CN103987018A - 基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法 - Google Patents

Abstract

基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，涉及无线网络通信。提供在不影响网络的可扩展性以及通信效率的前提下应用于认知无线网络的一种基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法。首先采用源节点与认知用户随机选择信道接入的非协调跳频技术，不仅能够抵御无线网络敌意干扰攻击，同时还克服了传统跳频因需要预先分享密钥从而导致可扩展性差、安全性不高等问题；其次，引入认知用户间的协作广播机制，即让完成广播信息接收的认知用户协助源节点，向网络内剩余的认知用户转发广播信息，从而提高了认知无线网络的通信效率。

Description

基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信，特别是涉及到认知无线网络安全，尤其是涉及一种基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，无线产品开始走进千家万户，伴随着对更高速率以及更多频谱资源的需求。如今，频谱短缺已成为无线通信发展的瓶颈之一，而认知无线电(CognitiveRadio,CR)[J.Mitola,“Cognitive radio:An integrated agent architecture for software definedradio,”PhD.diss.,Royal Inst.Technol.(KTH),Stockholm,Sweden,2000.]技术能有效地提高频谱利用率。由于认知无线电采用开放式的频谱和动态接入方式，安全成为制约其发展的重要问题。在认知网络的物理层中，尽管已有的基于加密等上层安全机制依然是保障无线网络安全的核心环节，但是这些技术并没有直接解决针对无线环境的网络攻击[W.Xu,W.Trappe,Y.Zhang,and T.Wood,“The feasibility of launching and detecting jamming attacks in wirelessnetworks,”In Proc.ACM Int.Sym Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHoc),2005,pp.46–57]：具有广播特性的无线信道很容易被遭受敌意干扰攻击。其中，敌意干扰攻击是一种通过占用网络节点通信信道,使合法用户不能进行正常数据转发的拒绝服务攻击。

扩频技术被认为是一种能够有效抵御干扰、降低截获概率、提高通信系统安全性能的重要手段。该技术利用伪随机码对被传输的信号的频谱进行扩展，使之占有的带宽远远大于信号本身的带宽，并且，扩频信号本身具有不可预测性，从而使其具有很强的抵御干扰攻击的能力。[A.Goldsmith,Wireless Communications.Cambridge,U.K.:Cam-bridge Univ.Press,2005]。[Lazos L,Liu S,Krunz M.Mitigating control-channel jamming attacks in multi-channel adhoc networks[C].Proceedings of the2nd ACM Conference on Wireless Network Security,Zurich,Switzerland,2009]提出随机跳频算法抗内部干扰，同时[Liu Y,Ning P,Dai H,et al.Randomizeddifferential DSSS:Jamming-resistant wireless broadcast communication[C].Proceedings of IEEEINFOCOM,San Diego,CA,United states,2010.]提出随机微分直接扩频机制。虽然传统的扩频技术在一定程度上提高了无线通信抗干扰能力，但是由于在通信开始前发送端与接收端需设定一个共享密钥，即直接扩频的扩频码和跳频通信的跳频图案，这个需求限制了通信的扩展性，尤其在一个动态的、多干扰的网络环境，提前分配共享密钥甚至是行不通[C.Popper,M.Strasser,andS.Cap kun,“Jamming-resistant broadcast communication without sharedkeys,”In Proc.USENIX Security Symp.,Montreal,Canada,2009]，[R.A.Poisel，“ModernCommunications Jamming Principles and Techniques”,Norwood,MA:Artech House,2006]。

为了克服传统跳频技术的不足，Leemon[L.Baird,W.Bahn,M.Collins,M.Carlisle,and S.Butler,“Keyless jam resistance,”In Proc.IEEE Inf.Assurance and Security Workshop,2007,pp.143–150]。[M.Strasser,C.Popper,S.Capkun,and M.Cagalj,“Jamming-resistant key establishmentusing uncoordinated frequency hopping,”In Proc.IEEE Symp.Security and Privacy,2008,64–78]率先提出无需共享密钥的跳频方案，通过定义一种能够结合按位或的码字，然后进行有效、可靠的解码，则提出非协调跳频技术来打破传统跳频技术中抗敌意干扰与共享密钥之间的依赖关系。在非协调跳频通信中，源节点与接收节点采取随机信道接入的方式，当接收节点与源节点接入到相同信道时，广播数据包被接收。但这样的随机信道接入降低了系统的通信效率。[M.Strasser,C.Popper,and S.Capkun,“Effi cient uncoordinated FHSS anti-jammingcommunication,”In Proc.ACM Int.Symp.Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHoc),New Orleans,LA,2009]，在非协调跳频技术中加入差错控制编码以及单向认证，提高了通信效率。

