馮景瑜，李金龍，盧光躍

（西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安 710061）

1 引言

隨著無線通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，頻譜資源日益緊缺。認(rèn)知無線電技術(shù)[1]通過賦予未授權(quán)用戶（也稱認(rèn)知用戶）頻譜感知功能來尋找可用的頻譜資源，并在授權(quán)用戶（也稱主用戶（primary user，PU））的可用頻譜資源空閑時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)接入，緩解了頻譜資源稀缺與日益增長(zhǎng)的無線接入需求之間的矛盾，成為下一代無線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

協(xié)作頻譜感知是認(rèn)知無線電技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，感知性能的好壞會(huì)影響到整個(gè)認(rèn)知無線電系統(tǒng)的性能。所謂協(xié)作頻譜感知，就是通過對(duì)多個(gè)認(rèn)知用戶感知信息的融合來消除單個(gè)用戶感知的不確定性和“終端隱藏”問題，共同協(xié)商確定主用戶頻譜資源的使用情況，達(dá)到更好的感知性能[2]。在眾多的協(xié)作頻譜感知策略中，由于硬判決融合算法具有較低的通信負(fù)載且易于實(shí)現(xiàn)，得到了研究者和業(yè)界的廣泛關(guān)注[3]。然而，已有的“OR”、“AND”、“Majority”3種硬判決融合算法[4]默認(rèn)所有的認(rèn)知用戶都是可信的，不加篩選地融合各個(gè)認(rèn)知用戶發(fā)送的感知數(shù)據(jù)，為惡意用戶帶來了可乘之機(jī)。惡意用戶通過實(shí)施頻譜感知數(shù)據(jù)偽造（spectrum sensing data falsification，SSDF）攻擊，使得硬判決融合算法不能根據(jù)外界環(huán)境得出正確的頻譜感知決策[5]。

在SSDF攻擊的抑制方法研究方面，目前傾向于信任評(píng)估機(jī)制。而信任評(píng)估機(jī)制適用于協(xié)作頻譜感知的主要原因在于，凡是涉及分布式協(xié)作的行為活動(dòng)都會(huì)存在信任問題，頻譜協(xié)作感知正是一種典型的分布式協(xié)作活動(dòng)[6]。參考文獻(xiàn)[7]使用Beta系統(tǒng)提出了一個(gè)協(xié)作頻譜感知環(huán)境下的信任模型，解決惡意用戶的策略性攻擊問題。參考文獻(xiàn)[8]利用認(rèn)知循環(huán)建立信任模型來保障協(xié)作頻譜感知的安全性。參考文獻(xiàn)[9]分析了存在SSDF攻擊時(shí)協(xié)作頻譜感知硬判決融合算法的性能，提出了一種基于信任加權(quán)的協(xié)作頻譜感知算法。這些方法的共同點(diǎn)是認(rèn)為惡意用戶的SSDF攻擊行為是可預(yù)測(cè)的，因此可以依據(jù)各個(gè)認(rèn)知用戶的歷史感知行為評(píng)估其可信情況，達(dá)到檢測(cè)惡意用戶的目的。但是，主用戶的可用頻譜資源出現(xiàn)情況是隨機(jī)的，并且惡意用戶為了規(guī)避檢測(cè)也會(huì)偶爾發(fā)送正確的感知數(shù)據(jù)，因而惡意用戶的SSDF攻擊行為存在著不確定性，有時(shí)是不可預(yù)測(cè)的。

本文引入D-S證據(jù)理論研究協(xié)作頻譜感知中的信任評(píng)估機(jī)制——HardGuard，為硬判決融合算法提供抑制SSDF攻擊的保護(hù)。HardGuard對(duì)認(rèn)知用戶從事協(xié)作頻譜感知時(shí)的不確定性行為進(jìn)行建模，利用證據(jù)信息設(shè)計(jì)基本信度分配函數(shù)計(jì)算多維度信任，并根據(jù)D-S證據(jù)合成規(guī)則融合多維信任，實(shí)現(xiàn)對(duì)認(rèn)知用戶可信性的綜合評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，HardGuard采取數(shù)據(jù)預(yù)處理措施，過濾惡意用戶的虛假感知數(shù)據(jù)，只允許可信的認(rèn)知用戶參與硬判決融合，從而提高了硬判決融合算法的安全性能，有效規(guī)避了惡意用戶的SSDF攻擊。

