CN107277854B - 任务期间的无人机的多路径通信的系统和计算机实现方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了任务期间的无人机的多路径通信的系统和计算机实现方法。公开了改善任务期间的无人机(UAV)与地面控制之间的通信的多路径通信的系统和方法。数据库先前存储任务期间要在网络上使用的多个安全数据链路以用于通信并根据覆盖范围和UAV位置进行管理以同时在数据链路之间分发数据流，从而防止第三方可能损害任务的安全性。如果需要，在任务期间可以更新数据库。

Description

任务期间的无人机的多路径通信的系统和计算机实现方法
技术领域
本公开包括在涉及无人驾驶飞行器(UAV)的航空电信领域中。具体地，本公开涉及地球站与UAV之间增强的安全通信机制。
背景技术
无人驾驶飞行器(UAV)是在没有机组人员的情况下飞行的飞机。UAV可以由人远程操作或者可以能够自主操作。传统地，UAV不会设置有安全通信管理能力。然而，基于地面的控制系统与UAV之间的通信对实现任务目标是极其重要的。在这种情形下，不能确保连续网络连通性。此外，可能需要通过操作一个或多个通信路径或数据链路的异构网络建立通信。
在任务期间，UAV使用具有不同的射频、宽带、以及通信系统类型的不同的数据链路向地面控制发送数据/从地面控制接收数据。UAV还使用如TCP/IP的通信标准。在这方面，多个不同的空中平台、多个特殊功能载运物和任务类型的存在可能会引起易损性。第三方可损害UAV与地面控制之间的通信并通过入侵数据链路而潜在地控制UAV。因此，在这种情况下，地面控制通信数据链路、命令和控制消息(C2消息)、以及交换(上行链路或下行链路)的数据可以是网络攻击的特定目标。通常，威胁可以涉及欺骗、劫持以及干扰(噪声插入到通信信道中)。
当前的减缓威胁技术需要飞机上的复杂且昂贵的电子对抗(ECM)系统。存在这样的技术，即，使用振幅信号、到达时间、一致性、到达角的偏振或差异而基于差别信号来应对欺骗。当数据链路是唯一的时候，他们提供一定程度的减缓。然而如以上说明的，UAV通常使用许多数据链路。此外，任务通常涉及可以使数据链路中断的一个或多个事件，并通常需要数据链路之间的改变。任务期间数据链路的这种多样性是使防范措施的效率降低的一个重要因素。
发明内容
本公开涉及要在无人驾驶飞行器(UAV，无人机)上实现的计算机实现方法和系统，其能够管理通信的安全性和多样性。
TCP/IP通信标准目前局限于每个连接单个路径。本公开特别的方面在于提出使用多路径TCP(MPTCP)，增加处理安全通信的新特征。该MPTCP标准通过允许在相同的连接下每个节点使用多个地址而能够使用多个路径在UAV与地面控制之间进行通信。有利地，在网络上，MPTPC呈现为与TCP一样。同样向后兼容并且各个方面得到改善，包括通信量路由、网络寻址以及连接管理。
MPTCP提供几种益处，其通过同时使用多个接口而提高数据传输的吞吐量。拥塞控制机构可以适于与UAV通信。它们还促使容易使用延迟-中断-容忍网络(DTN)和基于TCP/IP的新相关技术。其可与全球航空电信网络(ATN)集成在一起。
本公开的一个实例涉及任务期间用于无人机(UAV)的多路径通信的机载系统。系统包括数据库、通信单元以及管理单元。数据库被配置为存储在任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路。通信单元被配置为使用多个安全数据链路在一个或多个网络上通信，并且管理单元被配置为管理数据链路并同时根据覆盖范围和UAV位置在数据链路之间分发数据流。
本公开的一个实例涉及任务期间用于无人机(UAV)的多路径通信的方法。该方法通过包含处理器和存储器的计算机实现，存储器包含计算机可执行指令，当由处理器执行时，该计算机可执行指令使计算机执行以下操作：访问存储了任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路的数据库并使用多个安全数据链路在一个或多个网络上传送数据流。处理器还执行用于管理数据链路并同时根据覆盖范围和UAV位置在数据链路之间分发数据流的指令。
