认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法技术

本发明专利技术公开了一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，包括以下步骤：(1)建立关系匹配数据库：根据实际物理环境划分区域；获得各划分区域的能量置信区间和判决门限；建立划分区域与置信区间的关系数据库；(2)利用关系数据库进行频谱感知数据检测：系统初始化；感知用户协商；感知用户上报数据；融合中心搜寻数据库；进行关系匹配；感知数据正常与否判决；剔除恶意用户数据；各划分域内判决；感知结果最终判决。本发明专利技术通过关系匹配及时发现频谱感知数据的恶意篡改，保证感知数据的准确性。此外，对不同的划分区域根据测试时环境差异采取不同的判决门限，充分考虑到实际物理环境的差异，具有较强的实用性。

Spectrum sensing data detection method based on relation matching in cognitive radio network

The invention discloses a spectrum sensing in cognitive radio networks, data based detection method which comprises the following steps: (1) establish a relationship matching database: according to the actual physical environment zoning; the division of regional energy and confidence interval threshold; relational database partition and establish the confidence interval (2); spectrum sensing data detection using relational database: system initialization; perceived user consultation; perceived user reporting data fusion center search; database; relational matching; sensing data is normal or not judgment; eliminate malicious user data; each of the divided domain perception judgment; final judgment results. The invention can detect the malicious tampering of the spectrum sensing data in time by matching the relationship, and ensure the accuracy of the sensing data. In addition, according to the difference of the test environment, the different decision threshold is taken into account in different regions, which takes into account the differences of physical environment and has strong practicability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，尤其涉及一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法。
技术介绍
认知无线网络技术通过为次级用户提供接入空闲授权频谱的机会来提高授权频段的利用率，缓解频谱资源短缺危机。而次级用户接入频谱的首要条件是通过频谱感知来确定授权频段的使用状态，准确可靠的频谱感知数据是确定感知频段是否可用的必要前提。为了解决由于多径和阴影引起的单用户感知不准确的问题，多个认知用户进行协作频谱感知已经得到了广泛的关注。然而恶意攻击者可能会参与协作频谱感知过程，对频谱感知数据进行各种自私、恶意的篡改，即频谱感知数据篡改(SpectrumSensingDataFalsification，SSDF)攻击，攻击者可以利用SSDF攻击，干扰其他用户的决策，甚至影响主用户的通信。协作频谱感知过程中，如何保证感知数据的准确性、如何对恶意攻击进行有效防御，是亟待解决的问题。