一種能效優(yōu)先的認(rèn)知無線電模仿主用戶攻擊防御策略設(shè)計(jì)與性能分析

王云川，許曉榮，姚英彪，伍偉偉

（杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

一種能效優(yōu)先的認(rèn)知無線電模仿主用戶攻擊防御策略設(shè)計(jì)與性能分析

王云川，許曉榮，姚英彪，伍偉偉

（杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

研究了一種能效優(yōu)先的認(rèn)知無線電PUEA防御策略并對其進(jìn)行了性能分析。以PUEA存在時(shí)CSS能效作為目標(biāo)函數(shù)，以CSS安全檢測性能作為約束條件，從而構(gòu)建一個(gè)安全的CSS系統(tǒng)模型進(jìn)而求解該優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)保障能量有效性的安全頻譜檢測。在CSS中，融合中心以K秩準(zhǔn)則（K-out-of-N準(zhǔn)則）作為全局判決準(zhǔn)則，保證能效最大化時(shí)得到最佳門限K和最佳認(rèn)知用戶數(shù)N。通過與最大比合并（MRC）準(zhǔn)則下的安全CSS進(jìn)行比較，所提PUEA防御策略在保證系統(tǒng)能效的同時(shí)提高了系統(tǒng)的檢測性能，即所提PUEA防御策略可以有效折中能效與檢測性能。數(shù)值仿真結(jié)果表明，所提策略不受PUE干擾功率影響，對于PUEA攻擊具有較高的頑健性。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)；模仿主用戶攻擊；防御策略；能效；檢測性能

1 引言

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)（cognitive radio network，CRN）作為一個(gè)開放并且可以隨意接入的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，特別容易受到惡意用戶（malicious user，MU）的攻擊[1-3]。CRN不但面臨傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的所有安全威脅，比如竊聽攻擊、數(shù)據(jù)篡改攻擊等[4,5]，而且面臨許多新的安全威脅，比如模仿主用戶攻擊（primary user emulation attack，PUEA）[5]和頻譜感知數(shù)據(jù)偽造攻擊（spectrum sensing data falsification，SSDF）[6]。之前無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題主要通過對發(fā)射信號進(jìn)行加密實(shí)現(xiàn)[4]，但是加密算法和密鑰管理機(jī)制的復(fù)雜性將導(dǎo)致安全傳輸?shù)哪芎娘@著增大，因而物理層安全技術(shù)作為對密鑰加密技術(shù)的替代，近年來受到了網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域研究者的關(guān)注。其基本思想是利用噪聲通信信道的隨機(jī)性確保惡意竊聽用戶無法獲取信息。物理層安全問題的研究包括兩個(gè)方面：一方面是從信息論的角度，對CRN的安全容量進(jìn)行理論分析；另一方面是從信號處理和優(yōu)化的角度，對如何使系統(tǒng)安全通信速率達(dá)到其安全容量進(jìn)行研究[7,8]。協(xié)作頻譜感知（cooperative spectrum sensing，CSS）是CRN中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它通過多個(gè)認(rèn)知用戶（又稱次用戶，secondary user，SU）共同協(xié)商確定授權(quán)頻段的使用情況，融合中心再通過對多個(gè)SU感知數(shù)據(jù)的協(xié)同處理來提高頻譜感知的精確性。在CSS中，通常可以采用兩種方式進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的傳遞和融合：一種是直接傳遞本地節(jié)點(diǎn)感知到的原始信息，稱為軟合并方式[9]；另一種是本地節(jié)點(diǎn)先根據(jù)感知到的信息給出單個(gè)比特的判決信息，然后將這個(gè)單比特的判決信息發(fā)送給融合中心來進(jìn)行最終的判決，稱為硬合并方式[10]。當(dāng)PUEA攻擊時(shí)，協(xié)作頻譜感知可以發(fā)揮其特有的優(yōu)勢，降低單個(gè)SU感知的不確定性，提高PUEA抵御性能。Jin[11]提出了一種利用單個(gè)SU判決結(jié)果的中心式方法進(jìn)行合作判決的PUEA抵御機(jī)制，與單個(gè)SU的檢測方法相比，提升了系統(tǒng)的檢測性能。進(jìn)而 Jin[12]又提出了一種利用單個(gè)SU判決結(jié)果的分布式合作判決的PUEA抵御機(jī)制，SU節(jié)點(diǎn)通過與其具有單跳距離的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行感知結(jié)果交互，獲取更準(zhǔn)確的頻譜信息以應(yīng)對PUEA。Chen[5]為了進(jìn)一步提高基于合作檢測的PUEA抵御機(jī)制的性能，提出了為每個(gè)SU提供權(quán)重來獲得最佳融合結(jié)果的判決結(jié)果融合方式。Liu[13]提出通過最大最小特征值法（maximum-minimum eigenvalue）來選擇最佳合作用戶，將相關(guān)性比較大的用戶去除，盡量降低由于陰影、遭受攻擊等原因而獲得錯(cuò)誤感知結(jié)果的SU對判決結(jié)果產(chǎn)生不良影響。參考文獻(xiàn)[14]針對 CR移動(dòng)場景下的PUEA攻擊及防御策略進(jìn)行了研究，提出了一種以 PUEA攻擊檢測為主的混合策略抵御機(jī)制，根據(jù)攻擊者與合法感知用戶之間距離動(dòng)態(tài)切換PUEA檢測機(jī)制，以充分利用能量檢測與方差檢測的優(yōu)勢，在更低的資源消耗、更快的判決決策情況下滿足系統(tǒng)對 PUEA檢測過程中虛警概率與檢測概率的要求。

