2015军6月1日现代电子技术 第38卷第11期Modern Electronics Technique Vol. 38 基于博弈论的认知无线电网络数据伪造对抗研究张树森张国峰王腾飞l(1.海军航空工程学院电子工程系，山东烟台264001; 2.国防信息学院，湖北武汉430000)摘要:博弈论是认知无线电技术的重要分析工具。数据伪造攻击是认知无线电网络中物理层面临的一种安全威胁，在这种攻击中，攻击者向其他次用户发送虚假的主用户感知数据，进而干扰合法次用户利用空闲的频谱。结合军用认知无线电网络的应用背景，利用信号博弈理论对数据伪造攻击进行建模，建立博弈模型并最终得到了均衡的条件。最后对实验结果进行分析，验证了模型的有效性。关键词:博弈论;数据伪造攻击;认知无线电;贝叶斯均衡中图分类号:TN97-34 文献标识码:A文章编号1004-373X(2015)11-0043-03 Research on game theory based countermeasure to data falsification in cognitive radio networks ZHANG Shu-sen’, ZHANG Guo-feng’, WANG Teng-fei’ (1. Department of Electronic and Information Engineering, NAAU, Yantai 264001, China; 2. PLA Institute of National Defense Information. Wuhan 430000, China) Abstract: Game theory is an important analytical tool of cognitive radio technology. The data falsification attack is a securi›ty threat that the physical layer of cognitive radio networks is facing, by which the attackers transmit false perception data of the master user to other secondary users to disturb legal secondary users with unoccupied spectrum. The game theory for signal is ap›plied to building data falsification attack model in combination with the application background of military cognitive radio net›works. The game model was built and the equilibrium condition was obtained finally. The experimental results are analyzed and the model availability is verified. Keywords: game theory; data falsification attack; cognitive radio; Bayes Equilibrium 军用认知无线电网络面临的一个根本性挑战就是的分析，用E代表主用户占用频谱，用L代表主用户没如何解决好频谱感知问题，即网络中的次用户(SU)获有出现，频谱处于闲置状态。P和P分别代表频谱是EL悉主用户(PU)是否正在占用频谱资源。然而，单个作否被占用的先验概率。在博弈的过程中由于玩家i并战通信节点独立感知的准确性将受到路径损耗和衰落不知道玩家j被俘获，双方还将继续进行协作和数据的的严重影响，为了解决这些问题，多个作战通信节点的共享。用8，表示玩家i的观测值，在整个检测过程中玩协作频谱感知方法应运而生O协作频谱感知在优化主家i将检测到n个可能的值1'，，1'2'…，凡。由于检测过程用户及信道感知数据的同时也为感知的安全性带来了中每个玩家将独自进行检测，所以检测值之间是相互独新的严峻挑战。立的。在协作过程中玩家i会将其本地观测值矶发送给玩家}，如果玩家j是恶意的，它将会发送给玩家i一个1 博弈描述错误的本地观测值4。变量8;将取决于玩家j的攻击本文中只考虑存在两个次用户的情况，即一个次用策略以及矶，Bj的值。户为我方诚实的作战通信节点，另一个为被敌方俘获的博弈过程涉及的元素如下:恶意的协作感知节点。在模型的讨论分析中，为简便起玩家类型:博弈的过程中，玩家j的类型空间民=见，将诚实的我方节点和恶意的被俘获节点分别用玩家{诚实，恶意}。玩家i认为玩家l是恶意的先验概率为i和玩家j代替。军用认知无线电网络中的每个次用户乱，玩家i的类型C，= ({)，，8，)。都会时刻检测网络并感知主用户是否存在。为了下面玩家行动:玩家i的行动是对主用户是否存在进行收稿日期:2014-12-20 判断，而玩家j的行动则是决定是否向玩家i发送错误
