頻譜感知中一種多節點協作幹擾及安全頻譜感知方法與流程
2023-12-02 05:28:16 3
本發明涉及頻譜感知技術，具體涉及一種多節點協作幹擾及安全頻譜感知方法。
背景技術：
在頻譜感知中,惡意用戶的存在嚴重影響到認知無線電系統的工作效率。這類惡意攻擊可以分為兩類：感知鏈路幹擾，以及協作感知幹擾。在對感知鏈路幹擾的研究中，假冒主用戶攻擊(Primary User Emulation Attack，PUEA)是一種典型的幹擾方式，其通過模擬主用戶(Primary User，PU)信號的特徵，發送與PU信號相似的信號以迷惑附近的二級用戶(Secondary User，SU)。協作感知幹擾以頻譜感知數據篡改攻擊(Spectrum Sensing Data Falsification，SSDF)為代表，其通過將篡改後的感知結果發送給數據融合中心(Fusion Center，FC)。這兩種攻擊者的存在最終都會使得FC對PU的狀態做出錯誤的判斷，從而擾亂感知網絡正常的運行，降低認知無線電網絡的工作效率。
在對惡意幹擾的現有的研究中，大量的抗幹擾模型只考慮單一類型惡意用戶的幹擾，即感知鏈路幹擾或者協作感知幹擾。在這種單一幹擾模型的假設下下，目前許多相應的抗幹擾方法運作良好。然而，在一個實際的感知網絡中，攻擊者可以通過協作來實行幹擾，實現自身利益的最大化，例如PUEA與SSDF這兩種類型的攻擊者可以通過相互協作，最大化幹擾效率。在這樣的協作幹擾模式下，現有的大量的抗幹擾方法的性能將會大大降低，尤其是基於信任度的抗幹擾算法。
技術實現要素：
本發明的發明目的在於：針對感知網絡中，攻擊者之間可以通過相互通信，實行協作幹擾的情況，提出了一種多節點協作幹擾，為進一步提高下一代動態頻譜接入的無線通信網絡的可靠性提供了更真實的仿真與驗證環境。並提出了針對協作幹擾的安全頻譜感知方法。
從整體上來說：PUEA通過發射PUE信號(模擬主用戶信號)以迷惑誠實SU，使得被迷惑的SU發送不可靠的感知結果給FC，導致FC對PU的狀態做出錯誤的判定，最終使得感知網絡的整體性能下降。在感知網絡的整體性能下降的環境下，SSDF可以更好地進行攻擊，並且不易被感知網絡識別，從而隱藏自己。通過這樣的協作方式，在實現攻擊目的的同時，PUEA可以減少其攻擊時間，從而減小其被感知網絡檢測到的可能，SSDF在PUEA的幫助下也能更好地隱藏自己的身份，不被感知網絡識別。即本發明的一種多節點協作幹擾方法，包括下列步驟：
步驟1：設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，且第一攻擊端能對主用戶PU狀態進行感知；第二攻擊端的攻擊方式為頻譜感知數據篡改攻擊SSDF；
幹擾初始階段，第二攻擊端向數據融合中心FC發送真實感知結果，接收FC的反饋結果並發送給第一攻擊端；
步驟2：第一攻擊端將對PU狀態的本地感知結果與接收的反饋結果進行比對，獲取感知網絡的當前感知環境，包括虛警概率Pf與檢測概率Pd；
步驟3：第一攻擊端基於當前感知環境選擇實現幹擾目的最優幹擾策略並通知第二攻擊端：
根據公式Rπ(s,a)＝f(Pr,f,Pr,d,PA,f,PA,d,PM,f,PM,d)，計算在當前感知環境的狀態s下的不同幹擾策略π的回報值Rπ(s,a)，其中幹擾策略π表示在當前感知環境的狀態s下，採用不同的幹擾方式a，狀態s包括四種狀態：Pd≤0.5且Pf≥0.5、Pd＜0.5且Pf＜0.5、Pd＞0.5且Pf＜0.5、Pd＞0.5且Pf＞0.5；幹擾方式a包括三種方式：沉默不幹擾、SSDF方式、PUEA與SSDF協作方式；
