无人机通信网络安全综述

摘要：无人驾驶飞行器通信网络（UAVCN）由一组无人驾驶飞行器（UAV）组成。无人机网络的路由需求超出了MANETS和VANETS的需求，这些节点在自由空间中以自组织模式自主飞行，以执行任务。由于无人机的能量供應有限，为了提高其网络的安全性和可用性，可以考虑进一步研究无人机在协作和通信过程中面临具有挑战性的问题。无人机通信网络节点的有限寿命和网络的动态性产生了无缝切换的需求，各层的协议应该有助于网络的优化与节能，因而需要适应高移动性、动态拓扑、间歇链路、功率限制和变化的链路质量的保障。路由质量和电源问题都是影响无人机通信网路安全的重要因素。文章就由无人机通信网络特征、通信网络设计问题、通信网络路由管理方面展开研究，旨在进一步保证无人机通信网络安全。

关键词：无人机;通信安全;保密能力

中图法分类号：V279文献标识码：A

Overview of UAV communication network security

HU Zengkang

（Zhonghua Communication System Co.，Ltd.，HebeiBranch，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：The Unmanned Aerial Vehicle Communication Network（UAVCN） consists of a group of Unmanned Aerial Vehicles （UAV）. The routing needs of UAV networks exceed those of MANETS and VANETS， nodes that fly autonomously in free space in an ad hoc mode to perform missions. Due to the limited energy supply of UAV， in order to improve the security and availability of their networks， further research on the challenging problems UAV face during collaboration and communication can be considered. The limited lifetime of UAV communication network nodes and the dynamic nature of the network have created the need for seamless switching. The protocols at each layer should help the optimization and energy saving of the network， so it needs to adapt to high mobility，dynamic topology， intermittent links， power limitation and guarantee of varying link quality.Routing quality and power issues are both important factors that affect the security of UAV communication networks. This paper studies the characteristics of the UAV communication network， the design of the communication network， and the management of the communication network routing， in order to further ensure the security of the UAV communication network.

Key words： UAV， communication security， confidentiality capability

与许多其他无线网络不同，无人机网络的拓扑结构随着节点和链路数量的变化以及节点相对位置的改变而不断变化，因此需要以保存能量的方法来延长其网络通信寿命。无人机可根据应用不同的速度移动，这会导致其链路间歇性地建立，这种方式会给其通信网络的安全造成一定的影响。无人机通信网络结构设计的某些方面仍然是不直观的，如流动的拓扑、消失的节点和网络的连结。在某些情况下，路由协议不能是主动式或反应式方案的简单实现，这意味着无人机之间的主干不得不反复重组。此外，节点频繁地加入和脱离网络，也会给通信网络的安全造成影响。研究表明，虽然adhoc网络适合大多数情况下的无人机通信需求，但对于节点之间快速可靠的通信而言，网状网络拓扑是更加合适的[1]。节点可能由于许多原因而断开，因此移动自组织网络（ MANETS）和车载自组织网络（VANETS）并不完全适用于无人机通信需求。基于此，我们需要根据无人机网络的特点进行针对性研究和设计。

1特征

类似于移动自组网络（MANET）和车辆专用网络（VANET），无人机网络（ UAVCN）的结构设计需要使用许多节点来转发数据包。其特征包括自组织能力、自配置能力以及在节点间通信和协调期间以分散的方式自我管理信息。

以下特征区分了 UAVCN，MANET 和 VANET。与 MANET 和 VANET 相比，由于具有高移动性，UAVCN 不规则网络连接性就更为显著，这是一个重要因素。由于无人机的随动性更强，通信可能会中断。通信数据中断是数据传输过程中的一个关键问题。这直接导致无人机通信失败，因为连接系统和链路故障会使其通信数据连接断开，或产生延迟，因此导致通信中断。与移动自组网和 VANET 相比，无人机节点之间的距离更大，因此导致无人机通信信号容易产生中断等现象。无人机的节点具有更大的移动性和多变性，如其链路连接性波动可能导致链路断开，从而导致无人机通信失败、性能降低[2]。由于无人机速度更快，因此无人机可以覆盖更大的目标区域来完成任务。然而，与 VANET 和 UAVCN 相比，MANET 节点的速度较低。与 UAVCN 相比，VANET 节点的速度较慢。但与 MANET 和 VANET 节点相比，UAVCN 节点需要更多的能量来进行通信。它还取决于无人机的大小和类型。事实上，UAVCN 通信所需的能量比 MANET 节点通信所需的能量大得多。

