一种设备指纹与信道分离的方法及装置与流程
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种设备指纹与信道分离的方法及装置。
背景技术：
随着通信技术的发展，无线通信得到广泛的应用。随着新一代无线通信技术的发展，特别是即将投入使用的大规模天线技术，使可用的天线数量大大增加。天线数量的增加，不仅使无线通信系统的吞吐量得到大幅提高，同时也为复杂的信号处理技术提供了硬件平台。以往的基于MUSIC和ESPRIT的阵列信号处理算法，天线数量是算法应用的瓶颈。大规模天线技术的应用为阵列信号处理提供了有利条件。
设备指纹主要是指设备的模拟电路部分(包括天线)的综合物理特征。它主要体现在对信号造成失真，尤其是在宽带系统中，造成频带内增益的不平坦。设备指纹在通信设备之间往往是不同的，所以，设备指纹会影响信道估计的准确度，从而降低系统性能。在基于密钥生成的物理层安全中，减少两侧设备指纹差异的影响，对提高密钥的一致率有重要影响。另一方面，设备指纹是一种硬件上的特征，难以复制或者模仿，可以作为设备识别的手段。所以，对设备指纹的估计在提高TDD系统的信道互易性，提高系统吞吐量以及系统安全性等方面，有重要的价值。
对于无线通信设备本身，在设备生产过程的最后环节，会对设备进行硬件校准，使设备增益大小、增益平坦度、带外能量泄露等指标达到最优。但是无论是采用分离期间搭建的硬件电路甚至是集成电路，由于设备制备过程本身存在不确定性因素，设备校准无法达到最优，所以也无法消除设备之间的差异。而且，随着设备的老化，使用环境的温度、湿度的变化，这种设备指纹也会发生变化。所以，为了实现更好的通信可靠性和有效性，需要对设备指纹进行提取。
设备投入使用后的校准方案，主要分为两种，一种是基于硬件电路的校准方法，由于需要额外的校准电路，难以在终端设备、移动设备中应用；一种是利用上行链路和下行链路的信道互易性进行校准的方法，这种方法通过信号处理、信号预编码或信息反馈等途径，交互信道信息来计算得到设备指纹。
在接收机收到的信号中，设备指纹与信道响应结合在一起，可以根据无线信道的互易性得到设备指纹。对于TDD系统，这种方法受限于通信的相干时间、信息反馈开销。例如，在专利《CN 101015179 B》中提及利用“隐式信道反馈”来减小反馈带宽。在专利《CN105052176A》中提及“利用上行链路/下行链路信道互易性的在具有多用户传输的多天线系统中用于射频校准的系统和方法”。在专利《CN102158272B》中，公开了一种“根据所述下行信道状态信息和所述上行信道状态信息计算该第一网络侧节点对应的射频校准因子”实现设备指纹提取的方法。上述专利提及的方法，需要利用信道互易性实现系统校准。在不满足信道互易性的场景，例如系统移动速度快，相干时间短的情况下，方案的实施效果会受到影响。额外的信息反馈，会增加通信系统的开销。对于FDD系统，由于通信频段不同，上述利用信道互易性的方法难以直接应用。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的设备指纹与信道分离的方法及装置。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的设备指纹与信道分离的方法，包括以下步骤：
S1：通过接收机的天线阵列接收信号；
S2：对接收信号进行信道估计，令k＝1；
S3：对第k个载波的信道估计结果计算自相关矩阵R(k)；
S4：对第k个载波的自相关矩阵R(k)进行增秩处理，得到第k个载波的增秩自相关矩阵
S5：对计算多径信号幅值；
S6：判断k是否等于N，N为载波的总数：如果等于，则进行步骤S7；如果不等于，则令k＝k+1，然后回到步骤S3；
S7：对步骤S6的计算结果进行排序，选择路径，得到设备指纹。
进一步，所述步骤S1中天线阵列接收的信号为导频信号、插入导频的信号或者其他已确定的信号。
进一步，所述步骤S3中的载波的信道估计结果为单个载波的信道估计结果、部分载波合并后的信道估计结果、单个符号的信道估计结果、多个符号的信道估计结果中的任意一种。
进一步，所述步骤S4中，采用如下方法对自相关矩阵R(k)进行增秩处理：
S4.1：将接收机的天线阵列分成P个子阵，M是接收阵列的天线数量，L是路径数量；
S4.2：计算每个子阵的自相关矩阵；
S4.3：计算P个子阵的自相关矩阵的均值，得到第k个载波的增秩自相关矩阵如式(1)所示：
式(1)中，Rk,p为第k个载波的第p个子阵的自相关矩阵。
进一步，所述步骤S4.1中的子阵数目P大于多径数量。
进一步，所述步骤S4.1中，P＝L+1，L是路径数量。这样选择P的值可以解除多径信号的相关性，也可以将互相关矩阵的秩增加到P个。
进一步，所述步骤S4.1中，P<L+1，L是路径数量。这样可以应用于天线数量较少的情况，P的数量可以根据路径能量进行选择。
进一步，所述步骤S5中多径信号幅值的计算方法包括以下步骤：
S5.1：对第k个载波的增秩自相关矩阵进行特征分解，得到的特征分解形式如式(2)所示：
式(2)中，λi为特征值，US＝[e1 e2 … eL]为λ1到中较大的L个特征值对应的特征向量张成的信号子空间，ΣS为λ1到中较大的L个特征值组成的对角矩阵，为λ1到中较小的M0-L个特征值对应的特征向量张成的噪声子空间，σ2为高斯白噪声的功率，M0是子阵中的天线数量，L是路径数量；
