有人无人网络化信息系统动态协同技术研究.pdf
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1、2023 年 7 月 Journal on Communications July 2023 第 44 卷第 7 期 通 信 学 报 Vol.44 No.7有人无人网络化信息系统动态协同技术研究 叶海军1,2,王国峰2,冯志勇1(1.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876;2.中国电子科技集团有限公司电子科学研究院,北京 100041)摘 要:为满足有人无人编队信息安全共享和体系化动态协同需求,构建动态通信网络,首先设计网络化高精度系统时间同步方案,利用网络链路综合管理策略和无线信道按需优选算法,时间同步精度可达百纳秒级;其次构建适用于机载网络的数据隐私保护和安全共享方案,实现有人
2、无人编队通信数据安全防护,并对性能和安全性进行分析讨论,证明所提方案具有可证明的高安全强度;同时设计有人无人编队动态协同模型,对各节点进行实时发现、认证和撤销,并进行合法性身份验证,通过多机协同构建多目标信息获取最优化分配方案,利用差异化数据传输同步数据,节省网络资源,提升数据传输效率,满足有人无人分布式动态协同需求。关键词:有人无人;时间同步;动态协同;安全共享 中图分类号:TN92 文献标志码:A DOI:10.11959/j.issn.1000436x.2023129 Research on dynamic cooperative technology of manned and unm
3、anned networked information system YE Haijun1,2,WANG Guofeng2,FENG Zhiyong1 1.School of Information and Telecommunication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China 2.Academy of Electronics and Information Technology,China Electronics Technology Group Corpora
4、tion,Beijing 100041,China Abstract:To meet the needs of information security sharing and systematic dynamic cooperation of manned and un-manned formations and to build a dynamic communication network,firstly,a networked high-precision system time syn-chronization scheme was designed,using integrated
5、 network link management strategy and wireless channel on-demand preference algorithm,and the time synchronization accuracy could be up to 100 nanosecond level.Secondly,a data pri-vacy protection and secure sharing solution for airborne networks was built,implementing communication data security of
6、manned and unmanned formation,and analyzing and discussing the performance and security to prove that the pro-posed solution has a provable high security strength.Meanwhile,a dynamic cooperation model of manned and unmanned formation was designed to discover,authenticate and revoke each node in real