现代电子技术2015军第38卷44 本地观测值8;0|乱，矶=M(矶)={ ""~ (7) ,. 11-βm' 8=H 玩家策略:玩家z的策略是报告主用户存在的概率j Pi，P的大小取决于玩家i的观测值良以及玩家j的发送i对式(6)中后验概率p(s;1吼，C.)分析如下:值81'0玩家J的策略则是发送/Jn’ n = 1，2，…，N中某一个11，战=H，8j=s; 值的概率Pj'Pj的值将取决于玩家j的攻击策略。p(s;1吼，C.)=iO，既=H，8笋js;(8) (汀，，7T)分别为玩家i和玩家j可能的策略组合，良，Pj可|尺，矶=M以分别用条件概率队(.吼叫)，ρ/1飞，C)表示。3 实验结果分析玩家收益:用Cy表示玩家i在主用户实际存在而做下面用Matlab数据处理软件对列举的数值进行计出不存在的错误判断受到的损失，C则是在主用户不N算，对信号博弈的贝叶斯均衡进行验证。为方便起见，存在而玩家i错误地认为存在时受到的损失。在给定观假设有3个可能的观测值，分别为lJ"V, lJ测值8，8类型矶，策略P，玩家i的预期收益可表示为:230 iJj图1-图3分别对应信道空闲概率为8=, 8= ii μι(p"矶，叫，C)=-CNP(LI矶，C)Pi-CyP(EI矶，C)(1-PJ (1 ) , 8, =时得到的仿真图。各图中的纵坐标μJ为式中:P(LI矶，C)，P(EI8"C)分别为给定本地观测值8，e后ij玩家j的收益，横坐标乱为玩家j的类型是恶意用户的信道状态的后验概率，其中有P(Ljsi，C)+P(EI8，C)=1。i先验概率。2 贝叶斯均衡广一一-，-…一-，-一一「一…一γ一一牛?一一-广fLIrk-r onυyAQUOAUOO 在信号博弈完美贝叶斯均衡中，均衡策略组合A 句，K V (7T; ，7T;)需要满足下面的三个条件: 、ro1 \\ (1)对于任意的C和C有:ij.\ 主05! 、'\7T;(’IC,C)E argm~axμ肘，久，8，8)(2) -飞γ。飞i粤、~\03 r飞、气、、式(2)表明对于任意的类型飞，矶，玩家l的策略都 f \土飞l气*抽取应该是最优的O。1r\\| 01-唱岱唱@盼。告也岱!;--~各;总命一-…→，↓(2)对于任意的8'和类型C有: 03 05 βm 〈均川(叫|临ι川i仁，牛8飞川j;图Bi=时的仿真图(ω式3)要求对于玩家j的任意发送值，其策略都应厂----r-一一叮一一←f 吁一? →--，----..，---[""-"3士士气〕i呵*--Vli:卡|…←V2H该是最优的。一-"l:~--v~li0.&十才(3)在给定巧，C的值，玩家j类型的后验概率为: I P(C,8;ICJ p(8;1飞，CJP(飞ICJjJ ~~品J、二士:p(C1巧，CJ== 一一一一2主飞\ \\ p(8;IC.) LP(叫，C;Iq C唰 ~飞l 梅县 !\\3 i、\1、P(飞IC.)p(s;1矶，C.)卡\￥、(4) l ’’$ 立P(可IqP(8;1町，C.)飞撑c’ 。ι→一←←+→←←4→+→一←￥--'0>一←←-------------~o 式(4)中的条件概率P(叼C.)为:βm 图2Bi =时的仿真图I~， P(飞，C)p(CjIC.)=一(5)1-" P(8,IE)P+P(8,IL)PEL 在图1-图3中，玩家j的收益都随着乱值的递增式(5)中的联合概率P(C"。为:而逐渐减小，并在βm>后逐渐变为0。这一现象与P(飞，飞)= PEP(C"C)E)+ PLP(飞，飞IL)实际比较相符，也就是说当玩家i获悉玩家j为恶意的= P EP(CIE)P(飞IE)+ P LP(C, IL)P(CIL) 2i 先验概率比较高时，此时玩家j进行数据伪造攻击很显=P(叹)pEP(8,I E)P(8IE) + P(氏)pLP(8IL)P(8IL) (6) j j i 然是不理智的，因为此时玩家i将采取一系列的安全防其中对玩家j的类型分析如下:护措施，亦或者可以对玩家j进行反欺骗，这就造成了
第11期张恻森，等:墨子博弈论的认知无线电网络数据伪造对抗研究45 玩家j的收益比较低;相反βm值很低时，玩家z不能确络提供有价值的参考，以便获得尽可能大的收益。定玩家j的用户类型，采取的行动也将不是最佳的，所参考文献以此时玩家l进行攻击得到的收益也就最大。[1] QIU Robert Caiming, HU Zhen, LI Hu-sheng, et al.认知无线 r-→…r→……γ-.----T------~T 丁→→---.，..----一-，-------，-一一工工工二二:--"11i _......--v1i1 电通信与组网原理与应用[M].郎为民，译.北京:机械工业出版o址i一、←v;4「飞布卢惧、l 停-v3iiI -"'13-.-~~一一一一..:J!