一种5G无线信号采集和分析系统及方法

一种5g无线信号采集和分析系统及方法
技术领域
1.本发明属于5g无线通信领域，涉及一种5g无线信号采集和分析系统及方法。


背景技术：

2.当今，无线通信网络技术飞速发展，无线通信网络技术的发展，为人们提供了多样化且便捷的服务，我们所采用的不同调制制式的移动终端设备已经被普遍用于工作与生活，成为了人们日常生活的一部分，发挥着不可替代的作用。只要有移动通信信号，设备间就可以通过开放的无线通信网络系统建立联系，连通现实世界。但与此同时，随着无线通信技术的发展，移动终端设备的数目大大增多，且类型多种多样，移动通信网络的开放性与移动通信终端的便携性也带来了相应的安全隐患，如数据嗅探攻击、钓鱼攻击、中间人攻击、仿冒攻击等等。
3.传统的无线通信加密方法，大多是基于物理层以上的，使用密码学理论，通过数据加密与安全协议来保证数据的完整性、机密性以及通信双方的合法性，一旦协议存在漏洞或者密钥泄漏就会造成严重的后果。目前各类无线通信系统针对移动终端设备普遍采用的识别认证方法是通过使用某种数据标识来声明自身身份，选择合适的加解密算法在网络链路中通过安全传输协议来完成终端设备的识别与认证。其接入认证的主要信息来源于存储在用户身份识别(subscriber identity module，sim)卡或全球用户识别(universal subscriber identity module，usim)卡中的用户根密钥。然而，通过sim卡或者usim卡对移动终端设备的识别机制并不可靠，已经有实验证明可以通过攻击sim卡来获取卡内存储的身份验证信息，并且已经有设备可以直接复制sim卡或usim卡，用来进行身份仿冒。
4.基于移动终端物理层层面的射频指纹特征的提取与识别技术的研究，对上述场景以及保障信息安全具有重要的意义。所谓射频指纹，是指由于移动终端设备的发射终端、基带终端等模拟器件在生产制造工艺流程中的不一致性以及制造容差的影响，虽然电路设计与制造工艺不断提升，但是即使通过相同的制造工艺生产出的同一批设备器件，也会因为生产标准中规定允许的误差使发射机元器件制造过程中存在细微特征上的差异，因此，射频指纹可以作为物理层安全的一部分。如果能够从不同的移动终端设备发射出的射频信号中提取出反映设备特征的射频指纹，建立起与之对应的设备射频指纹数据库，就可以在复杂的无线网络通信环境中，对每个独立的移动终端设备进行区分与识别，实现对终端设备的识别与认证。
5.在5g普及程度越来越高的同时，能否监测数据恶意采集与敏感数据上传行为成为了提高5g安全性能亟需解决的问题。在数据采集环节，风险威胁有保密性威胁、完整性威胁和可用性威胁等。保密性威胁是5g数据采集面临的主要风险，指攻击者通过建立隐蔽隧道，对信息流向、流量、通信频度和长度等参数的分析，窃取敏感的、有价值的信息，例如恶意采集与敏感信息上传等。本发明通过构建5g数据上传安全监测与敏感信息预警平台，实时采集5g的无线网络通信流量数据，构建5g数据上传安全监测与敏感信息预警平台，增强5g数据传输的安全性。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种5g无线信号采集和分析系统及方法，基于移动射频终端物理层层面的指纹特征，实时采集5g的无线网络通信流量数据，建立设备的射频指纹，构建设备指纹库白名单，增强5g数据传输的安全性。
7.本发明提供了一种5g无线信号采集和分析系统，所述系统包括5g无线信号采集和5g无线信号分析两模块；5g无线信号采集模块设计具体基于软件无线电技术的5g无线信号采集硬件装置，实现5g通信信号流的采集；5g无线信号分析模块运行于另一台pc机上，进一步通过对采集的信号进行预处理，利用机器学习算法和进化算法，实现对不同设备产生信号的辨识，建立设备的射频指纹，构建设备指纹库白名单。所述5g无线信号采集模块包括上位机、软件无线电收发装置usrp(universal software radio peripheral)、万兆光纤以及多频段高增益天线；其中：
