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2022年 第44卷 第2期
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2022, 44(2): 415-423.
doi: 10.11999/JEIT211337
摘要:
游戏型脑机接口(game-BCI)是指将脑机接口与游戏结合，通过对脑电信号的识别，使用户完成对游戏的直接控制，不仅为健康人提供了新型的游戏交互方式，也为残障人士提供了新的康复治疗途径。相比于其它侵入性BCI，基于头皮脑电的BCI有无创、时间分辨率高、成本低、便携性好等优势，具有更加广泛的应用前景。该文对基于头皮脑电的游戏型脑-机接口技术进行了总结，将其按控制信号类型分为主动式、反应式、被动式以及混合范式，介绍不同类型游戏BCI的控制策略和应用场景，并对比分析了游戏BCI中不同类型脑电信号常采用的分类算法，最后讨论了该领域目前存在的问题和未来的发展方向。
游戏型脑机接口(game-BCI)是指将脑机接口与游戏结合，通过对脑电信号的识别，使用户完成对游戏的直接控制，不仅为健康人提供了新型的游戏交互方式，也为残障人士提供了新的康复治疗途径。相比于其它侵入性BCI，基于头皮脑电的BCI有无创、时间分辨率高、成本低、便携性好等优势，具有更加广泛的应用前景。该文对基于头皮脑电的游戏型脑-机接口技术进行了总结，将其按控制信号类型分为主动式、反应式、被动式以及混合范式，介绍不同类型游戏BCI的控制策略和应用场景，并对比分析了游戏BCI中不同类型脑电信号常采用的分类算法，最后讨论了该领域目前存在的问题和未来的发展方向。
2022, 44(2): 424-436.
doi: 10.11999/JEIT210534
摘要:
情绪是人对具有积极或消极意义的内或外部事件的主观感受，在人们日常生活中发挥着重要作用。情绪解码通过解码人的情绪反应带来的生理信号，达到自动辨别不同情绪状态的目的，从而解决临床上精神疾病患者与情绪相关的实际难题和实现更加自然友好的人-机交互。基于功能磁共振成像的情绪解码是一种常用且有效的方法。该文从功能磁共振影像的实验设计、数据的获取以及现有情绪数据库、数据预处理、特征提取和情绪模式的学习与分类等几个方面，介绍基于功能磁共振成像的情绪解码的研究进展、应用前景以及目前存在的主要问题。
情绪是人对具有积极或消极意义的内或外部事件的主观感受，在人们日常生活中发挥着重要作用。情绪解码通过解码人的情绪反应带来的生理信号，达到自动辨别不同情绪状态的目的，从而解决临床上精神疾病患者与情绪相关的实际难题和实现更加自然友好的人-机交互。基于功能磁共振成像的情绪解码是一种常用且有效的方法。该文从功能磁共振影像的实验设计、数据的获取以及现有情绪数据库、数据预处理、特征提取和情绪模式的学习与分类等几个方面，介绍基于功能磁共振成像的情绪解码的研究进展、应用前景以及目前存在的主要问题。
2022, 44(2): 437-445.
doi: 10.11999/JEIT211001
摘要:
为了提高偏瘫患者在镜像康复训练过程中的主动性与系统抗干扰性，该文提出一种基于自适应按需辅助的上肢镜像控制策略。该策略主要包括镜像控制和自适应按需辅助控制两个模块，镜像模块采集健侧位置解算出患侧期望位置，与患侧实际位置比较得到位置偏差；按需辅助模块结合传统阻抗控制和一种患肢运动状态评估方法，自动实时调节对患肢的辅助力大小，以实现患肢主动力矩的最大化。该文设计了两项实验，分别验证本策略对患者主动性和系统抗干扰性的提升效果，实验结果表明，对于镜像康复训练系统使用所提方法有效减小了56.9%的平均辅助力，患肢跟随健肢的位置精度为5.6%，能有效补偿89%的干扰外力。因此所提方法有效提升了训练者的主动性，同时具有良好的抗干扰性，满足镜像康复训练的要求。
为了提高偏瘫患者在镜像康复训练过程中的主动性与系统抗干扰性，该文提出一种基于自适应按需辅助的上肢镜像控制策略。该策略主要包括镜像控制和自适应按需辅助控制两个模块，镜像模块采集健侧位置解算出患侧期望位置，与患侧实际位置比较得到位置偏差；按需辅助模块结合传统阻抗控制和一种患肢运动状态评估方法，自动实时调节对患肢的辅助力大小，以实现患肢主动力矩的最大化。该文设计了两项实验，分别验证本策略对患者主动性和系统抗干扰性的提升效果，实验结果表明，对于镜像康复训练系统使用所提方法有效减小了56.9%的平均辅助力，患肢跟随健肢的位置精度为5.6%，能有效补偿89%的干扰外力。因此所提方法有效提升了训练者的主动性，同时具有良好的抗干扰性，满足镜像康复训练的要求。
2022, 44(2): 446-454.