发明内容

本发明的目的是提供在不影响网络的可扩展性以及通信效率的前提下应用于认知无线网络的一种基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法。

本发明包括以下步骤：

1)认知源节点将广播信息分成等长度的数据包；

2)认知源节点检测主用户未使用的频段；

3)认知源节点从主用户未使用频段内随机选择一个信道接入；

4)认知源节点随机选择一个数据包广播发送；

5)认知源节点判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束广播通信，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤3)；

6)认知用户检测主用户未使用频段；

7)认知用户从主用户未使用的频段内随机选取一个信道接入；

8)认知用户在信道停留时间内持续监听信道；

9)信道停留时间内是否检测到广播数据包，若是，则将广播广播数据包传至信息认证模块，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

10)信息认证模块判定该广播数据包是否初次到达，若是，则将广播数据包传至信息重组模块，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

11)信息重组模块判定是否已接收到完整广播信息，若是，则向认知网络内所有认知用户广播含本节点信息的ACK信号，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

12)判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束通信，否则启动中继模式；

13)中继模式下，认知用户将接收到的完整广播信息分成等长度的数据包；

14)认知用户从主用户未使用频段内随机选择一个信道接入；

15)认知用户随机选择一个数据包从该信道广播发送；

16)认知用户判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束通信，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤14)。

在步骤1)中，所述数据包主要包括数据包编号、数据包总数、数据内容三部分，所述数据包编号与数据包总数用于认知用户实现广播信息重组。

在步骤2)中，所述认知源节点采用频谱感知技术检测未被主用户使用的频段。

在步骤3)中，所述信道是指未被主用户使用的频段内以8MHz为频率间隔分离所得频点集合中的任意一点。

在步骤5)中，所述信道停留时间指的是认知源节点两次信道切换之间的时间间隔。

在步骤9)中，所述信息认证模块根据数据包的编号判断该数据包是否是初次到达，丢弃非初次到达的数据包并在在信道停留时间结束后重新启动新的一轮接收。

在步骤11)中，所述ACK信号包含用户地址、广播信息编号以及时间戳，认知用户根据接收到的ACK个数判断认知网络内是否所有认知用户都已完成广播信息接收。

在步骤13)中，所述数据包与源节点发送的数据包格式一致。

本发明首先采用源节点与认知用户随机选择信道接入的非协调跳频技术，不仅能够抵御无线网络敌意干扰攻击，同时还克服了传统跳频因需要预先分享密钥从而导致可扩展性差、安全性不高等问题；其次，引入认知用户间的协作广播机制，即让完成广播信息接收的认知用户协助源节点，向网络内剩余的认知用户转发广播信息，从而提高了认知无线网络的通信效率。

与现有的方法(指背景技术中所述的方法)不同，本发明提出了一种基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法：认知源节点与认知用户间无需预先共享跳频图案等物理层密钥，在主用户未使用的频段内，认知用户采取随机信道接入的方式完成抗敌意干扰的跳频广播通信；接收到完整广播信息的认知用户转发数据包实现协作广播通信。因此，本发明在解决了传统抗敌意干扰方法可扩展性差、安全性不高等问题的同时，还保证了网络具有较高的通信效率。

附图说明

图1为认知源节点广播方法流程图。

图2为认知用户接收、中继方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

跳频通信(Frquency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)是一种传统的抗敌意干扰攻击技术，通过分析其技术可知，传统的跳频通信在通信开始前需要在源节点与接收节点间预先共享跳频图案等密钥，这个需求一方面不利于网络的扩展；另一方面网络容易因共享密钥泄露而遭受大范围的敌意干扰攻击。因此，在维持传统跳频技术其他方面性能的同时，实现无需预先共享密钥且保持较高通信效率的跳频通信成为了抗敌意干扰技术的关键。下面将结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行完整的描述。

