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认知无线网络频谱感知安全算法研究

张珣  
【摘要】:作为一种新兴无线通信技术,认知无线电(Cognitive Radio,CR)通过采取动态频谱共享策略,改善了频谱资源浪费现象,有效提高了频谱使用效率。然而由于无线电磁环境的开放特性,频谱感知作为CR的实现前提,面临着极其恶劣的安全威胁,部分感知节点通过采取多种攻击模式对感知系统发起攻击,大幅度削弱了系统的整体可靠性。本文从以下三个方面针对感知安全问题中的频谱感知伪造数据攻击(Spectrum Sensing Data Falsification,SSDF)的检测与防御机制进行了优化设计:首先,提出了基于综合信誉值的安全协同频谱感知算法。融合中心为感知节点分配综合信誉值以评估其感知可靠性,同时提出惩罚策略来修正综合信誉值,在惩罚策略中引入奖励与惩罚因子以激励用户进行真实感知。算法主要目标是减轻恶意用户的攻击行为对协同感知系统的不良影响,确保全局判决的持续正确性。仿真结果验证了提出算法具有稳健性与有效性,在认知无线网络恶意节点所占比例逐渐增大且其采用复杂攻击行为策略时,系统感知的性能仍保持在较高水平。其次,提出了基于证据推理与可信度计算的协同频谱感知算法。在基本信任分配步骤中引入投影近似法,以调整证据推理使其适用于频谱感知中的二元假设检验,在减少报告信道中传输数据量的同时减轻了融合中心的工作负担。融合中心整体性地考虑感知节点的实时可靠性与统计信誉值,根据为感知节点分配的可信度对其感知可靠性进行评定,将低可信度感知节点排除在证据融合判决步骤之外。仿真实验证明,提出算法可以成功防御复杂SSDF攻击模式的恶劣影响,且实现了较好的性能增益。最后,提出了基于双层防御机制的协同频谱感知算法,包括基于证据推理与可信度的首层防御机制与基于信誉度的次层防御机制。首层防御机制通过对簇内感知节点的可信度计算来评估其感知可靠性;次层防御机制通过对各簇簇头的信誉度计算以评定其上报数据的可信性。仿真实验证明,双层防御机制有效抵御了恶意节点采取单一攻击策略与组合攻击策略的频谱感知数据篡改攻击,在保护CR网络不受恶意攻击侵犯的同时确保了融合中心全局判决的正确性。


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