無線電組網(wǎng)在應(yīng)用中的信息安全與防護(hù)研究

張世偉 郝 威 郭 巡

（中國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)知無線電

1.1 發(fā)展背景

在世界絕大多數(shù)范圍內(nèi)，無線頻譜資源是以主管部門授權(quán)的方式分配給無線業(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);開放使用的非授權(quán)頻段占整個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)?？臻e。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)知無線電就是針對這一問題提出的有效解決方案。

認(rèn)知無線電能從根本上解決因頻譜的固定分配政策導(dǎo)致的對頻譜資源利用不合理的問題，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線通信難題開辟了一條新的途徑。

1.2 認(rèn)知無線電的定義

認(rèn)知無線電這個概念最初是有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)知無線電可以通過“無線電知識表示語言”提高個人無線業(yè)務(wù)的靈活性，并在2000變詳細(xì)討論了這一理論。認(rèn)知無線電核心思想是使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)接收到無線信號的統(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資源的充分利用。

圖1

2 認(rèn)知無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

頻譜感知技術(shù)在認(rèn)知無線電中具有基礎(chǔ)地位，是認(rèn)知無線電系統(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)，對授權(quán)用戶的頻段不斷進(jìn)行檢測，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)知無線電需要獨(dú)立、可靠地、通過連續(xù)的對授權(quán)用戶進(jìn)行檢測，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。

頻譜檢測技術(shù)：頻譜檢測的主要功能是監(jiān)測可用頻段，檢測頻譜空洞。就是在各頻段連續(xù)不斷的檢測是否有主用戶在發(fā)射信號，若檢測有主用戶信號，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，若干具有低優(yōu)先級的認(rèn)知無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)知動態(tài)頻譜處理的第一個任務(wù)是無線環(huán)境下頻譜空洞的檢測。認(rèn)知無線電系統(tǒng)中頻譜檢測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)是在頻譜檢測之后，將探測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認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行的動態(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)先級較低，不能對主用戶造成過分干擾，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。頻譜移動性管理就是當(dāng)認(rèn)知用戶檢測到授權(quán)用戶出現(xiàn)時(shí)，同時(shí)，系統(tǒng)沒有多余的空閑頻譜，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)知無線電組網(wǎng)與應(yīng)用

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

認(rèn)知無線電網(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)知無線頻譜、信號傳輸、數(shù)據(jù)存儲與分析、傳輸參數(shù)可改變的能力。認(rèn)知節(jié)點(diǎn)通過無線電頻譜感知模塊對其所處無線電環(huán)境進(jìn)行檢測，認(rèn)知通信終端設(shè)備存儲檢測結(jié)果，并與以往的無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)如何在動態(tài)環(huán)境下定位接收機(jī)是認(rèn)知無線電的一個主要研究方面，這取決于認(rèn)知無線電的組網(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)整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)熱資源分配和信息發(fā)布，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理。主要特點(diǎn)是發(fā)射信號的控制設(shè)計(jì)相對簡單，但受制于基站的建立。

（2）分布式網(wǎng)絡(luò)（分布式控制）：指一種無中心、多跳的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個節(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)射信號的控制設(shè)計(jì)相對困難。

（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)橐苿犹幱贏P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)具有高度的動態(tài)性和靈活性，網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)會因移動和無線環(huán)境的變化而在各種節(jié)點(diǎn)身份之間轉(zhuǎn)換。

4 認(rèn)知無線電組網(wǎng)的應(yīng)用

軍事方面，無線頻譜資源匾乏的問題依然存在，尤其是對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條下，信息戰(zhàn)，電子戰(zhàn)中，大量電子設(shè)備在一個有限的戰(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各種信號進(jìn)行接收和發(fā)送，且認(rèn)知無線電能夠在很寬的。而對于當(dāng)前各種兵器裝備的種類繁多，所需的電臺工作頻率、發(fā)射功率、調(diào)制解調(diào)等各不相同，認(rèn)知無線電技術(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，具有不易受名用無線電干擾的優(yōu)點(diǎn)。商用無線電技術(shù)迅猛發(fā)展，也對頻譜需求大量增加，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題。同時(shí)，認(rèn)知無線電技術(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，大量的頻譜沒有得到充分利用并且如無線因特網(wǎng)服務(wù)商(WISP)、無線局域網(wǎng)等在農(nóng)村地區(qū)無法實(shí)現(xiàn)信號的完全覆蓋。因此，在不對授權(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)知無線電作為一種無線通信技術(shù)，在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中不僅存在著傳統(tǒng)的安全問題，也引入了一些新的安全隱患，例如，在頻譜接入過程中，分為頻譜感知、頻譜管理、頻譜遷移以及頻譜共享，每一過程都存在著安全問題。下面重點(diǎn)介紹動態(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特征發(fā)送CR信號，創(chuàng)造和主用戶充分相似的波形來引起錯誤的頻譜感知信息，使得感知范圍內(nèi)的次級用戶誤以為主用戶處于活動狀態(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。

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

5.2 防御手段

網(wǎng)絡(luò)只有實(shí)現(xiàn)對所有次級用戶信息的存儲，才不會對授權(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)向了對于次級用戶接入網(wǎng)絡(luò)的防御。

次級用戶接入網(wǎng)絡(luò)主要有兩種形式：一是通過模仿基站給認(rèn)知用戶發(fā)送信號，從而阻止其接入;二是通過模仿用戶給基站發(fā)射信號，從而接入可用頻段。因此，無論從那種哪種方式來看，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)射信號驗(yàn)證防御方案，通過檢測信源的位置信息和信號能量級，對接入用戶進(jìn)行判斷。 在此模型中，發(fā)射塔作為信號發(fā)射器，其位置固定。如果接入信號的特征與授權(quán)用戶是相似的，但是檢測信號源的位置遠(yuǎn)離發(fā)射塔的位置，出現(xiàn)這種情況的可能性就是次級用戶在發(fā)動模仿授權(quán)用戶攻擊并且他可以在發(fā)射塔附近的位置啟動接入請求，使得基于位置的檢測方法失效。

在上述情況下，我們可以換種思維來考慮，比如將信號的能量級檢測和信號源位置信息檢測這兩種方法想融合。對于攻擊者來說，同時(shí)模仿授權(quán)用戶傳輸信號的位置來源和能量級別是不好實(shí)施的，因?yàn)楣粽叩膫鬏斈芰考墑e遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射塔的能量級別。一旦模擬授權(quán)用戶攻擊被檢測出來，就可以利用估計(jì)出的信號位置來準(zhǔn)確定義攻擊者。但是這種方法存在一些缺點(diǎn)：它只能用來檢測針對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x(可以足夠的長)，輸出一固定長的串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)。為防止傳輸和存儲的消息被有意或無意地篡改，采用散列函數(shù)對消息進(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。不同的輸入可能散列成相同的輸出，而不可能從散列值來唯一的確定輸入值，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)防攻擊用戶對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾。并且從理論上來講，攻擊者不可能制造一個替用的消息來產(chǎn)生一個完全相同的消息摘要。

6 總結(jié)

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

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