Pr,f、Pr,d表示幹擾後的期望虛警概率與檢測概率，即幹擾目標；PA,f、PA,d表示執行幹擾後的虛警概率與檢測概率，在選擇最優幹擾策略時，PA,f、PA,d為經驗估計值；Pm,f、Pm,d表示幹擾前的虛警概率與檢測概率，在選擇最優幹擾策略時，Pm,f、Pm,d對應第一攻擊端獲取的Pf與Pd；
函數其中|a|、|b|表示感知環境變化分量的模值，變化角度
判斷是否存在幹擾策略π的回報、代價調整參數，若是，則基於調整參數分別對回報值Rπ(s,a)、代價值Cπ(s,a)進行調整處理後，選擇Rπ(s,a)與Cπ(s,a)的差最大的幹擾方式作為當前最優幹擾策略，其中Cπ(s,a)的初始值為預設經驗值；否則，直接選擇Rπ(s,a)與Cπ(s,a)的差最大的幹擾方式作為當前最優幹擾策略；
步驟4：第一攻擊端、第二攻擊端基於步驟3選擇的最優幹擾策略進行幹擾；
步驟5：第二攻擊端實時將從FC接收的反饋結果發送給第一攻擊端，第一攻擊端將對PU狀態的本地感知結果與接收的反饋結果進行比對，獲取感知網絡的當前感知環境，包括虛警概率與檢測概率，將其作為幹擾後的虛警概率PA,f與檢測概率PA,d；
並根據f(Pr,f,Pr,d,PA,f,PA,d,PM,f,PM,d)實時計算當前最優幹擾策略下的回報Rπ(s,a)，若Rπ(s,a)大於Cπ(s,a)，則幹擾成功，並基於當前最優幹擾策略下的回報Rπ(s,a)設置幹擾策略π的回報調整參數、代價調整參數後，等待下一幹擾目的繼續執行步驟3；否則，幹擾失敗，並基於當前最優幹擾策略下的回報Rπ(s,a)設置幹擾策略π的回報調整參數、代價調整參數後，繼續執行步驟3。
在當前大量的抗幹擾模型只考慮單一類型惡意用戶的幹擾，即PUEA或SSDF方式，而本發明基於PUEA與SSDF的協作，針對感知網絡的不同狀態而採取不同的幹擾方式，為進一步提高下一代動態頻譜接入的無線通信網絡的可靠性提供了更真實的仿真與驗證環境。
進一步的，PUEA與SSDF協作方式具體為：第一攻擊端執行PUEA幹擾，第二攻擊端執行SSDF幹擾，其中第一攻擊端的幹擾用於使得第二攻擊端進入FC的合併狀態(例如通過判斷第一攻端的本地感知結果與接收的反饋結果接近的程度，來判斷其是否進入FC的合併狀態。如當兩者的差在小於預設閾值時，則認為其滿足一致，即第二攻擊端進入FC的合併狀態)；當檢測到第二攻擊端進入FC的合併狀態後，第一攻擊端停止幹擾。
協作可以使得幹擾成功的概率增加，且被發現的風險減小。當感知網絡的性能處於不合理範圍時，PUEA的幹擾可以加快SSDF信任值的相對增長速度，從而加快惡意用戶實現幹擾的目的。
同時，本發明還公開了能用於上述幹擾方法的安全頻譜感知方法，即能抗協作幹擾的安全頻譜感知方法，包括下列步驟：
步驟1：為感知網絡中的每個二級用戶SU設置身份標識值並初始化，將身份標識值大於預設閾值Thr的SU定義為信任用戶；
步驟2：信號能量檢測值
在當前感知時隙t內，各SU對感知網絡中是否存在PU信號進行本地感知，計算感知時隙t的信號能量檢測值(對數似然比)：其中下標「i」用於標識不同的SU，ui(t)表示第i個SU在感知時隙t感知到的累積信號能量，H1表示PU信號存在、H0表示PU信號不存在；
各SU將本地感知的信號能量檢測值Γi(t)發送給數據融合中心FC，FC為每個信任用戶分配一個d維向量Xi(t)，用來存儲d(包括當前感知時隙在內，d的具體取值為經驗值)個歷史感知數據，即Xi(t)＝(Γi(t-d+1),Γi(t-d+2),...,Γi(t))；FC將感知時隙t內的所有信任用戶的歷史感知數據構成聚類處理的數據輸入其中NT表示信任用戶數；