MANET 和 VANET 使用二维（2D）移动模式进行通信，然而 UAVCN 支持2D 和三维（3D）移动模式进行通信。移动性在无人机通信中有着重要的作用，这是给物理层带来挑战的最重要的特征[3]。MANET 节点可以像 VANET 和 WSN 一样靠近地面运行，UAVCN 节点可以在自由空间运行。然而，自由空间路径损耗模型或另一种合适的模型可以用于对物理层建模。此外，天气条件、大型障碍物（如建筑物、山脉和地面反射）会降低网络节点的链接性能，进而导致链路故障。由此，传播模型在处理这个问题中就起着重要作用。

2无人机通信网络设计

UAVCN 是 MANET 的一个子集，但它有独特的设计考虑。设计的优劣直接关系到通信网络的安全。

一般来说，UAVCN 的设计应当注意以下几点。

2.1节点的移动性

节点的移动性是 UAVCN 设计中的一个主要问题，并且在 UAVCN 和其他自组织无线网络之间具有适当的差异。涉及 VANET 的 MANET 节点是中等缓慢的。与 MANET 和VANET 相比，UAVCN 节点的移动性更大。节点的移动性在 UAVCN 体系结构设计中起到基本的约束作用[4]。

2.2移动模型

移动自组织网络节点可以部署在特定的地形上， VANET 节点可以在街道、公路和铁路上运行。然而， UAVCN 节点可以在空中大气/天空中运行。移动性的各种模型已经被投影，以确保节点移动模式。这些移动模型体现了多架无人机的速度、位置和位置偏差。

2.3节点密度

节点密度即单位面积上可用的通信节点数量。与 MANET 和 VANET 相比，UAVCN 环境中的节点密度较小，也就意味着 UAVCN 的网络结构更加简单，更容易出现安全问题。

2.4拓扑结构

由于无人机具有更突出的移动性，因此与 MANET 和 VANET 的拓扑结构相比，无人机通信网络的拓扑结构变化频繁。然而，链路中断问题会更频繁地发生，这无疑影響了无人机通信网络的正常使用。并且，拓扑更新发生得非常频繁，高移动性、距离和循环链路质量导致链路中断和拓扑变化。无人机通信网络拓扑变化取决于无人机的机动性和无人机的节点密度，无人机节点间距离的变化表明了网络拓扑结构的变化。因此，在 UAVCN 中添加或删除 UAVCN 的任何时候，其拓扑更新都会发生。由于拓扑结构的变化以及链路中断，可能导致无人机通信失败。

3无人机通信网络路由管理

3.1确定性路由管理

在确定性路由的管理方法中，假设无人机的运动轨迹和链路是完全已知的。在无人机网络的背景下，无人机以受控编队飞行的应用中，或者在它们执行某个区域特定任务的过程中，在某特定区域上空盘旋的应用也是常有的。如果所有主机都了解其他主机的可用性和运动轨迹，则可以使用树形网络拓扑方法来选择路径。以源节点为根并添加子节点以及与这些节点相关联的时间来构建树形网络结构，通过选择到达目的节点的最早时间，可以从树形网络结构中选择最终路径。如果主机最初不知道特征简档，那么它们通过与网络邻居交换可用的简档来了解这些特征简档，基于这部分知识来选择路径，可以通过要求主机记录过去的消息所经过的路径来改进相关方法以及把握确定性算法，从而假定节点和链路在空间和时间上的全局知识。确定性路由协议对传输中的消息使用单副本单播，与随机路由技术相比，它能以更少的资源使用，提供良好的性能，在节点轨迹是协调的或可以精确预测的应用中，如星际网络，这是正确的定义了一个多重图，其中顶点表示延迟容忍节点，同时描述节点之间的时变链路容量，确定性路由机制仅适用于网络拓扑可预测的情况，但实际上无人机往往是在不可预测的环境中行动。因此，其更加需要加强随机路由管理。

