設(shè)備的數(shù)據(jù)庫；其中，所述簽名比較器模 塊確定所述多個頻率是否對應(yīng)于所述數(shù)據(jù)庫中的信息。
全文摘要
一種識別發(fā)射設(shè)備的示例性方法，包括接收信號。對信號的至少一個部分進行離散傅立葉變換可產(chǎn)生表明發(fā)射設(shè)備的至少一個獨有特征的多個頻率。根據(jù)多個頻率確定發(fā)射設(shè)備是否是已知設(shè)備。
文檔編號H04W12/06GK102047707SQ200980120258
公開日2011年5月4日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者F·J·穆蘭尼, F·皮維特, I·O·肯尼迪, M·布達伊科特, P·斯坎倫 申請人:阿爾卡特朗訊美國公司