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2023年 第45卷  第2期

2023 年 2 期封面
2023, 45(2)
摘要:
2023 年 2 期目录
2023, 45(2): 1-4.
摘要:
“天地融合智能组网技术”专题
卫星网络路由技术现状及展望
倪少杰, 岳洋, 左勇, 刘文祥, 肖伟, 叶小舟
2023, 45(2): 383-395. doi: 10.11999/JEIT211393
摘要:
与地面固定通信网络不同,卫星网络的节点高度动态性、有限的星上处理能力和网络拓扑周期性变化的特点给卫星互联网的路由协议与算法设计带来了新的挑战。该文系统梳理了学术界针对卫星网络所提出的路由技术,提出了卫星路由技术未来的发展方向。首先介绍了卫星网络架构和目前在卫星通信系统上应用的主要路由协议,并且简要介绍了卫星光通信网络的路由问题;其次,根据卫星节点的管理方式以及路由表生成方式将路由算法分类为集中式卫星路由、分布式卫星路由以及混合式卫星路由,详细介绍了各类卫星路由方法的代表性成果并总结其优化目标和适用场景;接着,总结了不同卫星网络场景和网络需求下如何选择合适的卫星路由算法;最后,阐述目前卫星路由技术面临的挑战以及未来的发展趋势,并在附录中介绍了当前主流的卫星网络仿真平台。
未来低轨信息网络发展与架构展望
王宁远, 陈东, 刘亮, 秦兆涛, 梁冰苑
2023, 45(2): 396-406. doi: 10.11999/JEIT211400
摘要:
近年来,伴随着运载、卫星、通信、网络、智能等技术的发展,天基网络形态正在发生质的变化。低轨(LEO)星座网络已经成为众多应用场景、业务承载需求的新选项,有向着全球覆盖、天地一体、多业务承载、持续演进、安全可控的天基通用信息网络基础设施发展的趋势,而这样的愿景对未来低轨星座网络架构提出了更高的要求。该文首先从空间网络、先进卫星以及天地网络融合3方面技术领域对近年来低轨星座网络相关技术的发展现状进行了概述,并对低轨星座网络发展的愿景与趋势进行了分析研判。在此基础上,该文提出基于软件定义(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的全云化卫星-5G融合网络架构,使网络具备架构可编程、网络功能抽象解耦以及去中心化的核心优势,辅以意图驱动网络等智能网络运行管理方法,实现网络的多业务承载、持续演进、自动化管理等能力。最后,该文对需重点关注的技术方向进行了展望。
基于迁移深度强化学习的低轨卫星跳波束资源分配方案
陈前斌, 麻世庆, 段瑞吉, 唐伦, 梁承超
2023, 45(2): 407-417. doi: 10.11999/JEIT211457
摘要:
针对低轨(LEO)卫星场景下,传统资源分配方案容易造成特定小区资源分配无法满足需求的问题,该文提出一种基于迁移深度强化学习(TDRL)的低轨卫星跳波束资源分配方案。首先,该方案联合星上缓冲信息、业务到达情况和信道状态,以最小化卫星上数据包平均时延为目标,建立支持跳波束技术的低轨卫星资源分配优化模型。其次,针对低轨卫星网络的动态多变性,该文考虑动态随机变化的通信资源和通信需求,采用深度Q网络(DQN)算法利用神经网络作为非线性近似函数。进一步,为实现并加速深度强化学习(DRL)算法在其他目标任务中的收敛过程,该文引入迁移学习(TL)概念,利用源卫星学习的调度任务快速寻找目标卫星的波束调度和功率分配策略。仿真结果表明,该文所提出的算法能够优化卫星服务过程中的时隙分配,减少数据包的平均传输时延,并有效提高系统的吞吐量和资源利用效率。
基于改进的稀疏最小二乘双子支撑向量回归的数字预失真技术
代志江, 孔淑曼, 李明玉, 蔡天赋, 靳一, 徐常志
2023, 45(2): 418-426. doi: 10.11999/JEIT220372
摘要:
为了补偿大容量卫星通信射频前端的功率放大器的非线性,传统的数字预失真(DPD)模型需要更多的系数和更高的阶次,严重影响预失真前馈路径的资源消耗。为了解决这一问题,该文提出一种基于改进的稀疏最小二乘双子支撑向量回归(ISLSTSVR)的低复杂度DPD方法。首先通过构建原空间的决策函数解决最小二乘双子支撑向量回归(LSTSVR)模型解不稀疏的问题;同时引用截断最小二乘损失函数增加模型的鲁棒性;然后采用Nystrom逼近方法得到核矩阵的低秩近似,进一步采用Cholesky分解降低核矩阵的运算复杂度;最后由低秩的核矩阵求得模型稀疏解。实验选用基于单管氮化镓(GaN)器件的宽带AB类功率放大器,以40 MHz的32QAM信号进行激励。预失真实验表明,该方法能在保证模型精度的情况下大幅减少DPD模型系数和计算复杂度,为星载射频前端的预失真技术提供了有效的系数降维思路和方法。
非完美条件下的非正交多址接入星地融合网络性能分析
帅海峰, 郭克锋, 安康, 朱诗兵, 李长青
2023, 45(2): 427-435. doi: 10.11999/JEIT220377
摘要:
