[发明专利]一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络

说明书

本发明属于无线设备、网络通信技术领域，公开了一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络，主要步骤包括：网络中各次级用户和融合中心感知环境参数；融合中心计算平均信噪比、虚警概率、路径损耗、检测概率、比特平均信噪比，一个比特错误概率，上报正确感知结果概率；选择信任值门限和时间窗口；次级用户上报感知结果；计算次级用户信任值；信任值判断；判断参与频谱感知的次级用户集合的元素数量与诚实用户集合的元素数量差值；进行频谱感知结果判定，得到判决结果。本发明能在非理想公共控制信道的情况下检测出恶意用户发动的各种攻击，并且在攻击者数量较多时具有很好的鲁棒性，保证了频谱感知数据的准确性。

技术领域

本发明属于无线设备、网络通信技术领域，尤其涉及一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络。

背景技术

无线设备和无线网络的大规模应用使有限的频谱资源日益紧张，而静态频谱分配方案存在频谱资源利用率低的问题，认知无线电技术的提出就是为了缓解频谱资源利用率低和频谱资源短缺之间的矛盾。认知无线网络允许非授权用户通过频谱感知，发现未使用的空闲授权频谱，进行伺机频谱接入来提高频谱资源的利用率。频谱感知是非授权用户进行频谱接入关键性的一步，非授权用户将感知数据上报融合中心，融合中心对感知信道是否占用做出最终的判决。为了解决单个用户由于多径衰落和隐藏终端等原因导致的感知结果不准确问题，协作频谱感知得到了广泛的研究。通过多个用户的协作感知来提高感知的准确度，但在协作频谱感知过程会引入恶意的攻击者。目前的大多数研究使用信任机制，通过更新节点的信誉值来剔除恶意用户，但大多数的研究假设非授权用户向融合中心上报感知数据的公共控制信道是理想的，即在感知数据传输过程中不会因为噪声、障碍物等的影响而出错。这种理想公共控制信道的假设有一定的合理性，但在实际应用的环境中，由于突发噪声和建筑物类障碍物的影响，传输的感知信息很容易出错；若不考虑差错问题，就会使得融合中心判决的准确度和恶意用户的检测率受到严重的影响。因此，在公共控制信道存在差错的情况下，如何保证攻击者检测方案的鲁棒性和融合中心判决的准确度是一个急需解决的问题。中心式认知无线网络在协作频谱感知过程中，每个未授权的次级用户将本地的频谱感知结果通过公共控制信道上报融合中心，融合中心通过融合方案对各次级用户的感知数据进行融合，得到最终的判决结果来确定授权频段是否占用；认知无线网络中除了资源使用效率问题，安全性是其网络运行的前提保证。安全问题会直接影响频谱感知的准确度，在频谱感知过程中，频谱感知数据篡改攻击(SSDF：Spectrum Sensing DataFalsification)是目前影响较大的攻击形式之一。浙江大学专利技术“一种认知无线电系统中的合作频谱感知方法”(申请号：200810163516.2授权公告号：CN 101459445 B)中公开了一种认知无线电系统中合作的频谱感知方法。该专利技术的具体步骤是：首先是每个用户对主用户信号进行能量检测，将能量检测感知结果发送到控制中心；从用户可信度数据库中读取每个用户的可信度，进行归一化处理得到每个用户在本次合作感知中的权重系数；将本地感知结果与对应用户的权重系数相乘累加后与系统的判决门限比较，如果大于则目标频段当前正在被主用户使用；如果小于则目标频段当前没有被主用户使用。该专利技术在一定程度上可以检测出恶意的攻击者，减少恶意用户对系统的影响，但存在的不足是：首先，感知用户将频谱感知结果发送到控制中心的过程中，没有考虑感知数据会在公共控制信道传输的过程中发生错误的问题，而在实际的物理环境中，无线信号在信道传输的过程中，由于突发噪声、其他无线信号干扰和障碍物的遮挡等原因，很容易发生错误；其次，最终判决结果是由感知数据和权重共同决定，这就产生攻击者在发送恶意数据时，由于数据差异完全可能导致整个判决结果的错误的问题。Hyder C S等人在其论文“ARC:Adaptivereputation based clustering against spectrum sensing data falsificationattacks”([J].《IEEE Transactions on mobile computing》,2014,13(8):1707-1719)中提出了一种基于信誉值的聚类算法来检测恶意用户，该算法不需要攻击者分布的先验知识就可以进行攻击检测，在一定程度上能够抵抗SSDF的一些攻击。该方法存在的不足是：首先，该算法在信誉值更新的过程中，没有考虑由于次级用户通过公共控制信道上报感知数据时可能会错误的情况，尤其在次级用户采用硬判决的方法得到本地主用户不存在的“0”和主用户存在的“1”判决结果，并将“0”、“1”判决结果通过公共的控制信道发送给融合中心的过程中，由于环境突发噪声、障碍物遮挡等因素的干扰，很可能使得“0”、“1”结果完全发生反转，这将增大系统的错误检测概率和虚警概率，对其算法在非理想控制信道的场景多个攻击者非合谋攻击情况下，当攻击者数量超过系统用户总数的30％后，错误检测概率达到0.2左右，虚警概率达到0.15左右，这将会严重影响感知数据判决的准确性；其次，对于攻击者的攻击方式没有考虑合谋攻击的问题，对其提出的算法在攻击者合谋攻击非理想公共控制信道的情况下，当攻击者数量超过系统用户总数的30％后。其正确判决概率只有0.6左右，并且随着攻击者数量的增加正确判决概率开始急剧下降。这样就会导致判决结果错误，最终干扰主用户的正常频段使用或者浪费可用的频谱资源。