由于无线信号随传输距离衰减，即使对同一授权频段，不同位置次级用户感知数据存在差异，因此不能用统一门限来确定主用户信号的存在性。一个解决方法是次级用户可以同时提交感知数据和位置信息，这样将会极大的提高感知数据的准确性。重庆邮电大学专利“分布式认知无线网络对抗篡改感知数据攻击的方法和装置”(申请号：CN201410850190.6授权公告号：CN104618908A)中公开了一种分布式认知无线网络对抗篡改感知数据攻击的方法。该专利主要包括：A、次用户感知主用户信号能量；B、次用户与邻居节点交互本地感知信息并根据邻居节点的感知状态值计算邻居节点的综合信任度；C、次用户依据邻居节点的综合信任度加权的一致性方案对感知状态值进行迭代直到所有节点的状态值达到收敛；D、次用户将收敛的状态值与检测门限进行比较，判断当前信道是否被主用户占用。该专利所述技术可以对恶意的频谱感知数据篡改行为进行检测，但存在的不足：首先，需要邻居节点之间进行交互，周期较长，且对多个攻击者之间的合谋攻击防御性较差；其次，虽然通过邻居节点交互最后得到收敛值与门限进行比较，但该门限设置是全局相同的，这样设置是不合适的，不合符实际的物理环境，比如在一个学校的生活区、教学区和操场等地方，噪声的大小是不一样的，所以不同区域的比较门限应该不一样；最后，其模型假设主用户和次级用户都固定不动，这样不是很符合实际的应用环境，如在认知车载网络中，次级用户是一直移动的。S.Bhattacharjee等人在其论文“AssociationruleminingfordetectionofcolludingSSDFattackinCognitiveRadioNetworks”(IEEEICCCI,2016,pp.1-6)中给出了一种在协作频谱感知中基于Apriori算法的合谋SSDF攻击的检测方案，该方法使用使用数据之间的关联规则，首先通过Apriori算法确定频繁项集，后续利用合谋攻击之间上报感知数据之间的关联性来检测合谋攻击。W.Wang等人在其论文”Securecooperativespectrumsensingandaccessagainstintelligentmaliciousbehaviors”(IEEEINFOCOM,2014,pp.1267-1275)中针对攻击者根据目标函数和预防策略来智能改变攻击方式的行为，提出了一种principal-agent架构，并与频谱感知和频谱接入机制相结合来防御自私、恶意节点发起的SSDF攻击。以上文献中提出的方法都可以对频谱感知过程中的恶意数据篡改行为进行防御，但存在一定的不足，首先，算法实现过程比较复杂，开销较大；其次就是没有考虑到实际的物理环境随着区域变化的不同，判决同样使用的是全局统一门限，若实际物理环境差异较大，将会出现较大的误判，最终造成可用频谱资源的浪费，甚至干扰授权主用户的正常通信；模型假设同样是认为主用户和次级用户都是固定不动的。综上所述，现有的认知用户进行协作频谱感知方法存在实现过程比较复杂，开销较大；容易出现较大的误判，造成可用频谱资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，旨在解决现有的认知用户进行协作频谱感知方法存在实现过程比较复杂，容易出现较大的误判，造成可用频谱资源的浪费等问题，方案可以将主用户存在情况的正确判决概率提高到0.95以上，以0.93的概率检测出恶意数据。本专利技术是这样实现的，一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，所述认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法包括以下步骤：(1)建立关系匹配数据库：根据实际物理环境划分区域；获得各划分区域的能量置信区间和判决门限；建立划分区域与置信区间的关系数据库；(2)利用关系数据库进行频谱感知数据检测：系统初始化；感知用户协商；感知用户上报数据；融合中心搜寻数据库；进行关系匹配；感知数据正常与否判决；剔除恶意用户数据；各划分域内判决；感知结果最终判决。进一步，所述建立关系匹配数据库具体包括：步骤一，根据实际物理环境划分区域，将主用户覆盖范围内的区域进行不同的划分；步骤二，获得各划分区域的能量置信区间和判决门限，对每个主用户信号的覆盖范围内的不同区域，利用能量感知方法，首先收集主用户存在与否的判决门限，然后针对主用户存在和不存在两种情况收集对应的感知能量置信区间，如下式：其中Di表示不同的区域，λi表示对应区域的判决门限，对应区域Di的最小感知能量，对应区域Di的最大感知能量，δ表示一个误差容忍度；步骤三，建立划分区域与置信区间的关系数据库；将获得的划分域划分结果和对应的判决门限和置信区间结果建立对应关系，并将对应关系存入融合中心。