通过测试床实现无人机集群中安全 RF 与 WiFi 通信的设计与性能评估

无人机（UAV）集群依赖分布式协调和协作通信来支持可扩展操作、扩展覆盖以及诸如监视和实时数据交换等应用。射频（RF）和 WiFi 等无线技术广泛用于 UAV 到 UAV 以及 UAV 到地面控制站（GCS）的通信，但引入了重大的安全挑战。MAVLink 作为 UAV 系统中占主导地位的通信协议，提供了消息完整性和身份验证，但缺乏内置加密，使得遥测流量容易受到窃听。在我们之前的工作中，我们提出了 MAVShield，一个用于 MAVLink 通信的轻量级加密框架。在本文中，MAVShield、AES-CTR、Speck-CTR、ChaCha20 和 Rabbit 被集成到四架定制的 UAV 中，以在 RF 和 WiFi 信道上建立安全通信链路。通过使用 UAV 集群测试床的飞行实验评估了它们的性能。加密的遥测数据在飞行期间实现了自主编队控制和避碰。对于避碰，我们开发了一种改进的人工势场（APF）算法，该算法直接在大地坐标中计算引力和斥力，消除了笛卡尔坐标转换并减少了轨迹振荡，同时避免了局部极小值陷阱。为每种加密方案测量了 CPU 利用率、内存消耗和数据包交付率（PDR）。结果表明，MAVShield 实现了与未加密通信相当的性能，同时在整体效率上优于 AES-CTR、Speck-CTR、ChaCha20 和 Rabbit。代数密码分析和基于 Wireshark 的流量分析证明了对密钥恢复攻击的抵抗力以及对遥测机密性的保护。结果表明 MAVShield 是 UAV 集群通信的高效安全解决方案。