[論文レビュー] Event-Triggered Control over Unreliable Networks Subject to Jamming Attacks

Ahmet Cetinkaya, Hideaki Ishii+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

Stability and Control of Uncertain Systems参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ランダムなパケット損失と知能的なジャミング攻撃の両方を受ける不安定な通信チャネル下での線形ネットワーキング制御系に対するイベントトリガー制御フレームワークを提案する。パケット損失を時不均一マルコフ連鎖を用いて確率的にモデル化し、ジャミング攻撃を任意の有界な攻撃モデルとして扱うことで、リャプノフ型関数と尾確率不等式を用いて、ほぼ確実な漸近安定性の十分条件を導出し、凸最適化を用いた安定化フィードバックゲインおよびトリガー化パラメータの設計を可能にする。

ABSTRACT

Event-triggered networked control of a linear dynamical system is investigated. Specifically, the dynamical system and the controller are assumed to be connected through a communication channel. State and control input information packets between the system and the controller are attempted to be exchanged over the network only at time instants when certain triggering conditions are satisfied. We provide a probabilistic characterization for the link failures which allows us to model random packet losses due to unreliability in transmissions as well as those caused by malicious jamming attacks. We obtain conditions for the almost sure stability of the closed-loop system, and we illustrate the efficacy of our approach with a numerical example.

研究の動機と目的

• ランダムなパケット損失と知能的なジャミング攻撃の両方の影響を受ける線形ネットワーキング制御系の安定化に取り組む。
• 不安定なネットワークにおけるランダムおよび悪意ある伝送障害を捉える確率的モデルを構築する。
• 通信を削減しつつ、敵対的および確率的擾乱下でもシステムの安定性を保証するイベントトライガー制御機構を設計する。
• 提案されたフレームワーク下での閉ループ系のほぼ確実な漸近安定性の十分条件を導出する。
• 安定化フィードバックゲインおよびイベントトリガー化パラメータの計算を可能にする数値的手法を提供する。

提案手法

• 状態依存遷移確率を有する時不均一マルコフ連鎖を用いて、ランダムなパケット損失をモデル化する。
• ジャミング攻撃を、全試行数の比によって有界な任意のシーケンスとして特徴づけ、ほぼ確実に有限の障害回数が保証されるようにする。
• 依存するプロセスの和の尾確率不等式を用いて、ランダム損失とジャミング損失を統合的な故障プロセスとして組み合わせる。
• 状態の成長を伝送前に制限するリャプノフ型関数に基づくイベントトリガー条件を定義する。
• リャプノフ型関数を用いて、制御更新が必要となる場合にのみトリガーされるように保証し、通信を削減しながら安定性を維持する。
• 線形行列不等式（LMIs）を用いて安定性条件を定式化し、数値的にフィードバックゲインおよびトリガー化パラメータを求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イベントトライガー制御は、ランダムなパケット損失と知能的なジャミング攻撃の両方の影響を受ける線形システムを安定化できるか？
• RQ2 ランダムおよび攻撃的パケット損失を、安定性解析に適した確率的フレームワークでどのように統合的にモデル化できるか？
• RQ3 このような故障モデル下で、閉ループ系のほぼ確実な漸近安定性を保証する条件は何か？
• RQ4 通信を最小限に抑えるとともに安定性を維持できるように、イベントトリガー機構をどのように設計できるか？
• RQ5 提案されたモデル下で、安定化フィードバックゲインおよびトリガー化パラメータの計算を可能にする数値的手順は何か？

主な発見

• 提案されたフレームワークは、独立および相関するランダム損失およびジャミング損失の両方の下で、ゼロ解のほぼ確実な漸近安定性を保証する。
• リャプノフ型関数と損失プロセスの和の尾確率不等式を用いて、十分な安定性条件が導出された。
• 数値例において、安定化フィードバックゲイン $ K = MQ^{-1} $ およびトリガー化パラメータ $ heta = 1000 $ が計算され、250サンプル軌道すべてで $ \|x(t)\| $ がゼロに収束することが保証された。
• リャプノフ型関数 $ V(x(t)) $ が、ランダム損失やジャミングによる障害が発生しても、時間の経過とともにゼロに収束することが示された。
• 制御入力を障害発生時にゼロに保った場合でも、イベントトリガー機構が適切なタイミングで更新を行うことで、システムは安定性を維持する。
• 全試行数の比によって失敗回数がほぼ確実に有界である限り、任意のジャミングパターンに対しても耐性を示すことができ、知能的な攻撃者に対してもロバストである。