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计算机科学 > 网络与互联网架构

arXiv:2508.00688v1 (cs)
[提交于 2025年8月1日 ]

标题: 基于关键性的动态拓扑优化以增强空中-海洋蜂群的弹性

标题: Criticality-Based Dynamic Topology Optimization for Enhancing Aerial-Marine Swarm Resilience

Authors:Ruiyang Huang, Haocheng Wang, Yixuan Shen, Ning Gao, Qiang Ni, Shi Jin, Yifan Wu
摘要: 由于对抗环境中的定向通信中断和结构弱点,异构海空蜂群网络面临重大困难。 本文提出一个两步框架来增强网络的弹性。 具体而言,我们的框架结合基于关键性的节点优先级划分与多目标拓扑优化。 首先,我们设计了一个三层架构来表示蜂群网络的结构、通信和任务依赖关系。 然后,我们引入了SurBi-Ranking方法,该方法利用图卷积网络,以动态评估和实时排名节点和边的关键性。 接下来,我们应用NSGA-III算法优化网络拓扑,旨在平衡通信效率、全局连通性和任务成功率。 实验表明,与传统的K-Shell方法相比,我们的SurBi-Ranking方法更准确地识别关键节点和边,因为对这些组件的故意攻击会导致更严重的连通性退化。 此外,当在攻击下优先考虑SurBi-Ranked的关键组件时,我们的优化方法将自然连通性退化降低了约30%,实现了更高的任务成功率,并产生了更低的通信重新配置成本,确保在多阶段操作中持续的连通性和任务有效性。
摘要: Heterogeneous marine-aerial swarm networks encounter substantial difficulties due to targeted communication disruptions and structural weaknesses in adversarial environments. This paper proposes a two-step framework to strengthen the network's resilience. Specifically, our framework combines the node prioritization based on criticality with multi-objective topology optimization. First, we design a three-layer architecture to represent structural, communication, and task dependencies of the swarm networks. Then, we introduce the SurBi-Ranking method, which utilizes graph convolutional networks, to dynamically evaluate and rank the criticality of nodes and edges in real time. Next, we apply the NSGA-III algorithm to optimize the network topology, aiming to balance communication efficiency, global connectivity, and mission success rate. Experiments demonstrate that compared to traditional methods like K-Shell, our SurBi-Ranking method identifies critical nodes and edges with greater accuracy, as deliberate attacks on these components cause more significant connectivity degradation. Furthermore, our optimization approach, when prioritizing SurBi-Ranked critical components under attack, reduces the natural connectivity degradation by around 30%, achieves higher mission success rates, and incurs lower communication reconfiguration costs, ensuring sustained connectivity and mission effectiveness across multi-phase operations.
评论: 提交至INFOCOM 2026
主题: 网络与互联网架构 (cs.NI) ; 信号处理 (eess.SP)
引用方式: arXiv:2508.00688 [cs.NI]
  (或者 arXiv:2508.00688v1 [cs.NI] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.00688
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ruiyang Huang [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 8 月 1 日 15:03:23 UTC (3,607 KB)
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