8.所述上位机通过uhd驱动软件终端进行信号的收发系统参数的配置，根据5g信号标准对信号进行编写，并生成数字信号，用于5g核心网和基站的功能模拟和仿真；
9.所述软件无线电收发装置usrp用于：模拟基站的射频前端，将所述上位机生成的数字信号通过信号发射单元转换为射频模拟信号，并输出至5g移动终端；通过信号接收单元将接收到的5g移动终端的射频模拟信号转换成数字信号并传输给上位机，由上位机进行数字信号的捕获和保存；
10.所述万兆光纤用于连接设备，保证软件无线电收发装置usrp与上位机的高速数据传输；
11.所述多频段高增益天线安装于软件无线电装置usrp收发端口，对无线信号进行适当的放大或衰减，通过对射频信号的功率控制来保护硬件设备，满足系统的通信要求，以保证多频段无线通信的可靠性。
12.本发明提供了一种5g无线信号采集模块的工作方法，包括以下步骤：
13.1)开启上位机，开启软件无线电收发装置usrp，开启5g核心网和基站；
14.2)5g移动终端通过基站接入核心网，建立通信交互；
15.3)5g移动终端与基站开始通信，软件无线电收发装置usrp与5g移动终端通过多频段高增益天线进行数据传输；
16.4)软件无线电收发装置usrp通过万兆光纤与上位机进行高速数据传输；
17.5)上位机进行数字信号的捕获和保存：在上位机侧，通过软件wireshark，捕获光纤上的通信数据包，实现对5g无线信号的采集，将正相和正交相位的i/q样本流分别以8位整数的形式进行保存，得到的i/q二进制文件按照[i0,q0,i1,q1,...,in,qn]格式存储，其中n是收集样本对的数量，采集到的数据按照复数的格式进行信号处理，原本的数据变为[i0+jq0,i1+jq1,...,in+jqn]格式，实现对5g无线信号的保存。
[0018]
本发明提供了一种5g无线信号分析模块进行信号分析的方法，包括以下步骤：
[0019]
1)对采集信号进行筛选，通过软件wireshark对数据包的源地址和数据包长度的参数进行设置，从而仅保留5g移动终端上行的传输数据包；
[0020]
2)对筛选后的信号进行滤波，滤除噪声；
[0021]
3)对滤波后的信号进行归一化处理，便于后续信号的特征提取操作；
[0022]
4)对归一化处理后的信号进行截取，信号截取的长度设置为5-20ms，得到固定长
度为5-20ms的信号片段；
[0023]
5)对截取后的固定长度信号进行特征提取，提取得到信号的方差(variance)、偏度(skewness)、峰度(kurtosis)、标准差(standard deviation)，构成特征向量；
[0024]
6)基于机器学习算法和进化算法，对不同设备的特征向量进行分类训练；
[0025]
7)构建已知设备的指纹库白名单。
[0026]
本发明的有益效果：本发明所提出的方法，提供了一种5g无线信号采集和分析系统及方法，主要目的在于对5g信号进行采集和分析，可以在一定空间范围内，基于移动射频终端物理层层面的指纹特征，实时采集5g的无线网络通信流量数据，分析构建合法设备的指纹库白名单，增强5g数据传输的安全性；本发明规避了基于数据加密与安全协议的认证机制潜在的安全风险，选择了基于硬件固有属性的设备射频指纹，可以在复杂的无线网络通信环境中，对每个独立的移动终端设备进行区分与识别，实现对终端设备的识别与认证，具有长时鲁棒性和稳定性。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明提出的一种5g无线信号采集和分析系统及方法，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍。
[0028]
图1为本发明实施例提供的一种5g无线信号采集模块的结构示意图。
[0029]
图2为本发明实施例提供的一种5g无线信号采集模块的工作流程示意图。
[0030]
图3为本发明实施例提供的一种5g无线信号分析模块进行信号分析的流程示意图。
