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2022年 第44卷 第7期
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2022, 44(7): 2245-2252.
doi: 10.11999/JEIT211611
摘要:
该文研究了基于可重构智能超表面(RIS)赋能的无线通信系统的安全传输问题。在研究的模型中，一个用户通过智能超表面连接到接入点，而窃听者窃听了从用户发送到基站的信号。因此，有必要设计一个合适的智能超表面反射向量来解决窃听问题。这个问题被表述为一个优化问题，其目标是通过共同优化智能超表面反射向量和智能超表面元件的数量来最大化安全能效，该安全能效定义为安全速率与系统总能耗的比值。这是一个非凸优化问题，传统方法是难以解决的。为了解决这个问题，提出了一种利用新兴的深度学习(DL)技术的新算法，以找到近似最优的智能超表面反射向量并确定近似最优的genie-aided反射元素数量。仿真结果表明，该方法达到了近似最优算法的最佳安全能效的96%。
该文研究了基于可重构智能超表面(RIS)赋能的无线通信系统的安全传输问题。在研究的模型中，一个用户通过智能超表面连接到接入点，而窃听者窃听了从用户发送到基站的信号。因此，有必要设计一个合适的智能超表面反射向量来解决窃听问题。这个问题被表述为一个优化问题，其目标是通过共同优化智能超表面反射向量和智能超表面元件的数量来最大化安全能效，该安全能效定义为安全速率与系统总能耗的比值。这是一个非凸优化问题，传统方法是难以解决的。为了解决这个问题，提出了一种利用新兴的深度学习(DL)技术的新算法，以找到近似最优的智能超表面反射向量并确定近似最优的genie-aided反射元素数量。仿真结果表明，该方法达到了近似最优算法的最佳安全能效的96%。
2022, 44(7): 2253-2263.
doi: 10.11999/JEIT211537
摘要:
针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题，该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先，考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束，基于有界信道不确定性，建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后，利用Dinkelbach，S-procedure和交替优化方法，将原非凸问题转换成确定性凸优化问题，并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明，与传统非鲁棒算法对比，所提算法具有较低的中断概率。
针对信道不确定性影响、用户信息泄露和能效提升等问题，该文提出一种基于不完美信道状态信息的可重构智能反射面(RIS)多输入单输出系统鲁棒资源分配算法。首先，考虑能量收集最小接收功率约束、合法用户最小保密速率约束、基站最大发射功率约束及RIS相移约束，基于有界信道不确定性，建立一个联合优化基站主动波束、能量波束、RIS相移矩阵的多变量耦合非线性资源分配问题。然后，利用Dinkelbach，S-procedure和交替优化方法，将原非凸问题转换成确定性凸优化问题，并提出一种基于连续凸近似的交替优化算法。仿真结果表明，与传统非鲁棒算法对比，所提算法具有较低的中断概率。
2022, 44(7): 2264-2272.
doi: 10.11999/JEIT210442
摘要:
近来，结合智能反射表面(IRS)辅助无线通信的密钥生成技术引发了学界的兴趣。然而目前的工作仅针对在单天线收发(SISO)系统中引入IRS辅助密钥生成，其IRS对密钥生成速率的提升效率不够高。针对此问题，该文研究了基于IRS结合MIMO系统的无线密钥快速生成方案，通过控制IRS反射合法双发与IRS之间的MIMO信号来构建等效的快速信道，可更显著地提升密钥生成速率(KGR)。该文首先从信息论角度对所提方案的密钥速率和安全性进行了分析与证明，推导了密钥速率性能上界的表达式。基于此，从不同的窃听场景出发，分析窃听者分别靠近合法收发方和IRS进行窃听时，其靠近的距离对密钥生成速率性能的影响，发现所提方案在密钥速率和安全性能上均得到显著提升。最后，通过仿真验证了所提方案的有效性和理论分析的正确性。
近来，结合智能反射表面(IRS)辅助无线通信的密钥生成技术引发了学界的兴趣。然而目前的工作仅针对在单天线收发(SISO)系统中引入IRS辅助密钥生成，其IRS对密钥生成速率的提升效率不够高。针对此问题，该文研究了基于IRS结合MIMO系统的无线密钥快速生成方案，通过控制IRS反射合法双发与IRS之间的MIMO信号来构建等效的快速信道，可更显著地提升密钥生成速率(KGR)。该文首先从信息论角度对所提方案的密钥速率和安全性进行了分析与证明，推导了密钥速率性能上界的表达式。基于此，从不同的窃听场景出发，分析窃听者分别靠近合法收发方和IRS进行窃听时，其靠近的距离对密钥生成速率性能的影响，发现所提方案在密钥速率和安全性能上均得到显著提升。最后，通过仿真验证了所提方案的有效性和理论分析的正确性。
2022, 44(7): 2273-2280.
doi: 10.11999/JEIT211379
摘要:
为了提高无人机中继系统的安全通信性能，解决无线信道受障碍物遮挡问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中，通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移，最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题，该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项，然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率，并且具有良好的收敛性。
为了提高无人机中继系统的安全通信性能，解决无线信道受障碍物遮挡问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无人机(UAV)中继系统安全通信方法。在所提方法中，通过联合优化UAV的位置、基站波束成形和IRS相移，最大化系统的最小保密速率。为了解决这个复杂的非凸优化问题，该文将原问题分解为UAV位置优化子问题、波束成形和IRS相移优化两个子问题。使用1阶泰勒展开处理优化问题中的非凸项，然后提出一种交替优化的算法进行求解。仿真结果表明该文提出的算法能提高系统的最小保密速率，并且具有良好的收敛性。
2022, 44(7): 2281-2288.
doi: 10.11999/JEIT211602
摘要:
针对可重构智能表面(RIS)辅助的大规模多输入多输出(MIMO)毫米波系统中信道估计复杂度高的问题，该文提出一种低复杂度的信道估计算法。在该方案中，将RIS部分元素连接射频(RF)链，分离估计基站/用户和RIS之间的信道，分开获取信道有助于提升用户移动性场景下信道估计的灵活性。在所考虑系统中，首次使用低复杂度的2维快速傅里叶变换(2D-FFT)算法对角度进行估计，并考虑信号补零以获得更加精准的角度估计值，最后利用信号2维空间谱的谱峰和其对应的辐角得到路径增益估计。仿真结果表明，该算法达到了优良的信道估计性能，且在确保信道估计性能的系统参数设置下，该算法具有压倒性的复杂度优势。
针对可重构智能表面(RIS)辅助的大规模多输入多输出(MIMO)毫米波系统中信道估计复杂度高的问题，该文提出一种低复杂度的信道估计算法。在该方案中，将RIS部分元素连接射频(RF)链，分离估计基站/用户和RIS之间的信道，分开获取信道有助于提升用户移动性场景下信道估计的灵活性。在所考虑系统中，首次使用低复杂度的2维快速傅里叶变换(2D-FFT)算法对角度进行估计，并考虑信号补零以获得更加精准的角度估计值，最后利用信号2维空间谱的谱峰和其对应的辐角得到路径增益估计。仿真结果表明，该算法达到了优良的信道估计性能，且在确保信道估计性能的系统参数设置下，该算法具有压倒性的复杂度优势。
2022, 44(7): 2289-2298.
doi: 10.11999/JEIT220397
摘要:
为了增强微小区内超可靠低时延通信(URLLC)业务在异构网络场景下的传输性能，该文提出一种基于智能超表面(IRS)辅助通信网络下最大化用户和速率的波束成形算法。异构网络中微小区采用短包通信技术，在保证宏小区用户通信质量的前提下，使用IRS提高微小区用户在一定解码错误概率下的短数据包传输性能，建立一个联合优化波束向量和IRS相移向量的微小区用户和速率最大化问题模型。通过交替固定优化变量的方式，将该非凸优化问题拆分为两个子问题，利用逐次凸逼近(SCA)的方法将原问题转换成凸优化问题，并利用交替优化算法对该问题进行求解。仿真结果表明，该算法通过部署IRS可以有效减弱异构场景下对于微小区用户的干扰，同时由于IRS的部署能够有效优化波束成形向量进而提高微小区用户的短包传输性能，并且IRS的通信增强效果与微小区用户的解码错误概率以及IRS反射单元的数量有直接关系。
为了增强微小区内超可靠低时延通信(URLLC)业务在异构网络场景下的传输性能，该文提出一种基于智能超表面(IRS)辅助通信网络下最大化用户和速率的波束成形算法。异构网络中微小区采用短包通信技术，在保证宏小区用户通信质量的前提下，使用IRS提高微小区用户在一定解码错误概率下的短数据包传输性能，建立一个联合优化波束向量和IRS相移向量的微小区用户和速率最大化问题模型。通过交替固定优化变量的方式，将该非凸优化问题拆分为两个子问题，利用逐次凸逼近(SCA)的方法将原问题转换成凸优化问题，并利用交替优化算法对该问题进行求解。仿真结果表明，该算法通过部署IRS可以有效减弱异构场景下对于微小区用户的干扰，同时由于IRS的部署能够有效优化波束成形向量进而提高微小区用户的短包传输性能，并且IRS的通信增强效果与微小区用户的解码错误概率以及IRS反射单元的数量有直接关系。
2022, 44(7): 2299-2308.