2 協(xié)作頻譜感知的系統(tǒng)模型

協(xié)作頻譜感知中的認(rèn)知用戶通常分為兩種類型：請(qǐng)求感 知用戶 （request sensing user，RSU）和協(xié)作感知用戶（cooperative sensing user，CSU）。這兩種類型的劃分是相對(duì)的，不是絕對(duì)的。當(dāng)某個(gè)認(rèn)知用戶由于陰影效應(yīng)、多徑衰落和“終端隱藏”等因素的存在，無法獨(dú)自得出關(guān)于主用戶頻譜狀態(tài)的感知決策時(shí)，就會(huì)請(qǐng)求協(xié)作頻譜感知，此時(shí)該用戶就是RSU；當(dāng)該用戶參與別的認(rèn)知用戶發(fā)起的協(xié)作頻譜感知時(shí)，就是CSU。

多個(gè)CSU參與協(xié)作頻譜感知時(shí)，每個(gè)CSU首先根據(jù)能量檢測(cè)判斷授權(quán)頻段上PU信號(hào)的能量水平，得出局部感知數(shù)據(jù)。假設(shè)s(t)表示PU信號(hào)，n(t)表示授權(quán)頻段上的加性高斯白噪聲，h(t)為授權(quán)頻段上的信道增益，y(t)表示每個(gè)CSU的接收信號(hào)，能量檢測(cè)可以描述為二元假設(shè)檢驗(yàn)問題[10]，如式（1）所示：

當(dāng)y(t)>λ（λ為能量檢測(cè)的判決門限）時(shí)判決為H1，即PU信號(hào)存在；否則，判決為H0，即PU信號(hào)不存在。因此，在硬判決融合中，每個(gè)CSU的局部感知數(shù)據(jù)可以表示為只包含1 bit的判決信息，即：

以第i個(gè)協(xié)作頻譜感知用戶CSUi為例，“0”表示CSUi認(rèn)為PU的可用頻譜狀態(tài)為空閑，“1”表示CSUi認(rèn)為PU的可用頻譜狀態(tài)為繁忙。

之后，每個(gè)CSU將各自的局部感知數(shù)據(jù)發(fā)送給融合中心（fusion center，F(xiàn)C）進(jìn)行硬判決融合，得出最終的感知決策?，F(xiàn)有硬判決融合算法“OR”、“AND”和“Majority”的特點(diǎn)如下[4]。

·“OR”：一個(gè)以上的CSU認(rèn)為PU的頻譜狀態(tài)為繁忙時(shí)，F(xiàn)C判決PU的授權(quán)頻段不可用?！癘R”的優(yōu)點(diǎn)在于能最大程度地避免對(duì)PU的干擾，這是因?yàn)橹挥兴械腃SU都認(rèn)為PU的頻譜狀態(tài)為空閑時(shí)，F(xiàn)C才判決PU的授權(quán)頻段可用。

·“AND”：所有的CSU都認(rèn)為PU的頻譜狀態(tài)為繁忙時(shí)，F(xiàn)C判決PU的授權(quán)頻段不可用。“AND”的優(yōu)點(diǎn)在于能最大程度地利用PU頻譜，這是因?yàn)橹挥幸粋€(gè)以上的CSU認(rèn)為PU的頻譜狀態(tài)為空閑時(shí)，F(xiàn)C判決PU的授權(quán)頻段可用。

·“Majority”：與“OR”和“AND”相比，“Majority”的使用更為靈活。只需要超過多數(shù)的CSU認(rèn)為PU的頻譜狀態(tài)為空閑或繁忙時(shí)，F(xiàn)C就能判決出PU的授權(quán)頻段可用或不可用。

