模擬主用戶攻擊下協(xié)作頻譜感知最佳融合準則

李 莎，戴建新，程崇虎，汪 鵬，王 軍

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學 理學院，江蘇 南京 210023)

模擬主用戶攻擊下協(xié)作頻譜感知最佳融合準則

李 莎1，戴建新2，程崇虎1，汪 鵬1，王 軍1

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學 理學院，江蘇 南京 210023)

認知無線電網(wǎng)絡中，協(xié)作頻譜感知技術(shù)利用多個認知用戶的本地感知，克服了多徑效應、陰影效應等問題的制約，提高了系統(tǒng)的檢測性能。認知無線電提出的動態(tài)頻譜接入方法在有效解決頻譜稀缺問題的同時也給網(wǎng)絡帶來了威脅。其中之一就是主用戶模擬攻擊(PUEA)，即一些惡意用戶試圖模仿主用戶信號來欺騙次級用戶，從而阻止次級用戶訪問空閑頻段。考慮一個能根據(jù)自己的感知并判決主用戶是否存在的智能攻擊者，它在主用戶不存在時發(fā)送偽造信號；在此基礎(chǔ)上推導了基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知檢測概率，并進一步對融合準則進行了優(yōu)化，從而得到了總誤差概率最小時的最佳融合準則；對PUEA存在情況下基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知的最佳融合準則進行了仿真，進一步驗證了推導結(jié)果。

認知無線電；協(xié)作頻譜感知；主用戶模擬攻擊；最佳融合準則

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)快速發(fā)展，3G網(wǎng)絡已全面普及，4G也已經(jīng)開始投入應用。而用戶日益增長的無線通信需求與有線的無線頻譜資源之間的矛盾日益凸顯，這已經(jīng)成為擺在全世界無線通信技術(shù)研究者面前的問題[1-2]。認知無線電(CR)通過動態(tài)訪問空閑頻段來提高頻譜效率的方法已被廣泛研究[3]。在CR的術(shù)語中，授權(quán)的用戶稱為主用戶(PU)，未授權(quán)的用戶稱為次級用戶(SU)或CR用戶。當無線電環(huán)境中不存在主用戶時，次級用戶被允許使用該頻段，所以CR執(zhí)行頻譜感知和估算是否存在主用戶的任務[4-5]。

在CR網(wǎng)絡的各種傳感方法中，協(xié)作頻譜感知(CSS)由于其較高的頻譜感知性能從中脫穎而出[6]。CSS方法可以在衰落環(huán)境下有效提高傳感精度。在CSS中，每個次級用戶使用某些檢測方法獨立進行頻譜感知，然后將他們的本地感知結(jié)果報告給融合中心，最后由融合中心做出判決[7]。文獻[8]介紹了在虛警概率不變的情況下，通過優(yōu)化CR數(shù)目來達到最好的檢測性能。文獻[9]討論了系統(tǒng)性能與用于感知的CR數(shù)目之間的平衡問題。文獻[10]探討了能量閾值、感知時間和決策融合規(guī)則的共同優(yōu)化問題。

CR網(wǎng)絡的這種動態(tài)訪問方式可能會被惡意用戶利用，從而造成頻譜感知的性能漏洞。主用戶模擬攻擊(PUEA)是其中的一個威脅，這種攻擊是指當某頻段不存在主用戶時，惡意用戶發(fā)送與主用戶相同的信號，使次級用戶騰出該頻段[11]。文獻[8-10]均是在不存在主用戶模擬攻擊的理想環(huán)境下進行的討論，都沒有考慮PUEA對系統(tǒng)性能的影響。文獻[12]提出一個考慮PUEA的協(xié)作頻譜感知，但假設(shè)PUEA始終存在，這與PUEA的定義不相符。文獻[13]只討論了PUEA存在概率與檢測性能的關(guān)系，沒有考慮與感知時間和CR數(shù)目等因素的關(guān)系。

