CN102118744A - 一种合作频谱感知中安全的合作用户选择方法 - Google Patents

一种合作频谱感知中安全的合作用户选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种合作频谱感知中安全的合作用户选择方法。本发明方法首先数据融合中心根据各个认知无线电用户的地理位置，使用现有的位置相关性模型，计算每两个用户之间的位置相关性，并构建相关性矩阵；然后初始化参与合作的用户数目L为K，并将所有的K个认知无线电用户都纳入参与合作的认知无线电用户集合；其次为数据融合中心根据位置相关性矩阵和合作频谱感知需要的用户数目Ks，从所有的K个认知无线电用户中选择位置相关性最小的Ks个用户，最后数据融合中心通过控制信道广播合作用户集合中的用户信息。本发明方法选取位置相关性较小的认知无线电用户进行合作频谱感知，降低了主用户仿真攻击同时干扰多个认知无线电用户的概率。

Description

一种合作频谱感知中安全的合作用户选择方法
技术领域
本发明属于认知无线电领域，尤其涉及一种在认知无线电网络中基于位置相关性的合作用户选择方法。
背景技术
认知无线电技术是实现动态频谱接入的一种主流方案，它容许认知无线电用户在不影响主用户通信的前提下，使用已经分配给主用户的频谱资源进行传输，因此能达到较高的频谱使用效率。认知无线电技术为解决频谱资源短缺及提高频谱利用率提供了强有力的技术支撑，成为无线通信研究的热点。
发现可用频谱资源的过程称为频谱感知，频谱感知是认知无线电得以实现的关键技术之一，感知性能的好坏，会影响到整个认知无线电系统的性能。如果目标频段没有被主用户使用，但是由于虚警，认知无线电用户认为相应频段不能使用，则浪费了本可以用来进行传输的频谱资源；而如果目标频段正在被主用户使用，但是由于漏检，认知无线电用户认为相应频段可以使用，则有可能干扰主用户的通信。
多个认知无线电用户进行合作频谱感知，可以充分利用各个认知无线电用户的空间分集，从而达到更好的感知性能。由于在合作的过程中增加了额外的信息交互，合作频谱感知在获得较好的感知性能的同时，也增加了认知无线电网络的通信开销。目前常用的合作频谱感知框架中，认知无线电用户需要将本地频谱感知的结果发送给数据融合中心，当参与合作的认知无线电用户很多时，发送这些感知结果将消耗大量的带宽，甚至引起网络拥堵，干扰认知无线电网络的正常运行。因此，当认知无线电网络中存在很多用户时，让全部认知无线电用户都参与合作频谱感知是不合适的，而选择一部分用户参与合作频谱感知更为合理。
恶意用户通过模仿主用户信号的特点进行发送，使得认知无线电用户感觉频谱正在被主用户使用，从而达到其自身目的的攻击方式称为主用户仿真攻击。当认知无线电用户受到主用户仿真攻击时，与此认知无线电用户相距较近的用户也会受到影响。因此，在认知无线电用户分布密集的区域内，当存在主用户仿真攻击者时，选择空间上接近的认知无线电用户进行合作频谱感知是不明智的。空间上接近的认知无线电用户的信道条件相关性较大，其接收到的主用户或者主用户仿真攻击者的信号的相关性也较大；如果能选取在空间上相距较远的认知无线电用户，即信号相关性较小的认知无线电用户进行合作，则主用户仿真攻击所带来的影响就能得到有效的缓解。
发明内容
本发明针对认知无线电网络中可能遭受的主用户仿真攻击问题，提供一种基于认知无线电用户之间的位置相关性的合作用户选择方法，选择位置相关性较小的认知无线电用户参与合作频谱感知，以降低主用户仿真攻击对合作频谱感知性能的影响。
本发明方法中，数据融合中心根据各个认知无线电用户的地理位置，使用现有的位置相关性模型，计算每两个用户之间的位置相关性，并构建位置相关性矩阵ρ如下：
ρ =                                               
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE002
其中K表示认知无线电网络中认知无线电用户的数量，表示认知无线电用户i和认知无线电用户j之间的位置相关性。
数据融合中心根据合作频谱感知需要的用户数目Ks，依据位置相关性矩阵，选择位置相关性最小的Ks个认知无线电用户参与合作。合作用户选择的结果将由数据融合中心通过控制信道广播给所有的认知无线电用户，被选中的认知无线电用户将参与合作频谱感知。
本发明方法主要由数据融合中心执行，具体步骤为：
步骤(1)初始化位置相关性矩阵和合作用户集合；所述初始化位置相关性矩阵为数据融合中心根据各个认知无线电用户的地理位置，使用现有的位置相关性模型，计算每两个用户之间的位置相关性，并构建相关性矩阵；所述初始化合作用户集合为初始化参与合作的用户数目L为K，并将所有的K个认知无线电用户都纳入参与合作的认知无线电用户集合。
步骤(2)数据融合中心执行合作用户选择；所述数据融合中心执行合作用户选择为数据融合中心根据位置相关性矩阵和合作频谱感知需要的用户数目Ks，从所有的K个认知无线电用户中选择位置相关性最小的Ks个用户。具体方法如下：
a、数据融合中心比较当前参与合作的用户数目L和合作频谱感知需要的用户数目Ks之间的大小，若当前参与合作的用户数目L大于Ks，则执行步骤b；若当前参与合作的用户数目L小于或等于Ks，则结束此次合作用户选择过程。
b、数据融合中心在位置相关性矩阵中，找出当前参与合作的用户之间的位置相关性，并确定这些位置相关性值中的最大值，用
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE006
表示；所述
Figure 732594DEST_PATH_IMAGE006
中参数n和参与m表示在当前参与合作的用户中，用户n和用户m之间的位置相关性最大。
c、数据融合中心分别计算认知无线电用户n和认知无线电用户m与其他参与合作的认知无线电用户之间的位置相关性之和，用
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE008
表示用户n与其他参与合作的用户之间的位置相关性之和，用
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE010
表示用户m与其他参与合作的用户之间的位置相关性之和。
d、数据融合中心比较
Figure 123169DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 981534DEST_PATH_IMAGE010
的大小，若
Figure 439060DEST_PATH_IMAGE008
大于或等于
Figure 800903DEST_PATH_IMAGE010
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户n；若
Figure 951261DEST_PATH_IMAGE008
小于
Figure 218295DEST_PATH_IMAGE010
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户m。
e、数据融合中心将参与合作的用户数目L减1，并执行步骤a。
步骤(3)数据融合中心广播用户选择结果；所述数据融合中心广播用户选择结果为数据融合中心通过控制信道广播合作用户集合中的用户信息。存在于合作用户集合中的认知无线电用户将参与合作频谱感知，而不存在于合作用户集合中的认知无线电用户将不参与此合作频谱感知。
本发明方法具有以下优点：
(1) 选取位置相关性较小的认知无线电用户进行合作频谱感知，降低了主用户仿真攻击同时干扰多个认知无线电用户的概率；