doi: 10.11999/JEIT210816
摘要:
针对现有深度学习分类方法对稳态视觉诱发电位相位与频率信息利用不充分的问题，该文提出一种用于稳态视觉诱发电位(SSVEP)分类的卷积神经网络模型。该模型以经过快速傅里叶变换后的复向量作为输入，首先对各个导联的实部向量和虚部向量进行卷积，学习相位信息；随后引入空间注意力机制，对判别频率信息进行增强；然后使用2维卷积和最大池化层进一步提取空域和频域信息；最后使用全连接层进行分类。实验结果表明利用该方法在跨受试情况下准确率可达到81.21%，通过在训练集增加标准正弦信号模板准确率可进一步提升至83.17%，相比典型相关分析方法获得了更好的分类效果。
针对现有深度学习分类方法对稳态视觉诱发电位相位与频率信息利用不充分的问题，该文提出一种用于稳态视觉诱发电位(SSVEP)分类的卷积神经网络模型。该模型以经过快速傅里叶变换后的复向量作为输入，首先对各个导联的实部向量和虚部向量进行卷积，学习相位信息；随后引入空间注意力机制，对判别频率信息进行增强；然后使用2维卷积和最大池化层进一步提取空域和频域信息；最后使用全连接层进行分类。实验结果表明利用该方法在跨受试情况下准确率可达到81.21%，通过在训练集增加标准正弦信号模板准确率可进一步提升至83.17%，相比典型相关分析方法获得了更好的分类效果。
2022, 44(2): 455-463.
doi: 10.11999/JEIT211040
摘要:
针对基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口系统，该文开展了屏显刺激界面元素尺寸和间距对识别效率和用户体验影响的工效学实验研究。该工效学实验使用红色正方形作为频闪刺激元素，刺激元素位于上、下、左、右等4个位置，自变量包含尺寸和间距两个因素。因素1为尺寸即正方形边长，分为100px，150px，200px3个水平；因素2为间距即元素中心与界面中心的垂直/水平距离，分为200px/400px，300px/600px，400px/800px3个水平。因变量为任务的完成时和失败次数。实验后开展主观评价，基于ISO 9241可用性标准，使用李克特7分量表对界面的满意度进行评分。工效学实验结果显示：元素尺寸对识别效率有显著影响，边长尺寸为200px的刺激元素识别效率最高，元素间距对识别效率没有影响。主观评价结果显示：元素间距对用户满意度有显著影响，刺激元素的紧凑(200px/400px)或疏远(400px/800px)都会导致满意度的下降，300px/600px间距水平的满意度最好，尺寸对用户满意度没有显著影响。该研究从设计工效学角度出发，发现了刺激界面元素尺寸、间距分别对脑机接口系统效率、用户满意度具有影响，研究结论对于规范脑机接口界面设计，提升脑机接口系统效率有重要的指导意义和借鉴价值。
针对基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口系统，该文开展了屏显刺激界面元素尺寸和间距对识别效率和用户体验影响的工效学实验研究。该工效学实验使用红色正方形作为频闪刺激元素，刺激元素位于上、下、左、右等4个位置，自变量包含尺寸和间距两个因素。因素1为尺寸即正方形边长，分为100px，150px，200px3个水平；因素2为间距即元素中心与界面中心的垂直/水平距离，分为200px/400px，300px/600px，400px/800px3个水平。因变量为任务的完成时和失败次数。实验后开展主观评价，基于ISO 9241可用性标准，使用李克特7分量表对界面的满意度进行评分。工效学实验结果显示：元素尺寸对识别效率有显著影响，边长尺寸为200px的刺激元素识别效率最高，元素间距对识别效率没有影响。主观评价结果显示：元素间距对用户满意度有显著影响，刺激元素的紧凑(200px/400px)或疏远(400px/800px)都会导致满意度的下降，300px/600px间距水平的满意度最好，尺寸对用户满意度没有显著影响。该研究从设计工效学角度出发，发现了刺激界面元素尺寸、间距分别对脑机接口系统效率、用户满意度具有影响，研究结论对于规范脑机接口界面设计，提升脑机接口系统效率有重要的指导意义和借鉴价值。
2022, 44(2): 464-476.
