本發(fā)明涉及頻譜感知技術，具體涉及一種多節(jié)點協(xié)作干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(tǒng)的工作效率。這類惡意攻擊可以分為兩類：感知鏈路干擾，以及協(xié)作感知干擾。在對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，其通過模擬主用戶(Primary User，PU)信號的特征，發(fā)送與PU信號相似的信號以迷惑附近的二級用戶(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，其通過將篡改后的感知結果發(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使得FC對PU的狀態(tài)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。

在對惡意干擾的現(xiàn)有的研究中，大量的抗干擾模型只考慮單一類型惡意用戶的干擾，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下下，目前許多相應的抗干擾方法運作良好。然而，在一個實際的感知網絡中，攻擊者可以通過協(xié)作來實行干擾，實現(xiàn)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(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大大降低，尤其是基于信任度的抗干擾算法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對感知網絡中，攻擊者之間可以通過相互通信，實行協(xié)作干擾的情況，提出了一種多節(jié)點協(xié)作干擾，為進一步提高下一代動態(tài)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(huán)境。并提出了針對協(xié)作干擾的安全頻譜感知方法。

從整體上來說：PUEA通過發(fā)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(fā)送不可靠的感知結果給FC，導致FC對PU的狀態(tài)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(huán)境下，SSDF可以更好地進行攻擊，并且不易被感知網絡識別，從而隱藏自己。通過這樣的協(xié)作方式，在實現(xiàn)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(fā)明的一種多節(jié)點協(xié)作干擾方法，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(tài)進行感知；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)送真實感知結果，接收FC的反饋結果并發(fā)送給第一攻擊端；

步驟2：第一攻擊端將對PU狀態(tài)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(huán)境，包括虛警概率P_f與檢測概率P_d；

步驟3：第一攻擊端基于當前感知環(huán)境選擇實現(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)，計算在當前感知環(huán)境的狀態(tài)s下的不同干擾策略π的回報值R^π(s,a)，其中干擾策略π表示在當前感知環(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概率，即干擾目標；P_A,f、P_A,d表示執(zhí)行干擾后的虛警概率與檢測概率，在選擇最優(yōu)干擾策略時，P_A,f、P_A,d為經驗估計值；P_m,f、P_m,d表示干擾前的虛警概率與檢測概率，在選擇最優(yōu)干擾策略時，P_m,f、P_m,d對應第一攻擊端獲取的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、代價調整參數(shù)，若是，則基于調整參數(shù)分別對回報值R^π(s,a)、代價值C^π(s,a)進行調整處理后，選擇R^π(s,a)與C^π(s,a)的差最大的干擾方式作為當前最優(yōu)干擾策略，其中C^π(s,a)的初始值為預設經驗值；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)干擾策略進行干擾；

步驟5：第二攻擊端實時將從FC接收的反饋結果發(fā)送給第一攻擊端，第一攻擊端將對PU狀態(tài)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(huán)境，包括虛警概率與檢測概率，將其作為干擾后的虛警概率P_A,f與檢測概率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)實時計算當前最優(yōu)干擾策略下的回報R^π(s,a)，若R^π(s,a)大于C^π(s,a)，則干擾成功，并基于當前最優(yōu)干擾策略下的回報R^π(s,a)設置干擾策略π的回報調整參數(shù)、代價調整參數(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，并基于當前最優(yōu)干擾策略下的回報R^π(s,a)設置干擾策略π的回報調整參數(shù)、代價調整參數(shù)后，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。

在當前大量的抗干擾模型只考慮單一類型惡意用戶的干擾，即PUEA或SSDF方式，而本發(fā)明基于PUEA與SSDF的協(xié)作，針對感知網絡的不同狀態(tài)而采取不同的干擾方式，為進一步提高下一代動態(tài)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(huán)境。

進一步的，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入FC的合并狀態(tài)(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的合并狀態(tài)。如當兩者的差在小于預設閾值時，則認為其滿足一致，即第二攻擊端進入FC的合并狀態(tài))；當檢測到第二攻擊端進入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)的風險減小。當感知網絡的性能處于不合理范圍時，PUEA的干擾可以加快SSDF信任值的相對增長速度，從而加快惡意用戶實現(xiàn)干擾的目的。

同時，本發(fā)明還公開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：為感知網絡中的每個二級用戶SU設置身份標識值并初始化，將身份標識值大于預設閾值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(shù)似然比)：其中下標“i”用于標識不同的SU，u_i(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Γ_i(t)發(fā)送給數(shù)據(jù)融合中心FC，F(xiàn)C為每個信任用戶分配一個d維向量X_i(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(shù)據(jù)，即X_i(t)＝(Γ_i(t-d+1),Γ_i(t-d+2),...,Γ_i(t))；FC將感知時隙t內的所有信任用戶的歷史感知數(shù)據(jù)構成聚類處理的數(shù)據(jù)輸入其中N_T表示信任用戶數(shù)；

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G_T，其它K-1個類別記為G_A；

基于當前感知時隙t內各SU的身份標識值s_i(t)，將s_i(k)＞η_a且不屬于G_A中的SU標記為可靠狀態(tài)；η_b≤s_i(k)≤η_a的SU標記為等待狀態(tài)；

基于可靠狀態(tài)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(tài)的SU的信號能量檢測值的加權和大于或等于預設閾值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(tài)和等待狀態(tài)的SU的身份標識值后繼續(xù)執(zhí)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，D_i(t)表示第i個SU在感知時隙t的感知結果：若Γ_i(t)大于或等于預設閾值λ_i，則D_i(t)＝1；否則D_i(t)＝0。

本發(fā)明通過使用無監(jiān)督機器學習的思想識別被PUEA干擾的信任用戶，并將其排除在合作感知之外。正因為采用了這種方法才保證了信任節(jié)點的合作感知性能處于合理的范圍內，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、復雜的感知環(huán)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的干擾行為，即以不同的概率發(fā)動干擾，本方案也能將認知無線網絡的感知性能維持在合理狀態(tài)。

綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果是：為進一步提高下一代動態(tài)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(huán)境。同時提出了一種能適應于PUEA與SSDF協(xié)作干擾的安全頻譜感知方法。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合實施方式，對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

根據(jù)當前感知環(huán)境的虛警概率P_f與檢測概率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。

設置相互通信的兩個惡意用戶，PUEA節(jié)點(PUEA干擾方式)和SSDF節(jié)點(SSDF干擾方式)，且PUEA節(jié)點還能對主用戶PU狀態(tài)進行感知，基于本地感知結果和SSDF節(jié)點發(fā)送的來自FC的反饋結果學習到感知網絡的當前感知環(huán)境，如虛警概率P_f與檢測概率P_d。

基于當前學習到的感知環(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^*并對其進行監(jiān)控，即將當前學習到的感知環(huán)境中的虛警概率和檢測概率作為干擾后的執(zhí)行干擾后的虛警概率與檢測概率，重新計算對應的R^π(s,a)并進行干擾結果的評估，如通過評估函數(shù)值采用下述方式計算：其中，1表示干擾成功，-1表示干擾失敗或者已經暴露。同時，更新回報函數(shù)的值以及代價函數(shù)，用于下次選擇干擾策略時作參考，即其中，表示下次選擇干擾策略時，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，通常可設置其取值范圍為0～1。

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