在各种实施方式中可单独实现或者在其他实施方式中可组合实现已论述的这些及其他特征、功能、以及优点。
附图说明
下面非常简要地描述了一系列附图，其有助于更好地理解本公开并作为非限制性实例呈现。
图1示意性地示出使用不同网络飞越地理区域的UAV。
图2示意性地示出第三方试图入侵飞越地理区域的UAV的通信量。
图3描述了飞机上的数据库结构以管理UAV飞行/任务期间的安全性。
图4示出了用于确保通信的六种状态的机器。
图5描绘了新数据链路的验证。
图6示意性地示出将UAV任务空间分解成重叠的体积。
具体实施方式
在任务期间，UAV可以组合多个网络连接的带宽，或者在保持与地面控制进行会话的同时跨不同的网络进行漫游。为此，UAV实现多路径TCP(MPTCP)以通过多个网络分割数据的TCP流并在网络间进行无缝地改变而不会结束会话。
MPTCP是在因特网工程任务组工作组的请求注释RFC-6824中定义的。MPTCP使用实际的IPV4网络寻址系统工作但其与将来的IPv6标准网络寻址系统的使用完全兼容。
这里呈现的技术描述了用于处理不同的网络并平衡UAV任务期间的数据流以便保证高级别的安全性的MPTCP通信。
在图1和图2中描绘了通常的情况，其中，UAV飞过跨不同的区域(例如，第一区域11和第三区域13是地面，第二区域12是卫星)的任务的路线并且很多数据链路是同时可用的。由于可以选择各种数据链路，多路径通信将会增加宽带以及可靠性。
有利地，互联网协议(IP)为网络提供了路由和寻址能力，其可用于轮流在多个可用数据链路上的数据链路出口。互联网还提供端对端(UAV和地面控制)数据传输业务，即，即使一些消息丢失，负责可靠传送的传输控制协议(TCP)。
如图1所示，在从T1至T6的时间间隔中，由不同的数据链路支持UAV通信。UAV激活并管理接口以处理该数据链路和网络。在通信的TCP/IP方案中，在T1-T2期间由第一区域11中的地上天线提供服务；在T3-T4期间由第二区域12中的卫星提供服务；以及在T5-T6期间由第三区域13中的地上天线和卫星同时提供服务(使用MPTCP/IP协议)。在一定的时间间隔中，特定数据链路还可以随便地断开，例如，从而保持任意飞行。在这种情形下，UAV可需要同时处理几个TCP/IP连接、管理地址和多个可用网络。
为了管理几个TCP连接，UAV可以组织数据流分割在许多网络接口和数据链路之间的细分，并且还可以包括复制不同的数据链路中的相同的数据的冗余以保证与地面控制通信。例如，UAV可以仅使用单个TCP路径将重要数据发送至地面和卫星数据链路，但使用MPTCP，UAV能够使用地面数据链路发送80％的数据，同时数据流的剩余20％使用卫星发送。
MPTCP使得能够将多路径通信的概念扩展作为覆盖网络的一部分，以便包括称为延迟/中断-容忍网络(DTN)的特定束协议。覆盖网络是安装在现有网络上层的、通信节点和逻辑链路的虚拟网络，目的是实现在现有的网络中不可用的业务。作为覆盖网络的DTN允许管理通信中的中断和延迟以及多路径能力。
为了维持MPTCP会话，需要至少一个数据链路。使用卫星通信、地面通信网络、地面Wi-Fi天线等建立通信。通过使用UAV中的DTN和MPTCP，甚至在长的断开间隔以及诸如一些卫星通信中目前存在的极端延迟期间保持会话。在某些情况下，这个覆盖网络可以涉及考虑到上行链路和下行链路的不对称宽带通信。
UAV需要能够实现跨各种网络提供商进行无缝会话端点迁移。在通信当中，单个TCP连接不能处理改变的端点地址(UAV IP地址)。连接必须断开并针对每个网络地址改变重新建立。这通常是UAV在围绕物理(跨空间)和逻辑(跨网络)两者的任务期间移动并需要利用在数据链路层实现的认证保持会话时的情况。
