張世偉 郝 威 郭 巡

（中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院信息網(wǎng)絡(luò)工程系，湖北 武漢430033）

1 認(rèn)知無(wú)線電

1.1 發(fā)展背景

在世界絕大多數(shù)范圍內(nèi)，無(wú)線頻譜資源是以主管部門授權(quán)的方式分配給無(wú)線業(yè)務(wù)部門的。在這些已分配的授權(quán)頻段與非授權(quán)頻段中，存在著頻譜資源利用的不平衡性:授權(quán)頻段占用了整個(gè)頻譜資源很大一部分，但是不少授權(quán)頻段都處于空閑狀態(tài)(頻譜空穴);開(kāi)放使用的非授權(quán)頻段占整個(gè)頻譜資源的很小一部分，然而在該頻段上的用戶卻很多，業(yè)務(wù)量擁擠。有些頻段大多數(shù)時(shí)間里未被占用，還有一些只是被部分占用，頻譜的利用情況極不平衡，一些非授權(quán)頻段占用擁擠，而有些授權(quán)頻段則經(jīng)常空閑。頻譜是一種非可再生資源，靜態(tài)的頻譜分配原則導(dǎo)致了頻譜資源緊張的狀況。認(rèn)知無(wú)線電就是針對(duì)這一問(wèn)題提出的有效解決方案。

認(rèn)知無(wú)線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo)致的對(duì)頻譜資源利用不合理的問(wèn)題，為解決如何在有限頻譜資源條件下提高頻譜使用率這一無(wú)線通信難題開(kāi)辟了一條新的途徑。

1.2 認(rèn)知無(wú)線電的定義

認(rèn)知無(wú)線電這個(gè)概念最初是有Joseph Mitola博士在 1999年提出的，他在年的學(xué)術(shù)論文中是這樣描述的，認(rèn)知無(wú)線電可以通過(guò)“無(wú)線電知識(shí)表示語(yǔ)言”提高個(gè)人無(wú)線業(yè)務(wù)的靈活性，并在2000變?cè)敿?xì)討論了這一理論。認(rèn)知無(wú)線電核心思想是使CR節(jié)點(diǎn)具備學(xué)習(xí)能力，能感知周圍頻譜環(huán)境并與其它節(jié)點(diǎn)交互信息，以利用該空間的空閑頻譜，進(jìn)而提高頻譜的利用率。

Simon Haykin的定義是：認(rèn)知無(wú)線電是一種能夠感知外部環(huán)境，并且可以使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)的系統(tǒng)，通過(guò)改變某些參數(shù)（傳輸功率，載波頻率等）時(shí)期內(nèi)部的狀態(tài)可以適應(yīng)接收到無(wú)線信號(hào)的統(tǒng)計(jì)變化，最終實(shí)現(xiàn)任何時(shí)候，地點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的高度可靠通信以及對(duì)資源的充分利用。

圖1

2 認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無(wú)線電中具有基礎(chǔ)地位，是認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)的基本功能，是實(shí)現(xiàn)頻譜管理，頻譜共享的前提，所謂的感知，就是在時(shí)域、頻域和空域等多維空間內(nèi)，對(duì)授權(quán)用戶的頻段不斷進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)是否存在空閑頻譜。頻譜感知的目的是發(fā)現(xiàn)空閑頻譜（頻譜空洞），在授權(quán)用戶不占用該頻段時(shí)，供認(rèn)知用戶使用。由于授權(quán)用戶對(duì)相應(yīng)頻段的擁有權(quán)，為了保證授權(quán)用戶的服務(wù)質(zhì)量，認(rèn)知無(wú)線電需要獨(dú)立、可靠地、通過(guò)連續(xù)的對(duì)授權(quán)用戶進(jìn)行檢測(cè)，才能發(fā)現(xiàn)頻譜空洞，并在授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)退出占用的頻段。

