本發(fā)明涉及頻譜感知技術(shù)，具體涉及一種多節(jié)點(diǎn)協(xié)作干擾及安全頻譜感知方法。

背景技術(shù)：

在頻譜感知中,惡意用戶的存在嚴(yán)重影響到認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的工作效率。這類(lèi)惡意攻擊可以分為兩類(lèi)：感知鏈路干擾，以及協(xié)作感知干擾。在對(duì)感知鏈路干擾的研究中，假冒主用戶攻擊(Primary User Emulation Attack，PUEA)是一種典型的干擾方式，其通過(guò)模擬主用戶(Primary User，PU)信號(hào)的特征，發(fā)送與PU信號(hào)相似的信號(hào)以迷惑附近的二級(jí)用戶(Secondary User，SU)。協(xié)作感知干擾以頻譜感知數(shù)據(jù)篡改攻擊(Spectrum Sensing Data Falsification，SSDF)為代表，其通過(guò)將篡改后的感知結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)融合中心(Fusion Center，F(xiàn)C)。這兩種攻擊者的存在最終都會(huì)使得FC對(duì)PU的狀態(tài)做出錯(cuò)誤的判斷，從而擾亂感知網(wǎng)絡(luò)正常的運(yùn)行，降低認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

在對(duì)惡意干擾的現(xiàn)有的研究中，大量的抗干擾模型只考慮單一類(lèi)型惡意用戶的干擾，即感知鏈路干擾或者協(xié)作感知干擾。在這種單一干擾模型的假設(shè)下下，目前許多相應(yīng)的抗干擾方法運(yùn)作良好。然而，在一個(gè)實(shí)際的感知網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者可以通過(guò)協(xié)作來(lái)實(shí)行干擾，實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化，例如PUEA與SSDF這兩種類(lèi)型的攻擊者可以通過(guò)相互協(xié)作，最大化干擾效率。在這樣的協(xié)作干擾模式下，現(xiàn)有的大量的抗干擾方法的性能將會(huì)大大降低，尤其是基于信任度的抗干擾算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對(duì)感知網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者之間可以通過(guò)相互通信，實(shí)行協(xié)作干擾的情況，提出了一種多節(jié)點(diǎn)協(xié)作干擾，為進(jìn)一步提高下一代動(dòng)態(tài)頻譜接入的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性提供了更真實(shí)的仿真與驗(yàn)證環(huán)境。并提出了針對(duì)協(xié)作干擾的安全頻譜感知方法。

從整體上來(lái)說(shuō)：PUEA通過(guò)發(fā)射PUE信號(hào)(模擬主用戶信號(hào))以迷惑誠(chéng)實(shí)SU，使得被迷惑的SU發(fā)送不可靠的感知結(jié)果給FC，導(dǎo)致FC對(duì)PU的狀態(tài)做出錯(cuò)誤的判定，最終使得感知網(wǎng)絡(luò)的整體性能下降。在感知網(wǎng)絡(luò)的整體性能下降的環(huán)境下，SSDF可以更好地進(jìn)行攻擊，并且不易被感知網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，從而隱藏自己。通過(guò)這樣的協(xié)作方式，在實(shí)現(xiàn)攻擊目的的同時(shí)，PUEA可以減少其攻擊時(shí)間，從而減小其被感知網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到的可能，SSDF在PUEA的幫助下也能更好地隱藏自己的身份，不被感知網(wǎng)絡(luò)識(shí)別。即本發(fā)明的一種多節(jié)點(diǎn)協(xié)作干擾方法，包括下列步驟：

步驟1：設(shè)置相互通信的第一攻擊端和第二攻擊端，其中第一攻擊端的攻擊方式為假冒主用戶攻擊PUEA，且第一攻擊端能對(duì)主用戶PU狀態(tài)進(jìn)行感知；第二攻擊端的攻擊方式為頻譜感知數(shù)據(jù)篡改攻擊SSDF；

干擾初始階段，第二攻擊端向數(shù)據(jù)融合中心FC發(fā)送真實(shí)感知結(jié)果，接收FC的反饋結(jié)果并發(fā)送給第一攻擊端；