除了多样性以外，在任务期间需要确保通信的安全性的机构。在这方面，图2示出了与图1相似的情况，其中UAV在任务期间飞行跨过其中第三方试图入侵UAV与地面控制之间的通信的区域21。
引入MPTCP的弱点是由UAV飞行/任务期间将新的地址添加到正在进行的连接的能力产生的，这会导致攻击重定向。在将新的地址添加到正在进行的通信之前，UAV必须检查新的地址的安全性/可靠性。
由任务管理系统(MMS)提前计划任务。在任务准备期间，存在设计与地面控制和其他信任且协作的UAV的通信计划的特定任务。通信计划包括在任务期间预期使用的数据链路的定义、覆盖范围以及在任务期间待认证的信任机构。
基于可用性计划或更新数据链路。数据链路可以被收集并且数据链路计划信息可以保持在基于地面的数据库、机上数据库、或基于地面的数据库和机上数据库的组合中。考虑图3，示出了机上数据库30。数据库30包括包含UAV标识符(UAV ID 31)和会话标识符(会话ID 32)的几个字段31-35。当由MMS定义任务目标时，这两个值是唯一的标识符并且在计划开始时被分配给UAV。
在本公开内容中，提供UAV ID 31和会话ID32的过程被称为识别。识别可以使用由物理无人操纵的平台和安装在机上的功能载物体组成的硬件令牌。当UAV位于地面控制设施内部的地面上时，可以进行识别，但还可以由飞行中其他信任的UAV(机器对机器(M2M)标识)进行识别。
数据库30的管理可由地面控制和/或信任的UAV远程启动。对这个数据库30的元素的任意更新/删除/插入操作必须由UAV管理单元执行并使用与地面控制的经许可的安全数据链路发送。管理单元可以实现为具有处理器的计算装置，处理器被配置为执行存储在装置存储器上的计算机可读程序代码。在认证处理之后，执行关于该数据库30的每个操作。认证可基于使用UAV与地面控制之间的先前密钥建立(密钥交换)步骤的非对称密钥算法。为了认证连接，可以使用任何加密协议，如Diffie-Hellmann密钥交换和公共密钥基础设施(PKI)。这些动作防止第三方对数据库30进行不期望操作。
通常，计划任务限制为特定受控的空中交通区域。这个区域可定义为由其自身的顶点围出的空间体积(例如，3D凸多边形)，顶点称作地理坐标(经纬度)和高度。总体积由称为凸包(凸包络)的一组凸点围出。凸包是计算几何中用于由其自身的顶点限定体积所使用的概念。
如图6所示，UAV任务的总空间可由重叠的凸体积分解。每个体积具有标识符并属于一个(或多个)数据链路覆盖范围。UAV可以在单个体积中飞行或者同时可以在多个重叠体积中飞行。当UAV在这些体积的一个(或多个)内部飞行时，UAV通信单元仅接受与先前识别的体积33和在其机上数据库30中许可并列出的数据链路进行通信(参见图3中的表)。UAV时时刻刻识别其地理位置，并且可以通过使用给定数据链路与什么ID_VOLUME相关联的计算几何来计算。
如果UAV找到体积ID_VOLUME内部的新数据链路，则UAV可以拒绝连接，或者将其SSID(服务集标识符)加上数字签名发送至地面控制等待许可。如果地面控制接受新的数据链路，则机上数据库30适当地更新。
在认证处理之后，使用安全数据链路将机上数据库30的数据加载到UAV中。这个数据库30中包含的元素必须被认为是任务期间信任的数据链路。相关联的体积必须与任务路线地理兼容并在意外事故的情况也与待覆盖的邻近区域兼容。
可进一步参考图4的六种状态的机器进一步说明确保UAV与接地控制之间的MPTCP通信中的多个路径的总体处理。
A)空闲状态40-在这种状态下，UAV没有分配的任务。其可以与等待分配任务的其他UAV一起在其拥有的设施内部受到保护。可替换地，UAV可以处于飞行中以等待新任务或者与另一不同的任务中的其他UAV以及MMS进行配合。当将UAV分配有任务时，状态转变为识别42以验证UAV的标识符。
