面向多跳無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究

面向多跳無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究研究背景相關(guān)工作研究背景選題背景研究內(nèi)容成果總結(jié)邊境巡邏農(nóng)田監(jiān)測災(zāi)后搜救物流運輸單跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)體積小、成本低部署靈活、使用方便生存能力強(qiáng)、環(huán)境要求低擴(kuò)展性、容錯性、可靠性、高效性高效可靠的無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選題意義無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)多跳自組織無中心節(jié)點的高速移動性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母叨葎討B(tài)性節(jié)點的稀疏性通信連接的間斷性節(jié)點移動模型的特殊性網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)型、開放性針對無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)的特點對路由協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化1.保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?.保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珶o人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究背景研究背景相關(guān)工作研究內(nèi)容成果總結(jié)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)高效路由協(xié)議研究現(xiàn)狀路由協(xié)議類別主要思想不足之處基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚尚畔?，在?shù)據(jù)傳輸前建立通信鏈路需維持全局拓?fù)渎酚尚畔?，開銷過大基于地理位置的路由協(xié)議將消息轉(zhuǎn)發(fā)給距離目的地更近的節(jié)點容易陷入局部最優(yōu)混合路由協(xié)議結(jié)合以上兩者路由協(xié)議的特性對節(jié)點移動性的容忍性較差且控制開銷較大仿生路由協(xié)議基于群體智能優(yōu)化算法的啟發(fā)設(shè)計高度動態(tài)和稀疏分布的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)不利于發(fā)揮其全局探索和尋優(yōu)能力相關(guān)工作研究背景相關(guān)工作研究內(nèi)容成果總結(jié)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議研究現(xiàn)狀路由協(xié)議類別主要思想不足之處基于身份驗證和通信加密的路由協(xié)議身份驗證：對網(wǎng)絡(luò)中的合法用戶和設(shè)備進(jìn)行識別并授權(quán)無法識別和定位惡意攻擊者;且無法抵御所有內(nèi)部攻擊通信加密：對消息加密后再進(jìn)行傳輸從而避免明文傳輸基于信譽評估和惡意節(jié)點檢測的路由協(xié)議數(shù)學(xué)模型：對問題的輸入、輸出以及兩者之間的映射關(guān)系進(jìn)行精確的定義無法對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的映射關(guān)系進(jìn)行精確擬合和求解機(jī)器學(xué)習(xí)：自動從過去的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí)和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型不統(tǒng)一，特征選擇隨意性較大相關(guān)工作研究背景相關(guān)工作研究內(nèi)容成果總結(jié)現(xiàn)有研究存在的問題相關(guān)工作1現(xiàn)有的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議大多只是傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的衍生和變體，缺乏對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)特性的深入分析和優(yōu)化；2現(xiàn)有的路由協(xié)議大多遵循傳統(tǒng)的分層網(wǎng)絡(luò)模型，采用非跨層的路由策略，缺乏對跨層信息的全面融合和利用；3現(xiàn)有的路由協(xié)議研究大多缺乏對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)特有的安全挑戰(zhàn)，如延時攻擊，的檢測和防御研究。研究背景相關(guān)工作研究內(nèi)容成果總結(jié)面向多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的跨層路由優(yōu)化框架研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)面向多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的跨層路由優(yōu)化框架研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)功率感知的無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議現(xiàn)有工作現(xiàn)有路由協(xié)議假設(shè)無人機(jī)的傳輸功率固定，未考慮聯(lián)合功率調(diào)度和控制進(jìn)行跨層路由優(yōu)化本文綜合物理層的功率感知、應(yīng)用層的QoS

