光電學院大學生
在人工智能領域頂級期刊EAAI發表研究成果
近日，光電科學與工程學院2019級大學生，學院“光引未來”科研育人班成員黃心宇的論文“LSTM-NV: A Combined Scheme Against Selective Forwarding Attacks in Event-Driven Wireless Sensor Networks under Harsh Environments”被人工智能領域頂級期刊Engineering Applications of Artificial Intelligence (EAAI)接收。光電學院2019級大學生黃心宇同學為論文第一作者，光電學院吳援明教授為論文通訊作者，光電學院為論文第一機關。這也是黃心宇同學繼IEEE Sensors Journal之後，大學階段以第一作者發表的第二篇Top期刊論文。
Engineering Applications of Artificial Intelligence（EAAI）是國際業界公認的在計算機科學、人工智能領域的Top學術期刊，收錄内容廣泛包括人工智能與機器學習方法在解決工程問題的應用；該刊系JCR一區，中科院Engineering, Multidisciplinary小類一區Top，2022年最新影響因子為7.802。
随着物聯網領域的不斷研究和發展，無線傳感器網絡作為物聯網的基礎網絡之一也逐漸成為研究熱點。由于無線傳感器網絡的廣播式通信特性、無人照看特性等特征，使得它極易遭受外界的網絡攻擊，尤其是攻擊方式較為先進的選擇性轉發攻擊。選擇性轉發攻擊常常表現為惡意節點在時間次元和資料次元上随機丢棄接收到的資料包，引起節點轉發行為的随機異常性。當網絡陷入惡劣通信環境，信道品質較差時，正常節點的轉發率往往會和發動選擇性轉發攻擊的惡意節點的轉發率混雜在一起進而難以分辨。而以往研究的計算機網絡安防系統由于其算法高複雜度，需要耗費巨大的能量、時間成本來實作攻擊檢測。是以，如何建立一個輕量級且有效的檢測系統成為目前國内外研究人員的最大難點。
發動選擇性轉發攻擊的惡意節點的每輪次轉發率往往會在時間尺度上出現震蕩回落現象，這與平穩的正常轉發率差異巨大。針對這一點，本研究工作利用處理時間序列資料常用的LSTM網絡，對每個節點的轉發率資料進行預測。将每輪預測的轉發率資料和每輪的真實轉發率資料進行對比，再結合本工作中設計好的節點鄰居投票方法對節點進行判定，進而實作對選擇性轉發攻擊的檢測。
圖1. LSTM-NV方案的檢測機制
本研究工作LSTM-NV由時序資料處理模型VMD-LSTM和鄰居投票（Neighbor Voting）方法構成，并分為四個步驟：第一步，用生成的正常節點資料投入VMD-LSTM模型進行訓練，掌握正常節點的轉發特征後儲存訓練好的模型參數，并為每個節點的當下輪次轉發率提供預測值，将預測值和真實值對比得到誤差序列；第二步，設立一個基于資料統計規律的動态門檻值方法對誤差序列進行處理，得到每個節點對應的局部異常點；第三步，建構一個動态自适應的節點鄰居投票機制對每個節點的局部異常點進行進一步判定，确定節點的異常特性；最後，根據預選好的限制判定次數，将連續被系統投票為異常的節點判定為惡意節點，并将其孤立出網絡。
在攻擊檢測方案建構完成後，本工作采用了現實情況中最為常用的事件驅動型網絡作為仿真的網絡模式，利用MATLAB 2022b對入侵檢測過程進行仿真實驗。在設定網絡中惡劣環境随時間變動的情況下，随機指定網絡中惡意節點的比例分别為5%、10%、15%、20%，得到檢測方案對應的漏檢率（MDR）、誤檢率（FDR）及整體檢測精度（DAR）。
圖2.事件驅動型無線傳感器網絡部署圖
圖3.系統平均漏檢率（MDR）與平均誤檢率（FDR）
圖4.系統平均檢測精度（DAR）
從實驗結果來看，本工作所提出的LSTM-NV方案整體平均漏檢率（MDR）低于3.3%，平均誤檢率（FDR）低于0.6%，平均檢測精度均高于96%，證明了方案的有效性。同時，經過對檢測方案的複雜度分析，LSTM-NV方案的檢測複雜度為參數對數量級，遠低于複雜度為參數平方量級的其他方案。
黃心宇，2019級光電科學與工程學院大學生，電子科技大學棟梁工程立人班成員，大學生第三黨支部入黨積極分子，入選光電學院“菁英計劃”、“光引未來科研育人計劃”等，自2021年起當選IEEE Student Member，同時擔任IEEE Sensor Journal、IEEE Access、Sensors等國際權威期刊審稿人。在校期間，獲得包含全國大學生數學競賽一等獎、高教社杯數學模組化競賽一等獎、美國數學模組化競賽M獎在内的二十餘項校級以上文體科創獎。他自大二起加入光電科學與工程學院吳援明教授課題組，緻力于物聯網安全技術的科研項目，并以第一作者身份在中科院Top期刊IEEE Sensor Journal發表論文。目前，黃心宇同學已至香港中文大學全獎直博，師從港中大尹峰教授、張縱輝教授（IEEE Fellow）開展6G通信感覺一體化技術的研究。
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本文轉自：電子科大大學招生