CN107623554B - 一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络

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。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的频谱感知方法存在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，数据差异完全可能导致整个判决结果的错误的问题；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，增大系统的错误检测概率和虚警概率，严重影响感知数据判决的准确性，导致判决结果错误。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于信任值的协作频谱感知方法、认知无线网络。

本发明是这样实现的，一种基于信任值的协作频谱感知方法，所述基于信任值的协作频谱感知方法包括：网络启动后，网络中各次级用户和融合中心感知环境参数，对系统所需的各参数进行初始化；融合中心计算平均信噪比、虚警概率、路径损耗参数、检测概率、比特平均信噪比，一个比特错误概率，上报正确感知结果的概率；融合中心确定时间窗口大小，选择信任值门限；融合中心选定时间窗口和信任门限；次级用户向融合中心上报频谱感知结果；计算每个次级用户的信任值；对每个次级用户的信任值与信任门限比较进行判断；判断参与协作频谱感知的次级用户集合的元素的数量与诚实用户集合的元素数量的差值；融合中心进行频谱感知结果判定，得到最终的判决结果。

进一步，所述基于信任值的协作频谱感知方法包括以下步骤：

步骤一，网络中各次级用户和融合中心对以下环境参数进行感知：授权主用户PU的发射功率ρ_PU、次级用户SU_i的发射功率ρ_i、主用户PU和次级用户SU_i之间的距离d_p、次级用户SU_i与融合中心之间的距离d_i、路径损耗常数κ、路径损耗指数μ、能量检测门限λ和高斯噪声的方差σ²；其中i＝1,2,…,N，N表示参与协作频谱感知的次级用户总数；融合中心计算平均信噪比

虚警概率P_f、路径损耗h_PU和检测概率P_d：融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户SU_i接收到主用户PU信号的平均信噪比

虚警概率P_f、主用户PU和次级用户SU_i之间的路径损耗h_PU和检测概率P_d进行计算；融合中心计算路径损耗h_i、比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i：融合中心分别对非理想公共控制信道下融合中心和次级用户SU_i之间路径损耗h_i、融合中心和次级用户SU之间的比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i进行计算；融合中心估计上报正确感知结果的概率p_H和P_H,i：融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率p_H和非理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率P_H,i进行估计；

步骤二，融合中心确定计算次级用户信任值的时间窗口T_w；融合中心分别为每个次级用户SU_i(i＝1,2,…,N)，选择信任值门限η_i；

步骤三，选定时间窗口T_w和信任门限η_i，初始化诚实用户集合

次级用户在每个时间窗口T_w开始时通过能量感知方法得到感知频段的数据，并通过将自身的感知数据与能量门限λ比较进行硬判决，得到自身的判决“0”、“1”结果，并上报融合中心，“0”表示感知频段空闲，“1”表示感知频段正在被授权用户使用；在每个时间窗口T_w结束时，对于次级用户

融合中心计算其信任值r_i；融合中心将每个次级用户SU_i的信任值r_i与信任门限η_i进行比较，若r_i＜η_i，则感知用户SU_i为恶意攻击者，并更新诚实用户集合

“/”表示将感知用户SU_i从诚实用户集合

中剔除；判断参与协作频谱感知的次级用户集合

的元素的数量

与诚实用户集合

的元素数量

的差值：融合中心判断若|

成立，则进行下一步，否则网络运行商终止网络运行，并对每个认知节点进行排查，其中Δ表示差值门限；融合中心在下一个时间窗口T_w根据次级用户上报的感知结果与该用户的信誉值用多数加权方法进行数据融合，得到最终的结果S。

