一种基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击方法

摘要

一种基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击方法，涉及认知无线电频谱管理和安全技术。测量网络中各用户吞吐量，判断是否存在作弊用户，合作用户联合干扰作弊用户通信，合作用户允许接入信道，作弊用户禁止发送数据，对在观察期内不遵守规则的作弊用户进行为期更长的干扰。可以有效地提高网络整体利用率，保证认知用户接入的公平性；对于损害网络公平性和其余用户利益来提高自身收益的作弊用户，将通过认知用户间的合作对作弊用户进行惩罚，使其为避免受惩罚而放弃自私攻击，从而达到防御自私攻击的目的。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及认知无线电频谱管理和安全技术领域，具体是指一 种通过联合干扰的惩罚措施的威慑，让认知无线网络中的自私用户放弃自私行为，达到防御 自私攻击的目的。

背景技术

随着无线用户的剧增，频谱资源短缺已成为无线通信发展的瓶颈之一。但是，不少授权 频段却长期处于空闲状态。美国联邦通信委员会(FCC)的研究表明，授权频段的平均利用 率范围在15％～85％之间(FCC.ET Docket No 03-222Notice ofproposed rule making and order， December，2003)。

认知无线电(Cognitive Radio，CR)(Mitola J.Cognitive radio：making software radios more  personal.IEEE Pers Commun，1999，6(4))是一种解决频谱危机问题的新型方法。认知无线电 用户可以通过频谱感知，发现已授权的空闲频段并加以动态利用，从而有效地提高频谱利用 率。

由于在认知无线网络中多个认知用户竞争有限的频谱资源，因此减少冲突以保证较高的 频谱利用率和较好的接入公平性显得尤为重要。由于缺乏集中控制机制，自私用户容易为了 提高自身的收益，而采取损害其余用户性能的策略，因此认知无线网络极易受到自私攻击。

在分布式的认知无线网络中，若出现某个恶意用户不遵守CSMA的退避规则，妄图独占 信道来达到使自己收益最大的目的，则会阻碍网络中其余认知用户接入信道，从而严重降低 了其余用户的利益和网络的公平性。若网络中出现了两个以上的作弊用户，则信道会始终处 于冲突状态，使整个网络陷入瘫痪。

博弈论(M.J.Osborne，An introduction to game theory，Oxford University Press，2004)是一 种研究具有竞争性质现象的数学理论和方法。可以通过研究博弈游戏中的个体的行为和收益， 来确定每个参与人面对他人的最佳应对方法。目前，博弈论已经广泛地运用在无线通信领域。

Chen等(L.Chen，S.Low，and J.Doyle，“Contention control：A game-theoretic approach，”in  Proc.IEEE CDC，2007，pp.3428-3434)提出一种基于博弈论的随机接入方法，通过合作使网 络中各用户的平均收益达到最优；但是此方法忽略了博弈论中的个体都是自私的性质，各用 户间缺乏合作的动机，因此网络最优状态的稳定性极易遭到破坏。

Sagduyu(Y.E.Sagduyu and A.Ephremides，“A Game-Theoretic Analysis of Denial of Service  Attacks in Wireless Random Access，”Proc.WiOpt07，Limassol，Cyprus，Apr.2007)提出一种基于 博弈论的抵御拒绝服务攻击的方法。该机制对于拒绝帮助他人转发包的作弊用户进行孤立， 在惩罚时间内所有其余用户拒绝替作弊用户转发包，使作弊用户无法获得收益；但是此方法 只适用于多跳的无线网络，对于单跳发送数据的收发机对无法产生威胁。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击方法。

本发明包括以下步骤：

步骤(1)：测量网络中各用户吞吐量

在网络中设置若干观察节点，设定测量周期为T_d，测量认知无线网络中的各认知用户在 T_d时期内的总吞吐量r_i(i＝(1，…K))，其中K为网络中的总认知用户数；计算出网络每个用 户T_d内的平均吞吐量的计算方法如下：

$\bar{r}=\frac{r_1+r_2+···+r_K}{K};$

步骤(2)：判断是否存在作弊用户

根据网络的实际情况设定测量时长为T_d，设定用户作弊的判决门限为ε；T_d时隙内，第 j个用户的吞吐量为r_j，网络平均每个用户的平均吞吐量为在测量期内，判断某用户j是 否为作弊用户的方法如下：

若观察节点检测出网络中存在作弊用户时，则通过广播信道向全网通报作弊用户的地址， 然后各个合作认知用户开始启动惩戒机制，网络进入步骤(3)；

若观察节点没有检测出作弊用户，则在检测结束后，将检测时间清零并重新检测网络中 的实时吞吐量，回到步骤(1)；

步骤(3)：合作用户联合干扰作弊用户通信

当观察节点通报作弊用户出现时，合作用户开始对作弊用户进行联合干扰，通过对惩戒 威慑力和网络性能的折中考虑，确定干扰时长为T_p；干扰时，各合作认知用户事先通过广播 信道协定干扰顺序，依次对作弊用户的数据包包头发送干扰信号，从而破坏数据包的地址信 息，使数据包无法到达接收端；若某合作用户在惩戒阶段没有按照规则干扰作弊用户的通信， 则认定此用户为作弊者的同伙，在下一阶段对其进行同样的惩罚；