B)识别状态42-UAV的身份被确认并被定义为UAV的数字身份。识别可以使用与UAV和/或其载物体相关联的硬件令牌。识别还可以依赖于基于该数字身份的机器对机器(M2M)识别管理方案。例如，UAV的身份可以由飞行中另一信任的UAV确认。如果识别成功，则状态转变至认证44以认证UAV的身份。
C)认证状态44–可以以组合的方式实现认证的一种或多种方法。在这种状态下，可以实现强多级认证(MFA)。因此，可以通过成功地呈现几个单独的凭证(比如通过GPS的位置、安全令牌等)认证UAV的身份。
在UAV开始任务之前，用安全初始密钥交换处理(例如，受欢迎的Diffie-Hellman)进行初始认证44。这可通过将受保护的LAN(局域网)用作初始TCP/IP握手的一部分来完成。通常在地面控制的设施内部和/或由飞行期间其他信任的UAV完成。
在成功完成认证之后，任务被认为分配给UAV并且任务可以自动开始。在初始认证状态完成之后，将具有数据链路覆盖的数据库30加载到机上。
当认证成功时，使用数据链路的通信转变到密钥交换46以建立安全通信。
D)密钥交换状态46–可选地，可以交换凭证以解译(cypher)通过每个数据链路的通信。例如，Diffie-Hellman协议是合适的；存在两个计算机：一个机上的，另一个位于地面控制。生成共享私钥(加密)，然后两个计算机能够经由不安全的数据链路进行交换。通过这样做，能够避免通过窃听获得密钥。当达成密钥协定(成功协商)时，下一状态是达到会话状态46。
E)会话状态50–这种状态创建MPTCP会话以维持地面系统通过安全数据链路与UAV相连接。通过在初始识别状态42期间共享的强加密来保密所有的数据。在本公开的情况下，可使用MPTCP通过多路径广播发送信息。这意味着：首先，通信仅有一种(真实数据链路)，如果将另外的数据链路添加到组中，这种新数据链路也可以共享密钥。只有许可的数据链路用于通信。
为了维持多路径方案内的一组有效数据链路，建议使用MPTCP特征以有助于UAV与地面之间的连接性。UAV仅使用标记为MP_CAPABLE的MPTCP数据链路(允许多路径子流)。避免第三方提供的或任务期间附近偶尔存在的任何其他数据链路。此外，为了确保通信的附加安全性，每个新数据链路可以使用其自身的加密密钥。
使用MPTCP会话，UAV可使用单个IPv6地址(在任务开始时分配的)或者使用链接至不同的数据链路的不同的IPv4跨空间移动。IPv4UAV地址的每个改变触发识别、认证以及密钥交换。整个过程与在DTN(延迟容忍网络)中定义的束层兼容并且甚至可以跨非TCP/IP网络使用这种技术。这两个特征使该方案适于无数个许可的数据链路，同时保持安全性。
在通信会话期间，可以提出新的数据链路，机载计算机可能丢失MPTCP会话，或者可能需要再确认凭证。在这些情况下，需要识别42、认证44、以及密钥交换46的步骤来重新建立数据链路或准许新的数据链路，并且状态将会转变至判断(Sum Up)状态48。
F)判断状态48-当将新的数据链路添加到可能的数据链路或者当机载计算机丢失MPTCP会话(在这种情况下，转变到识别状态42)时，到达这种状态。判断状态48迫使每个新数据链路在MPTCP协议下使用之前是安全的。
过程总结
总体上，当UAV开始任务时的第一任务是识别42、认证44以及密钥交换46。通常在任务开始之前在数据链路层实现这些步骤。将认证44链接至会话以及数据链路。如果MPTCP会话丢失，则一些机制将被实现以再次建立先前认证。如果在飞行/任务期间提供新的数据链路，则需要来自地面控制的许可。用于获得许可的机制将新的SSID连同凭证一起重发送至地面控制并等待许可。地面控制检查数据库并确定是否信任新的数据链路。
一旦完成初始认证，任务可以开始。将存储了在飞行/任务期间要使用的一组安全数据链路的数据库30加载到机上(图3中所描述的)。这些安全数据将已定义的地理体积(凸包)与唯一的通信数据链路相关联。每个数据链路具有它自身的签名以及待验证和用隧道发送的数字签名。一开始，将这些记录加载到数据库30中。