随着星地融合网络(ISTNs)的快速发展,大量的传感器和无线设备都有无线服务的接入需求,从而对星地融合网络的频谱效率和服务质量提出了新的挑战。不同于传统的正交多址接入技术,非正交多址接入(NOMA)技术可在相同的频率下传输不同用户的信号,其被认作为提高星地融合网络频谱效率的有效方法,从而被广泛研究。目前,针对NOMA和星地融合网络的研究大多都是在理想条件下进行的,由此该文研究更加实际的情况,即在非完美串行干扰消除(SIC)、信道估计误差和同频干扰下,对星地融合网络的性能进行研究。该文在假设卫星端和地面端均采用多天线的前提下,推导了系统遍历容量的闭式表达式,验证了非完美条件对于系统性能的影响。同时蒙特卡罗仿真验证了理论分析和推导的正确性。
面向能效的低轨卫星联合跳波束调度和功率分配算法
梁承超, 段瑞吉, 麻世庆, 唐伦, 陈前斌
2023, 45(2): 436-445. doi: 10.11999/JEIT220392
摘要:
该文针对低轨(LEO)卫星载荷容量受限且功率资源稀缺的问题,面向搭载跳波束(BH)天线的低轨卫星通信系统,提出一种联合跳波束调度和功率分配机制,在满足用户服务质量需求的前提下降低卫星通信载荷功耗,提高卫星通信系统能效。首先建立时延受限下联合考虑波束调度和功率分配的卫星功耗最小化模型。针对网络拓扑的时变特性,基于李雅普诺夫优化方法,将原多时隙优化问题转化为单时隙优化问题,然后采用交替优化的方法获得单时隙问题的次优解。其中,证明波束调度子问题是凸问题,同时通过逐次凸近似和对数变换将功率分配子问题转为凸问题,并提出相应算法获得子问题最优解。仿真结果表明,提出的策略在保证用户平均时延要求的同时,降低了低轨卫星系统平均功耗,并且可通过调整控制参数实现时延和功耗的动态平衡。
一种基于维度加权盲K近邻算法的数字预失真技术
蒋卫恒, 段耀星, 李明玉, 靳一, 徐常志, 李立
2023, 45(2): 446-454. doi: 10.11999/JEIT220302
摘要:
传统的数字预失真(DPD)模型通常在所有的输入信号功率上采用单一多项式模型和单一记忆深度对功率放大器(PA)进行线性化矫正。然而,功率放大器在不同的功率水平下会呈现出不同的非线性特性,并产生不同的记忆效应。针对这一问题,该文提出一种基于维度加权盲K近邻(KNN)算法的数字预失真模型,所提模型根据功放当前输入信号以及记忆输入信号的幅度进行维度加权的KNN分类,组成维度加权盲KNN记忆多项式(WKMP)模型,并为每一类输入信号序列建立子模型。所提方法用Doherty功率放大器进行实验验证,使用带宽为30 MHz、频点为2.2 GHz的3载波长期演进(LTE)信号作为输入,反馈端使用122.88 MHz的采样率进行采样。实验结果表明,所提维度加权盲KNN分类方法与记忆多项式(MP)模型结合时,功放正向建模效果和数字预失真效果均超过了广义记忆多项式(GMP)模型,并远超记忆多项式模型的效果,实验结果验证了所提模型的优良性能。
基于自然梯度Actor-Critic强化学习的卫星边缘网络服务功能链部署方法
高媛, 方海, 赵扬, 杨旭
2023, 45(2): 455-463. doi: 10.11999/JEIT211384
摘要:
鉴于低轨卫星网络的高动态性和空间环境的复杂性,如何提供在线的快速服务功能链(SFC)部署方法,成为低轨卫星边缘网络中亟待解决的问题。综合考虑节点和链路容量等约束以及服务迁移等切换代价,针对部署多接入边缘计算(MEC)服务器的低轨卫星网络,该文提出一种基于自然梯度参与者-评价者(Actor-Critic)强化学习架构的SFC在线部署方法。首先,针对低轨卫星网络的环境高动态性, 对实时容量约束和迁移代价进行建模;其次,引入马尔可夫决策过程(MDP),综合考虑服务迁移和卫星坐标等因素,描述低轨卫星网络的状态转移过程;最后,提出一种基于自然梯度的在线SFC部署强化学习方法,不同于标准梯度,自然梯度法进行模型层面的更新,以避免神经网络的训练陷入局部最优解。仿真结果表明,该文方法可逼近全局最优解,并在端到端时延性能上优于基于标准梯度的强化学习部署方法。
面向航天器有线无线混合场景的流调度机制研究
赵国锋, 卢奕杉, 徐川, 邢媛, 何熊文, 崔钊婧
2023, 45(2): 464-471. doi: 10.11999/JEIT211391
摘要:
随着各国深空探测任务的开展,空间站的建设需求日益增加,而航天器内部大量的数据通信总线在一定程度上影响了航天器的有效载荷。因此,该文将无线通信方式引入到航天器通信系统设计中,但传统无线通信难以保障时敏数据的端到端传输时延,该文提出了一种有线无线融合的时间敏感网络(TSN)流调度方案。设计了一种上下行时隙分离的TDMA时隙分配机制,通过对航天器内部业务类型与有线无线融合传输链路的时延关系进行建模分析,构建了以时敏业务平均端到端时延最小的目标函数,采用粒子群算法对时隙分配方案进行快速求解。最后在Pycharm平台对所提算法进行对比测试,并在EXata网络仿真平台搭建航天传感器采集网络进行验证。实验结果表明,该文所提出的有线无线融合流调度方案能为时敏业务提供稳定、有界的时延保障。
一种中高轨混合的多层卫星骨干网络架构设计
李文屏, 白鹤峰, 赵毅, 冯旭哲, 邵富杰
2023, 45(2): 472-479. doi: 10.11999/JEIT211198
摘要:
卫星骨干网络将向宽带与中继融合方向发展,为陆、海、空、天基用户提供全球骨干传输、宽带接入、全域通联等服务。该文针对全域用户通联的新需求,创新采用“卫星骨干网络/全域用户接入”模型,提出一种具有层内、层间星间链路的中高轨混合的多层卫星骨干网络架构(3GEO+3IGSO/24MEO)。对该架构的全域覆盖性计算分析,得出该多层卫星骨干网络能够实现地球表面到地球同步轨道高度(约36000 km)全域100%覆盖,并为全域用户提供多重接入能力。进一步对路径数、最少跳数、最小时延等关键网络性能指标分析比较,说明了该架构中轨卫星与高轨卫星之间存在层间星间链路的必要性。分析结果表明:该架构能够满足全域宽带接入和全球骨干传输的需求。
无线通信与物联网
有限区域同时同频全双工跳频自组网性能研究
段柏宇, 陈聪, 陈顺轲, 徐强, 邵士海
2023, 45(2): 480-487. doi: 10.11999/JEIT211499
摘要:
该文针对有限区域的同时同频全双工(CCFD)跳频自组网络,通信节点位置不等价,受非对称互干扰和自干扰影响的场景,开展有限区域全双工跳频自组网的通信性能分析。以网络频带利用率为性能指标,推导出节点位置分布条件下的网络频带利用率闭合表达式,并提出一种降低网络互干扰的节点位置优化分布方法。理论和仿真结果表明,有限区域全双工跳频自组网的性能与频点个数、通信距离、节点个数强相关,且全双工自组网络的性能与半双工网络相比,其占优区域受节点个数约束。
面向蜂窝网络的D2D多播通信的分簇和中继选择方法
李旭杰, 刘春燕, 孙颖
2023, 45(2): 488-496. doi: 10.11999/JEIT211565
摘要:
传统蜂窝网络中,信道衰减的随机性和不确定性导致小区边缘用户的接收性能很差,尤其是面向视频传输等速率要求较高时其弊端更加凸显。D2D通信因其配置灵活性可作为传统蜂窝网络架构的有利补充,能有效改善边缘用户的性能。该文针对D2D通信的多播传输,分析了系统最小时延成本下的中继数量和分簇算法,提出一种基于分簇和中继选择的低时延D2D多播方案。该方案可以自适应选择多播重传中的中继的数量和中继节点到基站的距离,同时给出最优的带宽资源分配机制。仿真结果表明,与其他方案相比,所提方法能有效减少系统时延,提高边缘用户体验和系统性能。
基于离散分数阶傅里叶变换的二维跳频通信系统及性能分析
宁晓燕, 赵东旭, 朱云飞, 王震铎
2023, 45(2): 497-504. doi: 10.11999/JEIT211338
摘要:
传统跳频(FH)通信技术具有抗干扰能力强、截获概率低等优点,广泛应用在军民领域。针对检测传统跳频的手段越来越成熟,信息易被截获的问题,该文借鉴正交频分复用(OFDM)系统框架,提出一种基于离散分数阶傅里叶变换(DFrFT)的时宽与起始频率跳变的分数阶跳频(FrFT-FH-VTFB)系统,设计了一种新的系统框架,实现信息隐蔽传输的同时,通过DFrFT的工程实现规避传统跳频工程应用中跳速受频率合成器限制的问题。该系统通过两组不同伪随机序列选取时宽与起始频率跳变的Chirp基信号,实现系统参数的多维变换,打破系统的周期特性。此外,建立了系统发送与接收两端数学模型,并在此基础上推导了系统在白噪声信道下的理论误码率。仿真结果表明,该文所设计的系统有较好的抗衰落性能;且功率谱淹没在噪声之下,时频域特征无明显周期特性,有较好的隐蔽性。
基于多径信道能量随机动态打散的隐蔽无线通信方案
林钰达, 金梁, 黄开枝, 楼洋明, 孙小丽
2023, 45(2): 505-515. doi: 10.11999/JEIT211396
摘要:
为应对无线通信中的未知非法检测威胁,该文提出一种随机跳径隐蔽通信方案,实现了信号能量在多径上随机动态打散。首先,基于我方多径信道信息设计了隐蔽传输策略,并构建了敌方检测模型。接着,通过引入相关性纠偏因子,分别推导了所提方案、选最强径方案和经典最大比发送方案的敌方平均接收信噪比(SNR)闭式表达式,并基于曲线拟合的方法计算了我方最小平均隐蔽概率,完成了隐蔽性能定性和定量评估。然后,推导了我方平均接收信噪比闭式解,分析了系统速率性能。仿真实验表明,所提方案不仅在未知敌方任何信息的一般情形下具有隐蔽性能优势,而且在敌方抵近我方的极端情形下可以最大程度地解决隐蔽通信失效问题。
双选信道下OCDM系统低复杂度均衡
宁晓燕, 宋禹良, 孙志国, 孙晶晶
2023, 45(2): 516-523. doi: 10.11999/JEIT211556
摘要:
正交Chirp复用(OCDM)是近年来提出的一种新的多载波体系,通过菲涅尔变换,获得一组正交Chirp信号,实现了CSS的最大频谱效率。该文介绍了OCDM系统的基本原理,重点研究了OCDM系统的低复杂度均衡算法。双选信道下,传统的MMSE均衡算法性能下降,提出一种基于近似带状矩阵的阻尼LSQR算法,作为求解稀疏矩阵的最小二乘迭代算法。为了缓解快速时变信道中的ICI,提出一种基于近似带状矩阵的LSQR-BDFE算法,结合判决反馈均衡,通过LSQR算法迭代计算。仿真结果表明,双选信道下,OCDM系统比OFDM系统有着更好的BER性能,所提出的LSQR-BDFE算法和带状阻尼LSQR算法,比MMSE均衡算法有着性能优势。
雷达、水声与阵列信号处理
水声网络全双工定向碰撞避免媒体接入控制协议
刘奇佩, 乔钢, SulemanMazhar
2023, 45(2): 524-533. doi: 10.11999/JEIT211426
摘要:
近年来水声网络(UAN)技术飞速发展,但仍然面临诸多严峻挑战,能量效率成为水声网络的首要考虑因素。此外,水声信道传播时延大且可用带宽受限,严重制约了水声通信技术的可靠性和有效性,进而限制了水声网络的整体性能。定向通信技术可以有效改善上述情况,通过波束聚焦能力将声波能量聚集在一定角度范围内,获得比全向通信更高的通信范围和信噪比,提升整个网络的能耗效率和空间复用率。但该技术需要对目的节点的位置具备先验知识,且会面临“聋节点”问题,因此该文提出一个水声网络全双工定向碰撞避免(FDDCA)媒体接入控制(MAC)协议,通过装备两个分别处于不同工作频带的全向换能器和定向换能器解决“聋节点”问题,并通过降低节点的冲突域解决了“暴露终端”问题。仿真结果表明,与水下Aloha(UW-Aloha)和时隙地面多址接入(S-FAMA)协议相比,FDDCA在多汇聚节点的网络拓扑下吞吐量分别提升了140%和400%,网络能效上节省了90%和94%。
利用双载频方向图相乘的稀疏均匀阵栅瓣抑制方法
王旭, 黄冬平, 魏国华, 白嘉豪, 朱沁源
2023, 45(2): 534-541. doi: 10.11999/JEIT211492
摘要:
针对稀疏阵列天线间距远大于信号波长导致阵列方向图出现大量栅瓣的问题,该文基于不同载频阵列方向图主瓣与栅瓣相对位置关系存在差异的特性提出一种新型的栅瓣抑制算法。该算法充分利用不同载频回波信息,避免了大规模搜索,有效降低了计算量。首先根据算法原理确定了影响该栅瓣抑制算法性能的因素,然后进一步对影响栅瓣抑制性能的关键参数进行了定量分析,推导得出了栅瓣抑制后峰值旁瓣比(PSLR)与频率差的关系表达式。该表达式为栅瓣抑制快速选择最优频率差提供了理论依据。最后,通过计算机仿真验证了该算法对栅瓣抑制的有效性以及该文所推导的峰值旁瓣比与频率差关系表达式的正确性。
逆高斯纹理复合高斯杂波对异常样本稳健的三分位点估计方法
水鹏朗, 田超, 封天
2023, 45(2): 542-549. doi: 10.11999/JEIT211483
摘要:
逆高斯纹理的复合高斯分布(IG-CG分布)是描述高分辨率海杂波常用的模型,其参数估计在高分辨海用雷达自适应目标检测中起着关键作用。由于参数估计中数据不可避免地存在来自海面目标、岛礁的异常样本,对异常样本稳健的双分位点估计是近年来提出的有效方法之一。该文提出一种对异常点稳健的IG-CG分布三分位点参数估计(Tri-per)方法,其是对双分位点估计的改进。改进来自两个方面,通过双分位点位置优化提高逆形状参数的估计精度;通过第3个分位点的引入和位置优化提高尺度参数的估计精度。最后,用仿真和实测数据检验了提出估计方法的有效性和稳健性。
基于强化学习的频控阵-多输入多输出雷达发射功率分配方法
丁梓航, 谢军伟, 齐铖
2023, 45(2): 550-557. doi: 10.11999/JEIT211555
摘要:
当前电磁环境日益复杂多变,新式干扰手段层出不穷,对雷达系统带来了极大的挑战和威胁。该文引入频谱干扰模型并提出了一种在频控阵-多输入多输出(FDA-MIMO)雷达与干扰机动态博弈框架下基于强化学习(RL)的发射功率分配优化方法,使雷达系统能够获得最大的信干噪比(SINR)。在此基础上,构造了频谱干扰模型。其次,雷达和干扰机之间存在一种Stackelberg博弈关系,且将雷达作为领导者,干扰机作为跟随者,建立动态博弈框架下的发射功率分配优化模型。采用深度确定性策略梯度(DDPG)算法,结合功率约束设计了奖赏函数,对雷达发射功率进行实时分配来获得最大的输出SINR。最后,仿真结果表明,在雷达与干扰机博弈的框架下,所提优化算法能够有效地对雷达发射功率进行优化,使雷达具备较好的抗干扰性能。
单有向电磁矢量传感器的参数估计方法
胡毅立, 赵永波, 陈胜, 牛奔
2023, 45(2): 558-566. doi: 10.11999/JEIT211385
摘要:
传统的单电磁矢量传感器(UEMVS)由3个电偶极子和3个磁环构成且方向图是全向的。但是当多个单电磁矢量传感器依附在共形载体上构成共形电磁矢量传感器阵列时,为了降低共形电磁矢量传感器阵列的副瓣,通常每个传感器的方向图是有向的。基于有向方向图的单电磁矢量传感器也称为单有向电磁矢量传感器(UDEMVS)。该文针对UDEMVS的参数估计问题,提出两种参数估计方法,分别是基于免搜索的旋转不变信号参数估计和矢量叉积(ESPRIT-VCP)方法以及基于网格搜索的多重信号分类和最小瑞利商(MUSIC-MRQ)方法。ESPRIT-VCP方法是根据旋转不变性和矢量叉积,获得4维参数的闭式解,MUSIC-MRQ方法根据信号和噪声子空间正交性与最小瑞利商,利用网格搜索得到2维角度估计值,进而结合信号回波模型得到2维极化的估计值。所提两种方法只利用了UDEMVS的6通道数据就能有效得到目标的参数估计结果,有较低的计算复杂度。仿真结果从角度和极化的估计性能出发验证了所提方法的有效性。
基于水下连续波体制的捕获跟踪技术研究
孙大军, 明婉婷, 张居成
2023, 45(2): 567-575. doi: 10.11999/JEIT211376
摘要:
针对水下高速潜器回收导引过程中实现实时测量位置与传输指控信息的问题,该文提出基于水下连续波体制的捕获跟踪技术。利用连续波体制实现测距与通信的同步解析,通过并行处理结构压缩数据捕获时长,并基于锁相环原理设计出适应水声环境与高速背景的最佳环路跟踪策略。从理论仿真与松花湖试验结果来看,算法的捕获时间从传统匹配算法的83.87 s缩短至0.66 s,计算量缩小为时域算法的2.36%。信号跟踪技术在匀速模型和加速度模型下都具有良好的性能,从通信角度讲跟踪算法能够准确无误地传输数据,从参数估计角度讲,基于跟踪结果输出的参数估计精度高且随速度变化缓慢,但传统检测精度随速度增大而变差。该方法实现了对多普勒频偏的精确估计与动态调整,保证了声学测量与指控信息传输的连续性与稳定性,对水下高速潜器的实时回收导引具有重要意义。
复杂地形环境下基于GAMP-STAP的低空风切变风速估计方法
李海, 谢瑞杰, 谢伶莉, 孟凡旺
2023, 45(2): 576-584. doi: 10.11999/JEIT211500
摘要:
针对机载气象雷达在复杂的地形环境下探测低空风切变时,地杂波呈现非均匀特征和难以获取足够的独立同分布(IID)样本,导致空时自适应处理(STAP)杂波抑制性能变差,使得风切变风速估计不准的问题。该文基于杂波信号稀疏特性,提出一种广义近似消息传递(GAMP)STAP方法,GAMP-STAP仅利用少量的样本在复杂地形环境下实现了风速较准确的估计。该方法首先利用杂波脊的先验信息构造稀疏字典,然后在贝叶斯框架下利用GAMP算法估计杂波幅度,恢复杂波功率谱,进而计算杂波协方差矩阵,最后构造STAP滤波器实现杂波抑制以及风切变风速估计。后续实验仿真结果证明了该方法的有效性。
对空间探测雷达网的多机协同航迹欺骗干扰方法
赵艳丽, 李宏, 杜嘉薇, 徐阳
2023, 45(2): 585-591. doi: 10.11999/JEIT211575
摘要:
该文提出了针对空间探测雷达网的高逼真的多机协同航迹欺骗干扰方法。首先对问题进行了约束条件分析,提出多干扰机在大气层外飞行过程中保持构型不变的协同飞行思路;其次,推导计算了多干扰机的初始状态和多干扰机的干扰延迟时间;接着,给出了高逼真航迹欺骗干扰措施的设计流程和实施流程。最后,进行仿真实验并进行总结。仿真结果表明,所提方法能对空间探测雷达网形成有效的高逼真欺骗航迹。
一种水下体目标高精度长基线定位方法
孙大军, 李宗晏, 郑翠娥
2023, 45(2): 592-599. doi: 10.11999/JEIT211395
摘要:
水下体目标几何尺度大、运动姿态未知等因素,会导致传统长基线定位模型失配。该文针对此问题,通过体目标姿态、位置联合估计,消除模型误差,实现体目标几何中心的归算,得到了一种水下体目标的长基线高精度定位方法。理论分析及数值仿真结果表明,体目标半径大尺度下模型误差不可忽略,在体目标半径5 m,测距精度0.2 m的条件下,较传统长基线定位方法,将垂直定位精度从32 m提升至0.5 m,实现亚米级精度定位。
密码学与信息安全
一种分布式网络环境下基于挑战-响应模型的可信评估方法
梁靓, 张镨丹, 武彦飞, 贾云健
2023, 45(2): 600-607. doi: 10.11999/JEIT211331
摘要:
运用信任模型进行可信评估是解决分布式网络安全问题的重要手段。然而,目前大部分研究工作把研究重点放在如何收集更完整的信任证据,以及如何利用一些新手段如机器学习、区块链等评估节点信任值,很少对如何获取节点可靠的初始信任值进行研究。实际上,针对分布式网络提出的很多信任模型都依赖于历史信任证据,而初次对网络进行可信评估时并不具备相关历史信息。基于此,该文面向分布式网络环境的安全问题,提出了基于挑战-响应模型的可信评估方法。首先利用挑战-响应模型获取节点可靠的初始信任值,并利用此初始信任值对网络中的节点进行分簇,在簇内进行信任值计算和信任值更新,完成分布式网络环境下完整的可信评估流程。仿真结果表明,相较于统一设置初始信任值的方式,该文所提方法能对恶意节点、自私节点的信任值有较准确的预测,同时对恶意节点的检测率也更高。
云原生下基于深度强化学习的移动目标防御策略优化方案
张帅, 郭云飞, 孙鹏浩, 程国振, 扈红超
2023, 45(2): 608-616. doi: 10.11999/JEIT211589
摘要:
针对云原生环境下攻击场景的复杂性导致移动目标防御策略配置困难的问题,该文提出一种基于深度强化学习的移动目标防御策略优化方案(SmartSCR)。首先,针对云原生环境容器化、微服务化等特点,对其安全威胁及攻击者攻击路径进行分析;然后,为了定量分析云原生复杂攻击场景下移动目标防御策略的防御效率,提出微服务攻击图模型并对防御效率进行刻画。最后,将移动目标防御策略的优化问题建模为马尔可夫决策过程,并使用深度强化学习解决云原生应用规模较大时带来的状态空间爆炸问题,对最优移动目标防御配置进行求解。实验结果表明,SmartSCR能够在云原生应用规模较大时快速收敛,并实现逼近最优的防御效率。
3D密码的7轮子空间迹区分器
杨阳, 刘文豪, 曾光
2023, 45(2): 617-625. doi: 10.11999/JEIT211438
摘要:
子空间迹攻击是一种新型分组密码分析方法,该文对使用了类AES密码新结构的3D密码子空间性质进行研究。首先利用3D密码的3轮明确子空间迹,结合子空间的交集性质,首次构造出3D密码的7轮子空间迹不可能差分区分器,数据复杂度为\begin{document}$ {2^{193.1}} $\end{document}个选择明文,时间复杂度为\begin{document}$ {2^{202.3}} $\end{document}次查表操作,成功率为\begin{document}$ 60.6\% $\end{document};“n倍”性质指子空间的全部明文对经过一轮加密,差分属于同一子空间的密文对个数为n的倍数。利用该性质,构造了3D密码的7轮结构区分器,数据复杂度为\begin{document}$ {2^{128}} $\end{document}个选择明文,时间复杂度为\begin{document}$ {2^{129.6}} $\end{document}次查表操作,存储复杂度为\begin{document}$ {2^{128}} $\end{document} Byte,成功率大于\begin{document}$ 99.99\% $\end{document}
一种新的基于辛空间的密钥预分配方案
陈尚弟, 张俊梅
2023, 45(2): 626-634. doi: 10.11999/JEIT211490
摘要:
密钥预分配是无线传感器网络中最具挑战的安全问题之一。 该文基于有限域上辛空间中子空间之间的正交关系构造了一个新的组合设计,并基于该设计构造了一个密钥预分配方案。令V 是有限域上8维辛空间中的一个(4,2)型子空间,V 中每一个(1,0)型子空间看作密钥预分配方案中的一个节点,所有的(2,1)型子空间看作该方案的一个密钥池。将整个目标区域划分为若干个大小相同的小区,每个小区有普通节点和簇头两种类型的传感器节点。小区内的普通节点采用基于辛空间的密钥预分配方案分发密钥,不同小区内节点所用密钥池互不相同,因此不同小区内的节点需通过簇头建立间接通信,不同小区内簇头采用完全密钥预分配方式分发密钥。与其他方案相比,该方案的最大优势是网络中节点的抗捕获能力较强,且随着网络规模的不断扩大,网络的连通概率逐渐趋于1。
基于网络模体的移动社会网络信息可控传播方法
张欣欣, 许力, 徐振宇
2023, 45(2): 635-643. doi: 10.11999/JEIT211429
摘要:
移动社会网络中的信息传播具有突发性、多元性、偏差性等特点,使得相关话题和事件能够在短时间内形成强大的网络和社会舆论场,这有可能被恶意用户利用来散布谣言,给网络环境带来了恶劣的影响。针对这一问题,该文提出一种基于网络模体的信息可控传播方法。首先,提出多实体的竞争性独立级联模型(MCIC),该模型在信息竞争扩散理论的基础上,首次结合社会网络层用户的社会属性,来感知恶意信息并控制信息传播。其次,该文定义了控制信息流模体(CIFM),并选择出具有可控传播功能的关键网络模体,设计其在通信层的高效可控传播算法。最后,通过理论推导证明了该文方法具有收敛性。仿真实验表明,与其他方法相比,所提方法不仅在信息传播中最大感染时间和平均感染时间上更有优势,而且在控制信息传播方面的效果也是最好的。
图像与智能信息处理
基于三元采样图卷积网络的半监督遥感图像检索
冯孝鑫, 王子健, 吴奇
2023, 45(2): 644-653. doi: 10.11999/JEIT211478
摘要:
该文提出了一种基于三元采样图卷积网络的度量学习方法,以实现遥感图像的半监督检索。所提方法由三元图卷积网络(TGCN)和基于图的三元组采样(GTS)两部分组成。TGCN由3个具有共享权重的并行卷积神经网络和图卷积网络组成,用以提取图像的初始特征以及学习图像的图嵌入。通过同时学习图像特征以及图嵌入,TGCN能够得到用于半监督图像检索的有效图结构。接着,通过提出的GTS算法对图结构内隐含的图像相似性信息进行评价,以选择合适的困难三元组(Hard Triplet),并利用困难三元组组成的样本集合对模型进行有效快速的模型训练。通过TGCN和GTS的组合,提出的度量学习方法在两个遥感数据集上进行了测试。实验结果表明,TGCN-GTS具有以下两方面的优越性:TGCN能够根据图像及图结构学习到有效的图嵌入特征及度量空间;GTS有效评估图结构内隐含的图像相似性信息选择合适的困难三元组,显著提升了半监督遥感图像检索效果。
基于非局部先验的深度压缩感知图像重构网络
仲元红, 周宇杰, 张静, 张晨旭
2023, 45(2): 654-663. doi: 10.11999/JEIT211506
摘要:
传统的基于迭代的压缩感知(CS)图像重构算法易于集成图像先验信息,但存在性能不足、计算复杂度高等缺点。基于深度学习的图像重构算法重构性能通常优于传统的重构算法,并且具有更低的重构计算成本。因此,为了设计出一种更有效利用先验信息的深度学习图像重构算法,该文提出基于非局部先验的深度压缩感知图像重构网络。首先,将稀疏性和非局部先验相结合建立压缩感知图像重构模型,然后通过半二次方分裂法将模型分解为3个子问题,每一个子问题的求解都在深度学习的框架下展开,最后联合建立端到端的可训练的图像重构模型。仿真实验表明,在测试的采样率与数据集下该文所提算法的峰值信噪比与当前主流的重构算法SCSNet相比平均提升了0.18 dB,与CSNet算法相比平均提升了约1.59 dB,与ISTA-Net+算法相比平均提升了约2.09 dB。
基于VEPPSO-EXTRA混合算法的分布式直接定位技术