頻譜檢測(cè)技術(shù)：頻譜檢測(cè)的主要功能是監(jiān)測(cè)可用頻段，檢測(cè)頻譜空洞。就是在各頻段連續(xù)不斷的檢測(cè)是否有主用戶在發(fā)射信號(hào)，若檢測(cè)有主用戶信號(hào)，則認(rèn)為主用戶存在，次用戶暫時(shí)不使用該頻段;反之次用戶可以利用該頻段傳送信息。即主用戶擁有最高的頻譜使用優(yōu)先級(jí)，若干具有低優(yōu)先級(jí)的認(rèn)知無(wú)線電用戶可以與它分時(shí)段分享頻譜資源，提高頻譜資源的利用率。認(rèn)知?jiǎng)討B(tài)頻譜處理的第一個(gè)任務(wù)是無(wú)線環(huán)境下頻譜空洞的檢測(cè)。認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中頻譜檢測(cè)的作用是盡量快而準(zhǔn)確的確定未被占用的頻段。

頻譜分配技術(shù)：頻譜分配技術(shù)是在頻譜檢測(cè)之后，將探測(cè)到的可用頻譜資源塊分配給CR用戶進(jìn)行通信。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的頻譜分配分為網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)的頻譜分配兩種情形，網(wǎng)間頻譜分配是指多個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行的動(dòng)態(tài)頻譜分配，網(wǎng)內(nèi)頻譜分配是指 CR用戶之間的頻譜分配。

功率控制與頻譜管理技術(shù)：在CR網(wǎng)絡(luò)中，次用戶使用授權(quán)頻譜優(yōu)先級(jí)較低，不能對(duì)主用戶造成過(guò)分干擾，可以將次用戶的本地信噪比近似為主次用戶之間的距離，從而相應(yīng)地調(diào)整用戶的發(fā)射功率。頻譜移動(dòng)性管理就是當(dāng)認(rèn)知用戶檢測(cè)到授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，同時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有多余的空閑頻譜，則該認(rèn)知用戶需讓出當(dāng)前使用頻譜，切換至其他可用頻譜。

3 認(rèn)知無(wú)線電組網(wǎng)與應(yīng)用

3.1 認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)是由認(rèn)知通信終端，以及與外網(wǎng)相連接的傳輸控制中心組成，其中認(rèn)知通信終端具有認(rèn)知無(wú)線頻譜、信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、傳輸參數(shù)可改變的能力。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線電頻譜感知模塊對(duì)其所處無(wú)線電環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，認(rèn)知通信終端設(shè)備存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果，并與以往的無(wú)線電頻譜使用情況結(jié)合進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合通信時(shí)間得出最佳的信息傳輸信道使用方案，并向控制中心申請(qǐng)傳輸信道，利用獲準(zhǔn)的傳輸信道傳輸信息。

3.2 組網(wǎng)技術(shù)

發(fā)射機(jī)如何在動(dòng)態(tài)環(huán)境下定位接收機(jī)是認(rèn)知無(wú)線電的一個(gè)主要研究方面，這取決于認(rèn)知無(wú)線電的組網(wǎng)方案：

（1）集中式網(wǎng)絡(luò)（中心控制）：指一種以AP為中心的單跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他節(jié)點(diǎn)只與AP保持直接通信。AP負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱資源分配和信息發(fā)布，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理。主要特點(diǎn)是發(fā)射信號(hào)的控制設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但受制于基站的建立。

（2）分布式網(wǎng)絡(luò)（分布式控制）：指一種無(wú)中心、多跳的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有認(rèn)知功能，能感知本地信道使用情況，并選擇空閑信道作為工作信道，分布式網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)是獨(dú)立的，不存在從屬關(guān)系。主要不足是發(fā)射信號(hào)的控制設(shè)計(jì)相對(duì)困難。

（3）混合式網(wǎng)絡(luò)：指有集中式和分布式兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)融合后的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩者的互通。

圖2

它是一種以AP為中心的多跳異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為連通集中式和分布式網(wǎng)絡(luò)的橋梁，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。這種組網(wǎng)方式非常靈活，當(dāng)分布式節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)關(guān)時(shí)，分布式網(wǎng)絡(luò)需要單獨(dú)組網(wǎng)，而當(dāng)分布式節(jié)點(diǎn)因?yàn)橐苿?dòng)處于AP的覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將成為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，而集中式節(jié)點(diǎn)進(jìn)入分布式網(wǎng)絡(luò)范圍單沒(méi)有脫離AP時(shí)，也將成為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。因此，該結(jié)構(gòu)具有高度的動(dòng)態(tài)性和靈活性，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)因移動(dòng)和無(wú)線環(huán)境的變化而在各種節(jié)點(diǎn)身份之間轉(zhuǎn)換。

