一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無線信道指紋方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線通信網(wǎng)絡(luò)安全，特別是設(shè)及一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無線信道指紋方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線產(chǎn)品在人們生活中扮演著越來越重要的角 色。然而，不同于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)由于其傳播媒介特有的開放性，非常容易遭受 到惡意攻擊。如在802. 11網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者可W通過ifconfig命令輕易的改變MAC地址，冒 充網(wǎng)絡(luò)中另外一個合法設(shè)備，向接收端發(fā)送信息，對接收端造成不利影響。因而，在無線網(wǎng) 絡(luò)中，辨別發(fā)射機(jī)的身份，對合法用戶的認(rèn)證變得非常重要。
[0003] 許多利用物理層信息提高無線網(wǎng)絡(luò)安全性的方法已經(jīng)被提出來了。 C.Corbett等(C.Corbett,R.Beyah,andJ.Copeland,"Apassiveapproachto wirelessNICidentification, "inProc.IEEEInternationalConferenceon Communications,vol. 5,pp. 2329 - 2334,June2006)通過分析頻譜來識別不同類型的無線 網(wǎng)卡，從而區(qū)分那些使用不同類型無線網(wǎng)卡的用戶。
[0004]D.Faria等（D.FariaandD.Cheriton,"Detectingidentity-based attacksinwirelessnetworksusingsignalprints, "inProc.ACMWorkshopon WirelessSecurity,pp. 43 - 52,LosAngeles,CA,S巧t. 2006.)提出了 一 種利用多 個接入節(jié)點的信號強(qiáng)度來區(qū)分不同發(fā)射機(jī)的方法。M.Demirbas等人（M.Demirbas andY.Song,"AnRSSI-basedschemeforsybilattackdetectioninwireless sensornetworks, "inProc.InternationalWorkshoponAdvancedExperimental Activity,pp. 564 - 570,化ne, 2006)提出了一種與之相似的適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的辨別發(fā) 射機(jī)的方法。
[0005]A.Varshavsky等(A.Varshavsky,A.Scannell,A.LaMarca,and E.Lara,Amigo:Proximity-basedauthenticationofmobiledevices, "inProc.Int. Conf.UbiquitousComput. , 2007,pp. 1 - 18.)提出了 一種計算周圍共享的WiFi信號的 RSSI，通過比較歐氏距離，來對相鄰區(qū)域的用戶進(jìn)行認(rèn)證。
[0006]L.Xiao等（L.Xiao,L.Greenstein,N.Mandayam,andW.Trappe,"Fingerprintsin theether:Usingthephysicallayerforwirelessauthentication, "inProc.IEEE InternationalConferenceonCommunications,Glasgow,Scotland,June2007.)提出了 一種基于信道探測和假設(shè)檢驗的物理層認(rèn)證算法。該算法主要通過檢測當(dāng)前通信用戶的信 道頻率響應(yīng)與之前存儲的合法通信用戶的信道頻率響應(yīng)進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前通信用戶是否 為合法用戶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無線信道指紋方法。
[000引本發(fā)明包括W下步驟：
[0009] 1)無線接收機(jī)在M個頻點上預(yù)先測量和存儲各用戶發(fā)射機(jī)的接收信號強(qiáng)度 巧SS)，每個用戶發(fā)射機(jī)的信道指紋由接收機(jī)在M個不同頻點測得的RSS構(gòu)成，即用戶發(fā)射 機(jī)r的信道指紋可表示為Hf=巧SS。RSS2,. . .，RSS。，. . .，RSSm)，其中RSS。為接收機(jī)在第n 個信道測得的用戶發(fā)射機(jī)r的RSS，1《n《M;無線接收機(jī)將存儲的各個用戶發(fā)射機(jī)的信 道指紋作為對該用戶進(jìn)行物理層認(rèn)證的參考指紋；