通常，融合算法的性能主要體現(xiàn)為較高的檢測(cè)概率（感知結(jié)果與PU實(shí)際頻譜狀態(tài)相符的概率）和較低的虛警概率（PU頻譜空閑存在卻被誤判為繁忙的概率）。假設(shè)共有n個(gè)CSU參與協(xié)作頻譜感知,每個(gè)CSU的感知性能用檢測(cè)概率Pd和虛警概率Pf衡量，則硬判決融合算法的檢測(cè)概率Qd和虛警概率Qf分別為[11]：

式（3）中，當(dāng)k=1時(shí)，表示“OR”的感知性能；當(dāng)k=n時(shí)，表示“AND”的感知性能；當(dāng)k≥n/2時(shí)，表示“Majority”的感知性能。

3 HardGuard——保護(hù)硬判決融合算法

針對(duì)認(rèn)知用戶從事協(xié)作頻譜感知時(shí)的行為不確定性，引入D-S證據(jù)理論研究協(xié)作頻譜感知中的信任評(píng)估機(jī)制——HardGuard，幫助FC在硬判決融合時(shí)規(guī)避惡意用戶的SSDF攻擊。

3.1 基本結(jié)構(gòu)

HardGuard采取模塊化設(shè)計(jì)思想。如圖1所示，F(xiàn)C收到CSU的局部感知數(shù)據(jù)后，觸發(fā)HardGuard。首先，運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊識(shí)別惡意用戶并過濾其虛假的感知數(shù)據(jù)。接著，將過濾后的感知數(shù)據(jù)輸入可信數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行硬判決融合，得出最終的感知決策。RSU確定PU的實(shí)際頻譜狀態(tài)后，發(fā)送反饋信息給信任數(shù)據(jù)庫（trust database，TD），由其負(fù)責(zé)調(diào)用D-S證據(jù)理論信任評(píng)估引擎，實(shí)時(shí)更新每個(gè)CSU的信任值。同時(shí)，TD數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)預(yù)處理模板提供CSU信任值的實(shí)時(shí)查詢，支撐該模塊的惡意用戶識(shí)別功能。HardGuard的核心功能模塊是基于D-S證據(jù)理論的信任評(píng)估引擎，從協(xié)作頻譜感知的角度評(píng)估認(rèn)知用戶的不確定行為，也就是評(píng)估CSU的行為可信性。

3.2 基于D-S證據(jù)理論的信任評(píng)估

D-S證據(jù)理論[12]是建立在非空有限域上的不確定性數(shù)學(xué)理論，以簡(jiǎn)單的推理形式，可對(duì)相互重疊、非互不相容的命題進(jìn)行證據(jù)組合并得到較好的結(jié)果，比傳統(tǒng)的概率能更好地把握問題的未知性與不確定性，是比概率論更弱的公理系統(tǒng)。稱為辨識(shí)框架，表示有限個(gè)狀態(tài){θ1,θ2,…,θn}，而系統(tǒng)狀態(tài)為的一個(gè)子集，即的冪集的一個(gè)元素。本文僅考慮其中T表示信任，表示不信任。其中{T}表示某個(gè)CSU處于可信狀態(tài)表示某個(gè)CSU處于不可信狀態(tài)，表示某個(gè)CSU處于哪個(gè)狀態(tài)具有不確定性。

運(yùn)用D-S證據(jù)理論進(jìn)行信任評(píng)估時(shí)，首先需要定義證據(jù)信息支持某個(gè)CSU可信性狀態(tài)的概率，稱為基本信度分配函數(shù)。

定義1基本信度分配函數(shù)：從Θ的冪集到[0,1]的映射，定義為：

支持一個(gè)CSU可信性狀態(tài)的證據(jù)信息來源于RSU判斷出主用戶的實(shí)際頻譜狀態(tài)后，發(fā)送給FC的反饋信息。由于一個(gè)CSU通常會(huì)在不同時(shí)段參與多個(gè)RSU發(fā)起的協(xié)作頻譜感知，因而證據(jù)信息是多維的，也就存在多個(gè)基本信度分配函數(shù)進(jìn)行某個(gè)CSU的多維信任評(píng)估。