doi: 10.11999/JEIT210845
摘要:
脑电信号幅值微弱且信噪比低易受到多种伪迹影响。其中，眼电伪迹幅值高、随机性强，常使脑电信号产生明显畸变，对信号的后续分析将产生极大的影响。传统伪迹去除方法难以精确定位伪迹成分，导致过多有效信息丢失。针对上述问题，该文提出一种基于数据驱动的自适应伪迹定位和去除方法。该方法将局部密度引入独立成分分析（ICA）并通过聚类分析自适应估计辨识脑电和噪声成分的阈值，最终实现了眼电伪迹的精准定位和去除。通过仿真和真实实验，该文对比了所提方法与传统伪迹去除方法在峰值信噪比、均方误差、互信息等量化指标下的性能差异，并通过统计检验揭示了所提方法相比于其他方法在信号恢复方面的显著性优势。
脑电信号幅值微弱且信噪比低易受到多种伪迹影响。其中，眼电伪迹幅值高、随机性强，常使脑电信号产生明显畸变，对信号的后续分析将产生极大的影响。传统伪迹去除方法难以精确定位伪迹成分，导致过多有效信息丢失。针对上述问题，该文提出一种基于数据驱动的自适应伪迹定位和去除方法。该方法将局部密度引入独立成分分析（ICA）并通过聚类分析自适应估计辨识脑电和噪声成分的阈值，最终实现了眼电伪迹的精准定位和去除。通过仿真和真实实验，该文对比了所提方法与传统伪迹去除方法在峰值信噪比、均方误差、互信息等量化指标下的性能差异，并通过统计检验揭示了所提方法相比于其他方法在信号恢复方面的显著性优势。
2022, 44(2): 477-485.
doi: 10.11999/JEIT210778
摘要:
在基于运动想象(MI)的脑机接口(BCI)中，通常采用较多通道的脑电信号(EEG)来提高分类精度，但其中会有包含与MI任务无关或冗余信息的通道，从而影响BCI的性能提升。该文针对运动想象脑电分类中的通道选择问题，提出一种采用相关性和稀疏表示对通道进行选择的方法(CSR-CS)。首先计算训练样本每个通道的皮尔逊相关系数来选择显著通道，然后提取显著通道所在区域的滤波器组共空间模式特征拼接成字典，利用由字典所得到的非零稀疏系数的个数表征每个区域的分类能力，选出显著区域所包含的显著通道作为最优通道，最后采用共空间模式和支持向量机分别进行特征提取与分类。在对BCI第3次竞赛数据集IVa和BCI第4次竞赛数据集I两个二分类MI任务的分类实验中，平均分类精度达到了88.61%和83.9%，表明所提通道选择方法的有效性和鲁棒性。
在基于运动想象(MI)的脑机接口(BCI)中，通常采用较多通道的脑电信号(EEG)来提高分类精度，但其中会有包含与MI任务无关或冗余信息的通道，从而影响BCI的性能提升。该文针对运动想象脑电分类中的通道选择问题，提出一种采用相关性和稀疏表示对通道进行选择的方法(CSR-CS)。首先计算训练样本每个通道的皮尔逊相关系数来选择显著通道，然后提取显著通道所在区域的滤波器组共空间模式特征拼接成字典，利用由字典所得到的非零稀疏系数的个数表征每个区域的分类能力，选出显著区域所包含的显著通道作为最优通道，最后采用共空间模式和支持向量机分别进行特征提取与分类。在对BCI第3次竞赛数据集IVa和BCI第4次竞赛数据集I两个二分类MI任务的分类实验中，平均分类精度达到了88.61%和83.9%，表明所提通道选择方法的有效性和鲁棒性。
2022, 44(2): 486-495.
