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协作频谱感知安全策略的研究

吴俊  
【摘要】:认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术在不干扰主用户(Primary User,PU)的前提下,允许从用户(Secondary User,SU)机会地接入到空闲频谱中。相较于固定频谱分配方案,认知无线电使动态频谱分配策略的实现成为了可能,大大提高了频谱利用率、解决了频谱短缺问题。作为认知无线电网络(Cognitive Radio Networks,CRNs)中的关键技术,频谱感知负责检测是否有可用频谱。为了克服无线信道的阴影衰落、多径效应和接收机的不确定性问题,协作频谱感知(Cooperative Spectrum Sensing,CSS)利用多用户空间分集进一步提高了频谱检测性能。与此同时,由于认知无线电网络的开放性,也使得协作频谱感知受到诸多安全问题的威胁,尤其是拜占庭攻击,导致频谱感知性能下降,不仅造成频谱资源的浪费,还会给主网络造成干扰。本学位论文深入地分析了认知无线电网络中拜占庭攻击对协作频谱感知的影响,在保证协作频谱感知安全的同时,提高频谱感知性能和效率。主要包括:拜占庭攻击对协作频谱感知性能的影响分析;基于序贯检验的安全协作频谱感知方法;协作频谱感知中的拜占庭攻击策略;协作频谱感知中基于博弈论的拜占庭防御策略。论文的研究工作主要如下:1.针对拜占庭攻击对协作频谱感知性能的影响,分别推导出了用户特性和拜占庭攻击下的性能表达式,提出了基于动态双阈值能量检测(Dynamic Double Threshold Energy Detection,DDTED)的性能优化方案和基于双阶信用阈值(Two-Stage Credit Threshold,TSCT)的抗拜占庭攻击方法。首先分析了不存在恶意用户(Malicious User,MU)时,空时认知无线电网络中用户特性(包括从用户的移动性和感知范围以及主用户活动和保护范围)对协作频谱感知性能的影响,在双阈值能量检测的基础上提出了DDTED方案,通过动态阈值因子对协作频谱感知性能进行优化。其次,分析了存在恶意用户时网格认知无线电网络中拜占庭攻击对协作频谱感知性能的影响,针对不同的攻击场景,提出了TSCT方法,利用从用户接收到的信号强度(Received Singal Strength,RSS)、位置信息和信用度进行一致性检验,进而在从用户阶段和小区阶段逐步剔除恶意用户。最后,仿真结果显示了用户特性和拜占庭攻击对协作频谱感知性能的不同影响;相较于没有优化的方案,DDTED方案对协作频谱感知性能有明显的优化效果,TSCT方法也优于当前其他抗拜占庭攻击的方法。2.针对协作频谱感知中复杂的恶意行为,建立了基于硬融合技术的通用拜占庭攻击模型,提出了基于序贯检验的安全协作频谱感知方案,不仅提高了协作频谱感知性能,而且减少了样本数。首先通过分析协作频谱感知过程中的恶意行为,建立了基于硬融合技术的通用拜占庭攻击模型,分析了拜占庭攻击有可能使融合中心(Fusion Center,FC)盲的问题,并推导出了盲的条件。其次,通过对传统数据融合技术的详细分析,提出了基于序贯检验的安全协作频谱感知方案,该方案利用数据传输机制检验本地感知结果的一致性,解决了融合中心不可靠的问题,通过一个新型的权重分配方法重新利用拜占庭感知信息,并根据信用度高低进行序贯检验。最后,仿真结果表明序贯协作频谱感知(Sequential Cooperative Spectrum Sensing,SCSS)方案相较于传统的数据融合技术不仅保证了协作频谱感知的安全性,而且只需要少量的判决样本数就能做出更准确的全局判决,即使在拜占庭攻击策略满足盲的条件亦是如此。3.针对协作频谱感知中策略性的拜占庭攻击,确定了不同融合规则下恶意用户最大化贝叶斯风险的最优攻击策略,并在基于软融合技术的通用拜占庭攻击模型中研究了拜占庭攻击折中和攻击风险问题。首先在硬拜占庭攻击模型基础上分析了恶意用户在未知、多数融合规则下分别实现最大化本地、全局贝叶斯风险的最优攻击策略。其次,考虑到融合中心利用估计算法估计拜占庭攻击策略,并通过最优融合规则最小化全局贝叶斯风险,分析了最优融合规则下恶意用户通过最优的攻击策略最大化全局贝叶斯风险,并给出了最优攻击策略的闭合表达式。此外,在基于软融合技术的通用拜占庭攻击模型中考虑了虚警攻击和漏检攻击的成本和收益问题,推导了出两种攻击折中问题,并从数学上证明了攻击折中的存在。最后,数值仿真结果验证了对于拜占庭攻击策略的理论分析和估计算法,通过基于信用度的频谱感知算法评估了攻击风险。4.针对协作频谱感知中拜占庭攻击和防御的动态过程,提出了拜占庭攻击和防御的非合作博弈框架,确定了与收益比和惩罚率有关的纳什均衡(Nash Equilibrium,NE),有效地防御了拜占庭攻击,节省了防御成本。首先根据认知无线电网络中周期性频谱帧结构,分析了协作频谱感知过程中拜占庭攻击和防御策略,定义了相应的成本和收益,将它们进一步引入到博弈论中。随后,在非合作博弈框架下,根据双方的策略以及收益分析了各自的最优反应,确定了不同情况下与收益比和惩罚率有关的NE。最后,通过数值仿真结果分析了收益比和惩罚率对拜占庭攻击和防御的动态博弈过程的影响,证实了博弈论方法可以有效地防御拜占庭攻击,节省防御成本。


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