協(xié)作頻譜檢測中感知靈敏度的提升是以額外的通信開銷為代價(jià)的，然而，在追求CRN高頻譜利用率、高傳輸效率的同時(shí)，CRN對能量有效性和系統(tǒng)安全性等方面提出了更高的要求。研究表明，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行頻譜感知與傳輸?shù)墓氖?CRN能耗主要的開銷[15]。隨著CRN中SU的增加和網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的擴(kuò)大，CRN的能耗問題已日益受到關(guān)注，“綠色CRN”已經(jīng)成為未來 CRN 的發(fā)展方向之一[15,16]。保障CRN的物理層安全是能量有效性CRN的研究重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[16]同時(shí)指出，CRN能量有效性與傳輸安全性之間存在著最佳折中關(guān)系。針對不同的惡意用戶攻擊方式，系統(tǒng)采用不同的物理層安全策略所需要的能耗大不相同。因此，在保障數(shù)據(jù)安全、可靠傳輸?shù)那疤嵯拢枰槍μ囟ü舴绞降哪芎难芯块_銷最小的安全策略。

針對CRN中安全性與能效的折中問題[15,16]，本文重點(diǎn)研究了一種保障能量有效性的PUEA防御策略。假設(shè)存在PUEA，在CSS中，每個(gè)SU對感知到的授權(quán)頻段進(jìn)行二元判決，然后將本地感知結(jié)果采用硬合并的方式匯報(bào)給融合中心，融合中心再通過K秩準(zhǔn)則（K-out-of-N準(zhǔn)則）做出全局判決，同時(shí)，重點(diǎn)考慮了CSS中的能效問題，詳細(xì)推導(dǎo)了所提策略的能效表達(dá)式，并以能效作為目標(biāo)函數(shù)，以協(xié)作頻譜感知安全檢測概率和安全虛警概率作為約束條件，通過構(gòu)造和求解該優(yōu)化問題，得到能效最優(yōu)時(shí)安全協(xié)作頻譜感知最佳認(rèn)知用戶數(shù)和最佳門限，實(shí)現(xiàn)存在PUEA攻擊時(shí)保障能量有效性的安全頻譜檢測。

2 協(xié)作頻譜感知中PUEA系統(tǒng)模型

假設(shè) CRN包含N個(gè)試圖以交叉頻譜共享方式訪問授權(quán)頻段的認(rèn)知用戶（SU）。為了避免與主用戶（PU）發(fā)生沖突，每個(gè)SU在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)感知目標(biāo)頻段，并判斷 PU是否正在使用該頻段，SU將本地感知結(jié)果報(bào)告給融合中心，融合中心通過特定的數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則對授權(quán)頻段使用情況進(jìn)行全局檢測。與此同時(shí)，PUEA也通過發(fā)射PUE信號偽造PU信息特征以欺騙SU，使得各SU認(rèn)為PU正在使用該授權(quán)頻段，則SU進(jìn)行頻譜切換，PUEA以此獲得了授權(quán)頻譜的使用權(quán)。因此，SU對PU信號與PUE信號進(jìn)行正確判決是防御PUEA攻擊的關(guān)鍵問題[5,7,13]。