步驟2：第一攻擊端將對(duì)PU狀態(tài)的本地感知結(jié)果與接收的反饋結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，獲取感知網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前感知環(huán)境，包括虛警概率P_f與檢測(cè)概率P_d；

步驟3：第一攻擊端基于當(dāng)前感知環(huán)境選擇實(shí)現(xiàn)干擾目的最優(yōu)干擾策略并通知第二攻擊端：

根據(jù)公式R^π(s,a)＝f(P_r,f,P_r,d,P_A,f,P_A,d,P_M,f,P_M,d)，計(jì)算在當(dāng)前感知環(huán)境的狀態(tài)s下的不同干擾策略π的回報(bào)值R^π(s,a)，其中干擾策略π表示在當(dāng)前感知環(huán)境的狀態(tài)s下，采用不同的干擾方式a，狀態(tài)s包括四種狀態(tài)：P_d≤0.5且P_f≥0.5、P_d＜0.5且P_f＜0.5、P_d＞0.5且P_f＜0.5、P_d＞0.5且P_f＞0.5；干擾方式a包括三種方式：沉默不干擾、SSDF方式、PUEA與SSDF協(xié)作方式；

P_r,f、P_r,d表示干擾后的期望虛警概率與檢測(cè)概率，即干擾目標(biāo)；P_A,f、P_A,d表示執(zhí)行干擾后的虛警概率與檢測(cè)概率，在選擇最優(yōu)干擾策略時(shí)，P_A,f、P_A,d為經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值；P_m,f、P_m,d表示干擾前的虛警概率與檢測(cè)概率，在選擇最優(yōu)干擾策略時(shí)，P_m,f、P_m,d對(duì)應(yīng)第一攻擊端獲取的P_f與P_d；

函數(shù)其中|a|、|b|表示感知環(huán)境變化分量的模值，變化角度

判斷是否存在干擾策略π的回報(bào)、代價(jià)調(diào)整參數(shù)，若是，則基于調(diào)整參數(shù)分別對(duì)回報(bào)值R^π(s,a)、代價(jià)值C^π(s,a)進(jìn)行調(diào)整處理后，選擇R^π(s,a)與C^π(s,a)的差最大的干擾方式作為當(dāng)前最優(yōu)干擾策略，其中C^π(s,a)的初始值為預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)值；否則，直接選擇R^π(s,a)與C^π(s,a)的差最大的干擾方式作為當(dāng)前最優(yōu)干擾策略；

步驟4：第一攻擊端、第二攻擊端基于步驟3選擇的最優(yōu)干擾策略進(jìn)行干擾；

步驟5：第二攻擊端實(shí)時(shí)將從FC接收的反饋結(jié)果發(fā)送給第一攻擊端，第一攻擊端將對(duì)PU狀態(tài)的本地感知結(jié)果與接收的反饋結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，獲取感知網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前感知環(huán)境，包括虛警概率與檢測(cè)概率，將其作為干擾后的虛警概率P_A,f與檢測(cè)概率P_A,d；

并根據(jù)f(P_r,f,P_r,d,P_A,f,P_A,d,P_M,f,P_M,d)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前最優(yōu)干擾策略下的回報(bào)R^π(s,a)，若R^π(s,a)大于C^π(s,a)，則干擾成功，并基于當(dāng)前最優(yōu)干擾策略下的回報(bào)R^π(s,a)設(shè)置干擾策略π的回報(bào)調(diào)整參數(shù)、代價(jià)調(diào)整參數(shù)后，等待下一干擾目的繼續(xù)執(zhí)行步驟3；否則，干擾失敗，并基于當(dāng)前最優(yōu)干擾策略下的回報(bào)R^π(s,a)設(shè)置干擾策略π的回報(bào)調(diào)整參數(shù)、代價(jià)調(diào)整參數(shù)后，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。

在當(dāng)前大量的抗干擾模型只考慮單一類(lèi)型惡意用戶的干擾，即PUEA或SSDF方式，而本發(fā)明基于PUEA與SSDF的協(xié)作，針對(duì)感知網(wǎng)絡(luò)的不同狀態(tài)而采取不同的干擾方式，為進(jìn)一步提高下一代動(dòng)態(tài)頻譜接入的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性提供了更真實(shí)的仿真與驗(yàn)證環(huán)境。