1.如图1所示，认知源节点将广播信息分成长度为1024bit的数据包，定义信道停留时间为0.02s以及信道之间的频率间隔为8MHz

2.认知源节点检测未被占用的频段并根据定义好的频率间隔确定所有可用信道

3.认知源节点随机选择一个信道接入，并随机选择一个数据包在此信道发送

4.认知源节点在信道停留时间结束且认知网络内还有节点未完成广播信息接收的前提下，重新启动新的一轮数据包发送

5.如图2所示，认知用户检测未被主用户使用频段，然后从主用户未使用的频段内随机选择信道接入并持续监听。若在信道停留时间内检测到广播数据包，则将其传至信息认证模块

6.信息认证模块根据数据包提供的编号，判定该数据包是否初次到达，若是，则传至信息重组模块，否则丢弃并在信道停留时间结束后重新启动新的一轮接收

7.信息重组模块，完成如下操作：首先，按照数据包编号将数据块存储至对应的空间；其次，判断M个数据包是否都已接收，若是，则停止接收并发送一个ACK信号，否则在信道停留时间结束后重新启动新的一轮接收；最后，认知用户根据接收ACK个数判断认知网络内是否还有用户未完成广播信息接收，若是，则启动中继模式，否则结束通信

7.认知用户在中继模式，采取与认知源节点相同的方式转发广播信息

8.认知用户在确定认知网络内所有用户都已完成广播信息接收的条件下结束中继模式。

本发明提供一种新的应用于认知无线网络的抗敌意干扰广播方法。基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，在检测到的未被主用户使用的频段内，认知源节点与认知用户周期性地随机选取信道接入，在同一时刻当二者接入到相同信道时完成数据包传输，接收到完整广播信息的认知用户转发数据包实现协作广播通信，通过这样快速地信道切换实现抗敌意干扰广播通信。与现有同类产品或方法比较，本发明所实现的抗敌意干扰广播方法无需认知源节点与认知用户间预先共享跳频图案等物理层密钥，提高了认知网络的可扩展性以及安全性；此外，引入认知用户间的协作广播机制有利于改善认知网络的通信效率。

Claims (9)

1.基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于包括以下步骤：

1)认知源节点将广播信息分成等长度的数据包；

2)认知源节点检测主用户未使用的频段；

3)认知源节点从主用户未使用频段内随机选择一个信道接入；

4)认知源节点随机选择一个数据包广播发送；

5)认知源节点判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束广播通信，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤3)；

6)认知用户检测主用户未使用频段；

7)认知用户从主用户未使用的频段内随机选取一个信道接入；

8)认知用户在信道停留时间内持续监听信道；

9)信道停留时间内是否检测到广播数据包，若是，则将广播广播数据包传至信息认证模块，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

10)信息认证模块判定该广播数据包是否初次到达，若是，则将广播数据包传至信息重组模块，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

11)信息重组模块判定是否已接收到完整广播信息，若是，则向认知网络内所有认知用户广播含本节点信息的ACK信号，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤7)；

12)判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束通信，否则启动中继模式；

13)中继模式下，认知用户将接收到的完整广播信息分成等长度的数据包；

14)认知用户从主用户未使用频段内随机选择一个信道接入；

15)认知用户随机选择一个数据包从该信道广播发送；

16)认知用户判断是否所有认知用户都已收到完整广播信息，若是，则结束通信，否则在信道停留时间结束后重新回到步骤14)。

2.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤1)中，所述数据包包括但不限于数据包编号、数据包总数、数据内容。

3.如权利要求2所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于所述数据包编号与数据包总数用于认知用户实现广播信息重组。

4.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤2)中，所述认知源节点采用频谱感知技术检测未被主用户使用的频段。

5.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤3)中，所述信道是指未被主用户使用的频段内以8MHz为频率间隔分离所得频点集合中的任意一点。

6.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤5)中，所述信道停留时间指的是认知源节点两次信道切换之间的时间间隔。

7.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤9)中，所述信息认证模块根据数据包的编号判断该数据包是否是初次到达，丢弃非初次到达的数据包并在在信道停留时间结束后重新启动新的一轮接收。

8.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤11)中，所述ACK信号包含用户地址、广播信息编号以及时间戳，认知用户根据接收到的ACK个数判断认知网络内是否所有认知用户都已完成广播信息接收。

9.如权利要求1所述基于非协调跳频的认知无线网络抗敌意干扰协作广播方法，其特征在于在步骤13)中，所述数据包与源节点发送的数据包格式一致。