對X(t)進行聚類分類，得到K個類別，查找K個類別中，信號能量檢測量值的均值最小類別記為GT，其它K-1個類別記為GA；
基於當前感知時隙t內各SU的身份標識值si(t)，將si(k)＞ηa且不屬於GA中的SU標記為可靠狀態；ηb≤si(k)≤ηa的SU標記為等待狀態；
基於可靠狀態的SU在當前感知時隙t內的信號能量檢測值得到當前感知時隙的總感知結果D(t)：若可靠狀態的SU的信號能量檢測值的加權和大於或等於預設閾值λ，則D(t)＝1；否則D(t)＝0；
步驟3：在下一個感知時隙t+1內，更新上一個感知時隙中被標記為可靠狀態和等待狀態的SU的身份標識值後繼續執行步驟2；
感知時隙t+1內各SU的身份標識值其中D(t)表示感知時隙t的總感知結果，Di(t)表示第i個SU在感知時隙t的感知結果：若Γi(t)大於或等於預設閾值λi，則Di(t)＝1；否則Di(t)＝0。
本發明通過使用無監督機器學習的思想識別被PUEA幹擾的信任用戶，並將其排除在合作感知之外。正因為採用了這種方法才保證了信任節點的合作感知性能處於合理的範圍內，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、複雜的感知環境中，能夠同時降低甚至消除PUEA與SSDF的影響，使得整個感知網絡保持較好的感知性能。同時，即使分別改變PUEA的幹擾行為，即以不同的概率發動幹擾，本方案也能將認知無線網絡的感知性能維持在合理狀態。
綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：為進一步提高下一代動態頻譜接入的無線通信網絡的可靠性提供了更真實的仿真與驗證環境。同時提出了一種能適應於PUEA與SSDF協作幹擾的安全頻譜感知方法。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合實施方式，對本發明作進一步地詳細描述。
根據當前感知環境的虛警概率Pf與檢測概率Pd的值，將感知環境分為4種狀態，即狀態集S＝{si|i＝0,1,2,3}，其中s1表示Pd≤0.5且Pf≥0.5，s2表示Pd＜0.5且Pf＜0.5，表示Pd＞0.5且Pf＜0.5，Pd＞0.5且Pf＞0.5。幹擾方式a包括三種方式：沉默不幹擾a0、SSDF方式a1、PUEA與SSDF協作方式a2。
設置相互通信的兩個惡意用戶，PUEA節點(PUEA幹擾方式)和SSDF節點(SSDF幹擾方式)，且PUEA節點還能對主用戶PU狀態進行感知，基於本地感知結果和SSDF節點發送的來自FC的反饋結果學習到感知網絡的當前感知環境，如虛警概率Pf與檢測概率Pd。
基於當前學習到的感知環境、幹擾目的，基於查找差值最大的幹擾策略π作為最優幹擾策略π*。
執行最優幹擾策略π*並對其進行監控，即將當前學習到的感知環境中的虛警概率和檢測概率作為幹擾後的執行幹擾後的虛警概率與檢測概率，重新計算對應的Rπ(s,a)並進行幹擾結果的評估，如通過評估函數值採用下述方式計算：其中，1表示幹擾成功，-1表示幹擾失敗或者已經暴露。同時，更新回報函數的值以及代價函數，用於下次選擇幹擾策略時作參考，即其中，表示下次選擇幹擾策略時，在選擇階段根據Rπ(s,a)＝f(Pr,f,Pr,d,PA,f,PA,d,PM,f,PM,d)計算得到的值，對應預設的初始值。δ是折扣因子，預設經驗值，通常可設置其取值範圍為0～1。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換；所公開的所有特徵、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以任何方式組合。