进一步，融合中心计算平均信噪比

虚警概率P_f、主用户PU和次级用户SU_i之间的路径损耗h_PU和检测概率P_d的方法是：

其中w表示时间带宽积，Γ()表示伽马函数，Γ(,)表示不完全伽马函数。

进一步，融合中心计算路径损耗h_i、比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i的方法是：

进一步，融合中心估计上报正确感知结果的概率p_H和P_H,i的方法是：

p_H＝P_BP_d+P_I(1-P_f)；

其中P_B表示的是主用户PU在授权频段传输信号的概率，P_I表示主用户PU不在授权频段传输信号的概率，P_I＝1-P_B；

进一步，融合中心确定时间窗口T_w大小的方法是：

进一步，融合中心选择信任值门限η_i是指η_i满足：

其中erfc(x)为互补误差函数，

∈表示误码率。

进一步，融合中心计算每个次级用户SU_i的信任值r_i的方法是：

其中τ_i表示在时间窗口T_w内次级用户SU_i上报频谱感知结果与融合中心最终判决一致的次数。

进一步，融合中心进行频谱感知结果判定，得到最终的结果S的方法是：

其中ld_i表示次级用户SU_i本地的频谱感知判决结果，ld_i∈{0,1}；若S＜0，则融合中心的判决结果为“1”，即感知信道占用；否则判决结果为“0”，感知信道空闲。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于信任值的协作频谱感知方法的认知无线网络。

本发明的优点及积极效果为：根据各次各级用户所在的位置，并结合信道衰落情况，为每个用户独立分配信任值，克服了全局用户初始化同一信任值的不足。可以在非理想的公共控制信道攻击者数量少于系统总用户数一半进行合谋攻击的情况下以接近于1.0的检测概率检测出攻击者，而前文提到Hyder C S等人的检测方案在这种情况下的检测出攻击者的概率只有0.6左右，有效的保证融合中心最终判决结果的准确性，避免可用频段的浪费，防止对授权主用户正常通信的干扰。本发明可以在非理想公共控制信道的场景下根据次级用户的信任值判断其是否为恶意用户，剔除错误的感知数据，使认知无线网络频谱感知的数据更加准确可靠。

本发明在次级用户向融合中心上报感知数据的过程中，考虑了数据在信道传输的出错问题，克服了现有技术中假设控公共控制信道是理想信道，未考虑到在实际数据传输过程中的出错问题；并且在恶意攻击者攻击模型方面，考虑了在实际应用场景中的多个攻击者非合谋攻击、合谋攻击和合谋与非合谋的混合攻击，可以在非理想公共控制信道攻击者发动各种攻击方式的情况下，将系统的错误判决概率降低到在0.02左右，而前文提到Hyder C S等人的方案在这种情况下的错误判决概率在0.1左右，克服了现有技术中对公共控制信道理想和攻击者攻击方式单一假设的不足，使得本发明提高了实用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于信任值的协作频谱感知方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于信任值的协作频谱感知方法的应用场景示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能在非理想的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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于信任值的协作频谱感知方法包括以下步骤：

S101：网络中各次级用户和融合中心对环境参数进行感知环境参数；融合中心计算平均信噪比、虚警概率、路径损耗参数、检测概率、比特平均信噪比，一个比特错误概率，上报正确感知结果的概率；

S102：融合中心确定时间窗口大小；选择信任值门限；

S103：选定时间窗口和信任门限；次级用户向融合中心上报频谱感知结果；计算每个次级用户的信任值；对每个次级用户的信任值与信任门限比较进行判断；判断参与协作频谱感知的次级用户集合的元素的数量与诚实用户集合的元素数量的差值；融合中心进行频谱感知结果判定，得到最终的判决结果。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明的应用场景为中心式认知无线网络，网络中次用户处于同一地理位置中的一个主用户PU信号覆盖范围内，同时存在诚实次级用户SU和恶意次级用户MSU进行协作频谱感知，次级用户采用能量感知的方法感知频段，在本地与噪声门限进行比较后将判决结果上报融合中心FC，融合中心FC根据各用户上报的判决结果对感知信道的占用情况做出最终的判决。

本发明实施例提供的基于信任值的协作频谱感知方法包括以下步骤：

一、系统初始化：

步骤1.1：感知环境参数：

网络中各次级用户和融合中心对以下环境参数进行感知：授权主用户PU的发射功率ρ_PU、次级用户SU_i的发射功率ρ_i、主用户PU和次级用户SU_i之间的距离d_p、次级用户SU_i与融合中心之间的距离d_i、路径损耗常数κ、路径损耗指数μ、能量检测门限λ和高斯噪声的方差σ²；其中i＝1,2,…,N，N表示参与协作频谱感知的次级用户总数；