步骤(4)：合作用户允许接入信道，作弊用户禁止发送数据

在满足惩戒威慑力的同时，设置此阶段时长为T_s时隙，在T_s时隙内，合作用户被允许正 常使用信道，但作弊用户禁止发送数据；观察节点需在此阶段将对作弊用户的吞吐量进行实 时测量，若作弊用户在此阶段内没有发送数据，则返回步骤(1)；若作弊用户在此阶段尝试 发送数据，则进入步骤(5)；

步骤(5)：对在观察期内不遵守规则的作弊用户进行为期更长的干扰

设定此步骤的干扰时长为AT_p(权重因子A≥1)时隙，干扰方法和步骤(3)一样，各 合作认知用户事先通过广播信道协定干扰顺序，依次对作弊用户的数据包包头发送干扰信号， 从而破坏数据包的地址信息，使数据包无法到达接收端；干扰结束后回到步骤(4)。

在步骤(4)中，此阶段重点观察作弊用户的行为，若作弊用户遵守规则，则允许其在观 察期结束后重新接入信道；否则将对其进行更为严厉的干扰惩罚；这样做可以在减少作弊用 户平均收益的同时保证合作用户的平均收益。

在步骤(5)中，所述权重因子A的值由过往经验总结得出。

由于理性的认知用户会选择使其利益最大化的策略，当自私用户预测到合作收益大于作 弊收益时，理性的自私用户会更倾向于选择合作方式放弃自私攻击；因此通过基于联合干扰 的惩罚措施，可达到预防自私攻击的目的。

对于采用自私攻击的作弊用户，本发明通过认知用户间的联合干扰使其收益降低，从而 使自私用户害怕干扰带来的收益损失而放弃自私攻击。此方法在预防自私用户的作弊行为方 面有较大的应用潜景，可以使得认知网络在确保各用户接入公平性的前提下，网络整体收益 达到最优。

本发明提出一种基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击的方法，包括检测自私攻击、 干扰作弊用户和监测作弊用户行为等。在认知无线网络中，由于缺乏集中控制机制，多个用 户同时竞争有限的频谱资源，因此必须保证网络的频谱利用率和接入公平性。采用基于联合 干扰的防御认知无线电自私攻击方法，可以有效地提高网络整体利用率，保证认知用户接入 的公平性；对于损害网络公平性和其余用户利益来提高自身收益的作弊用户，我们将通过认 知用户间的合作对作弊用户进行惩罚，使其为避免受惩罚而放弃自私攻击，从而达到防御自 私攻击的目的。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击方法包括以下步骤：

步骤(1)：测量网络中各用户吞吐量

在网络中设置若干观察节点，根据经验设定测量周期为T_d，测量认知无线网络中的各认 知用户在T_d时期内的总吞吐量r_i(i＝(1，…K))，其中K为网络中的总认知用户数；计算出网 络每个用户T_d内的平均吞吐量的计算方法如下：

$\bar{r}=\frac{r_1+r_2+···+r_K}{K};$

步骤(2)：判断是否存在作弊用户

根据网络的实际情况设定测量时长为T_d，设定用户作弊的判决门限为ε；T_d时隙内，第 j个用户的吞吐量为r_j，网络平均每个用户的平均吞吐量为在测量期内，判断某用户j是 否为作弊用户的方法如下：

如观察节点检测出网络中存在作弊用户时，则通过广播信道向全网通报作弊用户的地址， 然后各个合作认知用户开始启动惩戒机制，进入步骤(3)；如观察节点没有检测出作弊用户， 则在检测结束后，将检测时间清零并重新检测网络中的实时吞吐量，回到步骤(1)；

步骤(3)：合作用户联合干扰作弊用户通信

当观察节点通报作弊用户出现时，合作用户开始对作弊用户进行联合干扰。通过对惩戒 威慑力和网络性能的折中考虑，确定干扰时长为T_p；干扰时，各合作认知用户事先通过广播 信道协定干扰顺序，依次对作弊用户的数据包包头发送干扰信号，从而破坏数据包的地址信 息，使数据包无法到达接收端；如果某合作用户在惩戒阶段没有按照规则干扰作弊用户的通 信，则认定此用户为作弊者的同伙，在下一阶段对其进行同样的惩罚；

步骤(4)：合作用户允许接入信道，作弊用户禁止发送数据

在满足惩戒威慑力的同时，根据以往经验设置此阶段时长为T_s时隙。在T_s时隙内，合作 用户被允许正常使用信道，但作弊用户禁止发送数据；观察节点需在此阶段将对作弊用户的 吞吐量进行实时测量，如果作弊用户在此阶段内没有发送数据，则返回步骤(1)；如果作弊 用户在此阶段尝试发送数据，则进入步骤(5)；

步骤(5)：对在观察期内不遵守规则的作弊用户进行为期更长的干扰

设定此步骤的干扰时长为AT_p(A≥1)时隙，权重因子A的值由过往经验总结得出；干 扰方法和步骤(3)一样，各合作认知用户事先通过广播信道协定干扰顺序，依次对作弊用户 的数据包包头发送干扰信号，从而破坏数据包的地址信息，使数据包无法到达接收端；干扰 结束后回到步骤(4)。

采用了上述的基于联合干扰的防御认知无线电自私攻击的方法，可以促使认知用户间合 作，预防自私攻击的发生。此机制能达到减少各个用户利益损失，最大化网络平均收益的目 的。同时，考虑到各个认知用户都是以最大化各自利益为目的的，在其实施了作弊得到应有 的惩罚之后，应该给予其重新公平竞争信道的机会。对于理性的自私用户，当作弊的平均收 益少于合作收益时，必然会遵守信道接入规则，使信道公平地、最大化地得以利用。