一种认知无线电系统中基于用户间协作的主用户仿冒攻击检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法，适应范围广，检测成功率高，计算简单，准确可靠。本发明专利技术利用MU攻击信号能量不稳定的特点，根据协作的双门限能量检测方案对MU与PU的信号进行区分从而实现对PUEA的检测，该方案易于实现，硬件开销小。并且相对于传统的能量检测方案对PU与MU的信号有着更好的区分效果。能够有效避免恶意用户的发射功率较大，或者距离次级用户较近出现高错检概率；当恶意用户传输功率很或者距离次级用户较近时，检测到的能量值将大于上门限，所以可以实现对PUEA的检测，其他情况下，根据恶意用户无法同时模仿多个次级用户的接收功率来实现对PUEA的检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信领域中认知无线电系统的频谱感知方法，具体为一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法。
技术介绍
随着无线通信技术的发展，无线频谱资源的匮乏问题显得愈加凸显。传统的频谱分配方式是将频谱固定的分配给特定的授权用户(PrimaryUser，PU)，即主用户；然而很多已分配的频谱长期处于空闲的状态，所以固定的频谱分配方式的频谱利用率非常低。认知无线电被认为是解决频谱资源匮乏与低效利用的有效途径。在认知无线电网络中，非授权用户(SecondUser，SU)即次级用户，通过感知频谱的使用状态，动态的、自适应的改变自身的传输参数，当频谱处于空闲状态时择机的接入频谱，从而有效的提升频谱的利用效率。频谱感知是认知网络得以正常工作的基本前提,其目的在于正确获得频谱的使用状态,从而在不影响PU正常通信的前提下择机的使用目前处于空闲状态下的频谱。然而，正是因为认知网络中未知的无线设备可以接入频谱的这种特点，使得认知网络面临着更加特殊的安全问题。仿冒主用户攻击(PrimaryUserEmulationAttack，PUEA)是其中的一种常见形式：系统中存在的某些恶意用户(MaliciousUser，MU)出于敌对的目的，在PU不占用信道时，模仿PU的信号特征(调制方式，编码方式，功率等)发送信号，使得合法的SU误以为PU正在占用频谱并避免使用该频段，从而大大降低了频谱效率。传统的频谱感知方案将不再适用于PUEA存在的场景：攻击信号的存在使得SU在信道忙碌时无法通过传统方法判断是PU还是MU占用信道，从而无法正确的对SU进行功率分配，让其接入频谱。为了不对PU产生影响，同时又能最大化的利用空闲的频谱资源，在存在PUEA的情况下，SU对PUEA的正确检测具有重要的意义。对PUEA的正确检测是提升频谱感知结果可信度的前提之一,而对于PUEA检测的核心问题是区分PU的信号和MU的信号。现阶段的处理方案大致分为两类：基于定位的检测方案与非定位的检测方案。基于定位的检测技术是假设SU已知主发射端(PrimaryTransmitter，PT)的位置，通过用户间的协作，对信号的发送者进行定位，并比较信源的位置是否与PT的位置相同来判断信号的发送者是PT还是MU。这类方法的实现有两种途径，一种是给认知网络配备精确的时钟以及天线阵列，通过到达角或到达时间差来实现对信源的定位；另一种途径是内置一个专用的传感器网络，通过接收信号强度对信源进行定位。基于定位的方案需要对认知网络进行改造，从而带来昂贵的开销，并且当MU在主发射端附近时检测效果较差。非定位的方案主要是根据信号特征进行区分，最易于实现的是能量检测的方案，能量检测假设主发射端的发射能量已知，根据检测统计量与判决门限进行对比，通常PU的信号能量大于PUEA，因此，如果检测统计量大于门限，则认为PU占用信道。传统的能量检测方案假设MU与PU的信号功率不同，然而MU易于模仿PU的信号功率，所以，传统能量检测方案受到了很大的限制。另外已有学者提出了能量指纹的方案对PUEA进行检测，通过比较接收信号能量与数据库中的信息来确定信源，该方案存储量很大，并且在出现错检的情况下对数据库的更新将会使得数据库中的数据偏离正确值。其他非定位的方案包括加密以及循环特征检测等，加密方案需要很高的计算复杂度，而循环特征检测基于PUEA信号与PU信号具有不同的循环特征来进行判定，然而当MU可以实现对PU信号的拦截并模仿PU信号的特征时，该方案将不再适用。所以研究PUEA场景下的频谱感知方案是非常有意义的。