[0010] 2)無線接收機(jī)收到某用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)包之后，將提取該用戶發(fā)射機(jī)的信道 指紋對該用戶進(jìn)行物理層認(rèn)證，若該用戶聲稱自己為用戶r，接收機(jī)將調(diào)取預(yù)存用戶r的參 考指紋，計算該用戶信道指紋與用戶r的參考指紋之間的歐氏距離，并將歸一化處理后的 歐氏距離與接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的闊值0進(jìn)行比較，若歸一化處理后的歐氏距離大于接收機(jī) 系統(tǒng)設(shè)定的闊值，則認(rèn)定屬于電子欺騙攻擊，將接收到的數(shù)據(jù)包丟棄，否則進(jìn)一步執(zhí)行上層 認(rèn)證；若通過上層認(rèn)證判定屬于合法數(shù)據(jù)包，則存儲下來，并將提取出來的信道指紋作為該 用戶r新的參考指紋；
[0011] 3)接收機(jī)系統(tǒng)對時間T內(nèi)接收到的由各用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射的N個數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計匯 總，計算出虛警率Pp( 0 )和漏報率Pm( 0 )，獲得接收機(jī)系統(tǒng)在此刻的狀態(tài)S，S由系統(tǒng)計算 出的虛警率Pp(0)和漏報率Pm(0)構(gòu)成，此時接收機(jī)系統(tǒng)獲得即時收益R(S，0)，即接收 機(jī)系統(tǒng)收益函數(shù)：
[001引R(S, 0 ) =p(-Pm( 0 )Ch+(l-Pm( 0 ))a-Cp) + (1-P) (-Pf( 0 ) 丫+ (1-Pf( 0 )) (0 -Ch) -Cp)
[0013] 其中丫為丟失合法數(shù)據(jù)包系統(tǒng)遭受的損失，a為接收機(jī)系統(tǒng)物理層認(rèn)證正確識 別出合法數(shù)據(jù)包的收益，0為接收機(jī)系統(tǒng)物理層認(rèn)證正確識別出屬于電子欺騙攻擊的數(shù)據(jù) 包的收益，P為接收機(jī)系統(tǒng)遭受電子欺騙攻擊的概率，Cp為接收機(jī)系統(tǒng)物理層認(rèn)證所需消 耗，Ch為接收機(jī)系統(tǒng)上層認(rèn)證所需消耗；
[0014] 4)接收機(jī)系統(tǒng)通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法中的Q學(xué)習(xí)，在最優(yōu)闊值0不確定的情況下，學(xué) 習(xí)如何設(shè)置闊值，并進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，從而可W自適應(yīng)各種無線環(huán)境，確保較高的認(rèn)證精度， 獲得較好的系統(tǒng)收益，對于不同無線環(huán)境，有不同的最優(yōu)闊值e，在一次學(xué)習(xí)過程中，最多 可更換Z次闊值，每一次更換闊值后，接收機(jī)會有一個觀察期，W探測更換闊值對系統(tǒng)造 成的影響，Q學(xué)習(xí)確定最優(yōu)闊值0的過程包括W下步驟：
[0015] 4. 1)初始化Q值矩陣，對于每一個接收機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)S下，接收機(jī)可W選擇一個a, aGA，A=[al，a2，a3，...，aT]，作為闊值0，T為可選闊值的個數(shù)，對每個狀態(tài)下的可選擇 的闊值分配一個對應(yīng)的Q值即Q(S，0)，對每個初始Q值賦值為0。并設(shè)置學(xué)習(xí)因子a(0 <曰< 1)，和折扣因子5 (0 < 5 < 1);
[0016] 4. 2)接收機(jī)觀察系統(tǒng)當(dāng)前所處狀態(tài)S\W概率e選擇闊值0 \進(jìn)行第k次更換 闊值，Z，化S'k，巧，即W概率e選擇使得9炒，0)最大的0值作為闊 值0k，W概率1-e選擇使得9炒，0)非最大的0值作為闊值0k，在更換闊值后，接收機(jī) 連續(xù)對時間T內(nèi)接收到的由各用戶發(fā)射機(jī)發(fā)射的N個數(shù)據(jù)包進(jìn)行認(rèn)證，并觀察系統(tǒng)下一個 狀態(tài)SW;
[0017] 4. 3)根據(jù)公式；
[001 引
[0019] 對Q值矩陣更新。9炒，0k)是接收機(jī)系統(tǒng)在Sk狀態(tài)下采用0k值為闊值時的Q 值，R(Sk，0k)為在sk狀態(tài)下采用闊值0k得到的系統(tǒng)即時收益，I，6^)是服務(wù)器在 sw狀態(tài)下，采用讓Q值最大化的闊值0 ;
[0020]4. 4)重復(fù)步驟4. 2)、4. 3)，直到第k次更換闊值后接收機(jī)系統(tǒng)滿足
巧，闊值0收斂，0k即是接收機(jī)系統(tǒng)最優(yōu)闊值.