陈志坤, 翁一鸣, 彭冬亮, 吴美婵
2023, 45(2): 664-671. doi: 10.11999/JEIT211502
摘要:
相对于集中式直接定位技术,分布式直接定位算法具有计算复杂度小和通信代价小等优点,但存在定位精度损失的问题。针对于此,该文提出一种基于VEPPSO-EXTRA混合算法的分布式直接定位技术。首先,基于子空间融合的直接定位算法,推导其分布式优化的数学模型;其次,基于多种群联合进化的思想,提出一种基于向量评估的并行粒子群算法(VEPPSO)实现全局寻优,由此得到辐射源迭代初始值;最后,引入分布式精确一阶算法(EXTRA)求解最终位置以降低分布式计算带来的精度损失。实验结果表明,相较于现有的分布式直接定位算法,该技术能解决定位精度损失的问题,且其计算复杂度与通信代价低于对应的集中式直接定位算法。
基于用户行为序列的短视频用户多行为点击预测模型
顾亦然, 王雨, 杨海根
2023, 45(2): 672-679. doi: 10.11999/JEIT211458
摘要:
目前主流的点击预测模型采用线性模型和深度神经网络相结合的方法学习用户与物品之间特征交互,忽略了用户的历史行为本质上是一个动态序列的事实,从而导致无法有效捕获用户行为序列中蕴含的时间信息。为此,该文提出了基于用户行为序列的短视频用户多行为点击预测模型(USCP)。该模型将用户的历史行为按交互时间的顺序排序,生成用户历史行为序列。在DeepFM模型的基础上引入词嵌入模型Word2Vec,根据用户历史行为序列自适应学习到该用户的动态兴趣,有效捕获到用户兴趣的变化。在某短视频平台上公开的脱敏数据集上进行了对比实验,评价指标采用GAUC(Group AUC),结果表明该模型性能优于其他几个模型。
基于模型的帕金森病闭环深部脑刺激效果指标研究
赵德春, 陈欢, 沈利豪, 焦书洋, 蒋宇皓
2023, 45(2): 680-688. doi: 10.11999/JEIT211516
摘要:
随着人口老龄化的加重,多发于中老年人的帕金森病(PD)将给社会带来沉重的压力。然而基于模型的闭环深部脑刺激(DBS)治疗PD的研究中刺激效果评估指标单一且不直观,因此该文提出统一帕金森病评分量表(UPDRS)类估计(SUE)。丘脑底核β频带(13~35 Hz)的异常振荡已被证明与PD运动障碍密切相关,该文首先验证了β频带在刺激与未刺激状态下的功率变化对计算模型与闭环深部脑刺激(DBS)算法的可行性。然后统计分析了β爆发在时域的分布情况,并根据时间长度将β爆发二分类为长爆发与短爆发。由于临床上采用统一帕金森病评分量表(UPDRS)对PD的治疗效果进行评价,所以将β爆发的时域特性与UPDRS评分进行对比,并结合β爆发的二分类结果提出了估计刺激疗效的指标SUE。实验结果表明SUE与β爆发的持续时间有较强的相关性,能很好地模拟UPDRS在刺激状态与未刺激状态下的变化,为今后基于模型的闭环DBS研究奠定了基础。
基于忆阻循环神经网络的层次化状态正则变分自编码器
胡小方, 杨涛
2023, 45(2): 689-697. doi: 10.11999/JEIT211431
摘要:
变分自编码器(VAE)作为一个功能强大的文本生成模型受到越来越多的关注。然而,变分自编码器在优化过程中容易出现后验崩溃,即忽略潜在变量,退化为一个自编码器。针对这个问题,该文提出一种新的变分自编码器模型,通过层次化编码和状态正则方法,可以有效缓解后验崩溃,且相较于基线模型具有更优的文本生成质量。在此基础上,基于纳米级忆阻器,将提出的变分自编码器模型与忆阻循环神经网络(RNN)结合,设计一种基于忆阻循环神经网络的硬件实现方案,即层次化变分自编码忆组神经网络(HVAE-MNN),探讨模型的硬件加速。计算机仿真实验和结果分析验证了该文模型的有效性与优越性。
一种可解释的自由文本击键事件序列分类模型
张畅, 韩继红, 张玉臣, 李福林
2023, 45(2): 698-706. doi: 10.11999/JEIT211567
摘要:
TypeNet是一种基于两层长短时记忆网(LSTM)分支结构的孪生网络模型,在自由文本击键事件序列分类任务上取得了很好的效果,但缺乏可解释性。为此,该文改进了TypeNet模型,提出一种基于单层LSTM分支结构的孪生网络模型TypeNet II。TypeNet II模型用多层感知机度量两个分支输出表征向量差的绝对值体现的特征序列的相似度。模型训练完毕后,用多元二项式回归模拟多层感知机部分,基于得到的多元二项式对模型进行解释。实验结果表明,TypeNet II模型的分类效果超出了已有的TypeNet模型,多元二项式回归的结果具有泛化性,表征向量差的绝对值与相似度量之间存在非线性关系。
基于多尺度多方向Gabor变换的Tsallis熵阈值分割方法
邹耀斌, 张进玉, 周欢, 孙水发, 夏平
2023, 45(2): 707-717. doi: 10.11999/JEIT211306
摘要:
为了能在统一框架内处理无模态、单模态、双模态或者多模态直方图情形下的自动阈值选取问题,该文提出一种基于多尺度多方向Gabor变换的Tsallis熵阈值分割方法(MGTE)。该方法先通过Gabor变换得到多尺度乘积图像,然后利用内外轮廓图像从多尺度乘积图像中重构1维直方图,并在重构1维直方图上采用Tsallis熵计算模型来选取4个方向Tsallis熵取最大值时对应的阈值,最后对4个方向的阈值进行加权求和作为最终分割阈值。将提出的方法和5个分割方法在4幅合成图像和40幅真实世界图像上进行了实验。结果表明提出的方法虽然计算效率不占优势,但它的分割适应性和分割精度有明显的提高。
