模擬主用戶攻擊下協(xié)作頻譜感知最佳融合準(zhǔn)則

李 莎，戴建新，程崇虎，汪 鵬，王 軍

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

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作頻譜感知技術(shù)利用多個(gè)認(rèn)知用戶的本地感知，克服了多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等問(wèn)題的制約，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。認(rèn)知無(wú)線電提出的動(dòng)態(tài)頻譜接入方法在有效解決頻譜稀缺問(wèn)題的同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)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(hào)來(lái)欺騙次級(jí)用戶，從而阻止次級(jí)用戶訪問(wèn)空閑頻段。考慮一個(gè)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(shí)發(fā)送偽造信號(hào)；在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了基于能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知檢測(cè)概率，并進(jìn)一步對(duì)融合準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到了總誤差概率最小時(shí)的最佳融合準(zhǔn)則；對(duì)PUEA存在情況下基于能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知的最佳融合準(zhǔn)則進(jìn)行了仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證了推導(dǎo)結(jié)果。

認(rèn)知無(wú)線電；協(xié)作頻譜感知；主用戶模擬攻擊；最佳融合準(zhǔn)則

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)快速發(fā)展，3G網(wǎng)絡(luò)已全面普及，4G也已經(jīng)開始投入應(yīng)用。而用戶日益增長(zhǎng)的無(wú)線通信需求與有線的無(wú)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(wú)線通信技術(shù)研究者面前的問(wèn)題[1-2]。認(rèn)知無(wú)線電(CR)通過(guò)動(dòng)態(tài)訪問(wèn)空閑頻段來(lái)提高頻譜效率的方法已被廣泛研究[3]。在CR的術(shù)語(yǔ)中，授權(quán)的用戶稱為主用戶(PU)，未授權(quán)的用戶稱為次級(jí)用戶(SU)或CR用戶。當(dāng)無(wú)線電環(huán)境中不存在主用戶時(shí)，次級(jí)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(wù)[4-5]。

在CR網(wǎng)絡(luò)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(gè)次級(jí)用戶使用某些檢測(cè)方法獨(dú)立進(jìn)行頻譜感知，然后將他們的本地感知結(jié)果報(bào)告給融合中心，最后由融合中心做出判決[7]。文獻(xiàn)[8]介紹了在虛警概率不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化CR數(shù)目來(lái)達(dá)到最好的檢測(cè)性能。文獻(xiàn)[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(wèn)題。文獻(xiàn)[10]探討了能量閾值、感知時(shí)間和決策融合規(guī)則的共同優(yōu)化問(wèn)題。

CR網(wǎng)絡(luò)的這種動(dòng)態(tài)訪問(wèn)方式可能會(huì)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(gè)威脅，這種攻擊是指當(dāng)某頻段不存在主用戶時(shí)，惡意用戶發(fā)送與主用戶相同的信號(hào)，使次級(jí)用戶騰出該頻段[11]。文獻(xiàn)[8-10]均是在不存在主用戶模擬攻擊的理想環(huán)境下進(jìn)行的討論，都沒有考慮PUEA對(duì)系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[12]提出一個(gè)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(xiàn)[13]只討論了PUEA存在概率與檢測(cè)性能的關(guān)系，沒有考慮與感知時(shí)間和CR數(shù)目等因素的關(guān)系。

假設(shè)PUEA進(jìn)行頻譜感知，當(dāng)感知到PU不存在時(shí)發(fā)送假信號(hào)。嘗試通過(guò)這個(gè)高效可行的方法優(yōu)化檢測(cè)性能，且在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了基于能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知檢測(cè)概率，并進(jìn)一步對(duì)融合準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到了總誤差概率最小時(shí)的最佳融合準(zhǔn)則；對(duì)已知PUEA存在時(shí)基于能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)的融合準(zhǔn)則進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)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(gè)PU，共存于一個(gè)認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)的N個(gè)CR以及一個(gè)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(luò)。

