協(xié)作頻譜感知安全問題研究

◆劉東生 韓肅霜

協(xié)作頻譜感知安全問題研究

◆劉東生1韓肅霜2

（1.中國人民解放軍91977部隊 北京 100036；2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部 山東 266000）

針對認知無線電網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作頻譜感知中安全問題，分析了模擬“主用戶”PUE和篡改感知數(shù)據(jù)SSDF兩種攻擊方式，重點研究了SSDF攻擊下的協(xié)作頻譜感知安全方案。在比較現(xiàn)有抗SSDF攻擊方案協(xié)作感知性能的基礎(chǔ)上，提出了基于四門限決策的改進型WSPRT。結(jié)果表明，改進型WSPRT方案相比于傳統(tǒng)方案，具有更好的協(xié)作感知性能。

認知無線電；協(xié)作頻譜感知；篡改感知數(shù)據(jù)

認知無線電（Cognitive Radio，CR）技術(shù)為解決頻譜短缺問題指明了一個研究方向，頻譜感知作為實現(xiàn)CR技術(shù)的先決條件，面臨的安全威脅概括為兩個方面：模擬“主用戶”（Primary User Emulation，PUE）攻擊和篡改感知數(shù)據(jù)（Spectrum Sensing Data Falsification，SSDF）攻擊[1]。

在PUE攻擊中，非法用戶通過模仿“主用戶”信號特征發(fā)送CR信號，導(dǎo)致合法的認知用戶在對“主用戶”信號進行檢測時產(chǎn)生誤判，對頻譜感知過程造成嚴重干擾，會顯著降低合法用戶的可用頻譜資源。PUE攻擊又分為自私攻擊和惡意攻擊兩種形式。自私攻擊是指非法用戶先檢測發(fā)現(xiàn)空閑頻譜，再偽裝成“主用戶”發(fā)射其特征信號，達到阻止其他次用戶競爭該頻段的目的，最后實現(xiàn)獨享該頻譜資源。惡意攻擊則是非法用戶在多個頻段上以輪詢方式發(fā)動PUE攻擊，嚴重阻塞信道的頻譜接入，造成拒絕服務(wù)，甚至迫使CR網(wǎng)絡(luò)癱瘓。通常來說，由于“主用戶”發(fā)射機的發(fā)射功率遠遠大于次用戶發(fā)射機，目前針對該攻擊的解決方案相對成熟[2]。

相比于對抗PUE攻擊，抗SSDF攻擊更具難度。SSDF攻擊主要利用協(xié)作信息融合中心在處理協(xié)作信息時，無區(qū)別對待各個協(xié)作節(jié)點感知結(jié)果的特點，發(fā)送錯誤感知數(shù)據(jù)來誤導(dǎo)協(xié)作感知的最終判決，特別是非法用戶數(shù)量較多時，協(xié)作感知性能會受到嚴重影響。為此，文獻[1]通過引入序貫概率比檢驗和信任度加權(quán)方法，區(qū)分各個節(jié)點的感知結(jié)果，通過篩選將非法用戶從協(xié)作用戶中剔除，從而有效對抗SSDF攻擊。文獻[3]利用中位數(shù)不易受極端感知數(shù)據(jù)影響的特點，提出一種基于中位數(shù)算法的抗SSDF攻擊算法。文獻[4]結(jié)合雙門限能量檢測算法和“過零檢測算法”，提升了篩選可靠性，降低了虛警概率和錯誤感知概率。文獻[5]則提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的異常用戶檢測篩選算法。文獻[6]加權(quán)序貫概率比檢驗（Weighed Sequential Probability Ratio Test，WSPRT）算法則是根據(jù)先驗概率和置信度權(quán)值更新算法，對各個節(jié)點信任度進行加權(quán)，采用序貫檢測的方法不斷降低非法節(jié)點的權(quán)重值，區(qū)分出“非法”節(jié)點。文獻[7]提出一種改進型的加權(quán)序貫概率比檢驗（EWSPRT）方案，通過優(yōu)化權(quán)值更新策略進一步提高了檢測性能。

本文主要研究了Ad hoc CR網(wǎng)絡(luò)在SSDF攻擊下的分布式協(xié)作感知性能。系統(tǒng)性分析了SSDF攻擊下，OR、AND、Majority、似然比檢測LRT、WSPRT以及改進型WSPRT方案的協(xié)作頻譜感知性能，研究結(jié)果表明改進型WSPRT方案相比于傳統(tǒng)方案，具有更好的協(xié)作感知性能，可為協(xié)作頻譜感知安全問題的研究提供理論參考。

1 抗SSDF攻擊典型方案

2 改進WSPRT算法方案

表1 距離的具體算法（假設(shè)）

表2 距離的具體算法（假設(shè)）

3 實驗

3.1 實驗設(shè)計

圖1 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景圖

3.2 實驗結(jié)果分析

圖2所示，在OR和AND這兩個單一準則下CR網(wǎng)絡(luò)節(jié)點協(xié)作感知性能較差，錯誤檢測概率很高，尤其是OR原則，達到了80%的“錯檢率”，而采用復(fù)合原則的Majority、LRT以及WSPRT三個方案明顯優(yōu)于OR和AND方案，尤其是WSPRT方案，雖然隨著非法攻擊節(jié)點數(shù)量的增加，三種方案的協(xié)作感知性能均呈下降趨勢，但WSPRT方案因采用了“多次權(quán)值”更新策略，性能降低幅度最小。

圖2 SSDF攻擊下幾種協(xié)作方案的性能比較

調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可仿真分析Majority準則、LRT以及WSPRT三種方案的各自優(yōu)缺點和適用范圍。Majority準則在合法用戶占多數(shù)時，能有效對抗SSDF攻擊，但接收信噪比的降低對感知性能影響很大；LRT的檢測性能較好，即使在低信噪比下仍有較好的性能，但隨著非法用戶增多，性能下降明顯，此外，LRT算法需要處理傳輸范圍內(nèi)所有節(jié)點，數(shù)據(jù)開銷較大，感知時間較長。WSPRT通過置信度權(quán)值更新策略及時剔除非法用戶，非法用戶數(shù)量的增加對感知性能影響較小。

圖3 傳統(tǒng)WSPRT和改進WSPRT方案性能比較

進一步比較WSPRT方案和改進型WSPRT方案下的協(xié)作感知性能。由圖3可知，總體而言，改進型WSPRT方案的協(xié)作感知性能要優(yōu)于傳統(tǒng)WSPRT方案，錯誤檢測概率性能平均提升約35%，采用非線性算法更新權(quán)重值，能夠進一步提升新方案的協(xié)作感知性能，錯誤檢測概率性能平均提升約45%。

4 總結(jié)

本文主要研究了SSDF攻擊條件下的協(xié)作感知安全問題。分析了SSDF攻擊條件下，基于OR、AND、Majority、LRT以及WSPRT五種融合方案的協(xié)作感知性能，提出了基于四門限決策的改進型WSPRT，并對置信度權(quán)值的更新算法進行了顆粒度優(yōu)化，可以更有效的區(qū)分非法節(jié)點，抵抗SSDF攻擊。研究結(jié)果表明，改進型WSPRT方案可以快速剔除非法用戶，有效抵抗SSDF攻擊，相比與傳統(tǒng)WSPRT方案，具有更好的協(xié)作感知性能。

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