[0021] 4. 5)接收機(jī)將0k設(shè)定為該無線環(huán)境中最優(yōu)闊值，并利用該值進(jìn)行物理層認(rèn)證。
[0022] 在步驟1)中，所述RSS是在相對穩(wěn)定的具有豐富多徑效應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境中測得，接 收機(jī)與各用戶發(fā)射機(jī)的位置保持不動，各用戶發(fā)射機(jī)相對位置距離大于0. 5m，所述信道指 紋由接收機(jī)在M個不同頻點測得的RSS構(gòu)成，且相鄰頻點的頻率間隔不小于50MHz，為保證 利用該信道指紋進(jìn)行物理層認(rèn)證的有效性，頻點的個數(shù)應(yīng)不少于3個，即M> 3。
[0023] 在步驟2)中，所述歸一化處理后的歐氏距離的計算公式為：
[0024]
[0025] 其中Hu為用戶發(fā)射機(jī)j發(fā)射聲稱自己來自于用戶i的數(shù)據(jù)包附帶的信道指紋， 自為用戶發(fā)射機(jī)i的參考信道指紋；所述物理層認(rèn)證過程為：
[0026]
[0027] 所述上層認(rèn)證為通過采用基于哈希鏈RSA的MAC層數(shù)字簽名認(rèn)證等來實現(xiàn)。
[00測在步驟3)中，所述虛警率Pp( 0 )和漏報率Pm( 0 )均為離散化的值，Pp(0)GX，Pm(0)GY，故接收機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)S可表示為[Pp(0)，Pm(0)]，X和Y可根據(jù)接 收機(jī)系統(tǒng)要求進(jìn)行劃分，比如X=Y= {0:0.001:0. 1,0. 15:0. 05:1}。
[0029] 本發(fā)明的無線接收機(jī)根據(jù)多個信道上的接收信號強(qiáng)度化S巧等物理層信息構(gòu)造 各用戶發(fā)射機(jī)相對應(yīng)的信道指紋。該信道指紋算法采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，根據(jù)接收機(jī)系統(tǒng)收 益函數(shù)，實時自動調(diào)節(jié)物理層認(rèn)證的闊值等關(guān)鍵參數(shù)，通過對比各用戶發(fā)射機(jī)信道指紋及 其歷史記錄值檢測電子欺騙。本發(fā)明可W自適應(yīng)各種無線環(huán)境，具有較高的認(rèn)證精度。
【具體實施方式】
[0030] 為了能夠更清楚理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，W下實施例將對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0031] 一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無線網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證方法，具體步驟如下：
[0032] 1)無線接收機(jī)在M個頻點上預(yù)先測量和存儲各用戶發(fā)射機(jī)的接收信號強(qiáng)度 化SS)，每個用戶發(fā)射機(jī)的信道指紋由接收機(jī)在M個不同頻點測得的RSS構(gòu)成，即用