[0031]
图4是本发明实施例在5g无线信号分析中提取的4个特征的计算公式。
具体实施方式
[0032]
下面结合实施例和说明书附图对本发明的5g无线信号采集和分析系统及其方法做进一步说明。一种5g无线信号采集和分析系统包括5g无线信号采集模块和5g无线信号分析模块。
[0033]
本发明实施例的一种5g无线信号采集模块，如图1所示。
[0034]
一种5g无线信号采集模块，包括一台上位机、一台软件无线电收发装置usrp、万兆光纤以及多频段高增益天线；其中，
[0035]
1)所述上位机通过uhd驱动软件终端进行信号的收发系统参数的配置，根据5g信号标准对信号进行编写，并生成数字信号，用于5g核心网和基站的功能模拟和仿真；
[0036]
2)所述软件无线电收发装置usrp用于：模拟基站的射频前端，将所述上位机生成的数字信号通过信号发射单元转换为射频模拟信号，并输出至5g移动终端；通过信号接收单元将接收到的5g移动终端的射频模拟信号转换成数字信号并传输给上位机，由上位机进行数字信号的捕获和保存；
[0037]
3)所述万兆光纤用于连接设备，保证软件无线电收发装置usrp与上位机的高速数据传输；
[0038]
4)所述多频段高增益天线安装于软件无线电装置usrp收发端口，对无线信号进行适当的放大或衰减，通过对射频信号的功率控制来保护硬件设备，满足系统的通信要求，以
保证多频段无线通信的可靠性。
[0039]
本发明实施例的一种5g无线信号采集模块的工作方法，如图2所示。
[0040]
1)开启上位机，开启软件无线电收发装置usrp，开启5g核心网和基站；
[0041]
2)5g移动终端通过基站接入核心网，建立通信交互；
[0042]
3)5g移动终端与基站开始通信，软件无线电收发装置usrp与5g移动终端通过多频段高增益天线进行数据传输；
[0043]
4)软件无线电收发装置usrp通过万兆光纤与上位机进行高速数据传输；
[0044]
5)上位机进行数字信号的捕获和保存：在上位机侧，通过软件wireshark，捕获光纤上的通信数据包，实现对5g无线信号的采集；将正相和正交相位的i/q样本流分别以8位整数的形式进行保存，得到的i/q二进制文件按照[i0,q0,i1,q1,...,in,qn]格式存储，其中n是收集样本对的数量，采集到的数据按照复数的格式进行信号处理，原本的数据变为[i0+jq0,i1+jq1,...,in+jqn]格式，实现对5g无线信号的保存。
[0045]
本发明的5g无线信号分析模块位于运行于另一台pc机，进一步对5g无线信号采集模块采集的信号进行分析，具体的分析方法如图3所示。
[0046]
1)对采集信号进行筛选，通过软件wireshark对数据包的源地址和数据包长度的参数进行设置，源地址设置为软件无线电收发装置usrp的地址，数据包的长度下限设置为1000，仅保留5g移动终端上行的传输数据包；
[0047]
2)对筛选后的信号进行滤波，滤除噪声；
[0048]
3)对滤波后的信号进行归一化处理，便于后续信号的特征提取操作；
[0049]
4)对归一化处理后的信号进行截取，信号截取的长度设置为5ms，得到固定长度为5ms的信号片段；
[0050]
5)对截取后的固定长度信号进行特征提取，计算得到信号的方差(variance)、偏度(skewness)、峰度(kurtosis)、标准差(standard deviation)四个特征，以此构成特征向量；
[0051]
6)基于机器学习算法和进化算法，对不同设备的特征向量进行分类训练；
[0052]
7)构建已知设备的指纹库白名单。

技术特征：