3.2随机路由管理

在随机的无人机网络中连接对路由管理是具有挑战性的，因为节点何时连接以及连接多长时间都是未知的。当连接确实发生时，需要确定连接中的对等体是否可能将分组带到离目的地更近的地方。将分组移交给联系人的决定，除了取决于联系人将分组带到更接近目的地的概率之外，还取决于两个节点中的可用缓冲空间，以及转发该分组相对于该节点持有的其他分组的相对优先级。此外，如果节点具有关于其位置的信息，则可以利用该信息。在上述情况下，路由的主要目标是保证最大化在目的地交付的概率，同时解决其延迟问题。随机路由管理模式主要有以下几种。

3.2.1基于统计法的路由管理

这种方法用于移动节点的网络，这些移动节点大多是断开的。节点会制作大量的消息副本，并将它们转发给称为中继的其他节点。继电器转移即当其他节点与它们接触时，就将消息发送给它们。若没有关于链路或路径转发概率的预测，则消息就会通过网络的连接部分迅速传播。然而，在相互联系时，节点仅交换它们不在存储器缓冲区中的数据。因此，它对节点或预防网络故障具有一定的积极作用，可以保证在足够数量的随机交换后，所有节点将最终在最短的时间内接收到所有消息。

3.2.2基于估计法的路由管理

采用这种方法中间节点不是不加以选择地将消息转发，而是估计每条传出链路最终到达目的地的概率。基于这种估计法，中间节点决定是否存储分组并等待更好的机会，或者决定何时以及向哪个节点转发。这方面的变化可以是基于下一跳转发概率估计的决策或基于平均端到端度量（如最短路径或延迟）的决策。

3.2.3基于节点运动控制的路由管理

节点可以被动地等待与另一个节点重新连接的机会，或者主动地寻找另一个节点。在节点等待重新连接的反应情况下，对于某些应用而言，可能存在长时间的不可接受的传输延迟。在前摄情况下，已经提出了许多方法来控制节点移动性以减少延迟。在一类方法中，一些节点的轨迹被改变，以改善一些系统性能指标，如在消息摆渡方法中，特殊的摆渡节点在预先计划的路线上携带数据，其他节点靠近摆渡并与之通信，或者摆渡节点随机移动，其他节点发送服务请求作为响应，对该响应，所选摆渡节点将靠近请求节点。

3.2.4基于编码的路由管理

网络编码的概念来自信息论，可以应用在路由中，以进一步增加系统吞吐量。中间节点不是简单地转发数据包，而是将目前收到的一些数据包组合起来，作为一个新的单个数据包发送出去，以最大化信息流。擦除编码涉及更大的处理，因此需要更大的功率，擦除编码包括冗余数据，在重传不可行的情况下非常有用。实际上，在 UAV 中重发将是具有可能不同节点集的不同路径，并且冗余信息所需的存储也是有限的。混合擦除编码结合了擦除编码和主动转发机制，在节点接触期间按顺序发送所有数据包。如果节点电池电量耗尽或节点因故障失去移动性，它将无法向目标传送数据，从而产生“黑洞”信息丢失问题。

4结论

研究表明，无人机通信网络的安全问题与其特殊的结构有直接关系。针对加强无人机通信网络安全，首先需要根据无人机网络的特点进行针对性研究，并合理地对其网络结构进行设计。为了提高无人机网络的安全性和可用性，还应当加强无人机通信网络的路由管理。设计者应当高度重视无人机通信网络节点的有限寿命和网络的动态性对于无缝切换的需求，充分进行各层的协议优化，对无人机通信网络的能量进行有效管理，以增强其网络的稳定性。此外，设计者还应该注意到无人机活动环境的随机性，深入研究随机路由管理，探索更加有效的管理方法，以期不断完善无人机通信网络安全机制。

参考文献：

[1]东润泽，王布宏，冯登国，等.无人机通信网络物理层安全传输技术[J].电子与信息学报，2022，44（3）：803?814.

[2]程常喜.网络安全技术下的植保无人机通信系统设计[J].农机化研究，2022，44（11）：147?150.

[3]唐毅，王征，谢志明，刘肩山.基于现代通信网络的无人机空中管制技术[J].数字技术与应用，2022，40（2）：16?18+35.

[4]张倩倩.无人机协同传输通信系统物理层安全技术研究[J].信息技术与网络安全，2020，39（5）：4.

作者简介：

胡增康（1988—），硕士，工程师，研究方向：电子通信。