假設(shè)PUEA進行頻譜感知，當感知到PU不存在時發(fā)送假信號。嘗試通過這個高效可行的方法優(yōu)化檢測性能，且在此基礎(chǔ)上推導了基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知檢測概率，并進一步對融合準則進行了優(yōu)化，從而得到了總誤差概率最小時的最佳融合準則；對已知PUEA存在時基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)的融合準則進行了仿真，并對仿真結(jié)果進行了理論分析，從而得出結(jié)論。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，系統(tǒng)模型由一個PU，共存于一個認知無線電網(wǎng)絡(CRN)的N個CR以及一個融合中心組成。主用戶模擬攻擊的存在是為了蒙騙CR網(wǎng)絡。

圖1 CR網(wǎng)絡的系統(tǒng)模型

圖1中，每個次級用戶獨立執(zhí)行周期性的本地頻譜感知，然后發(fā)送一個二進制本地判決結(jié)果給融合中心。融合中心結(jié)合本地的判決結(jié)果做出最后判決，以推斷在觀察的這個頻段內(nèi)是否存在主用戶。認知無線電網(wǎng)絡中的次級用戶運用能量檢測進行本地頻譜感知，以及使用K/N融合準則進行判決。

根據(jù)PU和PUEA的存在與否(其中PUEA只在PU不存在時才發(fā)送假信號)，將模型分成三種情況：S1={A0,H1}，S2={A0,H0}，S3={A1,H0}。

其中，A0表示PUEA不存在；A1表示PUEA存在；H0表示PU不存在；H1表示PU存在。

2 PUEA下的頻譜感知

考慮在不存在主用戶時，PUEA會發(fā)送假信號的情況，制定了合適的頻譜感知規(guī)則。它有別于不考慮PUEA存在的傳統(tǒng)的頻譜感知。使用檢測概率(Pd)和虛警概率(Pf)來評估CR頻譜感知的性能[14]。則第i個CR本地頻譜感知的檢測概率和虛警概率為：

(1)

(2)

其中，D1表示第i個CR判決PU信號存在。

能量檢測是整合感知時間τ內(nèi)在帶寬fs/2處接收到的信號，然后傳感器將收集的能量Ei與預設(shè)閾值ε做比較來判決該頻段是否存在PU[15]。在不考慮PUEA的情況下，傳感器的檢測概率和虛警概率的定義為：

(3)

(4)

如前所述，當不存在PU時，CR用戶將接收到PUEA發(fā)送的信號。所以，在這種攻擊存在的情況下，Pf將受到影響。考慮到PUEA的存在，可以得到：

(5)

若考慮PUEA的存在，實際上

(6)

(7)

其中

(8)

(9)

由此可得PUEA下頻譜感知的虛警概率和檢測概率為：

(10)

(11)

漏檢概率為：

Pm,i=1-Pd,i

(12)

3 PUEA下的協(xié)作頻譜感知

在進行CCS時，每個CR將本地判決結(jié)果發(fā)送到FC，然后給出一個PU是否存在的全面判決結(jié)果。FC應用了很多融合準則，例如OR準則、AND準則和K/N準則。

OR準則是指只要有一個CR檢測到主用戶信號，F(xiàn)C就判決存在PU,否則頻段就被認為是空閑的。AND準則是必須所有的CR都檢測到主用戶信號，才判決存在PU，否則認為頻段是空閑的。而K/N準則是指有N個CR，其中K個檢測到主用戶信號判決存在PU[16]。

其實OR準則和AND準則是K/N準則的特例，當K等于1時是OR準則,而K等于N時是AND準則。

假設(shè)所有的CR用戶使用相同的閾值ε。這就使Pf,i和Pd,i都與i無關(guān)，從而可以表示為Pf和Pd，則Pm=1-Pd。

K/N準則下，協(xié)作頻譜感知的虛警概率和漏檢概率分別為[17]：

(13)

(14)

