[发明专利]一种基于背向散射天线阵列的无线通信方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于背向散射天线阵列的无线通信方法和系统，通过将功耗低、体积小、价格便宜的背向散射电路标签附加在AP周围构造无线信号的多径传播特征，提取发送信号经过背向散射电路标签反射得到的背向散射信号的代表性特征，并采用距离搜索算法比较代表性特征之间的相似性，构建传播特征向量，最后利用机器学习算法，基于传播特征向量的相似性对攻击者与合法无线设备身份进行分类，无需使用昂贵的天线阵列或对现有设备进行任何硬件修改，硬件成本低，可操作性强，并且极大提升了系统识别主动攻击者的准确率和效率。

技术领域

本发明属于无线通信领域，更具体地，涉及一种基于背向散射天线阵列的无线通信方法和系统。

背景技术

物联网(Internet of things，简称IoT)因其强大的无线通信能力以及在克服成本、能耗、移动性等问题上的巨大优势，成为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次技术革新。随着信息时代的不断向前发展，用户应用需求的多样化，海量物联网设备的投入使用，极大推动了物联网技术的蓬勃发展，也催生了大量满足不同需求的物联网技术。

低功率无线通信技术和轻量级通信协议的不断进步推动了物联网技术在我们日常生活中的应用。在此背景下，物联网无线通信设备逐渐向小尺寸、低成本、低功耗方向发展，然而IoT设备的轻量化设计在为低功耗通信开辟了一系列可能性的同时，却使得通信过程易受到恶意的攻击，最近的研究表明，无线连接很容易受到攻击者入侵，攻击者可以发送未经授权的命令使得物联网设备出现故障。

解决这类问题的传统方法主要依赖于复杂的加密算法，这将导致计算资源和能源的浪费，并且对于设计简单的无线通信设备而言是不可行的；此外，利用信号到达角(AoA)、信道状态信息(CSI)和接收信号强度(RSS)之类的细粒度物理层特征来减轻这些威胁的技术最近受到了广泛关注，然而，这些技术需要配备至少两根天线或天线阵列来构建细粒度物理层特征，成本昂贵并且不适用于无线访问接入点(WirelessAccessPoint，简称AP)和无线通信设备等仅配备少量天线的系统，另外，在开放空间中多径现象是不明显的，这些技术难以提取细粒度的物理层特征。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于背向散射天线阵列的无线通信方法和系统，旨在解决传统的防止无线设备遭受外来攻击的方法硬件成本高，安全性低的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于背向散射天线阵列的无线通信方法，包括以下步骤：

(1)通过将多个背向散射电路标签分布在无线接收端周围，构造发送信号的多径传播特征；

(2)采集所述接收端接收的无线信号，并对所述无线信号进行检测和分割，得到多段背向散射信号；其中每段背向散射信号为所述发送信号经过相应的背向散射电路标签反射后的信号；

(3)分别对每段背向散射信号进行特征提取，并根据提取特征之间的相似性，构建所述背向散射信号的传播特征向量；

(4)采用训练好的分类器对所述传播特征向量进行分类，识别来自同一发送端的安全信号以及来自不同发送端的攻击信号。

进一步地，所述步骤(1)中所述背向散射电路标签按照以下方式分布在接收端周围：

每个标签与接收端的距离大于等于半波长；

所有标签不在同一直线上分布。

优选地，所述步骤(2)包括：

使用移动平均法对所述无线信号进行解码，得到背向散射信号部分的起点和终点η₁、η₂；

采用能量包络检测法对所述无线信号进行检测，得到所述无线信号能量包络的起点和终点η₃、η₄；