S5.2：根据ESPRIT算法，求解一个唯一的且非奇异的矩阵T，矩阵T满足关系式US＝AT，A为阵列响应矩阵；
S5.3：计算得到自相关矩阵如式(3)所示：
式(3)中，I为单位矩阵；
S5.4：对的对角线元素取平方根，得到第k个子载波的多径幅值。
进一步，所述步骤S7中的路径选择最大能量的路径。
本发明所述的设备指纹与信道分离的装置，包括：
阵列信号接收模块：用于信号接收；
信道估计模块：用于对接收信号进行信道估计，获取设备指纹与信道叠加在一起的信号；
自相关矩阵处理模块：用于计算自相关矩阵，对自相关矩阵进行增秩处理；
多径信号计算模块：用于计算多径信号幅值；
设备指纹提取模块：用于对获取的信号进行重组，获取设备指纹。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明不依赖于信道互易性，可以广泛应用于TDD、FDD通信系统中。现有技术依赖信道互易性，在信道互易性减弱或者不满足的场景查下，性能将大幅降低或者不能使用，依赖信道互易性的技术，难以应用在FDD场景。
2)本发明仅需要对一个通信符号进行处理，得到设备指纹，不依赖于多个符号的处理，可以应用在高速移动场景。在高速移动场景下，相干时间短、信道变化，在相邻符号间，信道已经发生大幅变化，采用多个符号处理的方法难以应用在高速移动场景。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的装置的结构框图；
图2为本发明具体实施方式的通信系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
假设一个通信系统由一个基站(BS)和一个用户设备(UE)组成，如图2所示，BS的收发信机具有M根天线，UE的收发信机具有1根天线，BS和UE之间通过NC个子载波进行通信。UE将导频序列调制到NC个子载波上，通过硬件电路进行发射。
本具体实施方式公开了一种设备指纹与信道分离的方法，包括以下步骤：
S1：通过接收机的天线阵列接收信号；
S2：对接收信号进行信道估计，令k＝1；
S3：对第k个载波的信道估计结果计算自相关矩阵R(k)；
S4：对第k个载波的自相关矩阵R(k)进行增秩处理，采用前向空间平滑算法、前后向空间平滑算法或者其他能够达到增加自相关矩阵秩的目的的方法，得到第k个载波的增秩自相关矩阵
S5：对利用TLS-ESPRIT算法或者其他可以计算得到载波幅值的方法计算多径信号幅值；
S6：判断k是否等于N，N为载波的总数：如果等于，则进行步骤S7；如果不等于，则令k＝k+1，然后回到步骤S3；
S7：对步骤S6的计算结果进行排序，选择幅值最大路径，得到设备指纹。
步骤S4中，采用如下方法对自相关矩阵R(k)进行增秩处理：
S4.1：将接收机的天线阵列分成P个子阵，M是接收阵列的天线数量，L是路径数量；
S4.2：计算每个子阵的自相关矩阵；
S4.3：计算P个子阵的自相关矩阵的均值，得到第k个载波的增秩自相关矩阵如式(1)所示：
式(1)中，Rk,p为第k个载波的第p个子阵的自相关矩阵。
步骤S5中多径信号幅值的计算方法包括以下步骤：
S5.1：对第k个载波的增秩自相关矩阵进行特征分解，得到的特征分解形式如式(2)所示：
式(2)中，λi为特征值，US＝[e1 e2 … eL]为λ1到中较大的L个特征值对应的特征向量张成的信号子空间，ΣS为λ1到中较大的L个特征值组成的对角矩阵，为λ1到中较小的M0-L个特征值对应的特征向量张成的噪声子空间，σ2为高斯白噪声的功率，M0是子阵中的天线数量，L是路径数量；信号子空间US与噪声子空间UN正交，span{US}表示由信号子空间US张成的空间，span{A}表示阵列响应矩阵张成的空间，两个子空间的存在关系式span{US}＝span{A}；
S5.2：根据ESPRIT算法，求解一个唯一的且非奇异的矩阵T，矩阵T满足关系式US＝AT，A为阵列响应矩阵；
S5.3：计算得到自相关矩阵如式(3)所示：
式(3)中，I为单位矩阵；
S5.4：对的对角线元素取平方根，得到第k个子载波的多径幅值。
步骤S2也可以省略。
步骤S3也可以扩展到多个符号或多个载波，或者多个符号并多个载波。
步骤S7中也可以不选择幅值最大路径，而是根据多径幅值大小，选择前三个较大的幅值计算设备指纹，或者其他基于计算结果的组合及变换。
步骤S4.1中，P还可以取P＝L+3，或者根据多径能量分布，选择P等于其它数值。
本方法可以扩展到M个发射天线、M个接收天线的MIMO系统，还可以扩展到其它符合多径传输条件的系统应用中。
本具体实施方式还公开了一种设备指纹与信道分离的装置，如图1所示，包括：
阵列信号接收模块501：用于信号接收；
信道估计模块502：用于对接收信号进行信道估计，获取设备指纹与信道叠加在一起的信号；
自相关矩阵处理模块503：用于计算自相关矩阵，对自相关矩阵进行增秩处理；
多径信号计算模块504：用于计算多径信号幅值；
设备指纹提取模块505：用于对获取的信号进行重组，获取设备指纹。
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