基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)集群抗干擾通信模型*

王浩同，劉白林*，劉智平*，李 藕，趙 濤

（1.新型網(wǎng)絡(luò)與檢測(cè)控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021；3.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

0 引言

隨著多智能體系一致性協(xié)同控制理論的發(fā)展，對(duì)無人機(jī)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)的研究具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，在軍事和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2015年8 月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局宣布啟動(dòng)分布式低成本無人機(jī)集群“小精靈”研究項(xiàng)目，計(jì)劃從敵方防御范圍外大型飛機(jī)上發(fā)射可回收的小型無人機(jī)集群，通過集群戰(zhàn)術(shù)對(duì)敵方進(jìn)行壓制，并于2018 年4月，DARPA 宣布該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入飛行試驗(yàn)階段［1-2］。2018 年1 月，國防科技大學(xué)試驗(yàn)了20 架固定翼無人機(jī)自主作戰(zhàn)，成功實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首次微型折疊翼無人機(jī)雙機(jī)低空投放和模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)［3］。但是無人機(jī)集群并不是簡單數(shù)量疊加，而是集群組網(wǎng)，組網(wǎng)無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互相進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和反饋。在2017 年無人機(jī)系統(tǒng)教育與發(fā)展研討會(huì)上曾提出過利用多無人機(jī)組成MAS 進(jìn)行有關(guān)操作的決策，展示了如何利用以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)設(shè)備間構(gòu)建通信系統(tǒng)［4］。目前無人機(jī)集群為了能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下編隊(duì)通信的需求，集群通信方式大多采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，空軍工程大學(xué)在此基礎(chǔ)上提出一種解決通信時(shí)延方法，能夠保證在有向通信拓?fù)錀l件下保持編隊(duì)穩(wěn)定［5］。但是無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜、對(duì)抗、非合作、不透明的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中存在多樣不確定性，敵我電磁信號(hào)復(fù)雜耦合，相互干擾。無人機(jī)集群作戰(zhàn)過程中，為保證作戰(zhàn)需求，無人機(jī)集群編隊(duì)需要實(shí)時(shí)共享有效準(zhǔn)確的飛行數(shù)據(jù)以及作戰(zhàn)指令等信息，比如無人機(jī)集群編隊(duì)領(lǐng)航機(jī)的速度、姿態(tài)、位置等飛行數(shù)據(jù)，需要通過集群網(wǎng)絡(luò)按照特定的通信頻率發(fā)布給其他在編無人機(jī)接受指令，如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中遭遇非合作性電磁信號(hào)干擾，將導(dǎo)致無人機(jī)集群組網(wǎng)通信失敗，嚴(yán)重影響戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)。對(duì)此，將傳統(tǒng)無人機(jī)“蜂群”技術(shù)賦予智能化的同時(shí)，需要降低無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場(chǎng)通信時(shí)延，提高其戰(zhàn)場(chǎng)生存時(shí)間［6］。

1 無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)

無人機(jī)集群傳統(tǒng)分布式自組網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)，無人機(jī)集群中的每一個(gè)個(gè)體都可以作為一個(gè)自主和自治的智能體，并具備一定的感知、推理和決策功能。但戰(zhàn)場(chǎng)周圍的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，在復(fù)雜、對(duì)抗、非合作、不透明的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中存在多樣不確定性，敵我電磁信號(hào)復(fù)雜耦合［7］，相互干擾，既有敵我雙方眾多無線系統(tǒng)之間的電磁兼容性問題，又有敵方針對(duì)性的電磁干擾問題。本文針對(duì)敵對(duì)非合作性通信干擾，使得無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)通信安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的問題，提出了一系列無人機(jī)集群抗干擾相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景。

1.1 網(wǎng)絡(luò)抗毀設(shè)計(jì)