4 PUEA下協(xié)作頻譜感知融合準則的優(yōu)化

以總誤差概率Qf+Qm最小化為目標，探討存在主用戶攻擊情況下的協(xié)作頻譜感知的最佳融合準則。

已知N和信噪比，定義F=Qf+Qm，即

(15)

(16)

(17)

(18)

通常情況下，Pf與Pm有相同的階數(shù)，即α≈1，此時，K的最優(yōu)值是N/2。

5 仿真結(jié)果及分析

一些數(shù)值結(jié)果可證明模擬主用戶攻擊情況下協(xié)作頻譜感知的最優(yōu)融合準則。圖2直觀顯示了在檢測閾值不固定的情況下總錯誤率Qf+Qm與K最優(yōu)值的關(guān)系。設(shè)定該認知無線電網(wǎng)絡共有10個CR用戶。由圖可以看出，K最優(yōu)值從1到10，總錯誤率先下降后上升，在K=5時，總錯誤率最小。

圖2 總錯誤率隨K最優(yōu)值變化的曲線(N=10)

圖3顯示了K最優(yōu)值與檢測閾值的關(guān)系。由圖3看出，當給定一個固定的很小的檢測閾值時，則K=10，即AND準則是最優(yōu)的；而當給定一個固定的很大的檢測閾值時，則K=1，即OR準則是最優(yōu)的。

圖3 K最優(yōu)值隨檢測閾值變化的曲線(N=10)

6 結(jié)束語

為了提高協(xié)作頻譜感知的性能，提出了已知PUEA存在情況下的協(xié)作頻譜感知場景。PUEA能夠進行頻譜感知和有計劃的發(fā)送信號。在主用戶不存在的情況下，攻擊者模擬主用戶信號隨機發(fā)送。考慮PUEA的存在能有效提高系統(tǒng)性能。推導了已知PUEA存在情況下協(xié)作頻譜感知在總誤差概率最小時的最佳融合準則，并對已知PUEA存在時基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)的融合準則進行了優(yōu)化分析和仿真。仿真結(jié)果表明，檢測閾值不一定時，使總誤差率最小的最優(yōu)判決融合準則是半數(shù)判決準則；當閾值一定且很小時，AND準則最優(yōu)，而閾值一定又很大時，則OR準則最優(yōu)。

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Optimal Fusion Rule of Cooperative Spectrum Sensing in Presence of Primary User Emulation Attack

LI Sha1，DAI Jian-xin2，CHENG Chong-hu1，WANG Peng1，WANG Jun1

(1.College of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China；2.School of Science,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023,China)

In cognitive radio network,cooperative spectrum sensing technology overcomes the problems of multipath effects,shadow effects and so on by using local sensing results of cognitive users,improving the detection performance.However,cognitive radio,which is a solution for spectrum scarcity by means of a dynamic spectrum access,imposes some threats to the network.One of these common threats is Primary User Emulation Attack (PUEA),where some malicious users try to mimic the primary signal and deceive secondary users to prevent them from accessing the vacant frequency bands.A smart attacker is considered who performs its own spectrum sensing and according to its acquired knowledge about the presence or absence of the primary signal,sending fake signals when the primary user signal is not present in the radio environment.The detection probability of cooperative spectrum sensing based on energy detection in the presence of a PUEA is deduced,and the fusion rule is optimized,thus the optimal fusion rule under the minimum total error probability could be got.The optimal fusion rule of cooperative spectrum sensing based on energy detection in the presence of PUEA is simulated,and the results verify the conclusions of theory deducing exactly.

cognitive radio;cooperative spectrum sensing;Primary User Emulation Attacks (PUEA);optimal fusion rule

2016-05-03

2016-08-10

時間：2017-03-07

江蘇省博士后科研資助計劃(1501073B)；南京郵電大學自然科學基金(NY214108)

李 莎(1989-)，女，碩士，研究方向為認知無線電頻譜感知;戴建新，副教授，研究方向為5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);程崇虎，教授，研究方向為電磁場。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0920.016.html

TN929．5

A

1673-629X(2017)04-0126-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.028