doi: 10.11999/JEIT220405
摘要:
该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密，每个时隙，非信息传输的目标用户视为窃听者，因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性，基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information, CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下，以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标，对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量，以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题，利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示，相较于基准方案，该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。
该文研究智能反射表面(Intelligent Reflecting Surface, IRS)辅助的多用户下行系统中的物理层安全的优化问题。多个用户之间的信息需要相互保密，每个时隙，非信息传输的目标用户视为窃听者，因此这是一个多窃听者的安全传输系统。由于信道的时变性，基站拥有窃听信道的信道状态信息(Channel State Information, CSI)为与真实的CSI间存在误差的过时信息。在此条件下，以系统最坏情况下的保密速率最大化为目标，对基站发射信息信号和人工噪声波束成形矢量，以及IRS的相移矩阵进行联合优化。原始优化问题为非凸半正定规划问题，利用松弛变量、惩罚函数、Charnes-Cooper变换和交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示，相较于基准方案，该文所提出的优化算法能有效提高系统的保密速率。
2022, 44(7): 2309-2316.
doi: 10.11999/JEIT211595
摘要:
针对移动边缘计算(MEC)任务卸载性能易受障碍物阻挡影响的问题，该文提出一种双智能超表面(RIS) 赋能的移动边缘计算任务部分卸载框架。首先，分析两个RIS之间的反射对链路增益的影响。其次，联合考虑终端用户的发射功率、终端用户的卸载速率、任务卸载量、卸载时间的分配以及RIS相移约束，旨在建立一个能耗最小化优化问题。最后，采用交替迭代算法，将原非凸问题分解为两个子问题，并利用Dinkelbach方法和最优性条件进行求解。仿真结果验证了所提算法的快速收敛特性以及在降低系统能耗方面的有效性。
针对移动边缘计算(MEC)任务卸载性能易受障碍物阻挡影响的问题，该文提出一种双智能超表面(RIS) 赋能的移动边缘计算任务部分卸载框架。首先，分析两个RIS之间的反射对链路增益的影响。其次，联合考虑终端用户的发射功率、终端用户的卸载速率、任务卸载量、卸载时间的分配以及RIS相移约束，旨在建立一个能耗最小化优化问题。最后，采用交替迭代算法，将原非凸问题分解为两个子问题，并利用Dinkelbach方法和最优性条件进行求解。仿真结果验证了所提算法的快速收敛特性以及在降低系统能耗方面的有效性。
2022, 44(7): 2317-2324.
doi: 10.11999/JEIT210714
摘要:
为了解决能量收集效率易受到障碍物阻挡和信道不确定性影响的问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无线供电通信网络鲁棒能效(EE)最大化算法。首先，考虑最小收集能量、IRS相移、最小吞吐量等约束，基于有界信道不确定性，建立一个联合优化能量波束、相移、传输时间的多变量耦合非线性资源分配模型。然后，利用最坏准则、变量替换和S-Procedure等方法，将原非凸问题转换为确定性凸优化问题，同时，提出一种基于迭代的鲁棒能效最大化算法进行求解。仿真结果表明，与现有算法比较，该文算法具有较好的能效和鲁棒性。
为了解决能量收集效率易受到障碍物阻挡和信道不确定性影响的问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的无线供电通信网络鲁棒能效(EE)最大化算法。首先，考虑最小收集能量、IRS相移、最小吞吐量等约束，基于有界信道不确定性，建立一个联合优化能量波束、相移、传输时间的多变量耦合非线性资源分配模型。然后，利用最坏准则、变量替换和S-Procedure等方法，将原非凸问题转换为确定性凸优化问题，同时，提出一种基于迭代的鲁棒能效最大化算法进行求解。仿真结果表明，与现有算法比较，该文算法具有较好的能效和鲁棒性。
2022, 44(7): 2325-2331.
doi: 10.11999/JEIT220195
摘要:
为了解决城市场景中无人机(UAV)与地面终端设备(GUs)间易受到障碍物阻挡的问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的UAV供能通信网络吞吐量最大化算法。首先，在满足能量因果、IRS相移、UAV移动性等约束条件下，建立了一个联合IRS相移设计、GU无线资源分配、UAV飞行轨迹设计的多变量耦合优化模型。其次，通过快坐标下降法(BCD)将原非凸问题转换为3个易于处理的子问题，并通过三角不等式、引入松弛变量、连续凸近似(SCA)等方法，对子问题进行转化求解。仿真结果表明，该文所提算法具有较好的收敛性，同时可有效提高系统总吞吐量。
为了解决城市场景中无人机(UAV)与地面终端设备(GUs)间易受到障碍物阻挡的问题，该文提出一种基于智能反射面(IRS)辅助的UAV供能通信网络吞吐量最大化算法。首先，在满足能量因果、IRS相移、UAV移动性等约束条件下，建立了一个联合IRS相移设计、GU无线资源分配、UAV飞行轨迹设计的多变量耦合优化模型。其次，通过快坐标下降法(BCD)将原非凸问题转换为3个易于处理的子问题，并通过三角不等式、引入松弛变量、连续凸近似(SCA)等方法，对子问题进行转化求解。仿真结果表明，该文所提算法具有较好的收敛性，同时可有效提高系统总吞吐量。
2022, 44(7): 2332-2341.
doi: 10.11999/JEIT210521
摘要:
为提高非正交多址接入(NOMA)网络的鲁棒性和系统能效(EE)，考虑了不完美信道状态信息，该文提出一种可重构智能表面(RIS)辅助的NOMA网络鲁棒能效最大资源分配算法。考虑用户信干噪比(SINR)中断概率约束、基站的最大发射功率约束以及连续相移约束，建立了一个非线性的能效最大化资源分配模型。用Dinkelbach方法将分式形式的目标函数转换为线性的参数相减的形式，利用S-procedure方法将含有信道不确定性的SINR中断概率约束转换成确定性形式，利用交替优化算法将多变量耦合的非凸优化问题分解成多个凸优化子问题，最后用CVX对分解出的子问题进行求解。仿真结果表明，在EE方面，所提算法比无可重构智能表面(RIS)算法提高了7.4%。在SINR中断概率方面，所提算法比非鲁棒算法降低了85.5%。
为提高非正交多址接入(NOMA)网络的鲁棒性和系统能效(EE)，考虑了不完美信道状态信息，该文提出一种可重构智能表面(RIS)辅助的NOMA网络鲁棒能效最大资源分配算法。考虑用户信干噪比(SINR)中断概率约束、基站的最大发射功率约束以及连续相移约束，建立了一个非线性的能效最大化资源分配模型。用Dinkelbach方法将分式形式的目标函数转换为线性的参数相减的形式，利用S-procedure方法将含有信道不确定性的SINR中断概率约束转换成确定性形式，利用交替优化算法将多变量耦合的非凸优化问题分解成多个凸优化子问题，最后用CVX对分解出的子问题进行求解。仿真结果表明，在EE方面，所提算法比无可重构智能表面(RIS)算法提高了7.4%。在SINR中断概率方面，所提算法比非鲁棒算法降低了85.5%。
2022, 44(7): 2342-2348.
doi: 10.11999/JEIT220072
摘要:
可重构智能表面(RIS)可以智能地改变无线传播环境来显著提高通信性能，被视为6G的潜在关键技术之一。为了进一步提升RIS辅助通信系统的性能，该文提出一种双向RIS选择方案，通过引入全双工技术和自干扰消除技术，有效提高了系统传输效率。研究了所提方案在瑞利衰落信道下的中断性能，推导了所提系统的中断概率的闭合表达式，得到了系统中断概率与系统中RIS反射单元的数量、RIS个数等系统参数之间的函数关系。最后，蒙特卡罗仿真验证了推导的准确性和所提方案的性能优势。
可重构智能表面(RIS)可以智能地改变无线传播环境来显著提高通信性能，被视为6G的潜在关键技术之一。为了进一步提升RIS辅助通信系统的性能，该文提出一种双向RIS选择方案，通过引入全双工技术和自干扰消除技术，有效提高了系统传输效率。研究了所提方案在瑞利衰落信道下的中断性能，推导了所提系统的中断概率的闭合表达式，得到了系统中断概率与系统中RIS反射单元的数量、RIS个数等系统参数之间的函数关系。最后，蒙特卡罗仿真验证了推导的准确性和所提方案的性能优势。
2022, 44(7): 2349-2357.