當(dāng)軍事通信網(wǎng)絡(luò)某一控制單元節(jié)點(diǎn)被敵方摧毀時(shí)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失，該網(wǎng)絡(luò)能產(chǎn)生新的控制節(jié)點(diǎn)，重新實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，保證剩余節(jié)點(diǎn)能夠維持正常數(shù)據(jù)傳輸。由于目前信息化戰(zhàn)爭時(shí)代，軍事通信網(wǎng)絡(luò)在作戰(zhàn)過程中容易成為敵方攻擊的目標(biāo)，對(duì)此需要重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)抗毀設(shè)計(jì)［8-9］，提高網(wǎng)絡(luò)通信過程中的抗干擾性能。由于網(wǎng)絡(luò)抗毀設(shè)計(jì)需要在遭受敵方干擾后實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，重新搭建通信鏈路，過程需要巨大的計(jì)算量。無人機(jī)以其機(jī)載計(jì)算機(jī)難以承擔(dān)巨大的計(jì)算量，在短時(shí)間內(nèi)難以完成通信鏈路恢復(fù)，一定程度會(huì)影響作戰(zhàn)指令發(fā)布的實(shí)時(shí)性。

1.2 低截獲技術(shù)

低截獲可以通過隱蔽波形、功率控制以及空域分割3 種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的作戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)定不同的作戰(zhàn)應(yīng)用波形。單一的抗干擾波形難以適應(yīng)于真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，需要結(jié)合信道編碼等技術(shù)提高抗干擾能力。在此過程中，考慮到無人機(jī)所攜帶電能供給難以為功率控制提供能源保證，從而不僅降低功率控制效率，而且會(huì)影響無人機(jī)動(dòng)力能源供給時(shí)間，縮短任務(wù)有效執(zhí)行時(shí)間。

1.3 電子抗干擾技術(shù)

可選擇的抗干擾技術(shù)包括變換域數(shù)字處理技術(shù)、強(qiáng)干擾電子抑制技術(shù)、通信信道編碼技術(shù)、抗干擾調(diào)制解調(diào)技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)等［10］。此方法需要無人機(jī)攜帶有專業(yè)射頻設(shè)備來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾電子抑制，但專業(yè)設(shè)備的載重量會(huì)大大限制無人機(jī)自身武器以及偵查設(shè)備攜帶量。

1.4 身份識(shí)別技術(shù)

在戰(zhàn)場(chǎng)上，敵我軍事電子對(duì)抗中，敵方可以偽裝我方識(shí)別信號(hào)節(jié)點(diǎn)，然后將偽節(jié)點(diǎn)侵入無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰［11］。由于身份識(shí)別技術(shù)不具備偽裝節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證機(jī)制，導(dǎo)致敵方可以輕易偽裝節(jié)點(diǎn)并接入我方通信網(wǎng)絡(luò)［12］。而通過區(qū)塊鏈可以采用一種群體決策投票驗(yàn)證機(jī)制，為無人機(jī)集群通信數(shù)據(jù)傳輸安全以及通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力提供技術(shù)支持。

1.5 區(qū)塊鏈通信技術(shù)

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，區(qū)塊鏈去中心化自治組織的理論逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用。在無人機(jī)集群組網(wǎng)通信領(lǐng)域，區(qū)塊鏈可以將集群中每一架無人機(jī)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)共享并共同維護(hù)一個(gè)無人機(jī)集群策略的運(yùn)行［13］。在2017 年的IEEE軍事通信會(huì)議上，提出一種利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決無人機(jī)和控制系統(tǒng)間通信的分布式解決方案［14］。同時(shí)海軍工程大學(xué)的劉宏波團(tuán)隊(duì)提出蜂群無人機(jī)自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)，很好地解決了組網(wǎng)通信實(shí)時(shí)性的問題［15］，為區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)集群組網(wǎng)通信奠定了基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)抗干擾模型

2.1 基于區(qū)塊鏈無人機(jī)集群通信模型框架

為了充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)的特性，在無人機(jī)集群應(yīng)用中突顯出抗干擾優(yōu)異性能［16-17］，本文搭建基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)集群抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)，具體抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示。

圖1 抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

其中抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程如下：

1）當(dāng)該通信網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行時(shí)，無人機(jī)機(jī)載終端之間相互發(fā)送帶有本機(jī)終端驗(yàn)證碼（機(jī)載終端ID號(hào)）的問詢信息，并應(yīng)答剩余機(jī)載終端發(fā)來的問詢信號(hào)，進(jìn)而可以確認(rèn)本次通信過程中網(wǎng)絡(luò)中參與互聯(lián)的終端數(shù)量，此時(shí)各無人機(jī)機(jī)載終端生成一個(gè)新的區(qū)塊。