進(jìn)一步的，PUEA與SSDF協(xié)作方式具體為：第一攻擊端執(zhí)行PUEA干擾，第二攻擊端執(zhí)行SSDF干擾，其中第一攻擊端的干擾用于使得第二攻擊端進(jìn)入FC的合并狀態(tài)(例如通過(guò)判斷第一攻端的本地感知結(jié)果與接收的反饋結(jié)果接近的程度，來(lái)判斷其是否進(jìn)入FC的合并狀態(tài)。如當(dāng)兩者的差在小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則認(rèn)為其滿足一致，即第二攻擊端進(jìn)入FC的合并狀態(tài))；當(dāng)檢測(cè)到第二攻擊端進(jìn)入FC的合并狀態(tài)后，第一攻擊端停止干擾。

協(xié)作可以使得干擾成功的概率增加，且被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)減小。當(dāng)感知網(wǎng)絡(luò)的性能處于不合理范圍時(shí)，PUEA的干擾可以加快SSDF信任值的相對(duì)增長(zhǎng)速度，從而加快惡意用戶實(shí)現(xiàn)干擾的目的。

同時(shí)，本發(fā)明還公開(kāi)了能用于上述干擾方法的安全頻譜感知方法，即能抗協(xié)作干擾的安全頻譜感知方法，包括下列步驟：

步驟1：為感知網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)二級(jí)用戶SU設(shè)置身份標(biāo)識(shí)值并初始化，將身份標(biāo)識(shí)值大于預(yù)設(shè)閾值Thr的SU定義為信任用戶；

步驟2：信號(hào)能量檢測(cè)值

在當(dāng)前感知時(shí)隙t內(nèi)，各SU對(duì)感知網(wǎng)絡(luò)中是否存在PU信號(hào)進(jìn)行本地感知，計(jì)算感知時(shí)隙t的信號(hào)能量檢測(cè)值(對(duì)數(shù)似然比)：其中下標(biāo)“i”用于標(biāo)識(shí)不同的SU，u_i(t)表示第i個(gè)SU在感知時(shí)隙t感知到的累積信號(hào)能量，H₁表示PU信號(hào)存在、H₀表示PU信號(hào)不存在；

各SU將本地感知的信號(hào)能量檢測(cè)值Γ_i(t)發(fā)送給數(shù)據(jù)融合中心FC，F(xiàn)C為每個(gè)信任用戶分配一個(gè)d維向量X_i(t)，用來(lái)存儲(chǔ)d(包括當(dāng)前感知時(shí)隙在內(nèi)，d的具體取值為經(jīng)驗(yàn)值)個(gè)歷史感知數(shù)據(jù)，即X_i(t)＝(Γ_i(t-d+1),Γ_i(t-d+2),...,Γ_i(t))；FC將感知時(shí)隙t內(nèi)的所有信任用戶的歷史感知數(shù)據(jù)構(gòu)成聚類(lèi)處理的數(shù)據(jù)輸入其中N_T表示信任用戶數(shù)；

對(duì)X(t)進(jìn)行聚類(lèi)分類(lèi)，得到K個(gè)類(lèi)別，查找K個(gè)類(lèi)別中，信號(hào)能量檢測(cè)量值的均值最小類(lèi)別記為G_T，其它K-1個(gè)類(lèi)別記為G_A；

基于當(dāng)前感知時(shí)隙t內(nèi)各SU的身份標(biāo)識(shí)值s_i(t)，將s_i(k)＞η_a且不屬于G_A中的SU標(biāo)記為可靠狀態(tài)；η_b≤s_i(k)≤η_a的SU標(biāo)記為等待狀態(tài)；

基于可靠狀態(tài)的SU在當(dāng)前感知時(shí)隙t內(nèi)的信號(hào)能量檢測(cè)值得到當(dāng)前感知時(shí)隙的總感知結(jié)果D(t)：若可靠狀態(tài)的SU的信號(hào)能量檢測(cè)值的加權(quán)和大于或等于預(yù)設(shè)閾值λ，則D(t)＝1；否則D(t)＝0；