doi: 10.11999/JEIT210976
摘要:
为了克服阴影衰落和障碍物阻挡的影响，智能反射面(IRS)已经成为一种提高无线通信系统能量效率(EE)和降低硬件成本的有效技术。然而，传统无线资源分配(RA)算法忽略了系统收发机硬件损伤(HIs)的影响，由于放大器非线性、相位噪声的影响使得接收信号失真，从而使得这类算法的系统性能下降。为解决该问题，通过考虑收发机的硬件损伤和网络窃听者的影响，该文研究基于硬件损伤的IRS辅助安全通信系统能效优化问题。首先，基于基站的最大发射功率约束和用户的最小安全速率约束，建立一个含硬件损伤的能效最大资源优化问题。其次，采用辅助变量替换、半正定松弛以及Dinkelbach等方法，将原非凸问题转化为凸问题进行求解。最后，数值仿真结果表明，该算法与传统资源分配算法相比，合法用户的平均中断概率降低了43.5%，该算法中系统的安全能效提高了8.3%，因此，该算法具有较好的抗硬件损伤性和安全性。
为了克服阴影衰落和障碍物阻挡的影响，智能反射面(IRS)已经成为一种提高无线通信系统能量效率(EE)和降低硬件成本的有效技术。然而，传统无线资源分配(RA)算法忽略了系统收发机硬件损伤(HIs)的影响，由于放大器非线性、相位噪声的影响使得接收信号失真，从而使得这类算法的系统性能下降。为解决该问题，通过考虑收发机的硬件损伤和网络窃听者的影响，该文研究基于硬件损伤的IRS辅助安全通信系统能效优化问题。首先，基于基站的最大发射功率约束和用户的最小安全速率约束，建立一个含硬件损伤的能效最大资源优化问题。其次，采用辅助变量替换、半正定松弛以及Dinkelbach等方法，将原非凸问题转化为凸问题进行求解。最后，数值仿真结果表明，该算法与传统资源分配算法相比，合法用户的平均中断概率降低了43.5%，该算法中系统的安全能效提高了8.3%，因此，该算法具有较好的抗硬件损伤性和安全性。
2022, 44(7): 2358-2365.
doi: 10.11999/JEIT211389
摘要:
在智能反射表面(RIS)场景下的零前缀正交频分复用(ZP-OFDM)系统中由于反射元件系数转换引起的等效信道时变，其破坏了正交频分复用(OFDM)系统的正交性并产生严重的子载波间干扰(ICI)。该文通过构建该场景下的系统传输模型，通过分析ICI功率和对反射元件系数转换时变特性进行建模，利用构建子载波间干扰抑制矩阵对ICI进行补偿，抑制由于反射系数变化造成的等效时变信道对系统性能的影响。仿真结果表明，子载波间干扰得到了有效抑制，该文提出的干扰抑制算法对于系统的传输性能有较明显的提升。
在智能反射表面(RIS)场景下的零前缀正交频分复用(ZP-OFDM)系统中由于反射元件系数转换引起的等效信道时变，其破坏了正交频分复用(OFDM)系统的正交性并产生严重的子载波间干扰(ICI)。该文通过构建该场景下的系统传输模型，通过分析ICI功率和对反射元件系数转换时变特性进行建模，利用构建子载波间干扰抑制矩阵对ICI进行补偿，抑制由于反射系数变化造成的等效时变信道对系统性能的影响。仿真结果表明，子载波间干扰得到了有效抑制，该文提出的干扰抑制算法对于系统的传输性能有较明显的提升。
2022, 44(7): 2366-2373.
doi: 10.11999/JEIT211255
摘要:
为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量，该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测，IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式，然后在存在窃听的情况下，研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明，这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题，可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明，与基准算法相比，所提算法提升了保密率，当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%，发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。
为了减少窃听者对合法接收者的信息接收影响和窃听者的有用信息接收量，该文研究利用智能反射表面(IRS)来实现无线供电通信网络(WPCN) 中窃听端处的波束抵消。首先在传输能量的同时进行窃听检测，IRS根据合法用户的能量状态选择是否采取防窃听模式，然后在存在窃听的情况下，研究了窃听信道完美和不完美状态下系统的保密率最大化问题。分析表明，这一最大化问题是相移、功率分配、时间分配的多变量耦合非凸问题，可以采用分步优化、变量替换和S-Lemma等方法进行求解。仿真结果表明，与基准算法相比，所提算法提升了保密率，当智能反射表面元件数为80时保密率提升了44%，发射功率为40 dBm时保密率提升了34%。
2022, 44(7): 2374-2381.
doi: 10.11999/JEIT220068
摘要:
智能超表面(RIS)通过打造可重构主动智能无线环境，打破了无线通信系统中被动电波传播的局限性，为5G-Adv和6G发展创造了新的契机。该文介绍了RIS系统架构与工作原理，包括硬件设计与波束聚合原理等。搭建了RIS辅助的无线通信实验测试系统，通过对比无RIS、随机码本RIS及赋形码本RIS 3种情况下的测试结果，验证了RIS通过反射波束赋形实现覆盖增强的能力。
智能超表面(RIS)通过打造可重构主动智能无线环境，打破了无线通信系统中被动电波传播的局限性，为5G-Adv和6G发展创造了新的契机。该文介绍了RIS系统架构与工作原理，包括硬件设计与波束聚合原理等。搭建了RIS辅助的无线通信实验测试系统，通过对比无RIS、随机码本RIS及赋形码本RIS 3种情况下的测试结果，验证了RIS通过反射波束赋形实现覆盖增强的能力。
2022, 44(7): 2382-2391.
doi: 10.11999/JEIT211468
摘要:
面对未来无线移动通信对通信质量和频谱效率的更高要求，该文融合索引调制(IM)与可重构智能表面(RIS)技术，建立基于IM的RIS辅助单输入多输出(SIMO)通信系统架构，并提出一种基于变分贝叶斯推断(VBI)的信号检测算法。首先，在该系统中，RIS单元被划分为若干子块，利用RIS子块的激活状态传递附加信息；接着，利用VBI给出激活RIS子块对应的相移矢量与待检测信号的近似后验分布；最后，利用RIS相移矢量近似后验分布的对数零梯度值结合正交匹配追踪算法(OMP)恢复出索引信息比特，进而利用待检测信号对数零梯度值，恢复出发送信号。同时，从理论上推导了基于IM的RIS辅助SIMO系统平均速率。仿真结果表明，与传统RIS辅助的SIMO通信系统相比，基于IM的RIS辅助SIMO系统具有更高的系统平均速率；并且与现有算法相比，该文算法具有更低的误比特率。
面对未来无线移动通信对通信质量和频谱效率的更高要求，该文融合索引调制(IM)与可重构智能表面(RIS)技术，建立基于IM的RIS辅助单输入多输出(SIMO)通信系统架构，并提出一种基于变分贝叶斯推断(VBI)的信号检测算法。首先，在该系统中，RIS单元被划分为若干子块，利用RIS子块的激活状态传递附加信息；接着，利用VBI给出激活RIS子块对应的相移矢量与待检测信号的近似后验分布；最后，利用RIS相移矢量近似后验分布的对数零梯度值结合正交匹配追踪算法(OMP)恢复出索引信息比特，进而利用待检测信号对数零梯度值，恢复出发送信号。同时，从理论上推导了基于IM的RIS辅助SIMO系统平均速率。仿真结果表明，与传统RIS辅助的SIMO通信系统相比，基于IM的RIS辅助SIMO系统具有更高的系统平均速率；并且与现有算法相比，该文算法具有更低的误比特率。
2022, 44(7): 2392-2399.
