認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，包括計(jì)算在一個(gè)采樣周期n內(nèi)每個(gè)次用戶每次占用信道的平均占用時(shí)間并生成輸入檢測(cè)信號(hào)；分解輸入檢測(cè)信號(hào)生成低頻信息部分和高頻信息部分；根據(jù)高頻信息部分的能量和低頻信息部分的能量，計(jì)算能量比r；計(jì)算采樣周期n+1的預(yù)測(cè)能量比和根據(jù)能量比預(yù)測(cè)值與能量比的差值計(jì)算采樣周期n+2的預(yù)測(cè)差值；比較采樣周期n+3的能量比與閾值的大??；由中心節(jié)點(diǎn)找出占用信道平均占用時(shí)間隨采樣周期的變化最大的次用戶，即惡意次用戶并將其剔除。本發(fā)明通過對(duì)比能量比和閾值以及計(jì)算每個(gè)次用戶的平均占用時(shí)間可以快速、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)是否有惡意次用戶占用信道，又能夠快速找出該惡意次用戶并將其剔除。
【專利說明】認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體地，涉及認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]認(rèn)知無線電的概念開始于1999年Jos印h Mitola博士的一篇文章。認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的用戶通常被分為2類，分別稱為主用戶和次用戶。主用戶是一段頻譜資源的授權(quán)使用者，它在任何時(shí)候都可以使用授權(quán)頻譜，而次用戶為該段頻譜資源的非授權(quán)者，它與周圍環(huán)境交互信息，感知空間中可以利用的空閑頻譜，如果頻譜沒有被主用戶占用，次用戶就可以使用無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主用戶再一次需要使用頻譜資源時(shí)，次用戶需要立即讓出資源交還給主用戶。
[0003]然而，認(rèn)知無線電的這種運(yùn)行機(jī)制必然存在很多安全問題，特別是當(dāng)次用戶有很多，而可用資源很少時(shí)，可能會(huì)存在某些自私的次用戶，為了讓自己有更多的機(jī)會(huì)得到資源，做出一些自私的行為，甚至攻擊這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。一種攻擊方式被稱作主用戶模擬(PrimaryUser Emulation)攻擊，惡意的次用戶偽裝成主用戶，向外發(fā)出類似主用戶的信號(hào)，這樣其他次用戶會(huì)以為當(dāng)前頻段被主用戶占用，就不會(huì)接入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。第二種攻擊方式被稱作聯(lián)合頻譜感知錯(cuò)誤報(bào)告(False Report in Cooperative Spectrum Sensing)攻擊，為 了更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)某段頻譜是否空閑，幾個(gè)次用戶會(huì)聯(lián)合起來進(jìn)行頻譜感知，對(duì)每個(gè)次用戶各自感知的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析，得到相對(duì)準(zhǔn)確的頻譜資源占用情況，以便更加有效的利用空閑頻譜。然而，如果存在惡意的次用戶，該次用戶會(huì)給出錯(cuò)誤的感知數(shù)據(jù)，導(dǎo)致最后的數(shù)據(jù)融合出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果，例如，本來當(dāng)前的頻譜處于空閑狀態(tài)，惡意次用戶故意發(fā)出該段頻譜被占用的狀態(tài)，其他次用戶就會(huì)以為這段頻譜被占用而暫時(shí)不考慮使用該頻譜，這時(shí)惡意次用戶就可以完全占用這段信道了。
[0004]Z.Yuan 等在〈〈IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol30,n0.10，pp.1850-1860，Nov.2012))(電氣電子工程師協(xié)會(huì)通信領(lǐng)域期刊，第30卷，第10期，1850-1860 頁，2012 年 11 月)上發(fā)表的“Defeating primary user emulation attacksusing belief propagation in cognitive radio networks”(認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中用信賴傳遞的方式抵御主用戶模擬攻擊)文章中，提出了信賴傳遞的方式來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的以主用戶模擬為手段攻擊認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的惡意次用戶。H.Li等在《IEEE Transactions on WirelessCommunications, vol.9, n0.11, pp.3554-3565，Nov.2010))(電氣電子工程師協(xié)會(huì)通信領(lǐng)域期刊，第 9 卷，第 11 期，3554-3565 也，2010 年 11 月)上發(fā)表的 “Catch me if you can:Anabnormality detection approach for collaborative spectgrum sensing in cognitiveradio networks”(你能就來抓我:認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)合作頻譜感知的異常檢測(cè)方法)文章中，針對(duì)合作頻譜感知，利用數(shù)據(jù)挖掘中強(qiáng)大的異常檢測(cè)方法，找出認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的攻擊者，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)者不需要惡意次用戶攻擊策略的先驗(yàn)信息。
