《电子技术应用》
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基于综合信任抵御SSDF攻击的频谱态势融合方案
2017年电子技术应用第8期
李方伟,李俊瑶,朱 江,刘亚利
重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室,重庆400065
摘要: 分布式认知无线电网络中一般不存在收集所有用户信息的融合中心,为了对抗频谱感知过程中恶意次用户发起的篡改频谱感知数据(SSDF)攻击,提出一种基于综合信任的频谱态势融合算法。该算法通过评估次用户间每次交互的满意度得到节点的瞬时信任度,并通过一致性检测,累积获取各个节点所有邻接次用户的长期信任度,结合二者得到动态的综合信任作为协作频谱感知时次用户间交互数据可靠性的主要参考指标,遏制恶意用户影响。理论分析与仿真结果表明,该方案在收敛性和稳定性上优于传统合作频谱感知算法,抵抗攻击能力增强,频谱检测准确率得到提升。
中图分类号: TN915.08
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166392
中文引用格式: 李方伟,李俊瑶,朱江,等. 基于综合信任抵御SSDF攻击的频谱态势融合方案[J].电子技术应用,2017,43(8):100-104.
英文引用格式: Li Fangwei,Li Junyao,Zhu Jiang,et al. A scheme based on comprehensive trust to defend against SSDF attack in spectrum situation fusion[J].Application of Electronic Technique,2017,43(8):100-104.
A scheme based on comprehensive trust to defend against SSDF attack in spectrum situation fusion
Li Fangwei,Li Junyao,Zhu Jiang,Liu Yali
Chongqing Key Lab of Mobile Communications Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China
Abstract: In distributed cognitive radio networks, a common fusion center is always not available to collect the users′ information. In order to cope with the spectrum sensing data falsification(SSDF) attack lunched by malicious users in the process of spectrum sensing, a spectrum situation fusion algorithm based on comprehensive trust is proposed. The algorithm calculates the instantaneous trust by evaluating the satisfaction of each interaction between secondary users. With consistency test, each node accumulates and updates the long-term trust of every adjacent secondary users. Integrating the instantaneous trust and the long-term trust, the dynamic comprehensive trust is gotten as the main reference for the reliability of interaction data to eliminate the effects of malicious users. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme is superior to the traditional cooperative spectrum sensing algorithm on the convergence and stability, and is robust in resisting collusion attack. It can significantly improve the spectrum detection accuracy.
Key words : distributed cognitive radio networks;spectrum sensing;SSDF attack;comprehensive trust

0 引言

    无线通信技术的快速发展消耗着日益紧缺的频谱资源。认知无线电网络[1]的主要工作是通过感知周围的频谱态势捕获网络中的频谱空洞,使得网络中的次用户(非授权用户,SUs)可以在主用户(授权用户,PUs)空闲时接入信道。为了克服无线通信中存在的多径和阴影效应带来的影响,频谱感知通常需要多个次用户进行协作。相比单个次用户的个体决策,协作频谱感知通过次用户共享各自的感知数据,协助系统做出更为准确的决策。文献[2]提出的基于信任加权的协作频谱检测算法虽然能有效提高频谱检测性能,但由于分布式网络中无中心节点,因此目前基于基站或融合中心的协作频谱感知方案并不适用于动态独立性高的分布式网络。文献[3]提出将一致性算法用于分布式网络中,相邻节点通过多次交互迭代实现协作频谱感知。

    分布式网络的开放和分散特性使频谱态势感知过程面临各种安全威胁。其中,链路层所要面对的主要攻击为频谱感知数据伪造(Spectrum Sensing Data Falsification,SSDF)攻击[4],次用户在进行局部信息交互过程中,恶意用户通过向邻居节点发送经过篡改的本地感知结果,导致频谱感知准确性大大降低。文献[5]提出将每轮迭代过程中感知数据偏离均值最远的邻居节点剔除,构成可信节点集合,直到所有次用户的感知数据均达到收敛。该方案已成为目前解决此类问题的基本方案,但当攻击者数目较多时,网络结构将遭到严重破坏。文献[6]、[7]中提出的基于信任的频谱检测方案,相比现有的基本方案,能有效提高空闲频谱检测概率,但在计算网络节点的信任时,节点信任的更新没有充分考虑节点在频谱态势融合的历史表现,在面对多个恶意用户同时发动SSDF攻击时,系统检测率下降较快。

    针对上述问题,本文提出一种新的基于综合信任的频谱态势融合方案(Comprehensive Trust-based Cooperative Spectrum-sensing Scheme,CTCSS)。将节点间的交互满意度与艾宾浩斯遗忘规律相结合,重点考察邻接次用户的近三次表现得到瞬时信任度。同时通过一致性检测计算邻接次用户的长期信任度,防止恶意节点通过短暂的良好表现提高自身信任后发动有策略性的攻击。

1 系统模型

1.1 能量检测

    分布式网络中,每个次用户通过对主用户信号进行能量检测来判断主用户存在与否,感知过程可以看作一个二元假设检验问题[8]

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    如果次用户检测到的能量大于系统门限值,则该次用户认为主用户信道被占用,小于门限值则处于空闲状态。

1.2 网络模型和一致性融合方案

    分布式一致性融合过程需要多主体的协作,由于主用户在频谱感知中不需要改变自身的网络结构,因此认知无线电的主要任务便是次用户通过持续地感知频谱状态侦测主用户的存在与否。

    一致性协作频谱态势感知流程如图1。协作频谱感知流程可以分为三个阶段:第一阶段,次用户运用能量检测方案来检测主用户状态;第二阶段为数据融合阶段,各次用户将能量检测结果发送给邻居节点,各个节点按一致性迭代方案对收到的数据进行处理,直到系统实现全局收敛;第三阶段为判决阶段,次用户将收敛值Yi(n)与判决门限比较得出判别结果Di,系统根据判别结果做出最终决策,将空闲频谱分配给次用户。

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    将分布式网络结构用图2中的无向连通图G=(V,E)表示,假设网络中存在N个次用户,并用集合V={vi|i=1,2,…,N}表示 ,次用户与邻接次用户间信道的集合用E={eij=(vi,vj)|i,j=1,2,…,N}表示,邻接点集合为Nei={j|eij∈E},且度数为di=|Nei|。