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；

模擬主用戶攻擊下的協(xié)作頻譜感知

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)

認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)作頻譜感知技術(shù)利用多個認知用戶的本地感知，克服了多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)等問題的制約，提高了系統(tǒng)的檢測性能。然而認知無線電提出的動態(tài)頻譜接入方法在有效解決了頻譜稀缺問題的同時也給網(wǎng)絡(luò)帶來了一些威脅。這些威脅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來欺騙次級用戶，從而阻止次級用戶訪問空閑頻段?？紤]了一個能根據(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發(fā)送偽造信號。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知檢測概率，通過仿真分析了基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)在存在主用戶模擬攻擊時的性能，并驗證了它是一種優(yōu)化檢測性能有效且可實現(xiàn)的方法。

認知無線電；協(xié)作頻譜感知；主用戶模擬攻擊；性能優(yōu)化

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面普及，4G也已經(jīng)開始投入應(yīng)用。而用戶日益增長的無線通信需求與有線的無線頻譜資源之間的矛盾日益凸顯，這已經(jīng)成為擺在全世界無線通信技術(shù)研究者面前的問題[1-2]。認知無線電(CR)通過動態(tài)訪問空閑頻段來提高頻譜效率的方法已被廣泛研究[3]。在CR的術(shù)語中，授權(quán)的用戶稱為主用戶(PU)，未授權(quán)的用戶稱為次級用戶(SU)或CR用戶。當(dāng)無線電環(huán)境中不存在主用戶時，次級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)方法由于其較高的頻譜感知性能脫穎而出[6]。CSS方法可以在衰落環(huán)境下有效提高傳感精度。在CSS中，每個次級用戶使用某些檢測方法獨立進行頻譜感知，然后將本地感知結(jié)果報告給融合中心，最后由融合中心做出最后的判決[7]。文獻[8]介紹了在虛警概率不變的情況下，通過優(yōu)化CR數(shù)目來達到最好的檢測性能。文獻[9]討論了系統(tǒng)性能與用于感知的CR數(shù)目之間的平衡問題。文獻[10]探討了能量閾值，感知時間和決策融合規(guī)則的共同優(yōu)化問題。

CR網(wǎng)絡(luò)的這種動態(tài)訪問方式可能會被惡意用戶利用，從而造成頻譜感知的性能漏洞。主用戶模擬攻擊(PUEA)是其中的一個威脅，這種攻擊是指當(dāng)某頻段不存在主用戶時，惡意用戶發(fā)送與主用戶相同的信號，使次級用戶騰出該頻段[11]。文獻[8-10]均是在不存在主用戶模擬攻擊的理想環(huán)境下進行的討論，都沒有考慮PUEA對系統(tǒng)性能的影響。文獻[12]提出了考慮PUEA的協(xié)作頻譜感知，但假設(shè)PUEA始終存在，這與PUEA的定義是不相符的。文獻[13]只討論了PUEA存在概率與檢測性能的關(guān)系，沒有考慮與感知時間和CR數(shù)目等因素的關(guān)系。

文中對PUEA進行頻譜感知，當(dāng)感知到PU不存在時發(fā)送假信號。對基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)存在主用戶模擬攻擊時的性能情況，以及PUEA的存在概率、感知時間、CR數(shù)目和檢測性能之間的均衡問題進行了分析和仿真。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，系統(tǒng)模型由一個PU，共存于一個認知無線電網(wǎng)絡(luò)(CRN)的N個CR以及一個融合中心組成。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

在這個協(xié)作認知無線電網(wǎng)絡(luò)中，每個次級用戶獨立執(zhí)行周期性的本地頻譜感知，然后發(fā)送一個二進制本地判決結(jié)果給融合中心。融合中心結(jié)合本地的判決結(jié)果做出最后的判決，來推斷在觀察的這個頻段內(nèi)是否存在主用戶。認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的次級用戶運用能量檢測進行本地頻譜感知，使用OR/AND融合準則進行判決。