需求以及預(yù)先規(guī)劃的無人機(jī)軌跡信息以優(yōu)化路由決策實現(xiàn)了物理層、網(wǎng)絡(luò)層以及軌跡信息的跨層聯(lián)合優(yōu)化現(xiàn)有無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議未考慮延時攻擊本文設(shè)計一個整體跨層的延時攻擊檢測框架，利用協(xié)議棧各層的信息對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的惡意節(jié)點進(jìn)行檢測，從而優(yōu)化路由決策實現(xiàn)了無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層以及安全層的跨層聯(lián)合優(yōu)化功率感知的多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議研究內(nèi)容面向多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的跨層路由優(yōu)化框架研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)研究成果：WASA2022，CCFC會議，第一作者，已發(fā)表研究成果：JPDC，CCFB期刊，第一作者，已發(fā)表TIFS，CCFA期刊，第一作者，小修已修回功率感知的多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)優(yōu)化目標(biāo)：滿足消息延遲約束的同時最小化消息傳輸?shù)哪芎幕舅枷胙芯績?nèi)容????2：(??1,??2,10??,??1),(??2,??5,25??,??2),(??5,??0,45??,??1)。投遞時間為45s，總能耗為2????(??1)+????(??2)。????1：(??1,??2,10??,??1),(??2,??4,25??,??1),(??4,??5,35??,??1),(??5,??0,45??,??1)投遞時間為45s，總能耗為4????(??1)。設(shè)以功率級別??1傳輸兩次相同大小的消息所需的能耗大于以功率級別??2傳輸一次消息的能耗，表示為2????(??1)>????(??2)。VS對節(jié)點的功率進(jìn)行自適應(yīng)的感知可以在保證消息及時投遞的同時進(jìn)一步減小能耗！研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)功率感知相遇樹構(gòu)建研究內(nèi)容(1)功率感知相遇樹是一棵有向樹。(2)樹中的每個節(jié)點代表網(wǎng)絡(luò)中的一個無人機(jī)或者地面站。由于功率可調(diào)特性，節(jié)點具有多個功率級別，且可以在樹中重復(fù)出現(xiàn)。(3)樹中的每條邊代表了節(jié)點雙方之間的相遇。相遇點具有唯一性，即每個相遇點只能在樹中出現(xiàn)一次。(4)樹中每個節(jié)點的孩子節(jié)點是當(dāng)前節(jié)點在與其父節(jié)點相遇之后以及延遲約束之前，以不同功率級別能夠相遇的其他節(jié)點。(5)功率感知相遇樹的構(gòu)建是從源節(jié)點開始相繼插入新的節(jié)點和相遇點（即有向邊）對的過程。每一對新添加的節(jié)點和有向邊對都關(guān)聯(lián)著能耗指標(biāo)(即傳輸路徑的總能耗)以及相遇時間(當(dāng)前節(jié)點與其父節(jié)點的相遇時間)。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)實驗設(shè)置研究內(nèi)容任務(wù)場景一任務(wù)場景二性能指標(biāo)：投遞率(PacketDeliveryRatio)、平均能耗(AverageEnergyConsumption)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率(OverheadRatio)研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)對比路由協(xié)議[44]：????????????、????????????????以及??????????????消息產(chǎn)生速率對路由協(xié)議性能的影響研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)PAR在盡量保證消息成功投遞的前提下最小化能耗！研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)無人機(jī)飛行速度對路由協(xié)議性能的影響研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)當(dāng)延遲約束很小時，PAR以增加能耗的方式盡量確保消息的及時投遞；隨著延遲約束的逐漸寬松，PAR逐步降低無人機(jī)的功率級別來最小化能耗。消息延遲約束對路由協(xié)議性能的影響抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議研究內(nèi)容??1在0s時生成消息m，并將其發(fā)送給地面站??0，設(shè)每跳的傳輸時間為1s，則消息m的傳輸路徑為?(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24),

(??3,??0,36,37)?研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)研究內(nèi)容??1在0s時生成消息m，并將其發(fā)送給地面站??0，設(shè)每跳的傳輸時間為1s，則消息m的傳輸路徑為?(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24),

(??3,??0,36,37)?設(shè)??2是惡意節(jié)點并執(zhí)行延時攻擊，持續(xù)時間為1s，則消息m的傳輸路徑變?yōu)?(??1,??2,10,11),(??2,??3,24,25),

(??3,??0,36,37)?研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議研究內(nèi)容當(dāng)延時攻擊的持續(xù)時間為3s時，??2延遲后的發(fā)送時間應(yīng)為26s，但是此時沒有無人機(jī)可以與??2通信，??2不得不存儲攜帶m直到它與??4相遇，并在另一次延時攻擊后傳輸給??4，此時傳輸路徑從?(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24),(??3,??0,36,37)?變?yōu)?(??1,??2,10,11),(??2,??4,38,39),(??4,??0,53,54)?。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)3s的延時攻擊導(dǎo)致消息的投遞延遲增加了17s!!!無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的延時攻擊會改變消息的傳輸路徑，極大地增加了消息的投遞延遲延時攻擊模型延時攻擊模型研究內(nèi)容當(dāng)延時攻擊的持續(xù)時間為3s時，??2延遲后的發(fā)送時間應(yīng)為26s，但是此時沒有無人機(jī)可以與??2通信，??2不得不存儲攜帶m直到它與??4相遇，并在另一次延時攻擊后傳輸給??4，此時傳輸路徑從?(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24),(??3,??0,36,37)?變?yōu)?(??1,??2,10,11),(??2,??4,38,39),(??4,??0,53,54)?。