圖1 CR網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型

圖1中，每個(gè)次級(jí)用戶獨(dú)立執(zhí)行周期性的本地頻譜感知，然后發(fā)送一個(gè)二進(jìn)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(gè)頻段內(nèi)是否存在主用戶。認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中的次級(jí)用戶運(yùn)用能量檢測(cè)進(jìn)行本地頻譜感知，以及使用K/N融合準(zhǔn)則進(jìn)行判決。

根據(jù)PU和PUEA的存在與否(其中PUEA只在PU不存在時(shí)才發(fā)送假信號(hào))，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(shí)，PUEA會(huì)發(fā)送假信號(hào)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(cè)概率(Pd)和虛警概率(Pf)來(lái)評(píng)估CR頻譜感知的性能[14]。則第i個(gè)CR本地頻譜感知的檢測(cè)概率和虛警概率為：

(1)

(2)

其中，D1表示第i個(gè)CR判決PU信號(hào)存在。

能量檢測(cè)是整合感知時(shí)間τ內(nèi)在帶寬fs/2處接收到的信號(hào)，然后傳感器將收集的能量Ei與預(yù)設(shè)閾值ε做比較來(lái)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(cè)概率和虛警概率的定義為：

(3)

(4)

如前所述，當(dāng)不存在PU時(shí)，CR用戶將接收到PUEA發(fā)送的信號(hào)。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(shí)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(cè)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(jìn)行CCS時(shí)，每個(gè)CR將本地判決結(jié)果發(fā)送到FC，然后給出一個(gè)PU是否存在的全面判決結(jié)果。FC應(yīng)用了很多融合準(zhǔn)則，例如OR準(zhǔn)則、AND準(zhǔn)則和K/N準(zhǔn)則。

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

其實(shí)OR準(zhǔn)則和AND準(zhǔn)則是K/N準(zhǔn)則的特例，當(dāng)K等于1時(shí)是OR準(zhǔn)則,而K等于N時(shí)是AND準(zhǔn)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(wú)關(guān)，從而可以表示為Pf和Pd，則Pm=1-Pd。

K/N準(zhǔn)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(zhǔn)則的優(yōu)化

以總誤差概率Qf+Qm最小化為目標(biāo)，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(zhǔn)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(shí)，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(zhǔn)則。圖2直觀顯示了在檢測(cè)閾值不固定的情況下總錯(cuò)誤率Qf+Qm與K最優(yōu)值的關(guān)系。設(shè)定該認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)共有10個(gè)CR用戶。由圖可以看出，K最優(yōu)值從1到10，總錯(cuò)誤率先下降后上升，在K=5時(shí)，總錯(cuò)誤率最小。

圖2 總錯(cuò)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(cè)閾值的關(guān)系。由圖3看出，當(dāng)給定一個(gè)固定的很小的檢測(cè)閾值時(shí)，則K=10，即AND準(zhǔn)則是最優(yōu)的；而當(dāng)給定一個(gè)固定的很大的檢測(cè)閾值時(shí)，則K=1，即OR準(zhǔn)則是最優(yōu)的。

圖3 K最優(yōu)值隨檢測(cè)閾值變化的曲線(N=10)

6 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎng)景。PUEA能夠進(jìn)行頻譜感知和有計(jì)劃的發(fā)送信號(hào)。在主用戶不存在的情況下，攻擊者模擬主用戶信號(hào)隨機(jī)發(fā)送。考慮PUEA的存在能有效提高系統(tǒng)性能。推導(dǎo)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(shí)的最佳融合準(zhǔn)則，并對(duì)已知PUEA存在時(shí)基于能量檢測(cè)的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)的融合準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化分析和仿真。仿真結(jié)果表明，檢測(cè)閾值不一定時(shí)，使總誤差率最小的最優(yōu)判決融合準(zhǔn)則是半數(shù)判決準(zhǔn)則；當(dāng)閾值一定且很小時(shí)，AND準(zhǔn)則最優(yōu)，而閾值一定又很大時(shí)，則OR準(zhǔn)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(shí)間：2017-03-07

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

李 莎(1989-)，女，碩士，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無(wú)線電頻譜感知;戴建新，副教授，研究方向?yàn)?G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);程崇虎，教授，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)。

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