doi: 10.11999/JEIT211618
摘要:
该文考虑一种智能反射面(IRS)辅助及人工噪声(AN)增强的无线隐蔽通信以提升隐蔽传输性能。首先，分析了Willie的探测性能并给出了总的最小探测错误概率下界表达式。 在此基础之上，构建以最大化有效吞吐量为目标函数，以隐蔽需求和最大AN发射功率为约束的优化问题。该优化问题为非凸的，通常很难直接求解。该文提出基于Dinkelbach方法的交替迭代算法联合设计IRS的反射系数和Alice的发射功率及Bob的AN发射功率。为了降低计算复杂度，进一步提出一种低复杂度算法以获取相应优化变量的解析表达式。仿真结果表明：与无IRS及无AN方案相比，所提方案可以显著提升隐蔽传输性能。
该文考虑一种智能反射面(IRS)辅助及人工噪声(AN)增强的无线隐蔽通信以提升隐蔽传输性能。首先，分析了Willie的探测性能并给出了总的最小探测错误概率下界表达式。 在此基础之上，构建以最大化有效吞吐量为目标函数，以隐蔽需求和最大AN发射功率为约束的优化问题。该优化问题为非凸的，通常很难直接求解。该文提出基于Dinkelbach方法的交替迭代算法联合设计IRS的反射系数和Alice的发射功率及Bob的AN发射功率。为了降低计算复杂度，进一步提出一种低复杂度算法以获取相应优化变量的解析表达式。仿真结果表明：与无IRS及无AN方案相比，所提方案可以显著提升隐蔽传输性能。
2022, 44(7): 2400-2406.
doi: 10.11999/JEIT211271
摘要:
毫米波属于一种典型的视距传输方式，其受大气吸收影响严重。针对毫米波的非视距传播受限，该文通过智能反射面(IRS)辅助毫米波通信，提出结合Khatri-Rao积的矢量近似消息传递(KR-VAMP)算法来提高毫米波通信系统的信道估计质量。该算法基于Khatri-Rao积将级联信道问题转换为稀疏信号恢复问题，并结合VAMP的矢量和迭代阈值算法的优势，使得整个IRS辅助毫米波系统在减少训练迭代次数的同时，降低了整个系统的信道估计误差。最后通过仿真结果对比，分析了各变量对信道估计的均方误差(MMSE)的影响，以及MMSE随着迭代次数的收敛情况，验证了此算法对比其他近似消息传递(AMP)算法具有更好的性能。
毫米波属于一种典型的视距传输方式，其受大气吸收影响严重。针对毫米波的非视距传播受限，该文通过智能反射面(IRS)辅助毫米波通信，提出结合Khatri-Rao积的矢量近似消息传递(KR-VAMP)算法来提高毫米波通信系统的信道估计质量。该算法基于Khatri-Rao积将级联信道问题转换为稀疏信号恢复问题，并结合VAMP的矢量和迭代阈值算法的优势，使得整个IRS辅助毫米波系统在减少训练迭代次数的同时，降低了整个系统的信道估计误差。最后通过仿真结果对比，分析了各变量对信道估计的均方误差(MMSE)的影响，以及MMSE随着迭代次数的收敛情况，验证了此算法对比其他近似消息传递(AMP)算法具有更好的性能。
2022, 44(7): 2407-2415.
doi: 10.11999/JEIT211613
摘要:
该文从物理层安全的角度出发研究了智能超表面(RIS)辅助的无人机(UAV) 3D轨迹优化。具体地说，当RIS辅助的UAV向地面用户进行无线传输时，通过联合优化RIS相移和UAV的3D轨迹来最大化物理层安全速率。然而，由于目标函数是非凸的，传统的优化技术很难直接求解。深度强化学习能够处理无线通信中动态复杂的优化问题，该文基于强化学习双深度Q网络(DDQN)设计一种联合优化RIS相移和无人机3D轨迹算法，最大化可实现的平均安全速率。仿真结果表明，所设计的RIS辅助UAV通信优化算法可以获得比固定飞行高度的连续凸逼近算法(SCA)、随机相移下的RIS算法和没有RIS的算法有更高的安全速率。
该文从物理层安全的角度出发研究了智能超表面(RIS)辅助的无人机(UAV) 3D轨迹优化。具体地说，当RIS辅助的UAV向地面用户进行无线传输时，通过联合优化RIS相移和UAV的3D轨迹来最大化物理层安全速率。然而，由于目标函数是非凸的，传统的优化技术很难直接求解。深度强化学习能够处理无线通信中动态复杂的优化问题，该文基于强化学习双深度Q网络(DDQN)设计一种联合优化RIS相移和无人机3D轨迹算法，最大化可实现的平均安全速率。仿真结果表明，所设计的RIS辅助UAV通信优化算法可以获得比固定飞行高度的连续凸逼近算法(SCA)、随机相移下的RIS算法和没有RIS的算法有更高的安全速率。
2022, 44(7): 2416-2424.
doi: 10.11999/JEIT220180
摘要:
针对新兴的计算密集型应用对移动用户高计算性能需求问题，该文提出一种数字孪生(DT)结合智能反射面(RIS)辅助的移动边缘计算(MEC)任务卸载方案。首先，在满足用户传输功率、用户和资源设备能耗、计算资源限制条件下，通过联合优化用户卸载决策、用户传输功率、RIS 相移、波束成形矢量、计算资源分配，建立一个系统能耗最小化问题；其次，将该非凸组合优化问题分解为3个子问题，使用深度双Q网络(DDQN)方法确定用户卸载策略；然后对每个训练时间步进行一次求解，基于交替迭代方法得到问题的优化解。仿真结果表明，基于DDQN的算法训练速度较快，有效降低了系统总能耗。
针对新兴的计算密集型应用对移动用户高计算性能需求问题，该文提出一种数字孪生(DT)结合智能反射面(RIS)辅助的移动边缘计算(MEC)任务卸载方案。首先，在满足用户传输功率、用户和资源设备能耗、计算资源限制条件下，通过联合优化用户卸载决策、用户传输功率、RIS 相移、波束成形矢量、计算资源分配，建立一个系统能耗最小化问题；其次，将该非凸组合优化问题分解为3个子问题，使用深度双Q网络(DDQN)方法确定用户卸载策略；然后对每个训练时间步进行一次求解，基于交替迭代方法得到问题的优化解。仿真结果表明，基于DDQN的算法训练速度较快，有效降低了系统总能耗。
2022, 44(7): 2425-2430.
doi: 10.11999/JEIT211473
摘要:
可重构智能表面(RIS)是一种成本效益高的解决方案，可通过大量低成本的无源反射元件，提高无线通信系统的能源效益。在远场情况时，许多工作都是假设以RIS的中心作为反射点为前提展开研究。对于多用户的远场情况而言，用户位置不同会增加基站(BS)的功耗。该文以BS发射功率为代价矩阵，利用Kuhn-Munkres (KM)算法将用户与RIS单元进行匹配。该用户匹配方法在接收信噪比约束下，可以减少BS的发射功率。仿真结果表明，该文所采用的用户与RIS单元匹配方法与随机RIS单元相比，最多可以减少1%的BS功耗。
可重构智能表面(RIS)是一种成本效益高的解决方案，可通过大量低成本的无源反射元件，提高无线通信系统的能源效益。在远场情况时，许多工作都是假设以RIS的中心作为反射点为前提展开研究。对于多用户的远场情况而言，用户位置不同会增加基站(BS)的功耗。该文以BS发射功率为代价矩阵，利用Kuhn-Munkres (KM)算法将用户与RIS单元进行匹配。该用户匹配方法在接收信噪比约束下，可以减少BS的发射功率。仿真结果表明，该文所采用的用户与RIS单元匹配方法与随机RIS单元相比，最多可以减少1%的BS功耗。
2022, 44(7): 2431-2439.
doi: 10.11999/JEIT210415
摘要:
移动边缘计算(MEC)通过在用户近端以虚拟机(VM)形式部署应用服务，能有效降低服务响应延迟并减少核心网络数据流量。然而，当前MEC中虚拟机部署的大多数研究尚未具体考虑用户对多种应用服务的需求。因此，该文针对MEC中多应用服务的虚拟机部署问题，提出两种启发式算法，即基于适应度的启发式部署算法(FHPA)和基于分治的启发式部署算法(DCBHPA)，通过在边缘网络中配置支持多种应用服务的虚拟机来最大限度地减少网络中的数据流量。FHPA和DCBHPA分别基于边缘服务器的网络连接特征和用户对应用请求的差异性，定义了不同的适应度计算模型。在此基础上，通过子问题划分机制实现VM配置。仿真结果表明，相比于基准算法，所提算法能更好地控制系统数据流量，有效地提高边缘网络服务资源的利用率。
移动边缘计算(MEC)通过在用户近端以虚拟机(VM)形式部署应用服务，能有效降低服务响应延迟并减少核心网络数据流量。然而，当前MEC中虚拟机部署的大多数研究尚未具体考虑用户对多种应用服务的需求。因此，该文针对MEC中多应用服务的虚拟机部署问题，提出两种启发式算法，即基于适应度的启发式部署算法(FHPA)和基于分治的启发式部署算法(DCBHPA)，通过在边缘网络中配置支持多种应用服务的虚拟机来最大限度地减少网络中的数据流量。FHPA和DCBHPA分别基于边缘服务器的网络连接特征和用户对应用请求的差异性，定义了不同的适应度计算模型。在此基础上，通过子问题划分机制实现VM配置。仿真结果表明，相比于基准算法，所提算法能更好地控制系统数据流量，有效地提高边缘网络服务资源的利用率。
2022, 44(7): 2440-2448.