步骤1.2：融合中心计算平均信噪比

虚警概率P_f、路径损耗h_PU和检测概率P_d：

基于已经确定的参数，融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户SU_i接收到主用户PU信号的平均信噪比

虚警概率P_f、主用户PU和次级用户SU_i之间的路径损耗h_PU和检测概率P_d进行计算，计算方法如下：

其中w表示时间带宽积，Γ()表示伽马函数，Γ(,)表示不完全伽马函数，其他参数含义与1.1中相同；

步骤1.3：融合中心计算路径损耗h_i、比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i：

由1.1和1.2确定的参数，融合中心分别对非理想公共控制信道下融合中心和次级用户SU_i之间路径损耗h_i、融合中心和次级用户SU之间的比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i进行计算，计算方法如下：

步骤1.4：融合中心估计上报正确感知结果的概率p_H和P_H,i：

由给定和已经计算出的参数，融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率p_H和非理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率P_H,i进行估计，估计方法如下：

p_H＝P_BP_d+P_I(1-P_f)；

其中P_B表示的是主用户PU在授权频段传输信号的概率，P_I表示主用户PU不在授权频段传输信号的概率，即P_I＝1-P_B；

二、选择信任值门限

步骤2.1：确定时间窗口大小：

融合中心确定计算次级用户信任值的时间窗口T_w，其确定方法如下：

步骤2.2：选择信任值门限：

融合中心分别为每个次级用户SU_i(i＝1,2,…,N)，选择信任值门限η_i，其选择方法如下：

其中erfc(x)为互补误差函数，

∈表示误码率。

三、协作频谱感知与恶意攻击者检测

步骤3.1：选定时间窗口T_w和信任门限η_i，初始化诚实用户集合

融合中心由二、选择信任值门限步骤中得到时间窗口T_w和信任门限η_i的值，并且初始化诚实用户集合

表示参与协作频谱感知的次级用户集合；

步骤3.2：次级用户向融合中心上报频谱感知结果：

次级用户在每个时间窗口T_w开始时通过能量感知方法得到感知频段的数据，并通过将自身的感知数据与能量门限λ比较进行硬判决，得到自身的判决“0”、“1”结果，并上报融合中心，“0”表示感知频段空闲，“1”表示感知频段正在被授权用户使用；

步骤3.3：计算每个次级用户SU_i的信任值r_i：

在每个时间窗口T_w结束时，对于次级用户

融合中心计算其信任值r_i，其计算方法如下：

其中τ_i表示在时间窗口T_w内次级用户SU_i上报频谱感知结果与融合中心最终判决一致的次数。

步骤3.4：对每个次级用户SU_i的信任值r_i进行判断：

融合中心将每个次级用户SU_i的信任值r_i与信任门限η_i进行比较，若r_i＜η_i，则感知用户SU_i为恶意攻击者，并更新诚实用户集合

“/”表示将感知用户SU_i从诚实用户集合

中剔除；

步骤：3.5判断参与协作频谱感知的次级用户集合

的元素的数量

与诚实用户集合

的元素数量

的差值；

融合中心判断若

成立，则转至3.6，否则网络运行商终止网络运行，并对每个认知节点进行排查，其中Δ表示差值门限；

步骤：3.6融合中心进行频谱感知结果判定，得到最终的判决结果S：

融合中心在下一个时间窗口T_w根据次级用户上报的感知结果与该用户的信誉值用多数加权方法进行数据融合，得到最终的结果S，并且返回3.1进行下一轮协作频谱感知，最终的结果S的计算方法如下：

其中ld_i表示次级用户SU_i本地的频谱感知判决结果，ld_i∈{0,1}；若S＜0，则融合中心的判决结果为“1”，即感知信道占用；否则判决结果为“0”，感知信道空闲。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于信任值的协作频谱感知方法，其特征在于，所述基于信任值的协作频谱感知方法包括以下步骤：