2）當(dāng)?shù)孛嬲景l(fā)送作戰(zhàn)指令或飛行數(shù)據(jù)經(jīng)由通信系統(tǒng)發(fā)送時(shí)，選擇就近的通信機(jī)載終端接收發(fā)送指令，該終端將帶有本終端驗(yàn)證碼（機(jī)載終端ID號(hào)）的發(fā)送問詢信息以網(wǎng)絡(luò)廣播的形式發(fā)送至其他機(jī)載終端，其他終端接收到該問詢信號(hào)后進(jìn)行回復(fù)。問詢過程中區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)定義的訪問控制邏輯決策無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的訪問權(quán)限［18］。因此，攻擊者無法簡單地通過入侵單個(gè)節(jié)點(diǎn)來篡改節(jié)點(diǎn)的訪問權(quán)限。當(dāng)回復(fù)的終端數(shù)量大于（n-1）/2 時(shí)，才會(huì)進(jìn)行信息發(fā)送，增加了對(duì)節(jié)點(diǎn)的攻擊難度，提高了無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)中分布式訪問控制的安全性。

3）每當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或數(shù)據(jù)接收，則生成一個(gè)新的區(qū)塊，并將新的區(qū)塊鏈入到現(xiàn)存的區(qū)塊鏈中，將進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或數(shù)據(jù)接收的終端的區(qū)塊鏈定義為全局區(qū)塊鏈。在數(shù)據(jù)通信過程中，采用橢圓矩陣加密算法進(jìn)行加密傳輸。

4）每個(gè)機(jī)載終端除儲(chǔ)存完整的區(qū)塊鏈外，還儲(chǔ)存一個(gè)僅由各區(qū)塊校驗(yàn)信息組成的日志鏈［19-20］，這將都存儲(chǔ)在行為數(shù)據(jù)庫中。結(jié)合群體投票決策機(jī)制，每隔一定時(shí)間，各終端將把自身的日志鏈廣播至其余終端，若接收到的日志鏈信息與本終端存儲(chǔ)的不同，則回復(fù)自身的區(qū)塊鏈至日志鏈發(fā)送方。同理，當(dāng)某個(gè)終端收到數(shù)量大于（n-1）/2 的區(qū)塊鏈回復(fù)時(shí)，將自身的區(qū)塊鏈更新為全局區(qū)塊鏈。

根據(jù)提供的無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)模型，將其部署在無人機(jī)機(jī)群，該通信網(wǎng)絡(luò)模型中各無人機(jī)節(jié)點(diǎn)間通信依然通過原有無人機(jī)mavlink 通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，具體Mavlink 協(xié)議格式如圖2 所示。但由于不同版本的Mavlink 協(xié)議所使用的的校驗(yàn)碼會(huì)不同，不同版本之間通信時(shí)存在校驗(yàn)不對(duì)等問題。對(duì)此需要通過橢圓矩陣加密算法獲取公私鑰完成數(shù)字簽名驗(yàn)證，來改進(jìn)原有無人機(jī)Mavlink 通信協(xié)議中的CRC 校驗(yàn)方式，擴(kuò)展Mavlink 消息包添加公私鑰取代原有Mavlink 協(xié)議中16 位CRC 校驗(yàn)位，從而提高數(shù)據(jù)傳輸安全性，有效解決通信協(xié)議版本帶來的潛在通信障礙［21-22］。

圖2 Mavlink 協(xié)議格式示意圖

2.2 無人機(jī)集群加密抗干擾算法

目前比較常用的加密算法包括RSA，DSA 加密算法［23-24］，其中，RSA 加密算法選擇兩個(gè)大素?cái)?shù)p和q，計(jì)算p 和q 的乘積n，計(jì)算p-1 和q-1 的乘積，選擇一個(gè)與p-1 和q-1 乘積互質(zhì)的數(shù)e，計(jì)算出d，e 和d 分別作為其公鑰和私鑰，正向加密過程中，通過給定兩個(gè)素?cái)?shù)p 和q 很容易相乘得到n，但是反向解密驗(yàn)證過程中總是難以對(duì)n 進(jìn)行因式分解。而本文設(shè)計(jì)的橢圓矩陣算法有效地避免這一缺陷，可以通過任意一點(diǎn)M 是否滿足橢圓準(zhǔn)線方程來反向求解私鑰。具體過程如下。