doi: 10.11999/JEIT210601
摘要:
针对现有人机交互系统广泛存在机器人情感响应缺乏独特性和主动性、参与人参与度、满意度、体验感不高的问题，该文依据愉悦度-激活度-优势度(PAD)情感空间提出一种基于模糊认知图的机器人情感响应模型。首先，获取参与人交互输入情感值，对其评估得到参与人的情感状态矩阵；其次，考虑到机器人的性格特征和社会角色，利用模糊认知图的时间连续性，建立当前情感状态与上下文长期情感状态之间的关联，从而对机器人情感响应过程进行建模；最后，根据机器人的性格特征和社会角色对情感响应的影响，更新机器人的情感状态矩阵，并将其映射到连续情感空间中，得到机器人的情感响应。模型对比实验结果表明，该文所提模型能够增加机器人情感响应的主动性、独特性并且能够有效提升参与人的满意度，增加参与人体验感。
针对现有人机交互系统广泛存在机器人情感响应缺乏独特性和主动性、参与人参与度、满意度、体验感不高的问题，该文依据愉悦度-激活度-优势度(PAD)情感空间提出一种基于模糊认知图的机器人情感响应模型。首先，获取参与人交互输入情感值，对其评估得到参与人的情感状态矩阵；其次，考虑到机器人的性格特征和社会角色，利用模糊认知图的时间连续性，建立当前情感状态与上下文长期情感状态之间的关联，从而对机器人情感响应过程进行建模；最后，根据机器人的性格特征和社会角色对情感响应的影响，更新机器人的情感状态矩阵，并将其映射到连续情感空间中，得到机器人的情感响应。模型对比实验结果表明，该文所提模型能够增加机器人情感响应的主动性、独特性并且能够有效提升参与人的满意度，增加参与人体验感。
2022, 44(2): 496-506.
doi: 10.11999/JEIT210465
摘要:
目前脑控机械臂在医疗康复等多个领域展现出了宽广的应用前景，但也存在灵活性较差、使用者易疲劳等不足之处。针对上述不足，该文设计一套增强现实(AR)环境下基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的机械臂异步控制系统。利用滤波器组典型相关分析方法(FBCCA)实现对12个目标的识别；提出基于投票策略和差值预测的动态窗口，实现刺激时长的自适应调节；利用伪密钥实现机械臂异步控制，完成拼图任务。试验结果表明，动态窗口可以根据受试者状态自动调整刺激时长，离线平均准确度为(93.11±5.85)％，平均信息传输速率(ITR)为(59.69±8.11) bit·min–1。在线单次命令平均选择时间为2.18 s，有效地减轻受试者的视觉疲劳。每位受试者均能迅速完成拼图任务，证明了该人机交互方法的可行性。
目前脑控机械臂在医疗康复等多个领域展现出了宽广的应用前景，但也存在灵活性较差、使用者易疲劳等不足之处。针对上述不足，该文设计一套增强现实(AR)环境下基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的机械臂异步控制系统。利用滤波器组典型相关分析方法(FBCCA)实现对12个目标的识别；提出基于投票策略和差值预测的动态窗口，实现刺激时长的自适应调节；利用伪密钥实现机械臂异步控制，完成拼图任务。试验结果表明，动态窗口可以根据受试者状态自动调整刺激时长，离线平均准确度为(93.11±5.85)％，平均信息传输速率(ITR)为(59.69±8.11) bit·min–1。在线单次命令平均选择时间为2.18 s，有效地减轻受试者的视觉疲劳。每位受试者均能迅速完成拼图任务，证明了该人机交互方法的可行性。
2022, 44(2): 507-513.