根據(jù)PU和PUEA的存在與否，其中PUEA只在PU不存在時才發(fā)送假信號，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下的協(xié)作頻譜感知

考慮到在不存在主用戶時，PUEA會發(fā)送假信號的情況，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。

在進行CCS時，每個CR將本地判決結(jié)果發(fā)送到FC，然后給出一個PUEA是否存在的全面判決結(jié)果。在FC應(yīng)用了很多融合準則，例如OR準則和AND準則。OR準則是指只要有一個CR檢測到主用戶信號，F(xiàn)C就判決存在PU,否則頻段就被認為是空閑的。而AND準則必須是所有的CR都檢測到主用戶信號，才判決存在PU，否則就認為頻段是空閑的[14]。在OR和AND融合準則下，使用檢測概率(Pd)和虛警概率(Pf)來評估CR頻譜感知的性能[15]。則第i個CR本地頻譜感知的檢測概率和虛警概率為：

(1)

(2)

其中，D1表示第i個CR判決PU信號存在。

如前所述，當(dāng)不存在PU時，CR用戶將接收到PUEA發(fā)送的信號。所以，在這種攻擊存在的情況下，Pf將受到影響?？紤]到PUEA的存在，可以得到：

(3)

采用OR準則時的檢測概率和虛警概率分別為[16]：

(4)

(5)

采用AND準則時的檢測概率和虛警概率分別為：

(6)

(7)

3 PUEA下基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知

能量檢測是整合感知時間τ內(nèi)在帶寬fs/2處接收到的信號，然后傳感器將收集的能量Ei與預(yù)設(shè)閾值ε做比較來判決該頻段是否存在PU[17]。

在不考慮PUEA的情況下，傳感器的檢測概率和虛警概率分別為：

(8)

(9)

若考慮PUEA的存在，實際上

(10)

定義P(A0|H0)=α),P(H0)=P0,P(H1)=P1。由貝葉斯定理和式(10)可得：

(11)

其中

(12)

給定一個Pf,i，可得：

ε=

(13)

將式(13)代入式(8)得到考慮PUEA情況下的檢測概率：

Pd,i=

(14)

4 仿真結(jié)果及分析

在本節(jié)中，假設(shè)基站可以確定每個CR的位置，且每個CR接收到的信號有相同的信噪比。設(shè)定γ=-20dB,P0=0.1,P1=0.9,P10=0.3,P11=0.8。

圖2顯示的是分別在OR和AND準則下，是否考慮PUEA的存在對基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知接收機工作特性的影響。

圖2 ROC特性曲線(α=0.8,N=5,τ=0.02)

由圖可以看出,在PUEA真實存在時，考慮PUEA存在的檢測概率較高，而不考慮PUEA存在的檢測概率較低。且考慮PUEA的存在對AND準則的工作特性影響更大。AND準則下，考慮PUEA的存在比不考慮PUEA的存在，感知的檢測概率有明顯提高；而在OR準則下，檢測概率的提高不太明顯，隨虛警概率的增加，是否考慮PUEA對檢測概率的影響越來越小，當(dāng)虛警概率大于0.7時已經(jīng)沒有影響了。

圖3顯示的是在考慮PUEA存在的情況下檢測概率與CR數(shù)量的關(guān)系。

由圖可以看出，在考慮PUEA存在的情況下，使用OR準則時，檢測概率隨CR個數(shù)的增加而增大；而使用AND準則時，存在一個最優(yōu)點使檢測概率達到最高。

