协作频谱感知安全问题研究

◆刘东生 韩肃霜

协作频谱感知安全问题研究

◆刘东生1韩肃霜2

（1.中国人民解放军91977部队 北京 100036；2.北部战区海军参谋部 山东 266000）

针对认知无线电网络中协作频谱感知中安全问题，分析了模拟“主用户”PUE和篡改感知数据SSDF两种攻击方式，重点研究了SSDF攻击下的协作频谱感知安全方案。在比较现有抗SSDF攻击方案协作感知性能的基础上，提出了基于四门限决策的改进型WSPRT。结果表明，改进型WSPRT方案相比于传统方案，具有更好的协作感知性能。

认知无线电；协作频谱感知；篡改感知数据

认知无线电（Cognitive Radio，CR）技术为解决频谱短缺问题指明了一个研究方向，频谱感知作为实现CR技术的先决条件，面临的安全威胁概括为两个方面：模拟“主用户”（Primary User Emulation，PUE）攻击和篡改感知数据（Spectrum Sensing Data Falsification，SSDF）攻击[1]。

在PUE攻击中，非法用户通过模仿“主用户”信号特征发送CR信号，导致合法的认知用户在对“主用户”信号进行检测时产生误判，对频谱感知过程造成严重干扰，会显著降低合法用户的可用频谱资源。PUE攻击又分为自私攻击和恶意攻击两种形式。自私攻击是指非法用户先检测发现空闲频谱，再伪装成“主用户”发射其特征信号，达到阻止其他次用户竞争该频段的目的，最后实现独享该频谱资源。恶意攻击则是非法用户在多个频段上以轮询方式发动PUE攻击，严重阻塞信道的频谱接入，造成拒绝服务，甚至迫使CR网络瘫痪。通常来说，由于“主用户”发射机的发射功率远远大于次用户发射机，目前针对该攻击的解决方案相对成熟[2]。

相比于对抗PUE攻击，抗SSDF攻击更具难度。SSDF攻击主要利用协作信息融合中心在处理协作信息时，无区别对待各个协作节点感知结果的特点，发送错误感知数据来误导协作感知的最终判决，特别是非法用户数量较多时，协作感知性能会受到严重影响。为此，文献[1]通过引入序贯概率比检验和信任度加权方法，区分各个节点的感知结果，通过筛选将非法用户从协作用户中剔除，从而有效对抗SSDF攻击。文献[3]利用中位数不易受极端感知数据影响的特点，提出一种基于中位数算法的抗SSDF攻击算法。文献[4]结合双门限能量检测算法和“过零检测算法”，提升了筛选可靠性，降低了虚警概率和错误感知概率。文献[5]则提出一种基于数据挖掘的异常用户检测筛选算法。文献[6]加权序贯概率比检验（Weighed Sequential Probability Ratio Test，WSPRT）算法则是根据先验概率和置信度权值更新算法，对各个节点信任度进行加权，采用序贯检测的方法不断降低非法节点的权重值，区分出“非法”节点。文献[7]提出一种改进型的加权序贯概率比检验（EWSPRT）方案，通过优化权值更新策略进一步提高了检测性能。

本文主要研究了Ad hoc CR网络在SSDF攻击下的分布式协作感知性能。系统性分析了SSDF攻击下，OR、AND、Majority、似然比检测LRT、WSPRT以及改进型WSPRT方案的协作频谱感知性能，研究结果表明改进型WSPRT方案相比于传统方案，具有更好的协作感知性能，可为协作频谱感知安全问题的研究提供理论参考。