doi: 10.11999/JEIT201097
摘要:
在物联网(IoT)中采用合适的异常数据清洗算法能极大地提升数据质量。许多研究人员采用统计学方法或分类聚类等方法对时-空相关数据进行清洗。但这些方法需要额外的先验知识，会给汇聚节点带来额外的计算开销。该文根据低秩-稀疏矩阵分解模型，提出一种基于深度神经网络的快速异常数据清洗算法，来解决物联网中时-空相关数据的清洗问题。结合感知数据的时-空相关性和异常值的稀疏性，将异常数据清洗问题转换为优化问题，并采用迭代阈值收缩算法(ISTA)求解该优化问题，再将ISTA算法展开成一个固定长度的深度神经网络。实际数据集的实验结果表明，该方法能够自动更新阈值，比传统的ISTA算法收敛速度更快，精度更高。
在物联网(IoT)中采用合适的异常数据清洗算法能极大地提升数据质量。许多研究人员采用统计学方法或分类聚类等方法对时-空相关数据进行清洗。但这些方法需要额外的先验知识，会给汇聚节点带来额外的计算开销。该文根据低秩-稀疏矩阵分解模型，提出一种基于深度神经网络的快速异常数据清洗算法，来解决物联网中时-空相关数据的清洗问题。结合感知数据的时-空相关性和异常值的稀疏性，将异常数据清洗问题转换为优化问题，并采用迭代阈值收缩算法(ISTA)求解该优化问题，再将ISTA算法展开成一个固定长度的深度神经网络。实际数据集的实验结果表明，该方法能够自动更新阈值，比传统的ISTA算法收敛速度更快，精度更高。
2022, 44(2): 514-522.
doi: 10.11999/JEIT210015
摘要:
针对甲状腺结节尺寸多变、超声图像中甲状腺结节边缘模糊导致难以分割的问题，该文提出一种基于改进U-net网络的甲状腺结节超声图像分割方法。该方法首先将图片经过有残差结构和多尺度卷积结构的编码器路径进行降尺度特征提取；然后，利用带有注意力模块的跳跃长连接部分对特征张量进行边缘轮廓保持操作；最后，使用带有残差结构和多尺度卷积结构的解码器路径得到分割结果。实验结果表明，该文所提方法的平均分割Dice值达到0.7822，较传统U-Net方法具有更优的分割性能。
针对甲状腺结节尺寸多变、超声图像中甲状腺结节边缘模糊导致难以分割的问题，该文提出一种基于改进U-net网络的甲状腺结节超声图像分割方法。该方法首先将图片经过有残差结构和多尺度卷积结构的编码器路径进行降尺度特征提取；然后，利用带有注意力模块的跳跃长连接部分对特征张量进行边缘轮廓保持操作；最后，使用带有残差结构和多尺度卷积结构的解码器路径得到分割结果。实验结果表明，该文所提方法的平均分割Dice值达到0.7822，较传统U-Net方法具有更优的分割性能。
2022, 44(2): 523-533.
doi: 10.11999/JEIT201025
摘要:
为了解决判别式空间正则项的目标跟踪算法在遮挡、旋转等因素干扰下失跟率较高的问题，该文提出一种自适应空间异常的目标跟踪算法。首先，在目标函数中加入自适应空间正则项，既缓解了边界效应带来的影响，又提高了滤波器对目标和背景区域的分辨能力；其次，根据每一帧的响应值计算验证分数，分析跟踪结果的可信度和异常情况；最后为目标模型和响应图模型的更新速率实现动态取值。大量实验结果表明，自适应空间异常的目标跟踪算法能够较好地处理背景模糊、形状变化等多种异常情况，具有较高的跟踪性能。
为了解决判别式空间正则项的目标跟踪算法在遮挡、旋转等因素干扰下失跟率较高的问题，该文提出一种自适应空间异常的目标跟踪算法。首先，在目标函数中加入自适应空间正则项，既缓解了边界效应带来的影响，又提高了滤波器对目标和背景区域的分辨能力；其次，根据每一帧的响应值计算验证分数，分析跟踪结果的可信度和异常情况；最后为目标模型和响应图模型的更新速率实现动态取值。大量实验结果表明，自适应空间异常的目标跟踪算法能够较好地处理背景模糊、形状变化等多种异常情况，具有较高的跟踪性能。
2022, 44(2): 534-542.