CRN協(xié)作頻譜感知中發(fā)生PUEA攻擊的場景如圖1所示。

圖1 CRN協(xié)作頻譜感知中發(fā)生PUEA攻擊的場景

CRN常用的頻譜感知技術(shù)有能量檢測、匹配濾波器檢測和循環(huán)平穩(wěn)特征檢測[1,2]。本文中 SU采用能量檢測來判斷 PU是否存在。由于存在PUEA，在第i（1iM≤≤ ）個(gè)時(shí)隙，第j（1jN≤≤ ）個(gè)SU接收到的信號可以表示為[5]：

其中， H0表示不存在PU， H1表示存在PU。xp,j(i)是PU的發(fā)送信號，服從均值為0、方差為1的獨(dú)立同分布高斯隨機(jī)變量，功率為PP。 xm,j(i)是PUEA的發(fā)送信號，由于PUEA模仿PU信號特征進(jìn)行攻擊，因此 xm,j(i)也服從均值為 0、方差為 1的高斯隨機(jī)變量，功率為Pm。hp,j表示從PU到第j個(gè)SU的信道增益， hm,j表示從PUEA到第j個(gè)SU的信道增益。假設(shè)所有的鏈路均為平坦塊衰落，即hp,j和 hm,j在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)為常數(shù)。 wj( i)是第i個(gè)SU鏈路的加性高斯白噪聲，其均值為0、方差為σw2。第j個(gè)SU的接收信噪比可以表示為

其中，σ02和 σ12分別為 Yj在 H0和 H1兩種情況下的方差（功率），分別為：

考慮存在 PUEA攻擊時(shí)的協(xié)作頻譜感知，第 j個(gè) SU進(jìn)行本地頻譜檢測的虛警概率fP和檢測概率dP分別定義為：

其中，λ是檢測閾值。

在Rayleigh（瑞利）衰落信道下，第j個(gè)SU進(jìn)行本地頻譜檢測的虛警概率fP和檢測概率dP分別為[2,7]：

各 SU對頻譜狀態(tài)做出一個(gè)二元判決。如果Yj> λ，則 dj=1表示該頻譜正在被PU使用；如果 Yj< λ，則 dj= 0表示該頻譜未被PU使用[1,2,7]。二元判決可表示為：

各 SU本地判決報(bào)告給協(xié)作頻譜檢測數(shù)據(jù)融合中心。融合中心通過特定的融合準(zhǔn)則進(jìn)行最后判決。本文使用K秩準(zhǔn)則（K-out-of-N準(zhǔn)則）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，其中K是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的門限閾值，表示檢測到正在使用授權(quán)頻段的SU個(gè)數(shù)（1K N≤ ≤ ）。K秩數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則可以表示為：如果融合中心接收到本地檢測報(bào)告為1的SU個(gè)數(shù)小于K，則判決該頻譜未被PU使用；反之，則判決該頻譜被PU占用。

本文同時(shí)考慮各認(rèn)知用戶向融合中心進(jìn)行報(bào)告的過程中也存在差錯(cuò)，報(bào)告階段的差錯(cuò)率記為eP，則SU本地檢測概率和虛警概率可以修正為[7]：

融合中心進(jìn)行判決的全局虛警概率fQ和全局檢測概率dQ[5,7,14]分別表示為：

3 PUEA防御策略的能量有效性分析

CRN頻譜感知階段的能量有效性（μ）定義為平均吞吐量（單位為bit）和平均能耗（單位為J）的比值。平均吞吐量定義為成功傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，平均能耗是指在協(xié)作頻譜本地感知和報(bào)告階段數(shù)據(jù)傳輸中消耗的平均能量。平均吞吐量[14]可以表示為：

其中， P0為該頻段未被授權(quán)用戶使用的概率。R是數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為bit/s。T是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，單位為s。 1 ? Qf表示成功傳輸數(shù)據(jù)的概率。

N個(gè)SU的平均感知能耗可以表示為：

其中， es表示 SU在協(xié)作頻譜感知階段的能耗，et為數(shù)據(jù)傳輸能耗。只有當(dāng)SU檢測到頻譜空閑時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此頻譜空閑的概率 Punused可表示為：

PUEA防御策略能效μ的計(jì)算式為：

以最大化PUEA防御策略的能效式（12）作為目標(biāo)函數(shù)，在全局檢測概率與全局虛警概率式（8）的約束條件下，構(gòu)造優(yōu)化問題：

通過對式（13）求導(dǎo)，使其等于0，可以求得K值，即：

Qf和 Qd的偏導(dǎo)數(shù)形式可表示為：

將式（15）代入式（14），并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以得到能效最大時(shí)的K值，表示為：