doi: 10.11999/JEIT210413
摘要:
当前物联网(IoT)应用的快速增长对用户设备的计算能力是一个巨大的挑战。雾计算(FC)网络可为用户设备提供近距离、快速的计算服务，为资源紧张，计算能力有限的用户设备提供了解决方案。该文提出一个基于区块链的雾网络模型，该模型中用户设备可以将计算密集型任务卸载到计算能力强的节点处理。为最小化任务处理时延和能耗，引入两种任务卸载模型，即设备到设备(D2D)协作群组任务卸载和雾节点(FNs)任务卸载。此外，针对雾计算网络任务卸载过程的数据安全问题，引入区块链技术构建去中心化分布式账本，防止恶意节点修改交易信息，实现数据安全可靠传输。为降低共识机制时延和能耗，提出了改进的基于投票的委托权益证明(DPoS)共识机制，得票数超过阈值的FNs组成验证集，验证集中的FN轮流作为管理者生成新区块。最后，以最小化网络成本为目标，联合优化任务卸载决策、传输速率分配和计算资源分配，提出任务卸载决策和资源分配(TODRA)算法进行求解，并通过仿真实验验证了该算法的有效性。
当前物联网(IoT)应用的快速增长对用户设备的计算能力是一个巨大的挑战。雾计算(FC)网络可为用户设备提供近距离、快速的计算服务，为资源紧张，计算能力有限的用户设备提供了解决方案。该文提出一个基于区块链的雾网络模型，该模型中用户设备可以将计算密集型任务卸载到计算能力强的节点处理。为最小化任务处理时延和能耗，引入两种任务卸载模型，即设备到设备(D2D)协作群组任务卸载和雾节点(FNs)任务卸载。此外，针对雾计算网络任务卸载过程的数据安全问题，引入区块链技术构建去中心化分布式账本，防止恶意节点修改交易信息，实现数据安全可靠传输。为降低共识机制时延和能耗，提出了改进的基于投票的委托权益证明(DPoS)共识机制，得票数超过阈值的FNs组成验证集，验证集中的FN轮流作为管理者生成新区块。最后，以最小化网络成本为目标，联合优化任务卸载决策、传输速率分配和计算资源分配，提出任务卸载决策和资源分配(TODRA)算法进行求解，并通过仿真实验验证了该算法的有效性。
2022, 44(7): 2449-2460.
doi: 10.11999/JEIT210408
摘要:
针对海杂波背景下雷达对海面慢速小目标探测技术难题，该文提出一种基于对角积分双谱的三特征融合检测方法。该方法首先从待检测信号的估计双谱中获得对角积分双谱，而后根据海杂波单元与目标单元之间的非线性耦合差异性，进一步从对角积分双谱中提取峰值、质心频率、谱宽3种特征。考虑到扫描模式下雷达采用的相干脉冲数通常较少，易导致特征不稳定，进而影响海杂波与目标可分性，为此，通过多帧扫描历史数据和当前帧数据的综合应用，对谱特征进行积累得到累积峰值、全变差、累积谱宽3种累积特征。最后采用凸包分类算法，在三特征空间进行融合检测。经实测CSIR数据集验证，在同等参数条件下，该文检测方法相比已有基于时频三特征的检测方法，基于幅度、多普勒三特征检测方法和分形特征检测方法具有更好的检测性能。
针对海杂波背景下雷达对海面慢速小目标探测技术难题，该文提出一种基于对角积分双谱的三特征融合检测方法。该方法首先从待检测信号的估计双谱中获得对角积分双谱，而后根据海杂波单元与目标单元之间的非线性耦合差异性，进一步从对角积分双谱中提取峰值、质心频率、谱宽3种特征。考虑到扫描模式下雷达采用的相干脉冲数通常较少，易导致特征不稳定，进而影响海杂波与目标可分性，为此，通过多帧扫描历史数据和当前帧数据的综合应用，对谱特征进行积累得到累积峰值、全变差、累积谱宽3种累积特征。最后采用凸包分类算法，在三特征空间进行融合检测。经实测CSIR数据集验证，在同等参数条件下，该文检测方法相比已有基于时频三特征的检测方法，基于幅度、多普勒三特征检测方法和分形特征检测方法具有更好的检测性能。
2022, 44(7): 2461-2468.
doi: 10.11999/JEIT210140
摘要:
间断调频连续波(IFMCW)合成孔径雷达(SAR)模式通过在不同时间间隔内交替发射和接收信号，解决了星载调频连续波(FMCW)SAR必须收发分置的问题。然而，在该模式下，雷达天线会间歇性地工作于发射和接收状态，从而导致回波数据中出现周期性的空缺。为了解决上述问题，该文提出了一种基于积累孔径插值技术的缺失数据迭代自适应成像处理方法(MIAA-AAIT)，用于恢复缺失的数据。实验结果表明，所提方法可以有效地恢复缺失数据，从而显著提高成像质量，大幅降低由周期性数据缺失引起的虚假目标能量。
间断调频连续波(IFMCW)合成孔径雷达(SAR)模式通过在不同时间间隔内交替发射和接收信号，解决了星载调频连续波(FMCW)SAR必须收发分置的问题。然而，在该模式下，雷达天线会间歇性地工作于发射和接收状态，从而导致回波数据中出现周期性的空缺。为了解决上述问题，该文提出了一种基于积累孔径插值技术的缺失数据迭代自适应成像处理方法(MIAA-AAIT)，用于恢复缺失的数据。实验结果表明，所提方法可以有效地恢复缺失数据，从而显著提高成像质量，大幅降低由周期性数据缺失引起的虚假目标能量。
2022, 44(7): 2469-2477.
doi: 10.11999/JEIT210357
摘要:
为解决极化敏感阵列波达方向(DOA)估计中压缩感知类算法的网格失配问题，该文提出一种基于有限新息率(FRI)的正交偶极子阵列无网格信号参数估计算法。首先，利用均匀正交偶极子线阵中不同极化指向天线的两个子阵，求取其自相关矩阵之和，并通过协方差拟合准则恢复出满足Toeplitz结构的协方差矩阵。然后，利用该协方差矩阵构建FRI信号重构模型，求解以重构结果为系数的多项式的零点，就可以得到入射信号DOA参数的估计结果。最后，根据已估计出的DOA参数以及两个子阵的自相关矩阵和互相关矩阵，利用最小二乘法计算得到入射信号的极化参数估计结果。仿真实验表明，该算法与子空间类和压缩感知类算法相比，具有更高的估计精度及更好的角度分辨力。
为解决极化敏感阵列波达方向(DOA)估计中压缩感知类算法的网格失配问题，该文提出一种基于有限新息率(FRI)的正交偶极子阵列无网格信号参数估计算法。首先，利用均匀正交偶极子线阵中不同极化指向天线的两个子阵，求取其自相关矩阵之和，并通过协方差拟合准则恢复出满足Toeplitz结构的协方差矩阵。然后，利用该协方差矩阵构建FRI信号重构模型，求解以重构结果为系数的多项式的零点，就可以得到入射信号DOA参数的估计结果。最后，根据已估计出的DOA参数以及两个子阵的自相关矩阵和互相关矩阵，利用最小二乘法计算得到入射信号的极化参数估计结果。仿真实验表明，该算法与子空间类和压缩感知类算法相比，具有更高的估计精度及更好的角度分辨力。
2022, 44(7): 2478-2487.