7、 time,perform legitimacy identity verifica-tion,optimize allocation scheme for multi-objective information acquisition through multi-machine collaborative con-struction,differentiated data was used to transmit synchronize data,save network resources,improve data transmission efficiency,and meet the
8、demand of systematic cooperative operations.Keywords:manned and unmanned,time synchronization,dynamic cooperation,secure sharing 0 引言 有人无人网络化信息系统通过机载通信网络对空地探测信息进行实时或近实时获取、加工、传输和显示,形成高度信息化的协同体系,使平台操作人员能实时掌握空地态势,并依此进行迅速决策和行动1-2。目前,无人编队系统在态势理解、任务决策等方面还无法与有人系统比拟,只能通过与有人系统的协同才能发挥无人编队系统的最大效能3-4。有人无人编队动态协同
9、以有人系统为中心,无人编收稿日期:20230413;修回日期:20230710 通信作者:王国峰, 186 通 信 学 报 第 44 卷 队系统协同配合,在有人系统的控制和监督下,通过已有的态势信息做出决策,就近指挥无人机获取目标信息,确保有人或无人平台在相应时间到达指定地点,利用合适的资源执行任务。有人无人获得的目标的距离、方位、高度等实时状态信息,通过机载通信网络实时传送和共享,根据地面控制平台的行动指令和引导信息,采取下一步动作,为执行后续任务决策获得更多的准备时间和更长的准备距离5。有人无人网络化信息系统包含多信息输入源、多信息处理节点和多信息用户端,对于多源信息融合、信息处理分析等多
10、任务实时并行处理来说,各信息节点保持高精度的时间同步至关重要。不同设备时间同步的相关研究6-7往往针对以太网或局域网连接设备进行时间同步,梅文华等8利用某一固定数据链对空中编队进行时间同步。为使空中各设备所使用的时间基准与标准时间保持快速同步,提出并设计网络化高精度系统时间同步方案,采用机载北斗接收机、地面时统设备等多种方式向机载网络化信息系统时间基准输入起始时间,由机载时间基准设备进行守时,并基于网络对时协议,采用网络链路综合管理策略和无线信道按需优选算法,设计适用于有人无人机载网络的对时方式,优先选用空闲、高速链路传输时间同步数据,实现全系统高精度时间统一,时间同步精度可达百纳秒级,满足现
11、代先进有人无人网络化信息系统对高精度时间同步的需求。在有人无人网络化信息系统中,各机载传感器多维度实时获取目标信息,网络带宽无法满足网络系统中数据的增长速度9,需要着重解决数据传输过程中带宽和时延这 2 个问题。类比移动边缘计算10,设计有人机作为地面控制平台和无人编队之间的通信桥梁,靠近无人编队的边缘处理和存储数据,以满足实时响应、节省网络流量和多终端接入等需求。在上述通信模式中,网络通信情报数据在有人无人网络化信息系统各节点之间传输,处于不可信环境中,需保护数据隐私11。针对此问题,情报数据在通过无线信道传输之前,可利用近数据端的通信节点直接对数据进行加密和计算。进一步地,数据加密需要解决
12、密钥安全共享的问题。针对这一问题,基于有人机介于无人编队和地面控制平台之间,本文设计有人无人系统模式下的数据隐私保护和安全共享方案,空中平台与地面控制平台协同合作,在保护隐私数据的同时,将数据密钥安全地在各个接收节点之间共享,使空中平台能够基于身份加密(IBE,identity based encryption)机制和公钥加密(PKE,public key encryption)机制进行数据加密,并提供对加密数据的解密功能。由于空中编队通信节点资源是动态变化的,有人无人网络化信息系统动态协同需根据业务和任务的动态需求,通信节点可按需加入和离开空中编队,提升系统功能灵活性。针对此问题,设计空中编
