引用本文:
农鑫,卿国能,朱康奇,等. 基于LR-ODCNN的物联网设备射频指纹信号识别方法[J]. 光通信技术,2024,48(3):68-73.
农 鑫1,卿国能1,朱康奇2,张振荣1*,郑嘉利1
(1.广西大学 计算机与电子信息学院,南宁 530004;2.清华大学 电子工程系,北京 100084)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为了解决物联网环境下设备众多且终端资源有限带来的安全问题,提出了一种基于轻量级全维动态卷积神经网络(LR-ODCNN)的物联网设备射频指纹信号识别方法。首先,设计了LR-ODCNN模型;然后,利用光传输系统采集设备的基带信号,从基带信号中提取I、Q信号作为网络的输入;最后,LR-ODCNN模型根据多维注意力机制来适应不同设备的信号特征,并进行信号特征的提取和识别。实验结果表明,当传输距离为10 m、400 m、1.7 km和8.6 km时,LR-ODCNN模型的平均识别准确率为94.35%, 比McAFF模型、Oracle模型分别提高了5.35%、10.13%,且具有鲁棒性强、轻量化的优点。
关键词:物联网安全;设备识别;全维动态卷积;射频指纹识别;深度学习
中图分类号:TN975 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2024)03-0068-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2024.03.012
0 引言
第五代移动通信(5G)无线系统具有支持每平方千米高达一百万个物联网设备的能力[1]。为了保证大规模物联网设备的安全运行,必须对接入网络的设备进行身份识别[2]。在物联网环境中,由于设备数量庞大且终端资源有限,传统的高层识别机制面临前所未有的挑战[3]。而基于物理层的射频指纹(RFF)识别方法能够在无需密钥分发的情况下实现设备识别[4],从而有效规避终端资源限制的问题。
RFF识别方法主要分为两大类:一类是基于特征工程的方法,另一类是基于深度学习的方法。在特征工程方法中,研究者们依赖于采用经典的信号处理技术(如傅里叶变换、小波变换等)提取信号的特征。这些特征被用于支持向量机(SVM)算法中进行分类[5-7]。尽管这种方法在性能上表现出色,但它高度依赖于先验知识,因此在通用性方面存在一定的限制。
随着深度学习技术的兴起,研究者们开始尝试采用该技术进行RFF识别。2018年,WU Q等人[8]利用长短记忆(LSTM)网络成功地提取了信号的时间特征,并展示了出色的识别性能;同年,DING L等人[9]则构建了一种轻量级的卷积神经网络(CNN)来提取信号特征,不仅降低了数据的维度,还减少了处理时间。2019年,SANKHE K等人[10]结合了软件定义无线电和机器学习技术,开发出了Oracle算法,该算法能够在静态信道中有效地识别设备信号。这些深度学习的方法不仅减少了对先验知识的依赖,还展现出了卓越的自适应学习能力。然而,在复杂的电磁环境中,物联网设备的识别方法面临高计算量和训练收敛速度慢的挑战,这在一定程度上限制了设备接入网络的速度。
为了克服以上技术的局限性,本文提出一种基于轻量级全维动态卷积神经网络(LR-ODCNN)的物联网设备RFF信号识别方法,以提高接入设备的识别准确率。
4 结束语
本文提出了一种基于LR-ODCNN的物联网设备射频指纹信号识别方法,将全维动态卷积应用于RFF信号识别场景,构建了LR-ODCNN模型,提高了物联网设备接入网络前的物理层安全性。这种方法解决了传统加密方法所面临的复杂性和资源消耗问题,从而在本质上提高了物联网的安全性。实验结果表明,在同等实验条件下,相较于其它传统CNN模型,LR-ODCNN模型展现出更高的识别准确率和鲁棒性。此外,该模型还具有较少的训练参数量和FLOPs,为物联网设备识别的实际部署提供了有益的参考。