doi: 10.11999/JEIT210097
摘要:
该文基于分数阶扩展Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型，对其在经颅磁声刺激(TMAS)影响下的放电模式和放电频率进行了分析研究。作为神经元的外部刺激输入，具有不同磁声参数的经颅磁声刺激产生的交变电流会对神经元的放电特性产生不同的影响。通过对不同磁感应强度、超声强度以及超声频率下神经元的膜电位曲线以及以磁声参数为变量的峰峰间隔分岔图进行定量分析可知，分数阶扩展HR神经元模型放电模式和放电节律的调节可通过改变经颅磁声刺激的磁感应强度和超声强度来实现。然而，超声频率的改变不会对神经元放电模式产生影响，但其取值变化会在小范围内影响神经元的放电频率。此外，通过对比分数阶与整数阶神经元在不同磁声参数交变电流刺激下的放电特性可知，分数阶扩展HR神经元模型具有更多变的放电模式和更复杂的放电节律。该文的结论有利于了解经颅磁声刺激的影响机制，进而为其实验和临床应用提供理论依据。
该文基于分数阶扩展Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型，对其在经颅磁声刺激(TMAS)影响下的放电模式和放电频率进行了分析研究。作为神经元的外部刺激输入，具有不同磁声参数的经颅磁声刺激产生的交变电流会对神经元的放电特性产生不同的影响。通过对不同磁感应强度、超声强度以及超声频率下神经元的膜电位曲线以及以磁声参数为变量的峰峰间隔分岔图进行定量分析可知，分数阶扩展HR神经元模型放电模式和放电节律的调节可通过改变经颅磁声刺激的磁感应强度和超声强度来实现。然而，超声频率的改变不会对神经元放电模式产生影响，但其取值变化会在小范围内影响神经元的放电频率。此外，通过对比分数阶与整数阶神经元在不同磁声参数交变电流刺激下的放电特性可知，分数阶扩展HR神经元模型具有更多变的放电模式和更复杂的放电节律。该文的结论有利于了解经颅磁声刺激的影响机制，进而为其实验和临床应用提供理论依据。
2022, 44(2): 543-551.
doi: 10.11999/JEIT210052
摘要:
遥感图像内容丰富，一般的深度模型提取遥感图像特征时容易受复杂背景干扰，对关键特征的提取效果不佳，并且难以表达图像的空间信息，该文提出一种基于多尺度池化和范数注意力机制的深度卷积神经网络，在通道层面与空间层面自适应地给显著特征加权。首先，在多尺度池化通道注意力模块中，结合空间金字塔池化的思想，对每个通道上的特征图进行不同尺度的最大池化。接着，采用自适应均值池化将尺寸不同的特征图转换为统一尺寸，以便通过逐像素相加的方式来关注不同尺度的显著特征。然后，在范数空间注意力模块中，将各通道对应同一空间位置的像素构成向量，通过计算向量组的L1范数和L2范数，获得具有空间信息的特征图。最后，采用级联池化的方法优化高层特征，并将该高层特征用于遥感图像检索。在UC Merced, AID与NWPU-RESISC45 3个数据集上进行实验，结果表明该文所提注意力模型，关注了不同尺度的显著特征，结合了空间信息，提高了检索性能。
遥感图像内容丰富，一般的深度模型提取遥感图像特征时容易受复杂背景干扰，对关键特征的提取效果不佳，并且难以表达图像的空间信息，该文提出一种基于多尺度池化和范数注意力机制的深度卷积神经网络，在通道层面与空间层面自适应地给显著特征加权。首先，在多尺度池化通道注意力模块中，结合空间金字塔池化的思想，对每个通道上的特征图进行不同尺度的最大池化。接着，采用自适应均值池化将尺寸不同的特征图转换为统一尺寸，以便通过逐像素相加的方式来关注不同尺度的显著特征。然后，在范数空间注意力模块中，将各通道对应同一空间位置的像素构成向量，通过计算向量组的L1范数和L2范数，获得具有空间信息的特征图。最后，采用级联池化的方法优化高层特征，并将该高层特征用于遥感图像检索。在UC Merced, AID与NWPU-RESISC45 3个数据集上进行实验，结果表明该文所提注意力模型，关注了不同尺度的显著特征，结合了空间信息，提高了检索性能。
2022, 44(2): 552-565.
