空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中能夠剔除惡意移動終端的協(xié)作式頻譜感知方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息與通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作頻譜 感知方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，地面網(wǎng)絡(luò)基本上都具有相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)單元和終端設(shè)備通 過光纖、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)等物理傳輸技術(shù)進行互連，主干節(jié)點和鏈路相對固定傳輸時延較 短，且鏈路時空的變化較小。但空間網(wǎng)絡(luò)是由各種航天和飛行器件進行動態(tài)組網(wǎng)，具有傳輸 距離遠（高達上萬公里）、節(jié)點高動態(tài)（速率為幾百m/s~幾千m/s)、鏈路時空尺度變化大 等特點，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)模式和安全防護技術(shù)已無法有效適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)，需要針對其特 點進行專門設(shè)計和優(yōu)化。因此，如何有效地將空間網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和地面互聯(lián)網(wǎng)進行安 全有效融合，從而形成空天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，面臨著眾多的難點和挑戰(zhàn)，其中，在"安全 路由"、"安全切換"、"安全傳輸"等方面面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。
[0003] 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)在國土安全防御、作戰(zhàn)指揮決策、軍事行動實施等領(lǐng)域均發(fā)揮 著極其重要的作用，也是決定著未來信息化戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵因素之一。在網(wǎng)絡(luò)對抗背景下， 我主要戰(zhàn)略對手大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)攻擊能力，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)成為其重要進攻方向之一。由 于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)投入巨大，其高暴露性容易遭受各方面的網(wǎng)絡(luò)攻擊，一旦遭受破壞，維 護成本比較昂貴；另外，天地一體化網(wǎng)絡(luò)還承擔著多星協(xié)同探測、情報偵察等軍事任務(wù)。因 此，必須采用有效的安全防護措施來保障空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的正常運行。為了能夠應(yīng)對來 自不同方面和層次的網(wǎng)絡(luò)安全威脅，必須將安全防護思想融合到空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的體系 結(jié)構(gòu)中。
[0004] 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)由于自身具有的結(jié)構(gòu)時變性、通信平臺異構(gòu)性、鏈路易受干擾 等特性，使得空天地一體化網(wǎng)絡(luò)在安全防護方面受到不同方面和不同層次的安全威脅。具 體地講：（1)在移動終端接入方面面臨著身份認證威脅；（2)在空間網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和 地面網(wǎng)絡(luò)融合方面面臨著安全路由威脅；（3)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)在進行同域/跨域通信方 面面臨著安全切換、安全傳輸威脅。本發(fā)明算法就是為確認移動終端身份，剔除其中惡意 用戶（MaliciousUser,MU)而提出的一種能夠剔除移動惡意用戶的協(xié)作頻譜感知算法。同 時，本發(fā)明考慮的是網(wǎng)絡(luò)中的地面部分，并且整個網(wǎng)絡(luò)利用認知無線電技術(shù)提升頻譜的利 用率。
[0005] 目前，單用戶頻譜感知技術(shù)主要包括能量檢測、匹配濾波檢測和循環(huán)平穩(wěn)檢測。但 匹配濾波器需要知道主用戶（PrimaryUser，PU)的先驗信息，這在實際應(yīng)用中是很難獲得 的。循環(huán)平穩(wěn)特征檢測要求較高過采樣率，且計算復雜，檢測時間較長。能量檢測法最簡 單，但是其對噪聲不確定性很敏感，因此，這三種檢測算法都有其自身的局限性。同時，單用 戶頻譜感知的性能受到路徑損耗和陰影效應(yīng)的影響。因此，對于多個認知用戶（Secondary User，SU)以協(xié)作的方式共同決定主用戶是否存在協(xié)作頻譜感知算法的研究得到了眾多 研究人員的高度關(guān)注。協(xié)作頻譜感知根據(jù)認知無線電網(wǎng)絡(luò)中是否存在獨立的融合中心(FusionCenter,FC)，可以分為集中式頻譜感知和分布式頻譜感知。目前大部分的研究都 集中在集中式的協(xié)作感知上。協(xié)作感知算法一般可分為：本地感知，感知信息傳遞和感知信 息融合3個階段。其中，感知信息融合是目前協(xié)作頻譜感知的研究熱點和難點。而也正是 在這個步驟中協(xié)作的頻譜感知方式給了惡意用戶發(fā)出攻擊的機會。