2.2.1 選擇公鑰

如圖3 所示，根據(jù)橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程，橢圓長軸在Y軸上，橢圓短軸在X 軸上，則|P1P3|=2b，|P2P3|=2a；其中，將P1，P2，P3，P4 相連組成向量P1P2，P2P3，P3P4，P4P1，這些向量組成一個(gè)環(huán)路。

圖3 橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程示意圖

通過坐標(biāo)P1（0，b），P2（-a，0），P3（0，-b），P4（a，0）構(gòu)建直線方程，進(jìn)而將直線方程矩陣化得到，并根據(jù)該矩陣創(chuàng)建新矩陣，且為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的對(duì)稱矩陣，空余通過0 填充，創(chuàng)建后的矩陣再繼續(xù)轉(zhuǎn)化，利用稀疏矩陣存儲(chǔ)，具體矩陣轉(zhuǎn)化過程如式（1）所示。

最后通過對(duì)稀疏矩陣采用一維表進(jìn)行存儲(chǔ)，在求取公鑰的過程中，除0 外，偶數(shù)位做疊加處理，奇數(shù)位做疊乘處理，即如式（2）所示。

根據(jù)橢圓的特性，得到橢圓上任意一點(diǎn)M，到焦點(diǎn)f 1，f 2 的距離|Mf 1|+|Mf 2|是一個(gè)常數(shù)。此時(shí)連接Mf 1 和Mf 2，很容易得到橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程式（3）從而得到橢圓的準(zhǔn)線方程。通過橢圓的準(zhǔn)線方程，可以得知準(zhǔn)線方程和橢圓相切于點(diǎn)P1，P2，P3，P4并可以很容易地得到這4 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（0，b），（0，-b），（a，0），（-a，0），從而有效規(guī)避根據(jù)公鑰反向求解a，b 參數(shù)的高難度問題，更加簡單有效地完成解密驗(yàn)證。

2.2.3 數(shù)字簽名

區(qū)塊鏈中常用MDS，RSA，HASH 來完成數(shù)字簽名安全認(rèn)證，本文提出的模型采用了上述提到的橢圓矩陣算法來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的數(shù)字簽名。數(shù)字簽名具體過程如圖4 所示。

圖4 數(shù)字簽名流程示意圖

其中，本區(qū)塊數(shù)字簽名=（上一區(qū)塊數(shù)字簽名+public_key）*（a+b），利用數(shù)字簽名可以有效地保證無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸安全。具體橢圓矩陣加密完成數(shù)字簽名算法如下。

2.3 無人機(jī)集群共識(shí)抗干擾算法

基于區(qū)塊鏈無人機(jī)集群抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，通過群體投票決策改進(jìn)訪問控制邏輯［25-26］，可以一定程度保證無法被隨意惡意篡改節(jié)點(diǎn)或偽造節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。本文主要通過群體投票決策來實(shí)現(xiàn)集群網(wǎng)絡(luò)抗干擾的性能，參照算法流程圖如圖5 所示。

圖5 群體投票決策算法流程圖

1）根據(jù)無人機(jī)集群抗干擾通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)在任務(wù)過程中發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)時(shí)，訪問控制模塊將通過節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)感知節(jié)點(diǎn)被惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)此類非合作性干擾，則發(fā)起群體決策。

群體投票決策過程中，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)后，該節(jié)點(diǎn)發(fā)起兩個(gè)投票決策，分別為投票01 和投票02，投票01 主要為了保證發(fā)現(xiàn)可疑節(jié)點(diǎn)的本身節(jié)點(diǎn)不存在安全隱患，其中記錄的內(nèi)容包括，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)象地址Current_Node_address，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所需通信的飛行數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)指令Current_Node_data，以及投票數(shù)Current_Node_count。投票02 中記錄的內(nèi)容包括，可疑節(jié)點(diǎn)對(duì)象地址Suspect_Node_address，可疑節(jié)點(diǎn)所需通信的飛行數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)指令Suspect_Node_data，以及投票數(shù)Suspect_Node_count。將投票01 和投票02 通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播至剩余無人機(jī)節(jié)點(diǎn)。