doi: 10.11999/JEIT210800
摘要:
针对2D激光雷达和摄像机最小解标定方法的多解问题，该文提出一种基于观测概率有效下界估计的标定方法。首先，提出一种最小解集合的分级聚类方法，将每类最优解替换原来的解集合，从而减少解集合样本个数。然后，提出一种基于激光误差的联合观测概率度量，对解集合元素的优劣进行度量。最后，利用聚类结果和观测概率度量结果，该文提出基于观测概率有效下界估计的有效解选取策略，将优化初始值从最优解转化为有效解候选集合，提高了标定结果的准确性。仿真实验结果表明，在真解命中率性能上相比于Francisco方法，该文方法在不同棋盘格个数情况下提升真解命中率16%～20%，在不同噪声水平下提升真解命中率6%～20%，有效提高真解比例。
针对2D激光雷达和摄像机最小解标定方法的多解问题，该文提出一种基于观测概率有效下界估计的标定方法。首先，提出一种最小解集合的分级聚类方法，将每类最优解替换原来的解集合，从而减少解集合样本个数。然后，提出一种基于激光误差的联合观测概率度量，对解集合元素的优劣进行度量。最后，利用聚类结果和观测概率度量结果，该文提出基于观测概率有效下界估计的有效解选取策略，将优化初始值从最优解转化为有效解候选集合，提高了标定结果的准确性。仿真实验结果表明，在真解命中率性能上相比于Francisco方法，该文方法在不同棋盘格个数情况下提升真解命中率16%～20%，在不同噪声水平下提升真解命中率6%～20%，有效提高真解比例。
2022, 44(7): 2488-2495.
doi: 10.11999/JEIT210439
摘要:
针对高斯混合概率假设密度(GM-PHD)滤波器在目标速度未知或不准确时，目标状态估计性能较差，该文提出一种基于GM-PHD的运动参数估计组合平滑滤波算法。该算法通过目标状态提取速度信息，经过中值平滑和线性平滑组合处理提升速度估计准确性，然后将速度反馈给GM-PHD滤波器的状态转移方程，提高状态预测精度。仿真结果表明，目标速度未知或不准确时，所提算法能够明显改善GM-PHD滤波器状态估计性能。
针对高斯混合概率假设密度(GM-PHD)滤波器在目标速度未知或不准确时，目标状态估计性能较差，该文提出一种基于GM-PHD的运动参数估计组合平滑滤波算法。该算法通过目标状态提取速度信息，经过中值平滑和线性平滑组合处理提升速度估计准确性，然后将速度反馈给GM-PHD滤波器的状态转移方程，提高状态预测精度。仿真结果表明，目标速度未知或不准确时，所提算法能够明显改善GM-PHD滤波器状态估计性能。
2022, 44(7): 2496-2503.
doi: 10.11999/JEIT210341
摘要:
该文对人群异常检测任务进行了研究，针对人群场景视频背景较冗余，易受光线与噪声影响以及实际部署等问题，提出了人群异常多尺度特征记忆网络(CaMsm-net)。为了从多角度判别异常的发生，并将各类信息更好地融合，该网络采用了一种双支路共享单元结构，将原始帧与经背景建模后的帧同时输入网络结构中，分别对两条支路进行预测，采用预测误差进行异常的判定，并且从实际应用角度出发，框架结合了深度可分离卷积、数据扩增等方法，保障了检测的准确性与部署的可行性。在公开的美国明尼苏达大学(UMN)人群数据集与实际监控下的火车站出站口数据集中的实验表明，曲线下面积(AUC)指标分别达到了99.2%与84.1%，平均检测准确率分别为95.9%与81.7%，证明了所提算法能够较好地检测到各类人群异常现象的发生，并具有更广的适用性。
该文对人群异常检测任务进行了研究，针对人群场景视频背景较冗余，易受光线与噪声影响以及实际部署等问题，提出了人群异常多尺度特征记忆网络(CaMsm-net)。为了从多角度判别异常的发生，并将各类信息更好地融合，该网络采用了一种双支路共享单元结构，将原始帧与经背景建模后的帧同时输入网络结构中，分别对两条支路进行预测，采用预测误差进行异常的判定，并且从实际应用角度出发，框架结合了深度可分离卷积、数据扩增等方法，保障了检测的准确性与部署的可行性。在公开的美国明尼苏达大学(UMN)人群数据集与实际监控下的火车站出站口数据集中的实验表明，曲线下面积(AUC)指标分别达到了99.2%与84.1%，平均检测准确率分别为95.9%与81.7%，证明了所提算法能够较好地检测到各类人群异常现象的发生，并具有更广的适用性。
2022, 44(7): 2504-2511.
doi: 10.11999/JEIT210400
摘要:
针对循环生成对抗网络(Cycle Generative Adversarial Networks, CycleGAN)在浑浊水体图像增强中存在质量差和速度慢的问题，该文提出一种可扩展、可选择和轻量化的特征提取单元BSDK (Bottleneck Selective Dilated Kernel)，并利用BSDK设计了一个新的生成器网络BSDKNet。与此同时，提出一种多尺度损失函数MLF(Multi-scale Loss Function)。在自建的浑浊水体图像增强数据集TC(Turbid and Clear)上，该文BM-CycleGAN比原始CycleGAN的精度提升3.27%，生成器网络参数降低4.15MB，运算时间减少0.107s。实验结果表明BM-CycleGAN适合浑浊水体图像增强任务。
针对循环生成对抗网络(Cycle Generative Adversarial Networks, CycleGAN)在浑浊水体图像增强中存在质量差和速度慢的问题，该文提出一种可扩展、可选择和轻量化的特征提取单元BSDK (Bottleneck Selective Dilated Kernel)，并利用BSDK设计了一个新的生成器网络BSDKNet。与此同时，提出一种多尺度损失函数MLF(Multi-scale Loss Function)。在自建的浑浊水体图像增强数据集TC(Turbid and Clear)上，该文BM-CycleGAN比原始CycleGAN的精度提升3.27%，生成器网络参数降低4.15MB，运算时间减少0.107s。实验结果表明BM-CycleGAN适合浑浊水体图像增强任务。
2022, 44(7): 2512-2521.
doi: 10.11999/JEIT210818
摘要:
基于生物视觉系统存在双视通路(VP)交互感知的机制，该文提出一种图像轮廓检测的新方法。首先针对皮层下视通路中视觉刺激流经多级不同尺度的感受野，提出一种多尺度轮廓融合的轮廓感知模型；接着基于皮层上视通路的对比度适应机制和方向敏感特性，获取显著性视觉特征；然后模拟双视通路的交互感知机制，分别在V1皮层中，构建一种信息流交互引导的脉冲编码模型，提取显著性轮廓；在上丘(SC)浅层提出一种特征调制的非经典感受野侧抑制模型，实现纹理抑制；最后对双视通路中的轮廓响应结果进行修正融合，得到最终轮廓响应。针对RUG40图像库的测试，整个数据集的最优平均P指标和每张图的最优平均P指标分别为0.51和 0.57；针对BSDS500图像库的测试，数据集尺度上最优(ODS)为0.68。结果表明该文方法能有效突显主体轮廓并且抑制纹理背景。通过该文提出的轮廓感知方法，为后续基于视觉机制的图像理解和分析提供了一种新的思路。
基于生物视觉系统存在双视通路(VP)交互感知的机制，该文提出一种图像轮廓检测的新方法。首先针对皮层下视通路中视觉刺激流经多级不同尺度的感受野，提出一种多尺度轮廓融合的轮廓感知模型；接着基于皮层上视通路的对比度适应机制和方向敏感特性，获取显著性视觉特征；然后模拟双视通路的交互感知机制，分别在V1皮层中，构建一种信息流交互引导的脉冲编码模型，提取显著性轮廓；在上丘(SC)浅层提出一种特征调制的非经典感受野侧抑制模型，实现纹理抑制；最后对双视通路中的轮廓响应结果进行修正融合，得到最终轮廓响应。针对RUG40图像库的测试，整个数据集的最优平均P指标和每张图的最优平均P指标分别为0.51和 0.57；针对BSDS500图像库的测试，数据集尺度上最优(ODS)为0.68。结果表明该文方法能有效突显主体轮廓并且抑制纹理背景。通过该文提出的轮廓感知方法，为后续基于视觉机制的图像理解和分析提供了一种新的思路。
2022, 44(7): 2522-2530.
doi: 10.11999/JEIT210184
摘要:
针对基于测地距离的图像选择性分割模型非凸的缺陷，该文结合凸松弛方法，提出凸松弛的选择性分割模型，并通过证明，给出凸松弛模型的解与原模型解之间的关系。然后，应用交替方向乘子法(ADMM)，设计凸松弛模型的数值求解算法，并给出了该算法的收敛性。数值实验结果表明：该文所提算法的收敛速度不仅大大优于求解原模型的加性算子分裂算法，而且分割结果也更精确。
针对基于测地距离的图像选择性分割模型非凸的缺陷，该文结合凸松弛方法，提出凸松弛的选择性分割模型，并通过证明，给出凸松弛模型的解与原模型解之间的关系。然后，应用交替方向乘子法(ADMM)，设计凸松弛模型的数值求解算法，并给出了该算法的收敛性。数值实验结果表明：该文所提算法的收敛速度不仅大大优于求解原模型的加性算子分裂算法，而且分割结果也更精确。
2022, 44(7): 2531-2538.