电路与系统设计
基于低采样率数模转换器和模数转换器的太赫兹发射机线性化
肖尚辉, 刘简, 胡波, 张梦瑶, 全欣, 徐强, 潘文生, 刘颖, 邵士海, 唐友喜
2023, 45(2): 718-724. doi: 10.11999/JEIT211304
摘要:
太赫兹(THz)频率高、带宽大,是6G移动通信中极具优势的潜在无线频谱资源。然而太赫兹器件的非线性失真,限制了功率转换效率与通信传输距离。若采用传统数字预失真(DPD)技术对其进行非线性校正,通常要求数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的采样速率达到信号带宽的5倍,对于太赫兹频段难以应用。因此,该文提出一种低速率DAC和ADC的DPD算法对太赫兹发射机的非线性进行校正。该方法主要分为3个步骤:首先利用低采样率ADC获取的观测数据进行上采样,恢复出带宽受限的高采样率的观测信号,此时信号采样率为信号带宽的5倍,可以有效表征出5阶非线性失真;然后建立带宽受限的DPD模型,采用最小二乘算法提取DPD校正系数;最后对校正后的信号进行下采样送往DAC以校正发射通道的非线性失真。仿真结果表明,当DAC和ADC工作在1.25倍基带信号速率的采样率条件下,对于64-QAM调制信号,该方法可以把误差矢量幅值(EVM)从8.46%降低到2.27%,从而可以支持更高阶的调制方式。
基于双曲函数的通用型荷控忆阻器电路等效模型分析
孙军伟, 杨建领, 刘鹏, 王延峰
2023, 45(2): 725-733. doi: 10.11999/JEIT211317
摘要:
目前,忆阻器模拟器的研究主要集中在磁控忆阻器,对荷控忆阻器模拟器的研究不多,双曲函数型的荷控忆阻器模拟器也很少涉及。因此,该文提出一种基于双曲函数的通用型荷控忆阻器模拟器。模拟器通过电压-电流的相互转换电路,实现电路中电压和电流信号之间的相互转换,再通过电路中对应的电路模块对产生的信号进行计算,最终得到通用型双曲荷控忆阻器模型。模拟器能够实现双曲正弦、双曲余弦以及双曲正切函数对应的荷控忆阻器模型。通用型双曲函数荷控忆阻器模拟器对应的等效电路,主要由运算放大器、电阻、电容、三极管等基本元件组成。分析模拟器在不同幅值以及不同频率的输入信号下的伏安特性曲线,得出荷控忆阻器模拟器符合记忆元件的基本特性。该文提出的通用型双曲函数荷控忆阻器模型,对忆阻器模型的发展具有一定的参考意义。
综述评论
基于均匀圆阵的近场源定位技术研究进展
刘振, 陈鑫, 苏晓龙, 户盼鹤, 刘天鹏, 彭勃, 刘永祥
2023, 45(2): 734-745. doi: 10.11999/JEIT211474
摘要:
近场源定位在雷达、声呐和通信中发挥着重要的作用。该文利用均匀圆阵的阵列结构优势,系统梳理了窄带近场源定位方法以及解模糊方法,并在此基础上从时域、频域、分数阶傅里叶域等方面阐述了近场线性调频(LFM)信号的方位角、俯仰角和距离等3维位置参数快速精确估计方法。最后,对相干辐射源和近远场混合源参数估计等后续研究内容进行了展望。
数据集论文
基于全球AIS的多源航迹关联数据集
崔亚奇, 徐平亮, 龚诚, 余舟川, 张建廷, 于洪波, 董凯
2023, 45(2): 746-756. doi: 10.11999/JEIT221202
摘要:
数据、算法和算力是当前人工智能技术发展的3大推力,考虑到智能关联算法研究的迫切需求和多雷达协同观测航迹数据获取困难,针对航迹关联数据集缺失问题,该文公开了多源航迹关联数据集(MTAD),其由全球AIS航迹数据经栅格划分、自动中断和噪声添加处理步骤构建。该数据集包括训练集和测试集两大部分,共有航迹百万余条,其中训练集包含5000个场景样本,测试集包含1000个场景样本,每一个场景样本由几个到几百个数量不等的航迹构成,涵盖多种运动模式、多种目标类型和长度不等的持续时间。同时,进一步对构造的MTAD数据集进行可视化分析,详细研究了各个栅格内航迹的特点,证明了该数据集的丰富性、合理性和有效性。最后,作为参考,给出了关联评价指标和关联基线结果。该数据集目前已被用作海军“金海豚”杯竞赛科目专用数据集。
国家自然科学基金信息
“信息获取与处理”领域2022年度国家自然科学基金项目申请与资助情况综述
孙玲, 刘军, 余建刚
2023, 45(2): 757-764.
摘要:
该文为国内科技工作者了解2022年度“信息获取与处理”领域基础研究队伍、主要研究方向及重大类项目立项资助等情况,对本年度国家自然科学基金委员会F01申请代码下信息获取与处理领域的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金项目和国家杰出青年科学基金项目等项目类型进行了统计与分析,给出了自然科学基金各类项目申请中涉及面最广的面上项目和青年科学基金项目申请与资助的依托单位、申请代码分布,介绍了本领域按科学问题属性分类的评审试点和“负责任、讲信誉、计贡献”评审机制试点工作,展望了领域“十四五”期间重点发展方向。