[0005]Alexandros G.Fragkiadakis 等 在《IEEE Communications Surveys&TutoriaIs, vol.15, n0.1, pp.428-445, 2013))(電氣電子工程師協(xié)會(huì)通信領(lǐng)域期刊，第15卷，第I期，第 428-445 頁，2013 年)上發(fā)表了 “A Survey on Security Threats and DetectionTechniques in Cognitive Radio Networks”(認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)安全威脅與檢測(cè)技術(shù)概述)，該文中對(duì)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中所遇到的安全問題進(jìn)行了介紹，除了前面提到的主用戶模擬攻擊和感知數(shù)據(jù)偽造攻擊，還提到了通用控制信道攻擊。通用控制信道攻擊指的是攻擊者利用通用控制信道在認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用，來破壞該信道的正常工作能力，主要有三種形式，分別為MAC層欺騙、擁塞攻擊和干擾攻擊。
[0006]然而，由于認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還應(yīng)當(dāng)存在很多種攻擊形式。例如，某個(gè)自私的次用戶在獲得信道使用權(quán)后，即使傳輸完信息，仍想繼續(xù)占用信道，以使自己獲得更大的利益，更嚴(yán)重的情況下，這個(gè)次用戶是具有威脅的次用戶，它會(huì)故意長(zhǎng)期占用信道，這樣可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擁塞，這種攻擊方式類似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的DoS (拒絕服務(wù)攻擊)，我們把這種威脅稱作“長(zhǎng)期信道占用”威脅。針對(duì)這種威脅，需要找出一個(gè)快速的手段去檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法。
[0008]在一個(gè)認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如果次用戶的數(shù)量多于信道的數(shù)量時(shí)，次用戶就需要排隊(duì)依次使用空閑信道，當(dāng)信道中的次用戶傳輸數(shù)據(jù)完畢時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即釋放信道，以供隊(duì)列中的次用戶能夠使用信道進(jìn)行傳輸。當(dāng)這個(gè)次用戶又有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行傳輸時(shí)，需要重新進(jìn)行排隊(duì)。但是有些次用戶不希望這樣總是在隊(duì)列中長(zhǎng)期等待，所以當(dāng)它傳輸數(shù)據(jù)完畢時(shí)，不立即退出信道，而是使用信道更長(zhǎng)一段時(shí)間，這樣如果在這段時(shí)間內(nèi)突然又有了新的傳輸任務(wù)，可以立即進(jìn)行傳輸而不需要重新排隊(duì)等待。
[0009]惡意次用戶會(huì)慢慢地提高其平均占用信道時(shí)間，這樣系統(tǒng)中的中心節(jié)點(diǎn)就會(huì)逐漸的適應(yīng)這種過程，以使惡意次用戶很難被檢測(cè)到，一旦惡意次用戶的平均占用信道時(shí)間達(dá)到很大數(shù)值時(shí)，其他次用戶就會(huì)承受很嚴(yán)重的負(fù)面影響。本發(fā)明中方法所針對(duì)的就是此類惡意次用戶。
[0010]根據(jù)本發(fā)明提供的一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，包括如下步驟:
[0011]步驟1:計(jì)算在一個(gè)采樣周期η內(nèi)每個(gè)次用戶多次占用信道的平均占用時(shí)間并生成輸入檢測(cè)信號(hào)，其中，η為自然數(shù)；
[0012]步驟2:利用小波分析方法分解輸入檢測(cè)信號(hào)生成低頻信息部分和高頻信息部分；
[0013]步驟3:根據(jù)高頻信息部分的能量Sd和低頻信息部分的能量Sa，計(jì)算能量比r ；比較能量比和閾值，如果能量比高于閾值，則觸發(fā)步驟6，否則觸發(fā)步驟4。
[0014]步驟4:運(yùn)用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均法計(jì)算采樣周期n+1的預(yù)測(cè)能量比和根據(jù)預(yù)測(cè)能量比與能量比的差值計(jì)算采樣周期n+2的預(yù)測(cè)差值；