新数据链路
任何可能的新数据链路在由UAV使用之前必须经地面控制许可。新数据链路的认证是地面控制的任务之一。UAV仅需要将新数据链路51的存在发送至地面控制。图5示出了认证新任务或进行中的任务的新数据链路的示意性实例。
可由UAV通信单元将经地面控制许可的新数据链路51添加至数据库30并认为是安全的。插入必须传送至地面控制并使用新数据链路51开始。从认证开始，使用分配给网络的数字签名，从而允许通信将多路径TCP子流分配给这个数据链路。该插入必须传送至地面控制。在这些操作期间与地面控制的双向通信必须加密到安全数据链路上，从而避免被第三方干扰。
有时，在飞行/任务期间，地面控制想要删除或移除数据库30中的特定数据链路。这种操作必须仅经由认证且信任的数据链路传送至UAV。必须使用可替换的数据链路确认删除，从而避免中间人攻击。
UAV存储并且管理任务期间的安全数据链路。如图5中所示，始终针对每个新数据链路51执行识别、认证、以及密钥交换的处理。因此，利用不同的密钥(每个数据链路准许一个)对数据链路进行加密。在地面控制中处理每个新数据链路。地面控制中的接收器单元能够解密所有的MPTCP数据包并通过端到端系统组织数据流。进而，强暗码可以用于提高数据链路安全性。
如果UAV检测到新数据链路可用，则在使用之前的第一步骤是检查是否被列为机上数据库30中的安全数据链路。然后，如果其被标记为MP_CAPABLE，UAV可以判定是否以多路径方式使用这个新的数据链路，MP_CAPABLE可以存储为机上数据库30中的寄存器中。
根据本公开的一个或多个方面，在任务期间，用于无人机(UAV)的多路径通信的机载系统包括数据库30、通信单元、以及管理单元。数据库30被配置为存储在任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路。通信单元被配置为使用多个安全数据链路在一个或多个网络上通信，并且管理单元用于管理数据链路并同时根据覆盖范围和UAV位置在数据链路之间分发数据流。
根据本公开的一个或多个方面，数据库30包括与网络的每个数据链路相关联的地理覆盖数据。
根据本公开的一个或多个方面，管理单元被配置为当检查当前UAV位置和地理覆盖数据的兼容性时，选择数据库中的数据链路。
根据本公开的一个或多个方面，管理单元被配置为在使用安全数据链路从认证的实体远程接收指令时操作数据库。
根据本公开的一个或多个方面，使用可替换的安全数据链路由通信单元利用认证的实体确认对数据库30的元素执行的删除操作。
根据本公开的一个或多个方面，用单独的加密秘钥对数据库中的每个数据链路加标签。
根据本公开的一个或多个方面，通信单元被配置为使用多路径TCP(MPTCP)通信并且数据库中的多个数据链路标记为MP_CAPABLE。
根据本公开的一个或多个方面，认证实体是地面控制的或者不同的UAV。
根据本公开的一个或多个方面，在任务期间，用于无人机(UAV)的多路径通信的计算机实现方法包括，访问数据库30并存储在任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路，使用多个安全数据链路在一个或多个网络上传送数据流，以及根据覆盖范围和UAV位置管理数据链路并同时在数据链路之间分发数据流。
根据本公开的一个或多个方面，计算机实现方法包括其中将认证与会话和数据链路相关联的认证步骤。
根据本公开的一个或多个方面，当丢弃数据链路或者使用新数据链路时触发认证步骤。
根据本公开的一个或多个方面，管理数据链路的步骤包括当检查当前UAV位置和地理覆盖数据的兼容性时选择数据库中的数据链路。
根据本公开的一个或多个方面，管理数据链路的步骤进一步包括在使用安全数据链路从认证实体远程接收指令时操作数据库。
根据本公开的一个或多个方面，在任务期间用于无人机(UAV)的多路径通信的计算机程序产品包括当由处理器时使处理器执行本文中描述的方法的计算机代码指令。