[0006] 在認知網(wǎng)絡(luò)中，惡意用戶的惡意攻擊行為可以分為兩大類，出于自私的仿造主用 戶信號的惡意攻擊行為以及偽造本地檢測結(jié)果的惡意攻擊行為。本發(fā)明針對后者，可以精 確剔除系統(tǒng)中的惡意用戶。針對這類攻擊行為，事實上，研究人員已經(jīng)提出了利用信任度的 概念剔除認知網(wǎng)絡(luò)中的惡意用戶從而提升系統(tǒng)的檢測性能。認知用戶的信任度是建立在一 段時間內(nèi)這些認知用戶的本地感知結(jié)果和整體感知結(jié)果的匹配度基礎(chǔ)上的。信任度高的認 知用戶在數(shù)據(jù)融合中的被分配的加權(quán)系數(shù)就大。然而，在移動場景中，現(xiàn)存的基于信任度的 算法總是將移動到深衰落或具有較大路徑損耗的可靠用戶過度懲罰，甚至會將這些可靠用 戶錯誤地判定為惡意用戶并剔除出認知網(wǎng)絡(luò)。因此不宜直接將傳統(tǒng)的基于信任度的協(xié)作感 知算法應(yīng)用到移動場景中（認知網(wǎng)絡(luò)中的認知用戶總在不停移動的場景）。目前針對移動 場景中的頻譜檢測的研究是非常有限的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有頻譜感知方法無法精確剔除認知網(wǎng)絡(luò)中的惡意用戶同時 保留可靠用戶，以及總是將處于深衰落或具有較大路徑損耗的可靠用戶過度懲罰的問題， 從而提供一種空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中能夠剔除惡意移動終端的協(xié)作式頻譜感知方法。
[0008] 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中能夠剔除惡意移動終端的協(xié)作式頻譜感知方法，在空天地一 體化網(wǎng)絡(luò)中，該方法由以下步驟實現(xiàn)：
[0009] 步驟一、設(shè)認知用戶U;的信任度初值r;= 0 ;
[0010] 步驟二、各個認知用戶獨立進行能量檢測，并將各自檢測到的能量值以及其當前 所屬單元格序號發(fā)送至融合中心；
[0011] 步驟三、利用步驟二中上傳的全部檢測結(jié)果，即在第k個感知周期中獲得的檢測 結(jié)果，以及儲存在融合中心處的前1-1個檢測周期的檢測結(jié)果，共同構(gòu)成檢測結(jié)果集合Y， 所述集合Y的表達式為：
[0012] Y一{Yliku"，Ylik(12)，…，Yu,Y2，k(1"，Y2，k(12)，…，Y2，k，…，YN，k(1"，YN，k(12)，… Yn，iJ
[0013] 其中：U表示在單元格C]中的認知用戶ui在第k次檢測到的能量值；l、k均為正 整數(shù)；
[0014] 步驟四、根據(jù)公式：
[0015]
(1)
[0016] 計算集合Y中NX1個元素對應(yīng)的在第k次檢測后的NX1距離函數(shù)；
[0017] 其中avg( ?)和std( ?)分別代表求均值和求標準差；Af'代表在第k次檢測時與 認知用戶~同在一個單元格C,中的認知用戶的個數(shù)；i、j、N均為正整數(shù)；
[0018] 步驟五、根據(jù)公式：
[0019] k
'厶'
[0020] 計算NX1個在第k次檢測后得出的距離函數(shù)對應(yīng)的NX1信任度增量函數(shù) Ak (u;)；
[0021] 這些信任度增量函數(shù)共同構(gòu)成集合：
[0023] 步驟六、根據(jù)公式（3)和公式（4):
[0026] 計算N個認知用戶各自的歸一化信任度增量:
[0027]其中：表示中全部負值元素；4;&表示集合S啲元素；
[0028] 步驟七、根據(jù)公式Gt更新用戶Ui的信任度值r1;
[0029]步驟八、將信任度值小于預(yù)設(shè)門限Ai的認知用戶判定為惡意用戶，并將其從認知 網(wǎng)絡(luò)中剔除；
[0030] 步驟九、根據(jù)公式（5)和公式（6)以及集合Y中的檢測結(jié)果元素，即"時間窗"內(nèi) 全部檢測結(jié)果：
[0033] 計算認知用戶Ul在第k次檢測到的加權(quán)因子《 lik;
[0034]其中：搜是第b次檢測結(jié)果中屬于單元格C]全部可靠用戶的檢測結(jié)果的總和； # 泣，是"時間窗"中單元格~的所有可靠用戶的檢測結(jié)果的個數(shù)；
[0035]步驟十、根據(jù)公式：
[0037] 計算最終的加權(quán)目標函數(shù)；
[0038] 步驟十一、通過比較步驟十計算所得結(jié)果RCSS與預(yù)設(shè)門限A2的大小關(guān)系，若加 權(quán)目標函數(shù)更大，則認定主用戶存在；否則，則認定主用戶不存在；完成空天地一體化網(wǎng)絡(luò) 中能夠剔除惡意移動終端的協(xié)作式頻譜感知。
[0039] 本發(fā)明中，首先需要將整個研究區(qū)域劃分為若干個單元格。劃分的依據(jù)就是要將 接收信道狀況相似的地點歸入同一個單元格。劃分單元格可以通過實地檢測，將信道狀況 相近的區(qū)域劃入一個單元格；或者可以通過經(jīng)驗確定，比如整個網(wǎng)絡(luò)中有一部分建筑密集 區(qū)，自然要構(gòu)成一個單元格；另外，就是可以均勻劃分單元格，雖然效果沒有實地檢測好，但 是更加方便，而且位置相近的區(qū)域?qū)?yīng)的檢測結(jié)果的差異性一定小于不進行單元格劃分操 作對應(yīng)的情況。然后利用信任度的思想在每個單元格中單獨更新認知用戶的信任度并以此 為據(jù)，剔除惡意用戶，進而為信道狀況更好的單元格分配更大的權(quán)值系數(shù)。為了排除檢測結(jié) 果上傳不同步以及個別小單元格中檢測結(jié)果數(shù)量過少對系統(tǒng)檢測性能的影響，本發(fā)明方法 又引入了