步驟3：在下一個(gè)感知時(shí)隙t+1內(nèi)，更新上一個(gè)感知時(shí)隙中被標(biāo)記為可靠狀態(tài)和等待狀態(tài)的SU的身份標(biāo)識(shí)值后繼續(xù)執(zhí)行步驟2；

感知時(shí)隙t+1內(nèi)各SU的身份標(biāo)識(shí)值其中D(t)表示感知時(shí)隙t的總感知結(jié)果，D_i(t)表示第i個(gè)SU在感知時(shí)隙t的感知結(jié)果：若Γ_i(t)大于或等于預(yù)設(shè)閾值λ_i，則D_i(t)＝1；否則D_i(t)＝0。

本發(fā)明通過(guò)使用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)的思想識(shí)別被PUEA干擾的信任用戶，并將其排除在合作感知之外。正因?yàn)椴捎昧诉@種方法才保證了信任節(jié)點(diǎn)的合作感知性能處于合理的范圍內(nèi)，這樣能夠更近一步的隔離出SSDF。本方案在PUEA以及SSDF共存的綜合、復(fù)雜的感知環(huán)境中，能夠同時(shí)降低甚至消除PUEA與SSDF的影響，使得整個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)保持較好的感知性能。同時(shí)，即使分別改變PUEA的干擾行為，即以不同的概率發(fā)動(dòng)干擾，本方案也能將認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的感知性能維持在合理狀態(tài)。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：為進(jìn)一步提高下一代動(dòng)態(tài)頻譜接入的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性提供了更真實(shí)的仿真與驗(yàn)證環(huán)境。同時(shí)提出了一種能適應(yīng)于PUEA與SSDF協(xié)作干擾的安全頻譜感知方法。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

根據(jù)當(dāng)前感知環(huán)境的虛警概率P_f與檢測(cè)概率P_d的值，將感知環(huán)境分為4種狀態(tài)，即狀態(tài)集S＝{s_i|i＝0,1,2,3}，其中s₁表示P_d≤0.5且P_f≥0.5，s₂表示P_d＜0.5且P_f＜0.5，表示P_d＞0.5且P_f＜0.5，P_d＞0.5且P_f＞0.5。干擾方式a包括三種方式：沉默不干擾a₀、SSDF方式a₁、PUEA與SSDF協(xié)作方式a₂。

設(shè)置相互通信的兩個(gè)惡意用戶，PUEA節(jié)點(diǎn)(PUEA干擾方式)和SSDF節(jié)點(diǎn)(SSDF干擾方式)，且PUEA節(jié)點(diǎn)還能對(duì)主用戶PU狀態(tài)進(jìn)行感知，基于本地感知結(jié)果和SSDF節(jié)點(diǎn)發(fā)送的來(lái)自FC的反饋結(jié)果學(xué)習(xí)到感知網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前感知環(huán)境，如虛警概率P_f與檢測(cè)概率P_d。

基于當(dāng)前學(xué)習(xí)到的感知環(huán)境、干擾目的，基于查找差值最大的干擾策略π作為最優(yōu)干擾策略π^*。

執(zhí)行最優(yōu)干擾策略π^*并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，即將當(dāng)前學(xué)習(xí)到的感知環(huán)境中的虛警概率和檢測(cè)概率作為干擾后的執(zhí)行干擾后的虛警概率與檢測(cè)概率，重新計(jì)算對(duì)應(yīng)的R^π(s,a)并進(jìn)行干擾結(jié)果的評(píng)估，如通過(guò)評(píng)估函數(shù)值采用下述方式計(jì)算：其中，1表示干擾成功，-1表示干擾失敗或者已經(jīng)暴露。同時(shí)，更新回報(bào)函數(shù)的值以及代價(jià)函數(shù)，用于下次選擇干擾策略時(shí)作參考，即其中，表示下次選擇干擾策略時(shí)，在選擇階段根據(jù)R^π(s,a)＝f(P_r,f,P_r,d,P_A,f,P_A,d,P_M,f,P_M,d)計(jì)算得到的值，對(duì)應(yīng)預(yù)設(shè)的初始值。δ是折扣因子，預(yù)設(shè)經(jīng)驗(yàn)值，通?？稍O(shè)置其取值范圍為0～1。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書(shū)中所公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的替代特征加以替換；所公開(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。