4 認(rèn)知無(wú)線電組網(wǎng)的應(yīng)用

軍事方面，無(wú)線頻譜資源匾乏的問(wèn)題依然存在，尤其是對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條下，信息戰(zhàn)，電子戰(zhàn)中，大量電子設(shè)備在一個(gè)有限的戰(zhàn)區(qū)密集的進(jìn)行，進(jìn)行各種戰(zhàn)報(bào)交流和指揮使得頻譜資源異常緊張，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以有效地提高通信系統(tǒng)的容量頻帶上工作，從而能使各自指令迅速安全的送達(dá)目的地。利用加載軟件等方式對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行接收和發(fā)送，且認(rèn)知無(wú)線電能夠在很寬的。而對(duì)于當(dāng)前各種兵器裝備的種類繁多，所需的電臺(tái)工作頻率、發(fā)射功率、調(diào)制解調(diào)等各不相同，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以增強(qiáng)系統(tǒng)互聯(lián)互通的能力。同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)還可以提供定位及環(huán)境感知功能，具有不易受名用無(wú)線電干擾的優(yōu)點(diǎn)。商用無(wú)線電技術(shù)迅猛發(fā)展，也對(duì)頻譜需求大量增加，有的甚至占用軍用頻譜，這又進(jìn)一步使軍用頻譜更加緊張。而采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，利用其伺機(jī)接入頻譜的能力，能夠解決頻譜稀缺的問(wèn)題。同時(shí)，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和安全性?？梢赃x擇合適的策略，以提高電子對(duì)抗能力，反敵方電子干擾。

在農(nóng)村地區(qū)，由于農(nóng)村地區(qū)地廣人稀，大量的頻譜沒(méi)有得到充分利用并且如無(wú)線因特網(wǎng)服務(wù)商(WISP)、無(wú)線局域網(wǎng)等在農(nóng)村地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全覆蓋。因此，在不對(duì)授權(quán)用戶造成干擾的前提下，我們可以在農(nóng)村地區(qū)采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，以提高系統(tǒng)傳輸功率。

公共安全方面，當(dāng)緊急事件發(fā)生時(shí)，業(yè)務(wù)量增大，原本分配給公共安全使用的頻譜資源會(huì)緊張，導(dǎo)致通信阻塞，應(yīng)急部分便很難迅速做出反應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的互通。而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)可以在緊急事件發(fā)生時(shí)，利用空閑頻譜資源來(lái)維持正常的通信，更好的實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)急部門之間的互通。

5 安全與防護(hù)研究

5.1 安全隱患

認(rèn)知無(wú)線電作為一種無(wú)線通信技術(shù)，在認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)中不僅存在著傳統(tǒng)的安全問(wèn)題，也引入了一些新的安全隱患，例如，在頻譜接入過(guò)程中，分為頻譜感知、頻譜管理、頻譜遷移以及頻譜共享，每一過(guò)程都存在著安全問(wèn)題。下面重點(diǎn)介紹動(dòng)態(tài)頻譜接入威脅。

（1）模仿主用戶攻擊：攻擊者模仿主用戶信號(hào)特征發(fā)送CR信號(hào)，創(chuàng)造和主用戶充分相似的波形來(lái)引起錯(cuò)誤的頻譜感知信息，使得感知范圍內(nèi)的次級(jí)用戶誤以為主用戶處于活動(dòng)狀態(tài)，將導(dǎo)致系統(tǒng)空出此信道，這樣就給攻擊者進(jìn)入信道的機(jī)會(huì)。

（2）頻譜感知數(shù)據(jù)篡改攻擊：在分布式頻譜感知過(guò)程中，攻擊者向數(shù)據(jù)收集中心發(fā)送錯(cuò)誤的本地頻譜感知信息，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集中心做出錯(cuò)誤的決策。