13、队动态协同模型,实时发现、认证与撤销通信节点,提供各平台身份合法性验证,在编队节点和地面控制平台之间安全地共享数据密钥。针对空中编队网络动态协同的特征,建立多通信数据链融合的编队通信网络模型,通过多机协同,利用多路径选择与优化设计构建多目标信息获取方案,使从发现目标到获取目标信息的时间最短、使用资源最少、获取效果最好。进一步地,为节省网络资源,提升数据传输效率,利用差异化数据传输同步数据,实现多目标态势快速共享和信息快速同步。本文的主要贡献如下。1)设计兼顾有人无人平台内外部时间统一的方案,基于精确时间协议(PTP,precision time protocol),采用适用于无线传输通道的对时
14、工作机制,包括网络链路综合管理和无线信道自动选择,实现有人无人各处理设备时间的高精度对齐,同步误差在百纳秒级。2)提出一种适用于机载网络的数据隐私保护和安全共享方案,基于身份加密机制和公钥加密机制,实现数据密钥在空中有人无人编队和地面控制平台之间安全共享,从而实现数据隐私保护和安全共享。3)设计空中编队动态协同模型,空中编队节点网络可动态更新,实时发现、认证与撤销通信节点,提供各节点身份合法性验证,通过多机协同构建多目标信息获取最优化分配方案,利用差异化数据传输同步数据,对于要同步的数据,仅传输现在相对之前某一时刻变化的部分数据,从而提高业务执行效率。1 相关工作 有人无人网络化信息系统通过体
15、系性、系统性规划设计与集成建设,实现跨平台、跨域间的一体化动态协同能力,相关工作包括时间同步、数据安全共享和网络化动态协同等。1.1 时间同步方案 时间同步技术利用信号或以太网协议,基于时间同步信号的时间同步技术12采用专用时间信号线,如第 7 期 叶海军等:有人无人网络化信息系统动态协同技术研究 187 秒脉冲+ToD(time of day)或 IRIG-B(inter-range instrumentation group-B)格式码,对时精度达纳秒级。时间信号同步技术具有时间服务器端 CPU 资源要求小、传输时延小、数据格式灵活(可自定义)、接口形式和实现方式灵活简便(通常采用屏蔽双绞
16、线作为传输介质)的优点,但也有了传输距离有限、易产生电磁兼容问题、系统交联复杂、不利于系统扩展等缺点。在基于以太网协议的时间同步技术6-7中,当时间服务器与一级时间用户均接入高速宽带总线时,一级时间用户与时间服务器之间可以采用 PTP、网络时间协议(NTP,network time protocol)等专用协议进行同步。PTP 即 IEEE1588 V2 协议使用硬件打时间戳方式实现高精度时间同步。PTP 与 NTP 最大的区别是将收发报文的时间戳下移到网络传输的物理层,从而大大减小了报文穿过协议栈的时间不确定性。此外,PTP 在网络管理、时差滤波等方面也进行了优化,从而在同步的收敛时长、变网
17、络负载条件下的同步性能等方面有了较大的提升。如表 1 所示,目前常用的4 种时间传递技术中,NTP 的精度较低,并且同步精度受网络负载影响较大;秒脉冲+ToD 或 IRIG-B 格式码只能实现点对点的时间分发,服务容量受硬件资源影响较大;PTP 在同步精度上优于 NTP,在应用范围上优于 IRIG-B 格式码和秒脉冲+ToD 时间同步方式,可以作为时间同步模式的首选。基于局域网时间同步相关研究6-7和利用某一固定数据链对空中编队进行时间同步8,本文在有人无人分布式场景下,基于 PTP 网络对时协议,设计适用于有人无人机载网络的对时方式,对无线链路进行综合管理,优先选用空闲、高速链路传输时间同步
18、数据,实现全系统高精度时间统一。表 1 高精度时间传递技术对比 时间传递技术 同步精度 实现方式 网络拓扑 PTP 纳秒级 以太网 总线型 NTP 百微秒级 以太网 总线型 秒脉冲+ToD 纳秒级 串口 星形 IRIG-B 纳秒级 串口 星形 1.2 数据安全共享 为保护数据隐私安全,可对数据进行加密,并在不同节点之间实现密钥安全共享。PKE 机制可使用公钥对数据密钥加密,使用对应的私钥解密得到数据密钥。但 PKE 需要在不同通信节点之间确认各自身份证书的合法性,通过向权威认证中心请求证书状态以判断证书是否过期,消耗通信资源,适用于节点一对一通信,不适用于有人无人编队动态协同通信模式。IBE
19、机制基于身份标识,依托私钥签发平台生成对应的身份私钥,以解决身份证书验证问题,适合节点一对一通信或一对多通信,但需要确保私钥签发平台可信、私钥发送过程是安全的。Shamir13基于身份加密设计加密和签名方案,但计算量不具备实用性。Boneh 等14基于 Weil 对设计身份加密方案,具有实用性,但需要将私钥进行托管。文献15结合 IBE 和密钥协商解决私钥托管问题。Lewko 等16设计了多授权方的数据加密方案。SHARE-ABE17是适用于边缘计算场景的基于属性加密的数据共享框架。在移动边缘计算模式下,Zhang 等18设计了一种抗密钥滥用的轻量级数据共享方案,任艳丽等19设计私钥生成外包方