doi: 10.11999/JEIT210229
摘要:
在利用深度学习方式进行语音分离的领域，常用卷积神经网络(RNN)循环神经网络进行语音分离，但是该网络模型在分离过程中存在梯度下降问题，分离结果不理想。针对该问题，该文利用长短时记忆网络(LSTM)进行信号分离探索，弥补了RNN网络的不足。多路人声信号分离较为复杂，现阶段所使用的分离方式多是基于频谱映射方式，没有有效利用语音信号空间信息。针对此问题，该文结合波束形成算法和LSTM网络提出了一种波束形成LSTM算法，在TIMIT语音库中随机选取3个说话人的声音文件，利用超指向波束形成算法得到3个不同方向上的波束，提取每一波束中频谱幅度特征，并构建神经网络预测掩蔽值，得到待分离语音信号频谱并重构时域信号，进而实现语音分离。该算法充分利用了语音信号空间特征和信号频域特征。通过实验验证了不同方向语音分离效果，在60°方向该算法与IBM-LSTM网络相比，客观语音质量评估(PESQ)提高了0.59，短时客观可懂(STOI)指标提高了0.06，信噪比(SNR)提高了1.13 dB，另外两个方向上，实验结果同样证明了该算法较IBM-LSTM算法和RNN算法具有更好的分离性能。
在利用深度学习方式进行语音分离的领域，常用卷积神经网络(RNN)循环神经网络进行语音分离，但是该网络模型在分离过程中存在梯度下降问题，分离结果不理想。针对该问题，该文利用长短时记忆网络(LSTM)进行信号分离探索，弥补了RNN网络的不足。多路人声信号分离较为复杂，现阶段所使用的分离方式多是基于频谱映射方式，没有有效利用语音信号空间信息。针对此问题，该文结合波束形成算法和LSTM网络提出了一种波束形成LSTM算法，在TIMIT语音库中随机选取3个说话人的声音文件，利用超指向波束形成算法得到3个不同方向上的波束，提取每一波束中频谱幅度特征，并构建神经网络预测掩蔽值，得到待分离语音信号频谱并重构时域信号，进而实现语音分离。该算法充分利用了语音信号空间特征和信号频域特征。通过实验验证了不同方向语音分离效果，在60°方向该算法与IBM-LSTM网络相比，客观语音质量评估(PESQ)提高了0.59，短时客观可懂(STOI)指标提高了0.06，信噪比(SNR)提高了1.13 dB，另外两个方向上，实验结果同样证明了该算法较IBM-LSTM算法和RNN算法具有更好的分离性能。
2022, 44(7): 2539-2546.
doi: 10.11999/JEIT210160
摘要:
快速、准确、适用性强的重建算法是可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAT)的核心研究内容之一。现有算法一般取位于燃烧场中心的某局部区域作为感兴趣区域(RoI)，利用整个燃烧场对激光束的光谱吸收值重建RoI这一局部区域内的气体参数分布。重建结果与实际情况存在一定偏差。针对这一问题，该文研究燃烧场的空间层次化离散方法，进而为TDLAT系统设计一种基于残差网络(ResNet)的层次化温度层析成像方案(HTT-ResNet)。该方案能够根据有限数量的光谱吸收测量值完整重建整个燃烧场的温度图像，并对计算资源与燃烧场不同空间区域的成像分辨率进行优化配置，着重实现RoI内温度分布的高空间分辨率成像。利用随机多模态高斯火焰模型与实际TDLAT系统测量数据进行的实验均表明，HTT-ResNet重建的温度图像能够准确定位火焰的空间位置、清晰描述燃烧场的温度分布。
快速、准确、适用性强的重建算法是可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAT)的核心研究内容之一。现有算法一般取位于燃烧场中心的某局部区域作为感兴趣区域(RoI)，利用整个燃烧场对激光束的光谱吸收值重建RoI这一局部区域内的气体参数分布。重建结果与实际情况存在一定偏差。针对这一问题，该文研究燃烧场的空间层次化离散方法，进而为TDLAT系统设计一种基于残差网络(ResNet)的层次化温度层析成像方案(HTT-ResNet)。该方案能够根据有限数量的光谱吸收测量值完整重建整个燃烧场的温度图像，并对计算资源与燃烧场不同空间区域的成像分辨率进行优化配置，着重实现RoI内温度分布的高空间分辨率成像。利用随机多模态高斯火焰模型与实际TDLAT系统测量数据进行的实验均表明，HTT-ResNet重建的温度图像能够准确定位火焰的空间位置、清晰描述燃烧场的温度分布。
2022, 44(7): 2547-2558.
doi: 10.11999/JEIT210331
摘要:
超声图像去噪对提高超声图像的视觉质量和完成其他相关的计算机视觉任务都至关重要。超声图像中的特征信息与斑点噪声信号较为相似，用已有的去噪方法对超声图像去噪，容易造成超声图像纹理特征丢失，这会对临床诊断的准确性产生严重的干扰。因此，在去除斑点噪声的过程中，需尽量保留图像的边缘纹理信息才能更好地完成超声图像去噪任务。该文提出一种基于残差编解码器的通道自适应去噪模型(RED-SENet)，能有效去除超声图像中的斑点噪声。在去噪模型的解码器部分引入注意力反卷积残差块，使本模型可以学习并利用全局信息，从而选择性地强调关键通道的内容特征，抑制无用特征，能提高模型去噪的性能。在2个私有数据集和2个公开数据集上对该模型进行定性评估和定量分析，与一些先进的方法相比，该模型的去噪性能有显著提升，并在噪声抑制以及结构保持方面具有良好的效果。
超声图像去噪对提高超声图像的视觉质量和完成其他相关的计算机视觉任务都至关重要。超声图像中的特征信息与斑点噪声信号较为相似，用已有的去噪方法对超声图像去噪，容易造成超声图像纹理特征丢失，这会对临床诊断的准确性产生严重的干扰。因此，在去除斑点噪声的过程中，需尽量保留图像的边缘纹理信息才能更好地完成超声图像去噪任务。该文提出一种基于残差编解码器的通道自适应去噪模型(RED-SENet)，能有效去除超声图像中的斑点噪声。在去噪模型的解码器部分引入注意力反卷积残差块，使本模型可以学习并利用全局信息，从而选择性地强调关键通道的内容特征，抑制无用特征，能提高模型去噪的性能。在2个私有数据集和2个公开数据集上对该模型进行定性评估和定量分析，与一些先进的方法相比，该模型的去噪性能有显著提升，并在噪声抑制以及结构保持方面具有良好的效果。
2022, 44(7): 2559-2567.
doi: 10.11999/JEIT210424
摘要:
利用测井数据进行储层地质描述的应用中，经常出现部分测井曲线失真或缺失的问题，为此，测井曲线复原一直以来都是相关研究领域的研究热点和难点。传统信号复原方法和基于神经网络等机器学习的复原方法，对同井不同测井曲线间关联信息的表示和利用不充分，跨井模型适应能力差。针对这些问题，该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)网络多尺度共生关系挖掘的测井曲线复原方法：在基于神经网络测井曲线复原方法的基础上，通过引入多尺度灰度共生短阵(GLCM)关系完成对不同测井曲线间横向关联信息的表征以实现测井曲线集纵横向语义信息的全面利用，进而实现缺失测井曲线的复原。实验结果表明，与BP神经网络、随机森林(RF)、GBDT、深度森林(DF)和LSTM网络方法相比，该文所提方法具有更好的信号复原精度，且所构建模型具有一定的井间适应能力。
利用测井数据进行储层地质描述的应用中，经常出现部分测井曲线失真或缺失的问题，为此，测井曲线复原一直以来都是相关研究领域的研究热点和难点。传统信号复原方法和基于神经网络等机器学习的复原方法，对同井不同测井曲线间关联信息的表示和利用不充分，跨井模型适应能力差。针对这些问题，该文提出一种基于长短时记忆(LSTM)网络多尺度共生关系挖掘的测井曲线复原方法：在基于神经网络测井曲线复原方法的基础上，通过引入多尺度灰度共生短阵(GLCM)关系完成对不同测井曲线间横向关联信息的表征以实现测井曲线集纵横向语义信息的全面利用，进而实现缺失测井曲线的复原。实验结果表明，与BP神经网络、随机森林(RF)、GBDT、深度森林(DF)和LSTM网络方法相比，该文所提方法具有更好的信号复原精度，且所构建模型具有一定的井间适应能力。
2022, 44(7): 2568-2575.
