Anomaly detection for the Internet of Things (IoT) is a major intelligent service required by many fields, including intrusion detection, device-activity analysis, and security supervision. However, the heterogeneous distribution of data and resource-constrained end nodes present challenges for existing anomaly detection models. Due to the advantages of flexible deployment and multi-dimensional resources, high altitude platform stations (HAPSs) and unmanned aerial vehicles (UAVs), which are important components of vertical heterogeneous networks (VHetNets), have significant potential for sensing, computing, storage, and communication applications in ubiquitous IoT systems. In this paper, we propose a novel VHetNet-enabled asynchronous federated learning (AFL) framework to enable decentralized UAVs to collaboratively train a global anomaly detection model. In the VHetNet-enabled AFL framework, a HAPS operates as a central aerial server, and the local models trained in UAVs are uploaded to the HAPS for global aggregation due to its wide coverage and strong storage and computation capabilities. We introduce a UAV selection strategy into the AFL framework to prevent UAVs with low local model quality and large energy consumption from affecting the learning efficiency and detection accuracy of the global model. To ensure the security of transmissions between UAVs and the HAPS, we add designed noise to local model parameters in UAVs to achieve differential privacy. Moreover, we propose a compound-action actor-critic (CA2C)-based joint device association, UAV selection, and UAV trajectory planning algorithm to further enhance the overall federated execution efficiency and detection model accuracy. Extensive experimental evaluation on a real-world dataset demonstrates that the proposed algorithm can achieve high detection accuracy with short federated execution time and low energy consumption.


翻译:物联网(IoT)异常检测是许多领域所需的主要智能服务,包括入侵检测、设备活动分析和安全监管。然而,数据的异构分布和资源受限的终端节点对现有异常检测模型提出了挑战。由于高空气球站(HAPS)和无人机(UAV)作为垂直异构网络(VHetNets)的重要组成部分,具有灵活部署和多维资源的优势,在泛在物联网系统的感知、计算、存储和通信应用中潜力巨大。本文提出了一种新颖的基于VHetNet的异步联邦学习(AFL)框架,使分散的无人机能够协作训练全局异常检测模型。在基于VHetNet的AFL框架中,HAPS作为中央空中服务器运行,由于具有广覆盖和强大的存储计算能力,无人机训练的本地模型被上传至HAPS进行全局聚合。我们在AFL框架中引入无人机选择策略,以防止本地模型质量低和能耗大的无人机影响全局模型的学习效率和检测精度。为确保无人机与HAPS之间传输的安全性,我们在无人机本地模型参数中添加设计噪声以实现差分隐私。此外,我们提出了一种基于复合动作-评论家(CA2C)的联合设备关联、无人机选择和无人机轨迹规划算法,以进一步提升整体联邦执行效率和检测模型精度。在真实数据集上的广泛实验评估表明,所提算法能够在较短的联邦执行时间和低能耗下实现高检测精度。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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