doi: 10.11999/JEIT210011
摘要:
针对个性化推荐精度较低、对冷启动敏感等问题，该文提出一种融合多权重因素的低秩概率矩阵分解推荐模型MWFPMF。模型利用给定的社交网络构建信任网络，借助Page rank算法和信任传递机制求取用户间信任度；基于Page rank计算用户社会地位，利用活动评分和评分时间修正用户间关系权重；引入词频-逆文本频率技术(TF-IDF)求取用户标签，通过标签相似性表征用户间同质性；将用户间信任度、用户社会地位影响力和用户同质性3因素融入低秩概率矩阵分解中，从而使用户偏好和活动特征映射到同一低秩空间，实现用户-活动评分矩阵的分解，在正则化约束下，最终完成低秩特征矩阵对用户评分缺失的有效预测。利用豆瓣同城北京和Ciao数据集确定各模块的参数设置值。通过仿真对比实验可知，本推荐模型获得了较高的推荐精度，与其他5种传统推荐算法相比，平均绝对误差至少降低了6.58%，均方差误差至少降低了6.27%，与深度学习推进算法相比，推荐精度基本接近；在冷启动用户推荐上优势明显，与其他推荐算法相比，平均绝对误差至少降低了0.89%，均方差误差至少降低了3.01%。
针对个性化推荐精度较低、对冷启动敏感等问题，该文提出一种融合多权重因素的低秩概率矩阵分解推荐模型MWFPMF。模型利用给定的社交网络构建信任网络，借助Page rank算法和信任传递机制求取用户间信任度；基于Page rank计算用户社会地位，利用活动评分和评分时间修正用户间关系权重；引入词频-逆文本频率技术(TF-IDF)求取用户标签，通过标签相似性表征用户间同质性；将用户间信任度、用户社会地位影响力和用户同质性3因素融入低秩概率矩阵分解中，从而使用户偏好和活动特征映射到同一低秩空间，实现用户-活动评分矩阵的分解，在正则化约束下，最终完成低秩特征矩阵对用户评分缺失的有效预测。利用豆瓣同城北京和Ciao数据集确定各模块的参数设置值。通过仿真对比实验可知，本推荐模型获得了较高的推荐精度，与其他5种传统推荐算法相比，平均绝对误差至少降低了6.58%，均方差误差至少降低了6.27%，与深度学习推进算法相比，推荐精度基本接近；在冷启动用户推荐上优势明显，与其他推荐算法相比，平均绝对误差至少降低了0.89%，均方差误差至少降低了3.01%。
2022, 44(2): 566-572.
doi: 10.11999/JEIT210114
摘要:
针对不同格密码体制带来的数论变换参数多样性，以及数论变换的性能优化设计，该文提出一种基于随机存取存储器(RAM)的可重构多通道数论变换单元。在数论变换单元设计中，在按时间抽取的基础上改进多通道架构，并提出一种优化地址分配方法。最后基于Xilinx Artix-7现场可编程逻辑门阵列(FPGA)平台进行原型实现，结果显示，所设计的数论变换单元消耗的资源为1744 Slices, 16 DSP，完成1次多项式乘法的时间为2.01 μs(n=256), 3.57 μs(n=512), 6.71 μs(n=1024)和13.43 μs(n=2048)，支持256～2048的不同参数n和13～32 bit模q的可重构配置，工作频率最高可达232 MHz。
针对不同格密码体制带来的数论变换参数多样性，以及数论变换的性能优化设计，该文提出一种基于随机存取存储器(RAM)的可重构多通道数论变换单元。在数论变换单元设计中，在按时间抽取的基础上改进多通道架构，并提出一种优化地址分配方法。最后基于Xilinx Artix-7现场可编程逻辑门阵列(FPGA)平台进行原型实现，结果显示，所设计的数论变换单元消耗的资源为1744 Slices, 16 DSP，完成1次多项式乘法的时间为2.01 μs(n=256), 3.57 μs(n=512), 6.71 μs(n=1024)和13.43 μs(n=2048)，支持256～2048的不同参数n和13～32 bit模q的可重构配置，工作频率最高可达232 MHz。
2022, 44(2): 573-580.