2）無人機(jī)將投票信息廣播至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他無人機(jī)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行投票操作；網(wǎng)絡(luò)中的無人機(jī)收到廣播的投票內(nèi)容后，將其寫入各自的區(qū)塊中并記錄在行為數(shù)據(jù)庫。同時(shí)對(duì)投票01 和投票02 的內(nèi)容通過橢圓矩陣加密算法，對(duì)被投票節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密驗(yàn)證，并數(shù)字簽名Sign（Node_address，Node_key）。將數(shù)字簽名結(jié)果再次通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播至剩余無人機(jī)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)投票數(shù)對(duì)應(yīng)增加。

對(duì)應(yīng)投票01 中，橢圓矩陣提供的加密算法Node_key 對(duì)Current_Node_data 進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證表明Current_Node 節(jié)點(diǎn)不存在安全隱患，無惡意篡改的問題，則將Current_Node_count 進(jìn)行加一操作。

對(duì)應(yīng)投票02 中，橢圓矩陣提供的加密算法Node_key 對(duì)Suspect_Node_data 進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證表明Current_Node 節(jié)點(diǎn)不存在安全隱患，無惡意篡改的問題，則將Suspect_Node_count 進(jìn)行加一操作。

3）當(dāng)最終回復(fù)的節(jié)點(diǎn)完成投票信息驗(yàn)證后開始計(jì)算投票結(jié)果，并將投票結(jié)果和所需傳遞的數(shù)據(jù)信息寫入?yún)^(qū)塊鏈中，保存在行為數(shù)據(jù)庫，以供歷史查詢驗(yàn)證。

Current_Node_coun 且Suspect_Node_count 的值大于（n-1）/2 時(shí)（其中n 為區(qū)塊鏈中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)），可以認(rèn)為投票01 和投票02 對(duì)應(yīng)對(duì)象節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)真實(shí)有效，否則，當(dāng)投票01 中Current_Node_count小于（n-1）/2，認(rèn)為投票01 對(duì)應(yīng)對(duì)象節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)為偽造數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，當(dāng)投票01 中Current_Node_count 大于（n-1）/2，開始對(duì)投票02 進(jìn)行驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文提出模型的可行性，基于無人機(jī)通信協(xié)議Mavlink 框架，根據(jù)區(qū)塊鏈搭建思路，利用鏈表結(jié)構(gòu)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)通信區(qū)塊鏈［27］并通過改進(jìn)Mavlink 協(xié)議進(jìn)行廣播，部署在無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)上。實(shí)驗(yàn)部署6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬6 架相互獨(dú)立的無人機(jī)，對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)1-6。同時(shí)部署1 個(gè)地面站節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)開始，由地面站發(fā)送數(shù)據(jù)給1 號(hào)節(jié)點(diǎn)無人機(jī)，并開始生成創(chuàng)世區(qū)塊，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和抗干擾實(shí)驗(yàn)前，率先完成區(qū)塊鏈創(chuàng)建。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.2 模型性能分析與實(shí)驗(yàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸效率分析

在數(shù)據(jù)傳輸效率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，比較RSA 加密算法與橢圓矩陣加密算法，選擇相對(duì)更為安全的數(shù)據(jù)加密算法來改進(jìn)Mavlink 無人機(jī)通信協(xié)議中原有的校驗(yàn)方式，從而通過實(shí)驗(yàn)分析改進(jìn)前后網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延大小。

表2 對(duì)于RSA 加密算法和橢圓矩陣加密算法公私鑰的生成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，通過觀察發(fā)現(xiàn)，二者在時(shí)間復(fù)雜度上基本保持一致，但是，橢圓矩陣加密算法在相同時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)生成了20 位的公鑰，及與之對(duì)應(yīng)的私鑰。因此，橢圓矩陣加密算法安全性相對(duì)更適于取代Mavlink 原有通信協(xié)議校驗(yàn)方式。

表2 RSA 加密與橢圓矩陣加密算法比較

將Mavlink 協(xié)議消息包進(jìn)行擴(kuò)展改進(jìn)，取代原有CRC 校驗(yàn)位。Mavlink 協(xié)議改進(jìn)前后無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)間發(fā)送90 個(gè)包含不等長數(shù)據(jù)幀的消息包，其中端到端傳輸時(shí)延對(duì)比如圖6 所示。