进一步，所述利用关系数据库进行频谱感知数据检测具体包括：步骤一，融合中心根据主用户的所在位置，在数据库中获取该主用户的区域划分结果；步骤二，在同一主用户覆盖范围内的主用户通过协商，确定协作频谱感知的频段相关的一系列参数；步骤三，次级用户通过能量感知的方法进行频谱感知，并上报感知数据，如下式：(Se,Lij,t)；其中Se代表感知能量的大小，Lij表示该次级用户的位置，t表示所在的时隙；步骤四，融合中心根据次级用户上报的位置数据Lij，搜索其所在的划分区域，并得到该区域的判决门限和置信区间；步骤五，融合中心根据得到的数据库，进行关系匹配，定义函数如下式：其中，表示对于主用户A，其覆盖范围内划分区域Di的第j个次级用户感知能量的大小，为主用户A覆盖范围内区域Di的噪声判决门限，对于不同的区域，λiA≠λjA(i≠j)，表示当时的置信区间，表示当时的置信区间，Δsi表示噪声的误差容忍度；步骤六，通过步骤五函数得到，只有当第j个次级用户感知数据落在区间内时函数才赋予非零值，即通过关系匹配对感知数据是否异常进行了区分；步骤七，对不落在区域Di置信区间内的感知数据进行赋值，通过将其函数赋值0，达到剔除恶意数据的目的。步骤八，定义函数其表示如下：其中，的定义和步骤五中一致，表示区域Di内上报感知数据的用户总数，对于值求和之后为0时，即大于门限和小于门限的正常感知数据各一半时，赋值为Φ，即区域Di内主用户状态不能确定；落在置信区间内的感知数据所对应的求和之后大于0，则为1，表示在区域Di的判本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，其特征在于，所述认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法包括以下步骤：(1)建立关系匹配数据库：根据实际物理环境划分区域；获得各划分区域的能量置信区间和判决门限；建立划分区域与置信区间的关系数据库；(2)利用关系数据库进行频谱感知数据检测：系统初始化；感知用户协商；感知用户上报数据；融合中心搜寻数据库；进行关系匹配；感知数据正常与否判决；剔除恶意用户数据；各划分域内判决；感知结果最终判决。

【技术特征摘要】
1.一种认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，其特征在于，所述认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法包括以下步骤：(1)建立关系匹配数据库：根据实际物理环境划分区域；获得各划分区域的能量置信区间和判决门限；建立划分区域与置信区间的关系数据库；(2)利用关系数据库进行频谱感知数据检测：系统初始化；感知用户协商；感知用户上报数据；融合中心搜寻数据库；进行关系匹配；感知数据正常与否判决；剔除恶意用户数据；各划分域内判决；感知结果最终判决。2.如权利要求1所述的认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，其特征在于，所述建立关系匹配数据库具体包括：步骤一，根据实际物理环境划分区域，将主用户覆盖范围内的区域进行不同的划分；步骤二，获得各划分区域的能量置信区间和判决门限，对每个主用户信号的覆盖范围内的不同区域，利用能量感知方法，首先收集主用户存在与否的判决门限，然后针对主用户存在和不存在两种情况收集对应的感知能量置信区间，如下式：aimin>ai+1min,aimax>ai+1max,(i=1,2,3,4,...,∞)]]>其中Di表示不同的区域，λi表示对应区域的判决门限，对应区域Di的最小感知能量，对应区域Di的最大感知能量，δ表示一个误差容忍度；步骤三，建立划分区域与置信区间的关系数据库；将获得的划分域划分结果和对应的判决门限和置信区间结果建立对应关系，并将对应关系存入融合中心。3.如权利要求1所述的认知无线网络中基于关系匹配的频谱感知数据检测方法，其特征在于，所述利用关系数据库进行频谱感知数据检测具体包括：步骤一，融合中心根据主用户的所在位置，在数据库中获取该主用户的区域划分结果；步骤二，在同一主用户覆盖范围内的主用户通过协商，确定协作频谱感知的频段相关的一系列参数；步骤三，次级用户通过能量感知的方法进行频谱感知，并上报感知数据，如下式：(Se,Lij,t)；其中Se代表感知能量的大小，Lij表示该次级用户的位置，t表示所在的时隙；步骤四，融合中心根据次级用户上报的位置数据Lij，搜索其所在的划分区域，并得到该区域的判决门限和置信区间；步骤五，融合中心根据得到的数据库，进行关系匹配，定义函数如下式：SignijA=1,ifSejA∈[aiAmin-&de...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴庆祺，谷雨，李红宁，刘雪峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61