[论文解读] 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 14

一句话总结

本文提出一种基于区块链技术的去中心化多无人机系统，以增强在抗击COVID-19过程中的协作能力。通过利用区块链对无人机状态（如位置、配送数据及邻近关系）进行安全、不可篡改的记录，实现无需信任的协同机制，降低通信开销，并提升疫情应对任务中的可扩展性和弹性。

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.

研究动机与目标

• 解决疫情爆发期间无人机之间可扩展、弹性且安全的协调需求。
• 克服集中式控制在多无人机系统中的局限性，尤其是在高风险隔离区域。
• 通过区块链实现无人机状态（位置、资源、配送状态）的实时去中心化记录。
• 在大规模紧急情况（如疫情）中，提升无人机网络的弹性和可扩展性。
• 通过去中心化的信任机制，支持端到端的配送与监控任务，如医疗物资运输、保持社交距离及消毒作业。

提出的方法

• 部署基于区块链的账本，以去中心化方式记录并验证无人机交互、状态及任务数据。
• 使用共识算法确保在发生网络分区时，无人机之间数据的一致性与容错能力。
• 将区块链与无人机通信协议集成，记录时间戳化的数据，包括位置、资源使用情况及邻近关系。
• 设计一种去中心化架构，使无人机能够基于共享的区块链状态自主协调，无需中央权威机构。
• 通过在区块链上存储配送元数据，实现端到端（E2E）配送追踪，确保可审计性与不可篡改性。
• 通过区块链账本实现的实时状态同步，支持碰撞规避与动态任务分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 区块链技术如何在疫情期间实现多架无人机之间的去中心化、无信任协同？
• RQ2 何种共识机制可确保在动态、高移动性的无人机网络中具备可扩展性与弹性？
• RQ3 区块链如何提升隔离区与疫情区域中无人机任务数据的安全性、不可篡改性与可追溯性？
• RQ4 区块链在何种方式下可降低协同多无人机作业中的通信复杂度？
• RQ5 所提出的框架在支持关键疫情应对任务（如医疗物资配送与社交距离监控）方面的有效性如何？

主要发现

• 所提出的集成区块链的多无人机系统实现了无需依赖中心控制的去中心化、安全且可审计的协调机制。
• 区块链确保了无人机状态数据（包括位置、配送记录及对等关系）的不可篡改性与完整性。
• 通过支持网络分区的共识机制，该系统在紧急情况下提升了可扩展性与容错能力。
• 通过区块链记录的元数据实现端到端配送追踪，提升了医疗物资配送的透明度与问责性。
• 该框架通过去中心化协调支持多种疫情应对任务，包括监控、保持社交距离、消毒及物资配送。
• 区块链的集成通过实现无人机间无信任的数据共享，减少了冗余信令，从而降低了通信开销。