圖6 相鄰節(jié)點(diǎn)端到端通信時(shí)延對(duì)比

由于原Mavlink 協(xié)議通過通信雙方完成CRC校驗(yàn)才可以進(jìn)行消息包接收，對(duì)于不同字節(jié)長度的數(shù)據(jù)幀，CRC 校驗(yàn)所需時(shí)間不同，產(chǎn)生的通信時(shí)延也會(huì)有所差異。而利用橢圓矩陣加密算法擴(kuò)展原有協(xié)議發(fā)送格式，取消CRC 校驗(yàn)機(jī)制，通過獨(dú)立于傳輸協(xié)議之外的公私鑰數(shù)字簽名來完成通信雙方驗(yàn)證，通信時(shí)延僅與加密算法有關(guān)，與傳輸數(shù)據(jù)長度無關(guān)。通過圖6 觀察到，原Mavlink 協(xié)議通信時(shí)延明顯高于改進(jìn)后協(xié)議通信時(shí)延。實(shí)驗(yàn)表明利用橢圓矩陣算法改進(jìn)Mavlink 協(xié)議將具備更好的實(shí)時(shí)性。而無人機(jī)集群通信對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)性的需求是迫切的，此方法不僅保證數(shù)據(jù)安全傳輸，而且保證通信實(shí)時(shí)性的需求。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)可生存性分析

在群體投票決策算法實(shí)驗(yàn)中，在數(shù)據(jù)傳輸效率實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)后Mavlink 通信協(xié)議在群體投票決策過程中各節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行廣播。

實(shí)驗(yàn)將3 號(hào)節(jié)點(diǎn)作為偽節(jié)點(diǎn)，其數(shù)字簽名無法通過安全驗(yàn)證，利用群體投票決策算法，4 號(hào)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)字簽名驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)偽節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)4 和節(jié)點(diǎn)3 發(fā)起投票。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)4 號(hào)節(jié)點(diǎn)無安全風(fēng)險(xiǎn)投票數(shù)為5，3 號(hào)節(jié)點(diǎn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)投票數(shù)為6，則最終通過群體投票決策算法決策，認(rèn)為3 號(hào)節(jié)點(diǎn)為偽節(jié)點(diǎn)，同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不受影響，繼續(xù)疊加操作。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)而將所模擬的6 架無人機(jī)，人為加入非合作干擾（包括電磁干擾導(dǎo)致通信鏈中節(jié)點(diǎn)丟失以及偽節(jié)點(diǎn)非法接入數(shù)據(jù)鏈）進(jìn)行無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比，測(cè)試具體如圖7 所示。

圖7 不同訪問控制機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間對(duì)比

表3 群體投票決策算法決策偽節(jié)點(diǎn)

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖7 所示，在給定干擾的情況下，無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間會(huì)隨著無人機(jī)集群通信節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)增而衰減，對(duì)此，選擇合適數(shù)量的無人機(jī)搭建集群通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。但總體上，利用群體投票決策訪問控制機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間明顯高于未作任何改進(jìn)的訪問控制機(jī)制。因此，群體投票決策算法作為一種抗干擾措施，也可以很好地應(yīng)用于無人機(jī)集群通信抗干擾環(huán)境中。

4 結(jié)論

本文針對(duì)無人機(jī)集群組網(wǎng)通信過程中容易受到周圍環(huán)境或敵方非合作性干擾的問題，提出了基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)集群抗干擾通信模型。其工作創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1）分析了如何通過制定相應(yīng)的橢圓矩陣加密算法實(shí)現(xiàn)區(qū)塊數(shù)字簽名來替代原有Mavlink 無人機(jī)通信協(xié)議校驗(yàn)方式。

2）探索了如何通過群體投票決策機(jī)制改進(jìn)共識(shí)算法來防止非合作干擾通過篡改節(jié)點(diǎn)或偽造節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。

通過仿真分析驗(yàn)證，本文所提出的無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)通信模型能夠有效提高無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)中各機(jī)載終端在信息共享過程的機(jī)密性，降低網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，同時(shí)對(duì)提高戰(zhàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)抗干擾可生存性和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路安全具有現(xiàn)實(shí)意義，為相關(guān)方向的研究和裝備研制提供一定的參考。