1.一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，所述系统包括5g无线信号采集模块和5g无线信号分析模块；所述5g无线信号采集模块包括：上位机，所述上位机通过uhd驱动软件终端进行信号的收发系统参数的配置，根据5g信号标准对信号进行编写，并生成数字信号，用于5g核心网和基站的功能模拟和仿真；软件无线电收发装置usrp，所述软件无线电收发装置usrp用于：模拟基站的射频前端，将所述上位机生成的数字信号通过信号发射单元转换为射频模拟信号，并输出至5g移动终端；通过信号接收单元将接收到的5g移动终端的射频模拟信号转换成数字信号并传输给上位机，由上位机进行数字信号的捕获和保存；万兆光纤，所述万兆光纤具体用于连接设备，且保证软件无线电收发装置usrp与上位机的高速数据传输；多频段高增益天线，所述多频段高增益天线安装于软件无线电装置usrp收发端口，对无线信号进行放大或衰减；所述5g无线信号分析模块运行于另一台pc机上，用于对所述5g无线信号采集模块采集的信号进行分析。2.根据权利要求1所述的一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，所述上位机进行数字信号捕获的方法为：通过软件wireshark对光纤上的通信数据包进行捕获。3.根据权利要求1所述的一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，所述上位机进行数字信号保存的方法为：将正相和正交相位的i/q样本流分别以8位整数的形式进行保存，得到的i/q二进制文件按照[i0,q0,i1,q1,...,i
n
,q
n
]格式存储，其中n是收集样本对的数量，i
i
表示第i组信号样本的i数据，q
i
表示第i组信号样本的q数据，采集到的数据按照复数的格式进行信号处理，原本的数据变为[i0+jq0,i1+jq1,...,i
n
+jq
n
]格式，其中j为复信号域中的虚数基本单位。4.根据权利要求1所述的一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，所述5g无线信号分析模块进行信号分析的步骤为：1)对上位机捕获的信号进行筛选，仅保留5g移动终端上行的传输数据包；2)对筛选后的信号进行滤波，滤除噪声；3)对滤波后的信号进行归一化处理，便于后续信号的特征提取操作；4)对归一化处理后的信号进行截取，得到固定长度的信号片段；5)对截取后的固定长度信号进行特征提取，提取得到信号的方差、偏度、峰度、标准差，构成特征向量；6)基于机器学习算法和进化算法，对不同设备的特征向量进行分类训练；7)构建已知设备的指纹库白名单。5.根据权利要求4所述的一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，所述步骤1)具体是通过软件wireshark对数据包的源地址和数据包长度的参数进行设置，以保留5g移动终端上行的传输数据包。6.根据权利要求4所述的一种5g无线信号采集和分析系统，其特征在于，步骤4)中，对信号截取的长度设置为5-20ms，即得到固定时长为5-20ms的信号片段。7.一种5g无线信号采集和分析方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的系统
实现。

技术总结
本发明公开了一种5G无线信号采集和分析系统及方法，涉及5G无线通信领域，主要目的在于对5G信号进行采集和分析。所述的系统包括5G无线信号采集和5G无线信号分析两模块，其中，5G无线信号采集模块设计具体基于软件无线电技术的5G无线信号采集硬件装置，实现5G通信信号流的采集；5G无线信号分析模块进一步通过对采集的信号进行预处理，利用机器学习算法和进化算法，实现对不同设备产生信号的辨识，建立设备的射频指纹，构建设备指纹库白名单。可见，本发明可以在一定空间范围内，基于移动射频终端物理层层面的指纹特征，实时采集5G的无线网络通信流量数据，构建5G数据上传安全监测与敏感信息预警平台，增强5G数据传输的安全性。增强5G数据传输的安全性。增强5G数据传输的安全性。


技术研发人员：孙珺 汤雨婷 卢媛 徐文渊 冀晓宇 程雨诗 侯纳敏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/11