因此，對于給定的N值和虛警概率，檢測概率會隨著K的增加而減小，滿足約束條件使能效最大的最優(yōu)K值可以表示為：

其中，2K約為：

4 仿真與性能分析

本節(jié)給出所提PUEA防御策略及其能效優(yōu)化問題的仿真與性能分析。考慮存在單個(gè)PUEA時(shí)的防御策略。假設(shè)感知信道與報(bào)告信道均為獨(dú)立同分布。在一個(gè)檢測時(shí)隙內(nèi)的采樣數(shù) M=3[5]。仿真參數(shù)設(shè)置見表1[5,7]。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖2給出了存在PUEA時(shí)融合中心采用硬融合準(zhǔn)則進(jìn)行協(xié)作頻譜感知全局檢測的接收機(jī)特性曲線（ROC）[14,15]。設(shè)定信噪比為0 dB，PU和PUEA的發(fā)送功率均為 Pp= Pm=1。由圖2可知，若存在PUEA，當(dāng)虛警概率一定時(shí)，單SU的檢測概率大幅下降。采用K秩準(zhǔn)則的安全協(xié)作頻譜感知檢測性能較單SU檢測性能得到大幅提升，甚至優(yōu)于不存在PUEA時(shí)的單SU檢測性能。采用K秩融合準(zhǔn)則，當(dāng)SU用戶數(shù)一定時(shí)，門限閾值K對檢測性能具有較大的影響。當(dāng)虛警概率一定時(shí)，門限閾值K越小，全局檢測性能越好。究其原因，K越小，K秩融合二元判決準(zhǔn)則趨近于或融合準(zhǔn)則，全局檢測性能得到提高。

圖2 存在PUEA時(shí)融合中心采用硬融合準(zhǔn)則進(jìn)行協(xié)作頻譜感知全局檢測的接收機(jī)特性曲線

圖3給出了不同門限閾值與SU節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下所提PUEA防御策略能效。設(shè)定信噪比為0 dB，約束條件為 Qd≥0 .8且 Qf≤0 .2。由圖3可知，當(dāng)SU節(jié)點(diǎn)數(shù) N= 4，融合門限閾值 K= 2時(shí)，所提策略可以獲得最大能效，約為 7.9× 104bit/J 。同時(shí)，達(dá)到最大能效的門限閾值K隨著協(xié)作感知節(jié)點(diǎn)數(shù) N的增加而增加。參與協(xié)作感知的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，其可達(dá)最高能效值越小。究其原因，參與協(xié)作的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，協(xié)作檢測感知階段和報(bào)告階段中的能耗越大，造成能效下降。因此需要探尋達(dá)到最大能效時(shí)的最佳協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)與融合門限閾值。

圖4給出了存在和不存在PUEA攻擊情況下，單SU、采用K秩融合準(zhǔn)則的協(xié)作感知、軟融合判決中最大比合并（maximum ratio combining，MRC）準(zhǔn)則協(xié)作感知的ROC性能，并分別對其進(jìn)行了性能分析。由圖4可知，在相同融合準(zhǔn)則下，不存在PUEA攻擊的ROC性能優(yōu)于存在PUEA攻擊的情況。根據(jù)圖3性能分析，當(dāng)存在PUEA攻擊時(shí)，達(dá)到最高能效時(shí)的最佳融合門限閾值 2K= ，SU節(jié)點(diǎn)數(shù) 4N= 。在相同虛警概率情況下，所提K秩準(zhǔn)則融合方案的PUEA防御策略檢測性能優(yōu)于MRC準(zhǔn)則融合方案。當(dāng)虛警概率大于0.02時(shí)，其檢測性能甚至優(yōu)于單SU不存在PUEA的情況。但是，在檢測概率增加的同時(shí)，虛警概率也隨之增加。因此，需要折中安全協(xié)作頻譜檢測ROC性能中兩者的關(guān)系，在提高檢測性能的同時(shí)，降低虛警概率。