對(duì)于CSUi，其在協(xié)作頻譜感知活動(dòng)中產(chǎn)生的多維證據(jù)信息可以描述為{E1i,…,Eki,…,Eni}。其中，N為證據(jù)維數(shù)，Eki=(ski,cki,uki)，分別代表來自于RSUk的3種證據(jù)信息：“肯定”次數(shù)、“抱怨”次數(shù)和“不確定”次數(shù)。這3種證據(jù)信息是對(duì)RSU確定PU實(shí)際頻譜狀態(tài)后的歷史經(jīng)驗(yàn)反饋，“肯定”表示RSU使用PU的頻譜后發(fā)現(xiàn)與FC提供的最終感知決策一致，“抱怨”則表示不一致。“不確定”表示RSU不能根據(jù)FC提供的最終感知決策做出是否使用PU頻譜的決定。

圖1 協(xié)作頻譜感知中的HardGuard結(jié)構(gòu)

根據(jù)證據(jù)信息，RSUk關(guān)于CSUi的基本信度分配函數(shù)可設(shè)計(jì)為：

顯然，0≤mki≤1。當(dāng)X={T}時(shí)，eki=ski；當(dāng)X={劭T}時(shí)，eki=cki；當(dāng)X={T,劭T}時(shí)，eki=uki。

以此類推，可得到關(guān)于CSUi的N個(gè)基本信度分配函數(shù)。這些基本信度分配函數(shù)只是刻畫出CSUi的N維度信任，需要一個(gè)數(shù)值綜合反映CSUi的可信性。D-S證據(jù)理論提供了Dempster合并規(guī)則[12]以合并多維信任。應(yīng)用此合并規(guī)則的前提是被合并的證據(jù)必須是獨(dú)立的。本文通過提取不同RSU的反饋信息來計(jì)算基本信度分配函數(shù)，因此它們之間滿足彼此獨(dú)立。

定義2綜合信任值：對(duì)某個(gè)CSU可信性的綜合反映。對(duì)于CSUi，通過N維度信任的融合得出綜合信任值為：

3.3 HardGuard的算法實(shí)現(xiàn)

在HardGuard的模塊化實(shí)現(xiàn)過程中，實(shí)施其對(duì)硬判決融合算法的保護(hù)主要有3個(gè)方面的工作：數(shù)據(jù)預(yù)處理、可信數(shù)據(jù)融合和RSU反饋信息。

3.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

防御SSDF攻擊的關(guān)鍵在于剝奪惡意用戶參與感知數(shù)據(jù)融合的機(jī)會(huì)，減少其對(duì)硬判決融合的影響。根據(jù)信任閾值δ，可由下面的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法將感知數(shù)據(jù)集合Ψ分解為Ψr和Ψf，其中Ψr為真實(shí)感知數(shù)據(jù)集合，Ψf為偽造感知數(shù)據(jù)集合。

算法1數(shù)據(jù)預(yù)處理算法

輸入：Ψ

輸出：Ψr

初始化Ψr=Ψf=；

for i∈Ψdo

計(jì)算TVi；

if(TVi<δ)then

i是惡意用戶；

Ψf←i；

else

Ψr←i；

end if

end for

3.3.2 可信數(shù)據(jù)融合

過濾掉惡意用戶的虛假感知數(shù)據(jù)后，根據(jù)Ψr數(shù)據(jù)集合中全1的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)L，在Ψr數(shù)據(jù)集合上執(zhí)行硬判決融合算法（見算法2），得出最終感知決策d。

算法2硬判決融合算法

輸入：|Ψr|、L

輸出：d

（1）“OR”

if(L≥1)then

d=1；

else

d=0；

end if

（2）“AND”

if(L=|Dr|)then

d=1；

else

d=0；

end if

（3）“Majority”

if(L≥|Dr|/2)then

d=1；

else

d=0；

end if

3.3.3 RSU反饋信息

每次協(xié)作頻譜感知結(jié)束后，RSUk需要向FC發(fā)送關(guān)于PU實(shí)際頻譜狀態(tài)的反饋信息fk，以完成對(duì)本次協(xié)作頻譜感知所有參與成員Φ的證據(jù)信息E的更新，見算法3。反饋信息存在3種狀態(tài)：fk=1，表示對(duì)本次協(xié)作頻譜感知的“肯定”；fk=0，表示“抱怨”；fk=-1，表示“不確定”。