1 抗SSDF攻击典型方案

2 改进WSPRT算法方案

表1 距离的具体算法（假设）

表2 距离的具体算法（假设）

3 实验

3.1 实验设计

图1 网络应用场景图

3.2 实验结果分析

图2所示，在OR和AND这两个单一准则下CR网络节点协作感知性能较差，错误检测概率很高，尤其是OR原则，达到了80%的“错检率”，而采用复合原则的Majority、LRT以及WSPRT三个方案明显优于OR和AND方案，尤其是WSPRT方案，虽然随着非法攻击节点数量的增加，三种方案的协作感知性能均呈下降趋势，但WSPRT方案因采用了“多次权值”更新策略，性能降低幅度最小。

图2 SSDF攻击下几种协作方案的性能比较

调整系统参数，可仿真分析Majority准则、LRT以及WSPRT三种方案的各自优缺点和适用范围。Majority准则在合法用户占多数时，能有效对抗SSDF攻击，但接收信噪比的降低对感知性能影响很大；LRT的检测性能较好，即使在低信噪比下仍有较好的性能，但随着非法用户增多，性能下降明显，此外，LRT算法需要处理传输范围内所有节点，数据开销较大，感知时间较长。WSPRT通过置信度权值更新策略及时剔除非法用户，非法用户数量的增加对感知性能影响较小。

图3 传统WSPRT和改进WSPRT方案性能比较

进一步比较WSPRT方案和改进型WSPRT方案下的协作感知性能。由图3可知，总体而言，改进型WSPRT方案的协作感知性能要优于传统WSPRT方案，错误检测概率性能平均提升约35%，采用非线性算法更新权重值，能够进一步提升新方案的协作感知性能，错误检测概率性能平均提升约45%。

4 总结

本文主要研究了SSDF攻击条件下的协作感知安全问题。分析了SSDF攻击条件下，基于OR、AND、Majority、LRT以及WSPRT五种融合方案的协作感知性能，提出了基于四门限决策的改进型WSPRT，并对置信度权值的更新算法进行了颗粒度优化，可以更有效的区分非法节点，抵抗SSDF攻击。研究结果表明，改进型WSPRT方案可以快速剔除非法用户，有效抵抗SSDF攻击，相比与传统WSPRT方案，具有更好的协作感知性能。

[1]CHEN R L，Park J，Hou Y T，et al. Toward Secure Distributed Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks[J]. IEEE Communications Magazine，2008，46（4）：50-55.

[2]CHEN R L，Park J. Ensuring Trustworthy Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks[C]. In Proceedings of the 1st IEEE Workshop on Networking Technologies for Software Defined Radio Networks. Hyatt，Regency：2006：110-119.

[3]黄庆东，孙晴，闫乔乔. 基于中位数的抗SSDF攻击协作频谱感知方案[J].西安邮电大学学报，2017（2）：12-17.

[4]徐国强，王孟，李英华，等. 过零双门限协作频谱感知算法[J]. 西安科技大学学报，2019（01）：145-151.

[5]LI H S，ZHU H. Catching Attacker（S）for Collaborative Spectrum Sensing in Cognitive Radio Systems：An Abnormality Detection Approach[C]. In Proceedings of the IEEE Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum. Singapore：2010：1-12.

[6]CHEN R L，PARK J，BIAN K. Robust Distributed Spectrum Sensing in Cognitive Radio Networks[C]. In Proceedings of the 27th Conference on Computer Communications.Phoenix，AZ，USA：2008：1876-1884.

[7]HU F P，WANG S，CHENG Z. Secure Cooperative Spectrum Sensing for Cognitive Radio Networks[C]. In Proceedings of the IEEE Military Communications Conference. Boston，MA，USA：2009：1-7.

[8]ZENG Y H，LIANG Y C，HOANG A T，et al. A Review on Spectrum Sensing for Cognitive Radio：Challenges and Solutions[J]. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2010：1-15.

[9]ZHU F，SEO S W. Enhanced Robust Cooperative Spectrum Sensing in Cognitive Radio[J]. Journal of Communications and Networks，2009，11（2）：122-133.

[10]RAPPAPORT T S. Wireless Communication：Principles and Practice[M].Prentice Hall，1996.