圖3 不同門限閾值與SU節(jié)點(diǎn)數(shù)情況下所提PUEA防御策略能效

圖4 存在和不存在PUEA攻擊情況下，不同融合準(zhǔn)則的協(xié)作感知ROC性能

圖5給出了在攻擊用戶與PU不同發(fā)射功率比情況下，采用所提PUEA防御策略的協(xié)作頻譜檢測性能。其中，定義PUE發(fā)射功率與PU發(fā)射功率之比[15]為：

p值越大，表明PUE發(fā)射干擾功率越大。在仿真中，設(shè)定虛警概率門限f0.1P= ，各SU的信噪比門限相同。圖5給出了當(dāng)p值分別為0.1、1、10時(shí)，所提防御策略與軟融合判決MRC準(zhǔn)則的檢測性能比較。

圖5 所提PUEA防御策略與軟融合判決MRC準(zhǔn)則的檢測性能比較

由圖5可知，兩種方案的檢測性能隨著信噪比的增加顯著增加。當(dāng)p值分別取0.1、1、10時(shí)，隨著PUE發(fā)射功率的增加，檢測性能顯著下降。此時(shí)，PUE干擾功率在授權(quán)頻段中占主導(dǎo)地位，全局檢測性能顯著下降。通過對比發(fā)現(xiàn)，在高 SNR情況下，所提K秩準(zhǔn)則PUEA防御策略的檢測性能較MRC準(zhǔn)則顯著提高，且檢測性能與p值幾乎無關(guān)，即PUE干擾功率對所提防御策略幾乎無影響，有效保障了PUEA攻擊時(shí)協(xié)作檢測的安全性，即所提PUEA防御策略具有較高的穩(wěn)健性。

5 結(jié)束語

本文研究了CRN協(xié)作頻譜感知中存在PUEA情況下保障能效和物理層安全的防御策略。通過構(gòu)造保障協(xié)作頻譜感知檢測性能的能效優(yōu)化問題，得到以 K秩融合判決準(zhǔn)則下的最佳判決門限閾值K和最佳認(rèn)知用戶數(shù)N以及能效最優(yōu)情況（融合門限閾值 2K= ，SU節(jié)點(diǎn)數(shù) 4N= ）時(shí)的ROC性能。通過與MRC軟融合準(zhǔn)則相比較，在相同虛警概率情況下，所提K秩準(zhǔn)則融合方案的PUEA防御策略安全檢測概率優(yōu)于MRC準(zhǔn)則融合方案。在高信噪比情況下，所提PUEA防御策略的檢測性能較MRC準(zhǔn)則顯著提高，且不受PUEA干擾功率的影響，有效保障了協(xié)作檢測的安全性。同時(shí)，所提PUEA防御策略折中了CRN能效與安全檢測性能。

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Design and performance analysis of energy efficiency based CR primary user emulation attack defensive scheme

WANG Yunchuan, XU Xiaorong, YAO Yingbiao, WU Weiwei
College of Telecommunication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

Energy efficiency based PUEA defensive scheme was investigated with performance analysis. In this scheme, CSS energy efficiency was constructed as the optimum objective in the presence of PUEA with secure detection probability and false alarm probability threshold as the constraint conditions. Secure CSS model and PUEA defensive scheme were proposed to achieve energy efficiency based secure CSS. K-out-of-N criterion is set as global decision criterion in the scheme. Optimal fusion threshold K and optimal cooperative SUs N can be determined in secure CSS with the guarantee of energy efficiency. Compared with the traditional maximum ratio combining (MRC) fusion rule, the proposed PUEA defensive scheme not only guarantees system energy efficiency, but also improves system detection performance. Namely, the proposed scheme makes a trade-off between energy efficiency and detection performance in the presence of PUEA. The numerical simulation results show that the proposed strategy is not affected by the PUE interference power, and it has a high degree of persistence for PUEA attack.

cognitive radio network, primary user emulation attack, defensive scheme, energy efficiency, detection performance

s: Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (No. LY15F010008), Graduate Scientific Research Foundation of Hangzhou Dianzi University in 2016 (No.CXJJ2016035), Young Talent Cultivation Project of Zhejiang Association for Science and Technology (No.2016YCGC009)

TP393

A

10.3969/j.issn.1000?0801.2017116

王云川（1993?），男，杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的物理層安全策略等。

許曉榮（1982?），男，博士，杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配與資源共享等。

姚英彪（1976?），男，博士，杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)的能量有效性與無線資源管理等。

伍偉偉（1992?），男，杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的資源分配等。

2017?02?28；

2017?04?25

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.LY15F010008）；杭州電子科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（No.CXJJ2016035）；浙江省科協(xié)青年科技人才培育工程資助項(xiàng)目（No.2016YCGC009）