doi: 10.11999/JEIT210412
摘要:
源代码漏洞检测是保证软件系统安全的重要手段。近年来，多种深度学习模型应用于源代码漏洞检测，极大提高了漏洞检测的效率，但还存在自定义标识符导致库外词过多、嵌入词向量的语义不够准确、神经网络模型缺乏可解释性等问题。基于此，该文提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和全局平均池化(GAP)可解释性模型的源代码漏洞检测方法。首先在源代码预处理中对部分自定义标识符进行归一化，并采用One-hot编码进行词嵌入以缓解库外词过多的问题；然后构建CNN-GAP神经网络模型，识别出包含CWE-119缓冲区溢出类型漏洞的函数；最后通过类激活映射(CAM)可解释方法对结果进行可视化输出，标识出可能与漏洞相关的代码。通过与Russell等人提出的模型以及Li等人提出的VulDeePecker模型进行对比分析，表明CNN-GAP模型能达到相当甚至更好的性能，且具有一定的可解释性，便于研究人员对漏洞进行更深入的分析。
源代码漏洞检测是保证软件系统安全的重要手段。近年来，多种深度学习模型应用于源代码漏洞检测，极大提高了漏洞检测的效率，但还存在自定义标识符导致库外词过多、嵌入词向量的语义不够准确、神经网络模型缺乏可解释性等问题。基于此，该文提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和全局平均池化(GAP)可解释性模型的源代码漏洞检测方法。首先在源代码预处理中对部分自定义标识符进行归一化，并采用One-hot编码进行词嵌入以缓解库外词过多的问题；然后构建CNN-GAP神经网络模型，识别出包含CWE-119缓冲区溢出类型漏洞的函数；最后通过类激活映射(CAM)可解释方法对结果进行可视化输出，标识出可能与漏洞相关的代码。通过与Russell等人提出的模型以及Li等人提出的VulDeePecker模型进行对比分析，表明CNN-GAP模型能达到相当甚至更好的性能，且具有一定的可解释性，便于研究人员对漏洞进行更深入的分析。
2022, 44(7): 2576-2583.
doi: 10.11999/JEIT210448
摘要:
图神经网络(GNN)容易受到对抗攻击安全威胁。现有研究未注意到图神经网络对抗攻击与统计学经典分支统计诊断之间的联系。该文分析了二者理论本质的一致性，将统计诊断的重要成果局部影响分析模型引入图神经网络对抗攻击。首先建立局部影响分析模型，提出并证明针对图神经网络攻击的扰动筛选公式，得出该式的物理意义为扰动对模型训练参数影响的度量。其次为降低计算复杂度，根据扰动筛选公式的物理意义得出扰动筛选近似公式。最后引入投影梯度下降算法实施扰动筛选。实验结果表明，将局部影响分析模型引入图神经网络对抗攻击领域具有合理性；与现有攻击方法相比，所提方法具有有效性。
图神经网络(GNN)容易受到对抗攻击安全威胁。现有研究未注意到图神经网络对抗攻击与统计学经典分支统计诊断之间的联系。该文分析了二者理论本质的一致性，将统计诊断的重要成果局部影响分析模型引入图神经网络对抗攻击。首先建立局部影响分析模型，提出并证明针对图神经网络攻击的扰动筛选公式，得出该式的物理意义为扰动对模型训练参数影响的度量。其次为降低计算复杂度，根据扰动筛选公式的物理意义得出扰动筛选近似公式。最后引入投影梯度下降算法实施扰动筛选。实验结果表明，将局部影响分析模型引入图神经网络对抗攻击领域具有合理性；与现有攻击方法相比，所提方法具有有效性。
2022, 44(7): 2584-2591.
doi: 10.11999/JEIT210300
摘要:
无证书代理签密在信息安全领域发挥着越来越重要的作用。现有的大多数无证书代理签密基于传统数学理论，无法抵制量子计算攻击。该文采用格密码技术提出基于无证书的格基代理签密(L-CLPSC)方案。L-CLPSC在带错误学习(LWE)问题和小整数解(SIS)问题的困难假设下满足自适应选择密文攻击下的不可区分性和自适应选择消息攻击下的不可伪造性。相比较而言，L-CLPSC具有更高的计算效率和更低的通信代价。
无证书代理签密在信息安全领域发挥着越来越重要的作用。现有的大多数无证书代理签密基于传统数学理论，无法抵制量子计算攻击。该文采用格密码技术提出基于无证书的格基代理签密(L-CLPSC)方案。L-CLPSC在带错误学习(LWE)问题和小整数解(SIS)问题的困难假设下满足自适应选择密文攻击下的不可区分性和自适应选择消息攻击下的不可伪造性。相比较而言，L-CLPSC具有更高的计算效率和更低的通信代价。
2022, 44(7): 2592-2601.
doi: 10.11999/JEIT210347
摘要:
准光模式变换器是实现高功率回旋管高效输出的重要部件。该文针对140 GHz, TE28,8模回旋振荡管研制，开展以Denisov型辐射器和3个准光镜面构成的准光模式变换器设计与实验研究。利用标量衍射法优化辐射器辐射口径处的场分布，其与理想高斯场之间的矢量相关性为96.2%；基于几何光学和高斯波束匹配方法设计了聚焦镜面与波束整形镜面，采用3维全波分析软件Surf3D获得各个镜面上及输出窗处的场分布，对所设计的镜面系统进行了仿真验证，在输出窗处获得了高斯模式含量为96.67%的输出波束，整个模式变换器的功率转换效率为93.98%。以自行研制的TE28,8模激励器作为准光模式变换器的输入，通过对模式变换器转换性能仿真结果验证，在严格控制加工精度及装配和实验过程的基础上，完成了准光模式变换器转换性能的冷测实验。实验结果表明，设计和实验具有合理的一致性，可以作为准光模式变换器工程应用设计和验证手段。
准光模式变换器是实现高功率回旋管高效输出的重要部件。该文针对140 GHz, TE28,8模回旋振荡管研制，开展以Denisov型辐射器和3个准光镜面构成的准光模式变换器设计与实验研究。利用标量衍射法优化辐射器辐射口径处的场分布，其与理想高斯场之间的矢量相关性为96.2%；基于几何光学和高斯波束匹配方法设计了聚焦镜面与波束整形镜面，采用3维全波分析软件Surf3D获得各个镜面上及输出窗处的场分布，对所设计的镜面系统进行了仿真验证，在输出窗处获得了高斯模式含量为96.67%的输出波束，整个模式变换器的功率转换效率为93.98%。以自行研制的TE28,8模激励器作为准光模式变换器的输入，通过对模式变换器转换性能仿真结果验证，在严格控制加工精度及装配和实验过程的基础上，完成了准光模式变换器转换性能的冷测实验。实验结果表明，设计和实验具有合理的一致性，可以作为准光模式变换器工程应用设计和验证手段。
2022, 44(7): 2602-2610.
doi: 10.11999/JEIT210337
摘要:
为了研究分段线性忆阻系统的簇发振荡及其形成机理，该文在一非自治系统中引入分段线性忆阻器模型与慢变化的周期激励项，建立了一种两时间尺度的4D分段线性忆阻系统。由于分段线性忆阻器模型的引入，系统被非光滑分界面分成不同的子系统。相应子系统控制的名义平衡轨迹的稳定性与非光滑分界面均会影响系统的簇发现象，导致轨迹在非光滑分界面处的突然跃迁与非光滑分岔的产生，从而展现出两种不同机理的簇发模式。利用微分包含定理对分岔机理进行分析，并借助时序图、转换相图等，通过数值仿真与Multisim电路仿真验证了理论分析的正确性，该文对分段线性忆阻系统的动力学行为及应用研究具有重要意义。
为了研究分段线性忆阻系统的簇发振荡及其形成机理，该文在一非自治系统中引入分段线性忆阻器模型与慢变化的周期激励项，建立了一种两时间尺度的4D分段线性忆阻系统。由于分段线性忆阻器模型的引入，系统被非光滑分界面分成不同的子系统。相应子系统控制的名义平衡轨迹的稳定性与非光滑分界面均会影响系统的簇发现象，导致轨迹在非光滑分界面处的突然跃迁与非光滑分岔的产生，从而展现出两种不同机理的簇发模式。利用微分包含定理对分岔机理进行分析，并借助时序图、转换相图等，通过数值仿真与Multisim电路仿真验证了理论分析的正确性，该文对分段线性忆阻系统的动力学行为及应用研究具有重要意义。