圖4顯示的是在考慮PUEA存在的情況下檢測概率與感知時長的關(guān)系。

由圖可以看出, 在考慮PUEA存在的情況下，檢測概率隨感知時長的增加而增大。AND準則下，檢測性能的提高更加明顯。

圖3 檢測概率隨CR個數(shù)變化的曲線

圖4 檢測概率隨感知時長變化的曲線

由圖3和圖4還可以看出，檢測性能隨α的增大而提高，這是因為α越大，PUEA在H0情況下出現(xiàn)的概率就越小，對檢測性能的影響就越小。

5 結(jié)束語

文中研究了考慮PUEA存在情況下的協(xié)作頻譜感知性能。PUEA能夠進行頻譜感知和有計劃的發(fā)送信號。在主用戶不存在的情況下，攻擊者模擬主用戶信號隨機發(fā)送。文中在OR和AND準則下，對基于能量檢測的協(xié)作頻譜感知系統(tǒng)存在PUEA時的性能進行了分析和仿真。仿真結(jié)果表明，考慮PUEA的存在可以有效提高檢測性能，尤其在AND準則下效果更明顯；且PUEA在H0情況下出現(xiàn)的概率越小，對檢測性能的影響越小。

[1]AndrewsJG,BuzziS,WanC,etal.Whatwill5Gbe?[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2014,32(6):1065-1082.

[2] 羅 曼.認知無線電協(xié)作頻譜感知技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[3] 李佳俊.認知無線電中協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[4]HaykinS.Cognitiveradio:brain-empoweredwirelesscommunications[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2006,23(2):201-220.

[5]LetaiefKB,ZhangW.Cooperativecommunicationsforcognitiveradionetworks[J].ProceedingsoftheIEEE,2009,97(5):878-893.

[6] 彭 濤,郭 晨,王文博.認知無線電網(wǎng)絡(luò)高能效協(xié)作頻譜感知技術(shù)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2010,33(4):93-96.

[7]MitolaJ,MaguireG.Cognitiveradio:makingsoftwareradiosmorepersonal[J].IEEEPersonalCommunications,1999,6(4):13-18.

[8]ZhangW,MallikRK,LetaiefK.Cooperativespectrumsensingoptimizationincognitiveradionetworks[C]//IEEEinternationalconferenceoncommunications.[s.l.]:IEEE,2008:3411-3415.

[9]ChenY.Optimumnumberofsecondaryusersincollaborativespectrumsensingconsideringresourcesusageefficiency[J].IEEECommunicationsLetters,2008,12(12):877-879.

[10]PehECY,LiangYC,GuanY,etal.Optimizationofcooperativesensingincognitiveradionetworks:asensingthroughputtradeoffview[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2009,58(9):5294-5299.

[11]ChenZ,CooklevT,ChenC,etal.Modelingprimaryuseremulationattacksanddefensesincognitiveradionetworks[J].PolishJournalofPharmacology,2009,55(2):208-215.

[12]ChenC,ChengH,YaoYD.Cooperativespectrumsensingincognitiveradionetworksinthepresenceoftheprimaryuseremulationattack[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2011,10(7):2135-2141.

[13]HaghighatM,SadoughSMS.Cooperativespectrumsensingincognitiveradionetworksunderprimaryuseremulationattacks[C]//6thinternationalsymposiumontelecommunications.[s.l.]:[s.n.],2012:148-151.

[14] 董彩萍.認知無線電中協(xié)作頻譜感知技術(shù)[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[15] 梁紅玉,陳宏濱,趙 峰.認知無線電協(xié)作頻譜感知技術(shù)綜述[J].廣西通信技術(shù),2011(2):38-44.

[16] 杜 紅.認知無線電中頻譜感知優(yōu)化與無線資源管理的研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2012.

[17] 劉仕奇.基于認知無線電的協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.

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 and shadow effects and such constraints by using local sensing results of cognitive users,hence 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 them 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 which performs its own spectrum sensing according to its acquired knowledge about the presence or absent of the primary signal,and it sent 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.The simulation results show that the measure can effectively improve the performance of the system.

cognitive radio;cooperative spectrum sensing;PUEA;performance optimization

2016-03-23

2016-07-06

時間：2017-01-04

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

李 莎(1989-)，女，碩士，研究方向為認知無線電頻譜感知;戴建新，副教授，研究方向為5G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù);程崇虎，教授，研究方向為電磁場。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1039.062.html

TN929.5

A

1673-629X(2017)02-0072-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.017