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的延時攻擊模型無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的延時攻擊模型VS研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)3s的延時攻擊導(dǎo)致消息的投遞延遲增加了17s!!!無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的延時攻擊會改變消息的傳輸路徑，極大地增加了消息的投遞延遲研究內(nèi)容目前還沒有針對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中延時攻擊檢測的研究，在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)延時攻擊檢測的挑戰(zhàn)是多方面的：1由于拓?fù)涓叨葎討B(tài)和通信連接間歇，數(shù)據(jù)包的傳輸路徑和投遞延遲變化迅速、波動頻繁、差距較大。因此，無法通過投遞延遲的顯著波動來檢測惡意延時攻擊；2由于存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，攻擊者注入的相對較短的惡意延遲很可能被誤判為正常的無人機(jī)存儲攜帶行為；3由于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及其高度動態(tài)性，許多因素都會影響數(shù)據(jù)包和節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)延遲，導(dǎo)致難以構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)或關(guān)系模型。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)挑戰(zhàn)與難點研究內(nèi)容目前還沒有針對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中延時攻擊檢測的研究，在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)延時攻擊檢測的挑戰(zhàn)是多方面的：1無法通過投遞延遲的顯著波動來檢測惡意延時攻擊；2惡意延遲被誤判為正常的無人機(jī)存儲攜帶行為；3難以構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)或關(guān)系模型。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)1對節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)延遲而不是消息的投遞延遲進(jìn)行評估；2從跨層的角度對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的每一層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，的延遲相關(guān)特征進(jìn)行選擇；3利用監(jiān)督學(xué)習(xí)建立所選特征與相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)延遲之間的一致性模型?？寡訒r攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)核心工作流程研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)遍歷接收到的每個消息的傳輸路徑并提取所有兩跳子路徑?(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24),(??3,??0,36,37)??(??1,??2,10,11),(??2,??3,23,24)(??2,??3,23,24),(??3,??0,36,37)?抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議1無法通過投遞延遲的顯著波動來檢測惡意延時攻擊；1對節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)延遲而不是消息的投遞延遲進(jìn)行評估；研究內(nèi)容物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議2惡意延遲被誤判為正常的無人機(jī)存儲攜帶行為；2從跨層的角度對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的每一層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，的延遲相關(guān)特征進(jìn)行選擇；研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議3難以構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)或關(guān)系模型。3利用監(jiān)督學(xué)習(xí)建立所選特征與相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)延遲之間的一致性模型。研究內(nèi)容節(jié)點的一致性程度被形式化為：其中??????和??????分別表示??????????的良性和惡意轉(zhuǎn)發(fā)行為的數(shù)量；????必須是0到1之間的實數(shù)，它最初被設(shè)置為0.5，其中??????=??????=1。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)抗延時攻擊的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議3難以構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)或關(guān)系模型。3利用監(jiān)督學(xué)習(xí)建立所選特征與相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)延遲之間的一致性模型。研究內(nèi)容性能指標(biāo)：準(zhǔn)確率(ACC)、假陽性(FPR)和假陰性(FNR)任務(wù)場景一任務(wù)場景二研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)實驗路由協(xié)議：Epidemic[127]、SprayAndWait[128]、Prophet[129]以及MaxProp[130]實驗設(shè)置研究內(nèi)容任務(wù)場景一任務(wù)場景二CNN+GMM算法的性能優(yōu)于其他算法組合研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)監(jiān)督學(xué)習(xí)和聚類算法組合對比研究內(nèi)容與CPS[109]和PTP[131]中的延時攻擊檢測方案比較研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)HOTD始終可以在保持低FPR和低FNR（均低于10%）的同時取得良好的準(zhǔn)確率（高于95%）。