5.2 防御手段

網(wǎng)絡(luò)只有實(shí)現(xiàn)對(duì)所有次級(jí)用戶信息的存儲(chǔ)，才不會(huì)對(duì)授權(quán)用戶造成影響，然而，要做到這一點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。所以我們把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了對(duì)于次級(jí)用戶接入網(wǎng)絡(luò)的防御。

次級(jí)用戶接入網(wǎng)絡(luò)主要有兩種形式：一是通過(guò)模仿基站給認(rèn)知用戶發(fā)送信號(hào)，從而阻止其接入;二是通過(guò)模仿用戶給基站發(fā)射信號(hào)，從而接入可用頻段。因此，無(wú)論從那種哪種方式來(lái)看，確認(rèn)授權(quán)用戶的身份最主要的防御手段。

（1）基于定位的發(fā)射信號(hào)驗(yàn)證方案

Ruiiiang Chen和Jung-Min Park等在其論文中提出了一種基于定位的發(fā)射信號(hào)驗(yàn)證防御方案，通過(guò)檢測(cè)信源的位置信息和信號(hào)能量級(jí)，對(duì)接入用戶進(jìn)行判斷。 在此模型中，發(fā)射塔作為信號(hào)發(fā)射器，其位置固定。如果接入信號(hào)的特征與授權(quán)用戶是相似的，但是檢測(cè)信號(hào)源的位置遠(yuǎn)離發(fā)射塔的位置，出現(xiàn)這種情況的可能性就是次級(jí)用戶在發(fā)動(dòng)模仿授權(quán)用戶攻擊并且他可以在發(fā)射塔附近的位置啟動(dòng)接入請(qǐng)求，使得基于位置的檢測(cè)方法失效。

在上述情況下，我們可以換種思維來(lái)考慮，比如將信號(hào)的能量級(jí)檢測(cè)和信號(hào)源位置信息檢測(cè)這兩種方法想融合。對(duì)于攻擊者來(lái)說(shuō)，同時(shí)模仿授權(quán)用戶傳輸信號(hào)的位置來(lái)源和能量級(jí)別是不好實(shí)施的，因?yàn)楣粽叩膫鬏斈芰考?jí)別遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射塔的能量級(jí)別。一旦模擬授權(quán)用戶攻擊被檢測(cè)出來(lái)，就可以利用估計(jì)出的信號(hào)位置來(lái)準(zhǔn)確定義攻擊者。但是這種方法存在一些缺點(diǎn)：它只能用來(lái)檢測(cè)針對(duì)固定用戶的中心控制網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)實(shí)生活中大多是移動(dòng)用戶。

（2）基于Hash函數(shù)的防御措施

Hash函數(shù)H也稱散列函數(shù)或雜湊函數(shù)等，是典型的多到一的函數(shù)，其輸入為一可變長(zhǎng)x(可以足夠的長(zhǎng))，輸出一固定長(zhǎng)的串h(一般為128位、160位，比輸入的串短)，該串h被稱為輸入x的 Hash值，計(jì)作h=H(x)。為防止傳輸和存儲(chǔ)的消息被有意或無(wú)意地篡改，采用散列函數(shù)對(duì)消息進(jìn)行運(yùn)算生成消息摘要，附在消息之后發(fā)出或與信息一起存儲(chǔ)。不同的輸入可能散列成相同的輸出，而不可能從散列值來(lái)唯一的確定輸入值，利用Hash函數(shù)的這種特性，如果攻擊者發(fā)送模仿授權(quán)用戶信號(hào)進(jìn)行攻擊，只要進(jìn)行Hash匹配失敗，就可以判斷其不是由主用戶基站發(fā)出，從而進(jìn)行有效預(yù)防攻擊用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾。并且從理論上來(lái)講，攻擊者不可能制造一個(gè)替用的消息來(lái)產(chǎn)生一個(gè)完全相同的消息摘要。

6 總結(jié)

本文介紹了在無(wú)限網(wǎng)絡(luò)背景下，認(rèn)知無(wú)線電的技術(shù)與組網(wǎng)方式，在這種技術(shù)為我們帶來(lái)方便的同時(shí)其存在的安全隱患更需要我們?nèi)リP(guān)注。

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