#士，-飞\.. [2] BAHARLOUEI A, JABBARI B. A stackelberg game spectrum 、!j 。.6sensing scheme in cooperative cognitive radio networks [C]ff \i~ 05t k\1 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Confe›川飞、->-"，飞飞、j l、气、irence. Paris: IEEE, 2012: 171-183. ~\\j [3] LI Shuai, ZHU Hao-jin, YANG 80, et al. Towards a fame theo›\飞l。.2retical modeling of rational collaborative speclrum sensing in \..\" ’ is--_"'-.飞\!1 、、飞也i cognitive radio networks [C]ft 2012 IEEE Intemational Confe›oι.--...--....-…←....-..--..嗡.....--....φ会~嗡.-::，..一G---阜呵_e--... o rence on Communicalions. OUawa: IEEE, 2012: 88-92. βm [4] LI Hu-sheng, HAN Zhu. Collaborative spectrum sensing with a 图3e =时的仿真图stranger: lrust, or nol 10 lrust? [C]II 2010 IEEE Wireless Com›munications and N etworking Conference. Sydney: IEEE, 4结语2010: 1-6. [5]朱·弗登博格，让·梯若尔.博弈论[M].北京:中国人民大学出版本文结合军事作战背景，应用信号博弈理论对军用丰士，2010.认知元线电网络协作频谱感知中存在的数据伪造攻击进[6] ZHANG He-li, JI Hong, LI Xi. Collaborative spectrum sensing 行建模分析，模型对双方的策略选择博弈过程进行分析in multi-channel cognitive networks: a coalition game approach 井达到了均衡。仿真结果显示各自策略选择的变化如何[C]II 2012 IEEE Wireless Communications and Networking 影响其收益的变化，同时也验证了模型的有效性。本文Conference: MAC and Cross-Layer Oesign. Paris: IEEE, 2012: 建立的模型可以为协作频谱感知中的我方次用户接人网1364-1369. 作者简介:张树森(1965一)，男，硕士，教授。主要从事对抗与反对抗方向的研究。A他A也..\01..-1他斗也#也占也斗也A也A也A也..\01..-1也J也』也..\01.....也 J也A他A也斗也..\OI....IILW...\OI....\OI..斗也..\OI....\OI....\OI....\OI....IILW....也 ..\01.....ι 」ι」ι」ι..\01..-1也A也..\0l..-Ilι」ιA他-1也.且Jι斗也~~~~~~~..................ι..............................(上接第42页)[2]李绍胜.军用认知元线通信系统中的关键技术研究[0].北京:所不同。可以计算出Link-16系统的抗干扰容限为:北京邮电大学， = +-[+]= dB。[3]胡雁JTIDS对象研究及其干扰效能分析[0].成都:电子科技大4结语学，2010.[4]吕娜.数据链理论与系统[M].北京:电子工业出版社，2011.现代战争已经由单平台的机械对抗转变为以网络[5]姚富强.跳频处理增益有关概念分析与修正[J].电子学报，为中心的信息对抗，元线通信干扰技术与抗干扰技术是2003,31(7) :966-969. 交战双方互相博弈的一对关键要素，取得制信息权就意[6]宋静亮.JTIDS系统物理层波形研究[0].成都:电子科技大学，味着掌握了战场的主动权，如何在战时复杂的电磁环境2010. 下保证军用无线通信系统的生存性已经成为了决定战[7]黄嘉春.JTIDS系统抗干扰性能研究[0].成都:电子科技大学，争胜负的关键因素之一。总之，认真研究干扰与抗干扰2011 技术对我国的军用无线通信、指挥控制以及全军的信息[8]李少谦.扩、跳频通信技术的发展和展望[J].电子科技大学学网络的建设均至关重要。报，1996(S3):299-303[9]姚富强.军事通信抗干扰工程发展策略研究及建议[J].中国工参考文献程科学，2005，7( 5): 24-29. [1]邵连杰.基于载波聚合和跳频技术的通信策略[0].北京:北京[10]征惠玲.国外无线通信抗干扰技术研究进展[J].电讯技术，邮电大学，,54(4) :524-528. 作者简介:梁涛(1976一)，男，工程硕士，工程师。主要从事信号处理和抗干扰方向的研究。