(2) 增加了主用户仿真攻击者同时攻击多个认知无线电用户的难度；
(3) 方法执行简单，通用性较强。
附图说明
图1为遭受主用户仿真攻击时的认知无线电网络示意图；
图2为本发明所述的基于位置相关性的用户选择方法的执行流程图；
图3为一个认知无线电网络的用户分布图；
图4为基于位置相关性的用户选择方法选中的合作用户的分布图。
具体实施方式
下面结合附图，以阴影衰落信道下的一个具体实现为例，进一步说明本发明提出的基于位置相关性的用户选择方法的实施过程。
具体场景如图1所示，认知无线电网络由一个数据融合中心和K个认知无线电用户组成，且受到了一个主用户仿真攻击者的攻击。各个认知无线电用户接收到的主用户信号或者主用户仿真攻击者的信号，遭受的阴影衰落(用dB表示，X(dB)=10*lg(X))服从正态分布，其中主用户信号受到的阴影衰落服从均值为0且方差为的正态分布。数据融合中心和各个认知无线电用户之间通过控制信道进行消息交互。主用户发射机与各个认知无线电用户之间的距离至少为dp，且这个距离远大于各个认知无线电用户之间、认知无线电用户与主用户仿真攻击者之间的距离。
考虑路径损失和阴影衰落的影响，认知无线电用户i接收到的主用户信号功率
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE014
为：
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE016
                       (1)
其中
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE018
表示主用户发射机的发射功率，rp(i)表示第i个认知无线电用户与主用户之间的距离，表示路径衰减因子。
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE022
表示阴影衰落在认知无线电用户i处对主用户信号的衰减，
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE024
，而
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE026
服从正态分布。
的均值
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE028
和方差
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE030
如下：
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE032
                                  (2)
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE034
                (3)
本发明所述的用户选择方法主要由数据融合中心执行，具体实施主要分为三个步骤，包括初始化位置相关性矩阵和合作用户集合、合作用户选择和广播用户选择结果等。
初始化位置相关性矩阵和合作用户集合：具体实现流程如下：
1)  计算各个认知无线电用户之间的位置相关性。
数据融合中心根据现有的位置相关性模型计算各个认知无线电用户之间的位置相关性。在本实施例中，各个认知无线电用户阴影衰落的对数正态分布参数的位置相关性由如下模型计算得出：
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE036
                        (4)
其中
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE038
表示
Figure 201110052493X100002DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 761107DEST_PATH_IMAGE040
之间的相关性，di,j表示的是认知无线电用户i和认知无线电用户j之间的空间距离。表示不相关距离，其取值一般在50m至100m之间，在本实施例中
Figure 82367DEST_PATH_IMAGE042
为75m。
两个认知无线电用户收到的主用户信号之间的相关性
Figure 571117DEST_PATH_IMAGE004
为：
        (5)
2) 构建位置相关性矩阵。
数据融合中心根据公式(4)和公式(5)计算所有的K个认知无线电用户之间的空间相关性，并构建位置相关性矩阵ρ，表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
             (6)
其中表示认知无线电用户i和认知无线电用户j之间的位置相关性。
3) 初始化合作用户集合。
初始化参与合作的用户数目L为K，并将所有的K个认知无线电用户都纳入参与合作的认知无线电用户集合。
合作用户选择：图2为基于位置相关性的用户选择方法的执行流程图，具体实现流程如下：
1) 数据融合中心比较当前参与合作的用户数目L和合作频谱感知需要的用户数目Ks之间的大小，若当前参与合作的用户数目L大于Ks，则继续进行合作用户选择；若当前参与合作的用户数目L小于或等于Ks，则结束此次合作用户选择过程。
2) 在位置相关性矩阵中，找出当前的合作用户集合中每两个用户之间的位置相关性，并确定这些位置相关性值中的最大值，用表示，即在当前的合作用户集合中，用户n和用户m之间的位置相关性最大。
3) 数据融合中心分别计算认知无线电用户n和认知无线电用户m与当前合作用户集合中其他的认知无线电用户之间的位置相关性之和，分别用
Figure 949774DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 191400DEST_PATH_IMAGE010
表示。
4) 数据融合中心比较
Figure 794419DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 172311DEST_PATH_IMAGE010
的大小，若
Figure 773057DEST_PATH_IMAGE008
大于或等于
Figure 49448DEST_PATH_IMAGE010
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户n；若
Figure 393842DEST_PATH_IMAGE008
小于
Figure 954136DEST_PATH_IMAGE010
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户m。数据融合中心将参与合作的用户数目L减1，若当前参与合作的用户数目L大于Ks，则继续进行合作用户选择，否则就结束此次合作用户选择过程。
数据融合中心广播用户选择结果：数据融合中心通过控制信道广播用户选择的结果，被选中的认知无线电用户将被允许参与合作频谱感知，而未被选中的认知无线电用户将不能参与此合作频谱感知。
图3为一个区域内存在的16个认知无线电用户的分布示意图，而图4则是执行基于位置相关性的用户选择方法后，所选取的8个合作用户的分布示意图。可见，本方法能够选择空间上相距较远的认知无线电用户参与合作频谱感知。
本发明方法的应用场景不仅限于此实施例，本领域的技术人员可以通过一些改变和修改而应用于其他场景。

