一种智能反射面增强的抗模仿攻击协作频谱感知系统和方法

本发明涉及一种智能反射面增强的抗模仿攻击协作频谱感知系统和方法，属于无线通信。

背景技术：

1、近年来，随着全球移动终端数目的快速增长以及各种无线宽带业务的出现，频谱资源逐渐面临短缺问题。学界以及工业界提出认知无线电(cognitive radio，cr)技术的概念，旨在提升频谱效率(spectrum efficiency，se)。认知无线电允许未授权用户使用授权用户的频段，实现频谱共享。遵循特定共享原则的频谱共享主要有三种机制，分别是重叠共享、机会频谱接入和混合共享。重叠共享机制允许在一定干扰条件下，授权用户与未授权用户实现同频段同时间共存。为了进一步保障授权网络的服务质量(quality of service，qos)，机会频谱接入以及混合共享机制下，未授权用户必须运用频谱感知(spectrumsensing)技术检测授权用户运行状态，根据感知结果决策是否进行接入或调整波束大小。因此，快速而准确的频谱感知技术是实现频谱共享的一个关键。目前主要的频谱感知技术有能量检测(energy detection)、特征值检测(eigenvalue-based detection)以及匹配滤波器检测(matched-filter detection)等。以上方法最先运用于单个节点的检测，然而，单节点检测通常在低信噪比环境下性能不佳，不适用于城市部署。因此，结合多节点检测结果并进行综合判决的协作检测(cooperative sensing)技术得到更加广泛的应用。

2、另一方面，认知无线电网络的频谱共享性质导致其更易受到攻击或干扰，例如窃听(eavesdropping)、干扰(jamming)、篡改(falsification)以及模仿攻击(emulationattack)等。模仿攻击存在于频谱感知阶段，即恶意用户通过模拟授权用户来阻止空通道，以防止其他用户访问空闲频带，这会严重损害频谱感知的结果，造成频谱资源的浪费。此外，在直接链路受阻情况下，协作频谱感知的检测性能提升依然受限。因此，亟需下一代网络新技术来解决以上问题，进一步提升频谱感知的精确度以及安全性。

3、目前，智能反射表面(intelligent reflecting surface，irs)被认为是下一代网络中十分具有潜力的无线通信技术，其具有易部署、可重构、低成本等优点，预计将为下一代网络提供智能通信新范式，因而获得了学术界持续深入的研究。具体地，irs由多个无源智能元件组成，可自由部署在建筑外墙、无人机、通信基站等区域。其中，每个元件均与irs控制器相连，可独立或分块地根据实时信道环境调整反射参数(极化、幅度、相位等)，重构信道参数，从而改善无线电信道环境。相关研究论证了其能够增强期望信号、创造额外通信链路、抑制窃听或干扰，提升频谱以及能量效率等等。基于上述优点，irs也能够被运用于频谱感知过程，增强频谱感知的精确度以及安全性。例如，论文“irs-enhanced energydetection for spectrum sensing in cognitive radio networks”研究利用irs增强能量检测算法的检测概率，实现频谱感知精确度的提升；论文“irs-assisted crowdspectrum sensing in b5g cellular iot networks”研究了多irs辅助频谱感知能量检测方案，实验表明了irs能够有效运用于下一代网络以及物联网中；论文“intelligentreflecting surfaces and spectrum sensing for cognitive radio networks”考虑了存在主用户接收者情况下的irs增强能量检测；而论文“joint sensing and transmissionoptimization in irs-assisted crns:throughput maximization”则研究了利用irs同时增强频谱感知以及次级传输。由上述分析可见，现有irs增强频谱感知方法和理论研究未考虑irs在协作频谱感知的运用，也未考虑极其重要的频谱感知安全性问题，还存在明显的不足，亟需进一步深入研究。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的缺陷或不足，提出了一种智能反射面增强的抗模仿攻击协作频谱感知系统和方法，通过部署一个相移可调的irs来增强协作频谱感知节点的感知信号并抑制模仿攻击者发送的模仿信号。建立了以最大化检测概率为目标的公式化优化问题，在虚警概率约束下同时针对irs元件相位与融合中心权重系数进行优化。提出了一种高效的交替优化求解算法，分别得出符合问题的最优解，采用半正定松弛以及charnes-cooper变换处理非凸的目标与约束函数，并利用高斯随机化方法保证了秩一条件解。仿真结果表明，与其他方法相比，所提出的交替优化求解方法能够快速收敛，且irs抗模仿攻击协作频谱感知系统能够有效提升频谱感知的检测精确度以及在模仿攻击下的安全性，实现了系统的性能提升。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能反射面增强的抗模仿攻击协作频谱感知系统，该系统包括感知模块、反射模块、决策模块和优化模块。

3、感知模块的功能是系统内多个感知节点运用协作频谱感知技术联合检测主用户信号，搜寻可供机会接入的频谱空洞。

4、反射模块的功能是系统内智能反射面调整其元件相位，增强主用户信号，抑制模仿攻击信号，达到同时增强感知精确度与安全性的目的。

5、决策模块的功能是系统内数据融合中心结合各感知节点检测结果，运用合并策略决策出最终统一的感知结果。

6、优化模块的功能是在以上三个模块的基础上，建立公式化数学优化问题，以提升检测概率为目标，优化智能反射面元件相位以及数据融合中心权重系数，实现系统性能最大化。

7、本发明还提供了一种智能反射面增强的抗模仿攻击协作频谱感知系统的实现方法，该方法包括：

8、步骤1：建立irs增强抗模仿攻击协作频谱感知系统模型，体现系统内各模块作用；

9、步骤2：根据协作频谱感知合并准则以及能量检测算法，推导出检测概率与虚警概率；

10、步骤3：建立公式化数学优化模型，以最大化检测概率为目标，约束虚警概率，优化智能反射面相位与融合中心权重系数；

11、步骤4：利用交替优化算法，结合半正定松弛与charnes-cooper变换方法求解优化问题；

12、步骤5：利用特征值分解处理得出的解，代入系统中，与传统方案对比性能。

13、有益效果：

14、1、本发明通过提出irs增强的抗模仿攻击协作频谱感知方案，调整irs元件相位以增强各次级感知节点的接收信号并抑制模仿攻击者的信号，保障协作频谱感知精确度与安全性的协同提升。

15、2、本发明在系统内建立以最大化检测概率为目标的公式化优化问题，能够同时针对irs元件相位与融合中心权重系数进行数学规划，实现系统性能的进一步优化。

16、3、本发明提出高效交替优化求解算法，求出符合实际条件的解，能够有效处理存在耦合变量的非凸问题且快速收敛。

17、4、通过仿真实验验证了本发明的真实性以及优越性，能够有效增强感知的精确度并减小模仿攻击造成的错误干扰。