算法3 RSU反饋算法

輸入：fk

輸出：E

（1）fk=1

for i∈Φdo

if(di=d)then

ski++；

else

cki++；

end if

end for

（2）fk=0

for i∈Φdo

if(di=d)then

cki++；

else

ski++；

end if

end for

（3）fk=-1

for i∈Φdo

uki++；

end for

4 仿真結(jié)果及分析

采用蒙特卡洛仿真法，在MATLAB平臺(tái)上驗(yàn)證HardGuard的性能。設(shè)置認(rèn)知用戶數(shù)量為30個(gè)，主用戶數(shù)量為3個(gè)。其中，認(rèn)知用戶中惡意用戶比例為50%，每個(gè)惡意用戶以80%的概率提交偽造的感知數(shù)據(jù)。仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

協(xié)作頻譜感知算法的性能主要體現(xiàn)為較高的檢測(cè)率和較低的虛警率[13]。圖2和圖3分別為能量檢測(cè)判決門限值在[4,9]內(nèi)波動(dòng)時(shí)的檢測(cè)率和虛警率仿真情況，并與SensingGuard[7]和無信任評(píng)估機(jī)制保護(hù)情況下的“OR”、“AND”和“Majority”進(jìn)行對(duì)比。

圖2 不同能量檢測(cè)判決門限值下的檢測(cè)率

圖3 不同能量檢測(cè)判決門限值下的虛警率

由圖2可知，SSDF攻擊對(duì)“AND”的威脅主要在于降低檢測(cè)率上。這是因?yàn)槿粲幸粋€(gè)惡意用戶偽造局部感知數(shù)據(jù)“0”，“AND”就會(huì)誤判PU信號(hào)不存在。從仿真對(duì)比結(jié)果可以看出，受HardGuard保護(hù)的“AND”和“Majority”的檢測(cè)率高于未保護(hù)的“AND”和“Majority”的檢測(cè)率，而SensingGuard忽略了認(rèn)知用戶的不確定行為存在，因而其保護(hù)的“AND”和“Majority”的檢測(cè)率略低于HardGuard的檢測(cè)率。但是HardGuard和SensingGuard對(duì)“OR”的作用不明顯，這是因?yàn)橹恍枰粋€(gè)以上的CSU發(fā)送局部感知數(shù)據(jù)“1”，“OR”就判決PU頻譜繁忙，從而能保障較高的檢測(cè)率。

由圖3可知，受HardGuard保護(hù)的“OR”和“Majority”的虛警率低于未保護(hù)的“OR”和“Majority”的虛警率，并略低于SensingGuard保護(hù)下的“OR”和“Majority”的虛警率。從圖3也可以看 出，HardGuard和SensingGuard對(duì)“AND”的保護(hù)作用不大。這是因?yàn)樵谔Ц咛摼史矫妫琒SDF攻擊對(duì)“AND”的威脅有限，只有當(dāng)所有的CSU發(fā)送局部感知數(shù)據(jù)“1”時(shí)，“AND”才會(huì)判決PU頻譜繁忙，從而能避免虛警率的抬高。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)3種常用的“OR”、“AND”、“Majority”硬判決融合算法在抑制SSDF攻擊時(shí)的脆弱性，提出了一種基于D-S證據(jù)理論的信任評(píng)估機(jī)制——HardGuard，幫助FC在硬判決融合時(shí)規(guī)避惡意用戶的虛假感知數(shù)據(jù)影響，并給出了HardGuard的實(shí)現(xiàn)算法。仿真結(jié)果表明，HardGuard能使硬判決融合算法在面對(duì)SSDF攻擊時(shí)保持較好的感知性能，提高了協(xié)作頻譜感知的安全性。

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