Claims (15)

1.一种用于任务期间的无人机UAV的多路径通信的机载系统，所述机载系统包括：
- 数据库（30），被配置为存储在所述任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路、所述无人机的任务的总空间分解成的多个地理覆盖范围的标识符以及与每个所述地理覆盖范围相关联的多个数据链路，
- 通信单元，被配置为使用多个安全数据链路在一个或多个网络上通信，以及
- 管理单元，用于根据与网络的每个数据链路相关联的所述地理覆盖范围和无人机位置来管理数据链路并同时在数据链路之间分发数据流，其中所述通信单元仅接受与所述数据库中许可和列出的各个地理覆盖范围内的各个数据链路的通信。
2.根据权利要求1所述的机载系统，其中，所述数据库（30）包括与网络的每个数据链路相关联的所述地理覆盖范围的地理覆盖数据。
3.根据权利要求2所述的机载系统，其中，所述管理单元被配置为在检查当前无人机位置和地理覆盖数据的兼容性时，选择所述数据库中的数据链路。
4.根据权利要求2或3所述的机载系统，其中，所述管理单元被配置为当使用安全数据链路从认证实体远程接收指令时操作所述数据库。
5.根据权利要求4所述的机载系统，其中，使用替换的安全数据链路通过所述通信单元由所述认证实体确认对所述数据库（30）的元素执行的删除操作。
6.根据权利要求1所述的机载系统，其中，用单独的加密密钥对所述数据库中的每个数据链路加标签。
7.根据权利要求1所述的机载系统，其中，所述通信单元被配置为使用多路径TCP（MPTCP）通信，并且所述数据库中的多个数据链路标记为MP_CAPABLE。
8.根据权利要求4所述的机载系统，其中，所述认证实体是地面控制或不同的UAV。
9.一种用于任务期间的无人机UAV的多路径通信的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括以下步骤：
- 在数据库（30）中存储在所述任务期间要在一个或多个网络上使用的多个安全数据链路、所述无人机的任务的总空间分解成的多个地理覆盖范围的标识符以及与每个所述地理覆盖范围相关联的多个数据链路，
- 使用多个安全数据链路在一个或多个网络上传送数据流，以及
- 根据与网络的每个数据链路相关联的地理覆盖范围和无人机位置来管理数据链路并同时在数据链路之间分发数据流，其中仅执行与所述数据库中许可和列出的各个地理覆盖范围内的各个数据链路的通信。
10.根据权利要求9所述的计算机实现方法，其中，所述计算机实现方法进一步包括认证步骤，在所述认证步骤中，所述认证与会话和所述数据链路相关联。
11.根据权利要求10所述的计算机实现方法，其中，当数据链路丢失或者使用新数据链路时，触发所述认证步骤。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的计算机实现方法，其中，所述数据库（30）包括与网络的每个数据链路相关联的所述地理覆盖范围的地理覆盖数据。
13.根据权利要求12所述的计算机实现方法，其中，管理数据链路的步骤包括当检查当前无人机位置和地理覆盖数据的兼容性时，选择所述数据库中的数据链路。
14.根据权利要求13所述的计算机实现方法，其中，管理的步骤进一步包括当使用安全数据链路从认证实体远程接收指令时操作所述数据库。
15.一种计算机可读存储介质，用于任务期间的无人机UAV的多路径通信，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码指令，当由处理器执行所述计算机代码指令时，所述计算机代码指令使所述处理器执行根据权利要求9至14中任一项所述的计算机实现方法。
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