Claims (1)

1.一种合作频谱感知中安全的合作用户选择方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)初始化位置相关性矩阵和合作用户集合；
所述初始化位置相关性矩阵为数据融合中心根据各个认知无线电用户的地理位置，使用现有的位置相关性模型，计算每两个用户之间的位置相关性，并构建相关性矩阵；
所述初始化合作用户集合为初始化参与合作的用户数目L为K，并将所有的K个认知无线电用户都纳入参与合作的认知无线电用户集合；
步骤(2)数据融合中心执行合作用户选择；
所述数据融合中心执行合作用户选择为数据融合中心根据位置相关性矩阵和合作频谱感知需要的用户数目Ks，从所有的K个认知无线电用户中选择位置相关性最小的Ks个用户；具体方法如下：
a、数据融合中心比较当前参与合作的用户数目L和合作频谱感知需要的用户数目Ks之间的大小，若当前参与合作的用户数目L大于Ks，则执行步骤b；若当前参与合作的用户数目L小于或等于Ks，则结束此次合作用户选择过程；
b、数据融合中心在位置相关性矩阵中，找出当前参与合作的用户之间的位置相关性，并确定这些位置相关性值中的最大值，用                                               
Figure 201110052493X100001DEST_PATH_IMAGE002
表示；所述
Figure 119017DEST_PATH_IMAGE002
中参数n和参与m表示在当前参与合作的用户中，用户n和用户m之间的位置相关性最大；
c、数据融合中心分别计算认知无线电用户n和认知无线电用户m与其他参与合作的认知无线电用户之间的位置相关性之和，用
Figure 201110052493X100001DEST_PATH_IMAGE004
表示用户n与其他参与合作的用户之间的位置相关性之和，用表示用户m与其他参与合作的用户之间的位置相关性之和；
d、数据融合中心比较
Figure 210601DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 93107DEST_PATH_IMAGE006
的大小，若
Figure 258640DEST_PATH_IMAGE004
大于或等于
Figure 935609DEST_PATH_IMAGE006
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户n；若
Figure 435860DEST_PATH_IMAGE004
小于
Figure 122057DEST_PATH_IMAGE006
，则数据融合中心从合作用户集合中删除用户m；
e、数据融合中心将参与合作的用户数目L减1，并执行步骤a；
步骤(3)数据融合中心广播用户选择结果；所述数据融合中心广播用户选择结果为数据融合中心通过控制信道广播合作用户集合中的用户信息；存在于合作用户集合中的认知无线电用户将参与合作频谱感知，而不存在于合作用户集合中的认知无线电用户将不参与此合作频谱感知。
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