Detección de emulación de usuario primario con localización dinámica en la red de radio cognitiva móvil mediante diseño cross-layer

Abstract

In the design of Cognitive Radio Mobile Networks, the detection of attacks such as primary user emulation is essential as it avoids secondary users interfering with primary users of the cellular mobile network. In addition, it allows a primary user to be distinguished from a primary user emulator attacker, considering that the mobile cognitive radio user makes use of dynamic spectrum allocation and performs variable frequency hopping over time, which makes it vulnerable to attack. The research problem consists in establishing a model that allows obtaining information from different layers of the network to detect the primary user emulation attack in Cognitive Radio Mobile Networks where the attacking user has a dynamic location, whose received power is variable with the change of position and its objectives can be to transmit in the primary frequency or generate noise to prevent transmission from other users. On the other hand, detection systems have been developed for attackers with a static location whose power and position are fixed, and for the mobile cellular network users are in motion. In this research work, the cross-layer design is used to detect the primary user emulation attack with a static and dynamic location in Cognitive Radio Mobile Networks, through the study of the characteristics of the signal and its behavior over time and frequency. The model design integrates techniques such as energy detection, entropy, trilateration for location, and application-level information in the sensors to differentiate the attacker from a primary user. A real-case test of the model is performed on software-defined radio devices, allowing a comparison between theory, simulation, and practical results. Results found in the real case test with software-defined radio equipment allowed proving the applicability of the detection model in Cognitive Radio Mobile Networks. The results show that by using the crosslayer design, a technique for PUE detection is generated for static and dynamic cases that allows an exchange of information between the layers combining the energy detection technique that has PUE detection results over 93%, the detection technique by location that allows detecting the user's movement, with 97% of effectiveness using RSSI and trilateration with the least squares technique, the entropy detection technique that improves results by 8dB for low SNR signals as it is less sensitive to noise and the application technique that using information from the application layer extracted from primary users, allows the short name and operator data to be compared with the PUE, achieving 100% of PUE detection. These techniques were implemented in SDR equipment, using GNURadio and OpenBTS as base software.

En el diseño de Redes Móviles de Radio Cognitiva, la detección de ataques como la emulación de usuario primario es esencial, ya que permite que los usuarios secundarios no interfieran con los usuarios primarios de la red móvil celular. Además, permite que se pueda distinguir un usuario primario de una atacante emulador de usuario primario, considerando que el usuario de la radio cognitiva móvil hace uso de la asignación dinámica del espectro y realiza saltos de frecuencia variables a través del tiempo, que lo hacen vulnerable a un ataque. El problema de investigación consiste en establecer un modelo que permita obtener información de diferentes capas de la red para detectar el ataque de emulación de usuario primario en las Redes Móviles de Radio Cognitiva, donde el usuario atacante tiene una localización dinámica, cuya potencia recibida es variable con el cambio de posición y sus objetivos pueden ser transmitir en la frecuencia primaria o generar ruido para impedir la transmisión de los demás usuarios. Por otra parte, los sistemas de detección se han desarrollado para atacantes con localización estática cuya potencia y posición son fijas y para la red móvil celular los usuarios están en movimiento. En este trabajo de investigación, se utiliza el diseño cross-layer para detectar el ataque de emulación de usuario primario con localización estática y dinámica en Redes Móviles de Radio Cognitiva, a través del estudio de las características de la señal y su comportamiento en el tiempo y en la frecuencia. El diseño del modelo integra técnicas como la detección de energía, entropía, trilateración para la localización, e información del nivel de aplicación en los sensores utilizados para diferenciar el atacante de un usuario primario. Se realiza una prueba de caso real del modelo en dispositivos de radio definido por software, lo cual permite establecer una comparación entre la teoría, la simulación y los resultados prácticos. Los resultados encontrados en la prueba de caso real con los equipos de radio definida por software permiten comprobar la aplicabilidad del modelo de detección en las Redes Móviles de Radio Cognitiva. Los resultados muestran que utilizando el diseño crosslayer se genera una técnica de detección del PUE para los casos estático y dinámico que permite un intercambio de información entre las capas combinando la técnica de detección por energía que tiene resultados de detección de PUE sobre el 93%, la técnica de detección por localización que permite detectar el movimiento del usuario, con una 97% de efectividad utilizando el RSSI y la trilateración con la técnica de mínimos cuadrados, la técnica de detección de entropía que mejora los resultados en 8dB para señales de bajo SNR al ser menos sensible al ruido y la técnica de aplicación que utilizando información de la capa de aplicación extraída de los usuarios primarios, permite comparar con el PUE el nombre corto y los datos de operador, logrando una detección de PUE del 100%. Estas técnicas fueron implementadas en equipos SDR, utilizando como software base GNURadio y OpenBTS.