步骤一，网络中各次级用户和融合中心对以下环境参数进行感知：授权主用户PU的发射功率ρ_PU、次级用户SU_i的发射功率ρ_i、主用户PU和次级用户SU_i之间的距离d_p、次级用户SU_i与融合中心之间的距离d_i、路径损耗常数κ、路径损耗指数μ、能量检测门限λ和高斯噪声的方差σ²；其中i＝1,2,…,N，N表示参与协作频谱感知的次级用户总数；融合中心计算平均信噪比

虚警概率P_f、路径损耗h_PU和检测概率P_d：融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户SU_i接收到主用户PU信号的平均信噪比

虚警概率P_f、主用户PU和次级用户SU_i之间的路径损耗h_PU和检测概率P_d进行计算；融合中心计算路径损耗h_i、比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i：融合中心分别对非理想公共控制信道下融合中心和次级用户SU_i之间路径损耗h_i、融合中心和次级用户SU之间的比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i进行计算；融合中心估计上报正确感知结果的概率p_H和P_H,i：融合中心分别对理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率p_H和非理想公共控制信道下的次级用户上报正确感知概率P_H,i进行估计；

步骤二，融合中心确定计算次级用户信任值的时间窗口T_w；融合中心分别为每个次级用户SU_i(i＝1,2,…,N)，选择信任值门限η_i；

步骤三，选定时间窗口T_w和信任门限η_i，初始化诚实用户集合

次级用户在每个时间窗口T_w开始时通过能量感知方法得到感知频段的数据，并通过将自身的感知数据与能量门限λ比较进行硬判决，得到自身的判决“0”、“1”结果，并上报融合中心，“0”表示感知频段空闲，“1”表示感知频段正在被授权用户使用；在每个时间窗口T_w结束时，对于次级用户

融合中心计算其信任值r_i；融合中心将每个次级用户SU_i的信任值r_i与信任门限η_i进行比较，若r_i＜η_i，则感知用户SU_i为恶意攻击者，并更新诚实用户集合

“/”表示将感知用户SU_i从诚实用户集合

中剔除；判断参与协作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

的差值：融合中心判断若

成立，则进行下一步，否则网络运行商终止网络运行，并对每个认知节点进行排查，其中Δ表示差值门限；融合中心在下一个时间窗口T_w根据次级用户上报的感知结果与该用户的信誉值用多数加权方法进行数据融合，得到最终的结果S；

融合中心计算平均信噪比

虚警概率P_f、主用户PU和次级用户SU_i之间的路径损耗h_PU和检测概率P_d指的是：

其中w表示时间带宽积，Γ()表示伽马函数，Γ(,)表示不完全伽马函数；

融合中心计算路径损耗h_i、比特平均信噪比

和一个比特错误概率P_e,i指的是：

融合中心估计上报正确感知结果的概率p_H和P_H,i指的是：

p_H＝P_BP_d+P_I(1-P_f)；

其中P_B表示的是主用户PU在授权频段传输信号的概率，P_I表示主用户PU不在授权频段传输信号的概率，P_I＝1-P_B；

融合中心确定时间窗口T_w大小指的是：

融合中心选择信任值门限η_i指的是η_i满足：

其中erfc(x)为互补误差函数，

∈表示误码率；

融合中心计算每个次级用户SU_i的信任值r_i指的是：

其中τ_i表示在时间窗口T_w内次级用户SU_i上报频谱感知结果与融合中心最终判决一致的次数；

融合中心进行频谱感知结果判定，得到最终的结果S指的是：

其中ld_i表示次级用户SU_i本地的频谱感知判决结果，ld_i∈{0,1}；若S＜0，则融合中心的判决结果为“1”，即感知信道占用；否则判决结果为“0”，感知信道空闲。

2.一种应用权利要求1所述基于信任值的协作频谱感知方法的认知无线网络。

Images