[0015]步驟5:對(duì)閾值進(jìn)行更新，根據(jù)所述預(yù)測(cè)差值計(jì)算采樣周期n+3的閾值并比較采樣周期n+3的能量比與閾值的大小，當(dāng)能量比大于閾值，則進(jìn)入步驟6，當(dāng)能量比小于等于閾值，則返回步驟I ;[0016]步驟6:由中心節(jié)點(diǎn)找出當(dāng)前采樣周期平均占用信道時(shí)間最大的次用戶，并將其剔除。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟I還包括如下步驟:
[0018]步驟1.1:設(shè)定采樣周期；
[0019]步驟1.2:計(jì)算在采樣周期η內(nèi)每個(gè)次用戶多次占用信道的平均占用時(shí)間；
[0020]步驟1.3:根據(jù)每個(gè)次用戶的平均占用時(shí)間組成向量S，即輸入檢測(cè)信號(hào)。
[0021]優(yōu)選地，步驟2中運(yùn)用小波分析方法中離散小波變換中的I階Daub4變換方法，將一個(gè)采樣周期內(nèi)的輸入檢測(cè)信號(hào)分解為低頻信息部分A和高頻信息部分D，分別為:
【權(quán)利要求】
1.一種認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:計(jì)算在一個(gè)采樣周期η內(nèi)每個(gè)次用戶多次占用信道的平均占用時(shí)間并生成輸入檢測(cè)信號(hào)，其中，η為自然數(shù)； 步驟2:利用小波分析方法分解輸入檢測(cè)信號(hào)生成低頻信息部分和高頻信息部分；步驟3:根據(jù)高頻信息部分的能量Sd和低頻信息部分的能量Sa，計(jì)算能量比r ；比較能量比和閾值，如果能量比高于閾值，則觸發(fā)步驟6，否則觸發(fā)步驟4。 步驟4:運(yùn)用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均法計(jì)算采樣周期n+1的預(yù)測(cè)能量比和根據(jù)預(yù)測(cè)能量比與能量比的差值計(jì)算采樣周期n+2的預(yù)測(cè)差值； 步驟5:對(duì)閾值進(jìn)行更新，根據(jù)所述預(yù)測(cè)差值計(jì)算采樣周期n+3的閾值并比較采樣周期n+3的能量比與閾值的大小，當(dāng)能量比大于閾值，則進(jìn)入步驟6，當(dāng)能量比小于等于閾值，則返回步驟I ; 步驟6:由中心節(jié)點(diǎn)找出當(dāng)前采樣周期平均占用信道時(shí)間最大的次用戶，并將其剔除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟I還包括如下步驟: 步驟1.1:設(shè)定采樣周期； 步驟1.2:計(jì)算在采樣周期η內(nèi)每個(gè)次用戶多次占用信道的平均占用時(shí)間； 步驟1.3:根據(jù)每個(gè)次用戶的平均占用時(shí)間組成向量S，即輸入檢測(cè)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，步驟2中運(yùn)用小波分析方法中離散小波變換中的I階Daub4變換方法，將一個(gè)采樣周期內(nèi)的輸入檢測(cè)信號(hào)分解為低頻信息部分A和高頻信息部分D，分別為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3包括如下步驟: 步驟3.1:計(jì)算高頻信息部分的能量Sd，低頻信息部分的能量Sa，分別按如下公式計(jì)算:
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟4包括如下步驟: 步驟4.1:根據(jù)各個(gè)采樣周期的向量S的歷史測(cè)量值，利用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均法計(jì)算采樣周期n+1的預(yù)測(cè)能量比Rdn+1
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，在步驟5中，所述閾值iC的計(jì)算公式為，其中入和μ均為可調(diào)節(jié)的參數(shù)，其中b采樣周期n+2的預(yù)測(cè)能量比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，在步驟5中當(dāng)從采樣周期m開始能量比大于閾值時(shí)，在采樣周期m+1中的閾值保持不變，不需要按照步驟五與步驟六式進(jìn)行計(jì)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，執(zhí)行步驟6后的兩個(gè)采樣周期返回步驟1，僅循環(huán)執(zhí)行步驟I至步驟3 ;當(dāng)在第二個(gè)采樣周期中能量比仍然高于閾值，則再返回執(zhí)行步驟6，當(dāng)在第二采樣周期中能量比低于等于閾值，則執(zhí)行步驟4。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)惡意占用信道用戶的檢測(cè)方法，其特征在于，在惡意次用戶全部被剔除后的四個(gè)采樣周期，閾值保持不變。
【文檔編號(hào)】H04W24/00GK103916859SQ201410098642
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】馬松君, 孫高飛, 馮心欣, 田曉華, 甘小鶯, 楊峰, 王新兵 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)