[論文レビュー] Blockchain for Decentralized Multi-Drone to Combat COVID-19

Saeed Hamood Alsamhi, Brian Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2021

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 63被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、COVID-19の対策を強化するためにブロックチェーン技術を活用した分散型マルチドローンシステムを提案している。ドローンの状態（位置、配送データ、隣接関係など）を安全で改ざん不能なログとして記録するためにブロックチェーンを活用することで、信頼なしの協調が可能になり、通信のオーバーヘッドが低減され、パンデミック対応ミッションにおけるスケーラビリティとレジリエンスが向上する。

ABSTRACT

Currently, drones represent a promising technology for combating Coronavirus disease 2019 (COVID-19) due to the transport of goods, medical supplies to a given target location in the quarantine areas experiencing an epidemic outbreak. Drone missions will increasingly rely on drone collaboration, which requires the drones to reduce communication complexity and be controlled in a decentralized fashion. Blockchain technology becomes a must in industrial applications because it provides decentralized data, accessibility, immutability, and irreversibility. Therefore, Blockchain makes data public for all drones and enables drones to log information concerning world states, time, location, resources, delivery data, and drone relation to all neighbors drones. This paper introduces decentralized independent multi-drones to accomplish the task collaboratively. Improving blockchain with a consensus algorithm can improve network partitioning and scalability in order to combat COVID-19. The multi-drones task is to combat COVID-19 via monitoring and detecting, social distancing, sanitization, data analysis, delivering goods and medical supplies, and announcement while avoiding collisions with one another. We discuss End to End (E2E) delivery application of combination blockchain and multi-drone in combating COVID-19 and beyond future pandemics. Furthermore, the challenges and opportunities of our proposed framework are highlighted.

研究の動機と目的

• パンデミック発生時におけるドローン間のスケーラブルでレジリエントかつ安全な協調のニーズに対応する。
• 特に高リスクの隔離地域において、集中型制御の限界を克服する。
• ブロックチェーンを用いて、ドローンの状態（位置、リソース、配送状況など）をリアルタイムで分散型でログ記録することを可能にする。
• パンデミックのような大規模な緊急事態において、ドロンドネットワークのレジリエンスとスケーラビリティを向上させる。
• 分散型の信頼メカニズムを通じて、医療物資の輸送、ソーシャルディスタンスの確保、消毒作業といったエンドツーエンドの配送および監視タスクを支援する。

提案手法

• ドローンの相互作用、状態、ミッションデータを分散的に記録・検証するためのブロックチェーンベースのレジャーデプロイ。
• ネットワークの分割が生じてもデータの一貫性とフェイルセーフを保証するためのコンSENSUSアルゴリズムの採用。
• ドローン通信プロトコルとブロックチェーンを統合し、位置、リソース使用状況、隣接関係に関するタイムスタンプ付きデータをログ記録。
• 中央管理者が存在しない分散型アーキテクチャを設計し、ドローンが共有されたブロックチェーン状態に基づいて自律的に協調する仕組みを実現。
• 監査可能性と不変性を確保するため、配送メタデータをブロックチェーンに保存することでエンドツーエンド（E2E）配送追跡を実現。
• ブロックチェーンレジャーデータのリアルタイム同期を通じて、衝突回避と動的タスク割り当てを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブロックチェーン技術は、パンデミック発生時における複数のドローン間でどのように分散型で信頼なしの協調を可能にするか？
• RQ2 動的で高移動性のドローンネットワークにおいて、スケーラビリティとレジリエンスを確保するためのコンセンサスメカニズムは何か？
• RQ3 ブロックチェーンは、隔離地域や感染症地域におけるドローンミッションデータのセキュリティ、不変性、トレーサビリティをどのように向上させるか？
• RQ4 ブロックチェーンは、協調的マルチドローン運用における通信複雑性をどのように低減するか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、医療物資の配送やソーシャルディスタンス監視といった重要なパンデミック対応タスクをどれほど効果的に支援できるか？

主な発見

• ブロックチェーンを統合した本手法のマルチドローンシステムは、中央管理に依存せず、分散型で安全かつ監査可能な協調を実現する。
• ブロックチェーンは、位置、配送記録、ピア関係などのドローン状態データの不変性と整合性を保証する。
• 緊急時におけるネットワークの分割にも耐えられるコンセンサスメカニズムを採用することで、システムのスケーラビリティとフェイルセーフ性が向上する。
• エンドツーエンド配送追跡は、ブロックチェーンにログされたメタデータにより実現され、医療物資の配送における透明性と責任の明確化が図られる。
• 分散型協調を通じて、監視、ソーシャルディスタンスの確保、消毒作業、物資の配送といった複数のパンデミック対応タスクを支援できる。
• ブロックチェーンの統合により、ドローン間での信頼なしのデータ共有が可能になり、冗長なシグナル伝送が最小限に抑えられる。