20、案,孙阳等20基于 SM9-IBE 密码算法设计轻量级在线/离线加密方案。本文结合有人无人网络化信息系统的计算和存储能力,基于 IBE 机制和 PKE 机制设计适用于机载网络的数据安全共享方案,基于有人无人动态协同进行隐私数据保护,实现不同平台之间的数据安全共享。1.3 网络化动态协同 为实现以网络为中心的有人无人多平台系统由纵向整合向横向整合的演进,并在目标分配链条上缩短响应时间,王坦等3建立了有人无人协同作业效能评估指标体系,杨震等4为有人无人平台自主决策设计智能推荐算法,李硕等21实现负载均衡的有人无人拓扑网络,相晓嘉等22基于深度强化学习对无人编队进行协调控制。协同作战能力(CEC,c
21、ooperative engagement capability)23将机载和舰载传感器协同交互,共享传感器数据,获取本身传感器作用距离以外的目标态势,增加了编队的目标响应时间,预警范围进一步扩大,从而提升了防空效率。综合控制防空系统24-26的最初目标是克服地球曲率限制,应对“区域拒止/反介入”能力的需求,提高平台对陆地低空目标的预警能力。马赛克系统27通过网络为媒介,构建自下而上的动态协同网络,使各个低成本的传感器、控制机构、机动平台能够自由组合,各种资源可以实时共享,各平台各取所需,解决平台协同、系统集成、任务管理、协同控制、互操作等一系列问题。当其中某一个“小碎片”损伤时,并不会影响整
22、体协同网络的效能28-29。基于以上研究基础,针对空中编队网络动态协188 通 信 学 报 第 44 卷 同的特征,本文设计了多通信数据链融合的空中编队通信网络模型,在多机时间同步和数据安全共享基础之上,通过多机协同,构建动态通信网络和多目标信息获取方案,利用差异化数据传输同步数据,实现多目标态势快速共享和信息快速同步。2 有人无人网络化信息系统模型 有人无人网络化信息系统模型主要由地面控制平台、有人机、无人机等系统资源组成,如图 1 所示。地面控制平台作为控制中心,可控制多个有人机、无人机编队协同作业;有人机作为联系地面控制平台和无人机的空中控制中心,可接收地面控制平台协同指令,为以有人机为
23、中心的无人编队提供信息和协同指令;无人机作为目标信息获取的前端节点,可接收有人机传送的态势信息和协同指令。在有人无人动态协同模型中,有人系统一般是固定的,执行特定任务,无人系统是动态的,可自由组合进入某有人无人编队,由有人系统引导,协同配合完成指定任务。图 1 有人无人网络化信息系统模型 由上述系统模型可类比边缘计算模型进行空中编队网络化协同研究。在有人无人网络化信息系统模型中,地面控制平台可类比云计算中心,可执行大批量数据计算和分析任务;有人机可类比边缘节点,处于近无人机端,可综合各无人机及自身传感器信息,结合地面控制平台传送的信息,形成综合态势,控制无人机协同共享;无人机可类比各终端节点,
24、接收协同指令及综合信息态势,传输探测信息。为实现空中编队网络化系统多源信息融合和多目标态势共享,本文综合已有相关研究,进一步改进多机时间同步、数据安全共享、网络化动态协同等内容,包括基于链路优选的网络化高精度时间同步、基于身份属性的数据隐私保护和安全共享、基于有人无人协同的空中编队动态协同模型。基于PTP 设计适用于机载网络的对时方式,对无线链路进行综合管理,优先选用空闲、高速链路传输时间同步数据。利用有人机位置和功能的特殊性,对无人编队和地面控制平台之间的传输数据进行安全共享,保护隐私数据。数据在传送到数据传输通道之前利用对称加密保护数据隐私,数据密钥利用接收方身份标识基于 IBE 算法进行
25、加密,在接收方处利用认证时得到的对应的 IBE 私钥解密,获取数据密钥。有人机在认证无人机节点时根据身份标识生成对应的 IBE 私钥,并利用无人机所对应的由地面控制平台签过名的 PKE 公钥对 IBE 私钥进行加密传输,发送到相应接收节点,接收节点用 PKE 私钥解密即可获得 IBE 私钥。同时设计空中编队动态协同模型,空中编队节点网络可动态更新,通过多机协同构建多目标信息获取最优化分配方案,利用差异化数据传输同步数据,提升业务执行效率。3 有人无人网络化信息系统技术方案 有人无人网络化信息系统基于IBE机制对会话密钥加密,将密文上传到数据链上,需要针对动态协同通信特性具备时间同步、数据安全共
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