并且传统的能量检测方案要求恶意用户的发射功率与主用户的信号功率不在一个量级上，并且对两种信号的路径损耗进行了不同的建模，才能实现对PUEA的检测，其应用场景较为理想化，实际情况下，如果恶意用户的发射功率较大，或者距离次级用户较近都会出现很高的错检概率。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法，适应范围广，检测成功率高，计算简单，准确可靠。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法，包括如下步骤，步骤一，任意选取认知无线电系统中的两个次级用户对当前接收信号进行采样，得到被选取的两个次级用户的能量检测值；步骤二，根据步骤一得到的两个能量检测值，通过用户间协作，得到能量检测统计量和d_Y分别如下式所示； Y ‾ = ( Y 1 + Y 2 ) / 2 ; ]]> d _ Y = | ( Y 1 - σ P 1 2 ) - ( Y 2 - σ P 2 2 ) | ; ]]>其中：j＝1,2，N为采样点数，y[i]为第i次采样的信号，和是认知无线电系统中主发射端发射信号时,两个次级用户接收到的信号能量；步骤三，通过限定多种情况下检测概率的理论值确定能量检测统计量相应的预设门限；预设门限包括能量检测统计量的上下预设门限λ1和λ2，以及能量检测统计量d_Y的预设门限ε；将能量检测统计量与上下预设门限λ1和λ2进行如下比较，如果上式成立，则执行步骤四，否则执行步骤五；步骤四，将能量检测统计量d_Y与预设门限ε进行如下比较，d_Y＜ε；如果上式成立，则判定为主用户占用频谱；否则判定为恶意用户占用频谱，即频谱当前状态为PUEA；步骤五，将能量检测统计量与上下预设门限λ1和λ2进行如下比较，如果上式成立，则判定为频谱空闲；否则判定为恶意用户占用频谱，即频谱当前状态为PUEA；步骤六，根据步骤四和步骤五中频谱占用的情况，完成认知无线电系统中频谱当前状态的PUEA检测。优选的，随着两个次级用户接收到的主发射端功率的差异的增大，得到的最终正确检测的概率增大。...

【技术保护点】
一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤一，任意选取认知无线电系统中的两个次级用户对当前接收信号进行采样，得到被选取的两个次级用户的能量检测值；步骤二，根据步骤一得到的两个能量检测值，通过用户间协作，得到能量检测统计量和d_Y分别如下式所示；Y‾=(Y1+Y2)/2;]]>d_Y=|(Y-σP12)-(Y2-σP22)|;]]>其中：j＝1,2，N为采样点数，y[i]为第i次采样的信号，和是认知无线电系统中主发射端发射信号时,两个次级用户接收到的信号能量；步骤三，通过限定多种情况下检测概率的理论值确定能量检测统计量相应的预设门限；预设门限包括能量检测统计量的上下预设门限λ1和λ2，以及能量检测统计量d_Y的预设门限ε；将能量检测统计量与上下预设门限λ1和λ2进行如下比较，如果上式成立，则执行步骤四，否则执行步骤五；步骤四，将能量检测统计量d_Y与预设门限ε进行如下比较，d_Y<ε；如果上式成立，则判定为主用户占用频谱；否则判定为恶意用户占用频谱，即频谱当前状态为PUEA；步骤五，将能量检测统计量与上下预设门限λ1和λ2进行如下比较，如果上式成立，则判定为频谱空闲；否则判定为恶意用户占用频谱，即频谱当前状态为PUEA；步骤六，根据步骤四和步骤五中频谱占用的情况，完成认知无线电系统中频谱当前状态的PUEA检测。...

【技术特征摘要】
1.一种认知无线电系统中基于用户间协作的PUEA检测方法，其特征在于，包括如下步
骤，
步骤一，任意选取认知无线电系统中的两个次级用户对当前接收信号进行采样，得到
被选取的两个次级用户的能量检测值；
步骤二，根据步骤一得到的两个能量检测值，通过用户间协作，得到能量检测统计量和d_Y分别如下式所示；
Y ‾ = ( Y 1 + Y 2 ) / 2 ; ]]> d _ Y = | ( Y - σ P 1 2 ) - ( Y 2 - σ P 2 2 ) | ; ]]>其中：j＝1,2，N为采样点数，y[i]为第i次采样的信号，和是认知
无线电系统中主发射端发射信号时,两个次级用户接收到的信号能量；
步骤三，通过限定多种情况下检测概率的理论值确定能量检测统计量相应的预设门
限；预设门限包括能量检测统计量的上下预设门限λ1和λ2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国梅，江俊安，吕刚明，李国兵，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61