在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的延時攻擊場景中，HOTD的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于針對CPS和PTP中延時攻擊的檢測方法。延時攻擊檢測方案比較研究內(nèi)容正常運轉(zhuǎn)：網(wǎng)絡(luò)中不存在惡意節(jié)點和延時攻擊(Router-NonTDA)；網(wǎng)絡(luò)中存在惡意節(jié)點實施延時攻擊但沒有部署相應(yīng)的安全路由協(xié)議(Router-TDA-None)；網(wǎng)絡(luò)中存在惡意節(jié)點實施延時攻擊且部署有相應(yīng)的安全路由協(xié)議(Router-TDA-HOTD)投遞率DeliveryRatio平均延遲AverageDelay負(fù)載率OverheadRatio研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)HOTD能夠在減小延時攻擊對數(shù)據(jù)包投遞率和平均延遲的影響的同時，降低無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。路由協(xié)議性能分析研究內(nèi)容(1)組合一：不同層的所有特征。(2)組合二：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的特征。(3)組合三：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的特征。(4)組合四：物理層和網(wǎng)絡(luò)層的特征。(5)組合五：物理層的????；數(shù)據(jù)鏈路層的????????????????、??????????????????和??????????????；網(wǎng)絡(luò)層的??????????????、????????????、????????????和??????????????；應(yīng)用層的????????。組合一至組合四論證了不同層特征的協(xié)同互補(bǔ)；組合五論證了HOTD能夠很好地達(dá)到額外開銷和檢測準(zhǔn)確率之間的權(quán)衡。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)特征影響和額外開銷分析研究內(nèi)容(1)組合一：不同層的所有特征。(2)組合二：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的特征。(3)組合三：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的特征。(4)組合四：物理層和網(wǎng)絡(luò)層的特征。(5)組合五：物理層的????；數(shù)據(jù)鏈路層的????????????????、??????????????????和??????????????；網(wǎng)絡(luò)層的??????????????、????????????、????????????和??????????????；應(yīng)用層的????????。組合一至組合四論證了不同層特征的協(xié)同互補(bǔ)；組合五論證了HOTD能夠很好地達(dá)到額外開銷和檢測準(zhǔn)確率之間的權(quán)衡。額外開銷定量分析均小于2.5%研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)特征影響和額外開銷分析研究內(nèi)容研究變量：延時攻擊時長；延時攻擊概率；惡意節(jié)點占比；通信周期；鏈路質(zhì)量；消息創(chuàng)建間隔。研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)不同變量對檢測準(zhǔn)確率的影響均高于85%研究內(nèi)容研究背景研究內(nèi)容相關(guān)工作成果總結(jié)不同變量對檢測準(zhǔn)確率的影響均高于85%總結(jié)與展望成果總結(jié)研究背景成果總結(jié)相關(guān)工作研究內(nèi)容1針對現(xiàn)有無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議大多僅利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧下三層的參數(shù)進(jìn)行路由決策，未利用多維度跨層信息，提出了一個面向多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的跨層路由優(yōu)化框架HOLO：(1)對物理、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸以及應(yīng)用等協(xié)議層的路由參數(shù)、信息以及反饋進(jìn)行整體的收集、分析和利用，從而達(dá)到整體的跨層交互和融合；(2)提出了面向優(yōu)化目標(biāo)的高效路由決策機(jī)制以優(yōu)化路由，從而達(dá)到更好的網(wǎng)絡(luò)整體性能。2基于HOLO跨層路由優(yōu)化框架，針對現(xiàn)有路由協(xié)議假設(shè)無人機(jī)的傳輸功率固定，未考慮聯(lián)合功率調(diào)度和控制進(jìn)行跨層路由優(yōu)化的問題，提出了一種功率感知的多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議PAR：(1)對物理層的功率信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并利用預(yù)先規(guī)劃的軌跡信息來計算不同功率級別下無人機(jī)之間的相遇情況;(2)基于相遇信息，聯(lián)合應(yīng)用層的QoS需求，以延遲約束和能耗最小化為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建功率感知相遇樹，從而找到滿足條件的高效傳輸路徑。3針對現(xiàn)有無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議未考慮延時攻擊的問題，提出了一個整體跨層的延時攻擊檢測框架HOTD以及抗延時攻擊的多跳無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議：(1)通過對協(xié)議棧各層的延遲相關(guān)特征進(jìn)行提取，采用監(jiān)督學(xué)習(xí)建立選定特征和轉(zhuǎn)發(fā)延遲的一致性模型，并基于訓(xùn)練建立的一致性模型計算出網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的一致性程度；(2)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一致性程度，利用