doi: 10.11999/JEIT201093
摘要:
为了提高视觉秘密共享(VSS)的恢复效果，该文提出一种基于随机网格的视觉多秘密共享方案。通过使用一种基于圆柱面的随机网格阈值多秘密图像共享方案，使得用户一次可以共享多个秘密图像；部分份额图像受到篡改仍然可以恢复秘密图像，具有较好的鲁棒性；同时份额的数量和最后恢复图像的视觉质量成正相关。仿真结果表明所提出的多秘密视觉共享方案在恢复像素正确率方面是原有的单秘密视觉共享方案2 倍多，即在增加了多个秘密图像的同时，提高了恢复的正确率。
为了提高视觉秘密共享(VSS)的恢复效果，该文提出一种基于随机网格的视觉多秘密共享方案。通过使用一种基于圆柱面的随机网格阈值多秘密图像共享方案，使得用户一次可以共享多个秘密图像；部分份额图像受到篡改仍然可以恢复秘密图像，具有较好的鲁棒性；同时份额的数量和最后恢复图像的视觉质量成正相关。仿真结果表明所提出的多秘密视觉共享方案在恢复像素正确率方面是原有的单秘密视觉共享方案2 倍多，即在增加了多个秘密图像的同时，提高了恢复的正确率。
2022, 44(2): 581-590.
doi: 10.11999/JEIT210009
摘要:
随着网络带宽的快速增长，作为网络安全设备核心模块的多模式匹配(MPM)算法面临严峻的性能挑战。该文提出一种高效的数据包分割和并行匹配算法—距离比较并行匹配算法(DCPM)。和已有方法相比，并行的DCPM线程间不存在同步开销，引入的冗余检测开销达到理论最小。基于Aho-Corasick(AC)算法，在8核处理器平台上将DCPM算法与已有的数据包分割方法进行了性能比较。实验结果表明，和已有方法相比，DCPM算法的适应性更好，性能受网络流量中模式串占比、模式串长度及自动机状态数等因素的影响更小；在处理真实数据集时，DCPM算法的加速比提升1.3～3.5倍。
随着网络带宽的快速增长，作为网络安全设备核心模块的多模式匹配(MPM)算法面临严峻的性能挑战。该文提出一种高效的数据包分割和并行匹配算法—距离比较并行匹配算法(DCPM)。和已有方法相比，并行的DCPM线程间不存在同步开销，引入的冗余检测开销达到理论最小。基于Aho-Corasick(AC)算法，在8核处理器平台上将DCPM算法与已有的数据包分割方法进行了性能比较。实验结果表明，和已有方法相比，DCPM算法的适应性更好，性能受网络流量中模式串占比、模式串长度及自动机状态数等因素的影响更小；在处理真实数据集时，DCPM算法的加速比提升1.3～3.5倍。
2022, 44(2): 591-601.
doi: 10.11999/JEIT210683
摘要:
分裂认证码是研究带仲裁的认证码的一种重要手段，相对无分裂认证码而言，分裂认证码大大提高了编码规则的利用率，该文主要通过可分组设计构造分裂认证码。首先给出了通过可分组设计(GDD)构造分裂认证码的定理，利用可分组设计构造可裂可分组设计，再由可裂可分组设计构造可裂平衡不完全区组设计(BIBD)，进而得到分裂认证码；验证在该文给定的条件下，通过可分组设计构造分裂认证码的可行性，在此基础上设计了一种可裂设计，构造了一组分裂认证码。计算所构造的分裂认证码的信源个数、编码规则个数、消息个数和假冒攻击成功概率及替代攻击成功概率等参数，并证明所构造的分裂认证码为最优分裂认证码。给出所构造的分裂认证码的具体例子，计算其假冒攻击成功概率、替代攻击成功概率，通过模拟仿真验证构造的合理性，并验证其满足最优性。
分裂认证码是研究带仲裁的认证码的一种重要手段，相对无分裂认证码而言，分裂认证码大大提高了编码规则的利用率，该文主要通过可分组设计构造分裂认证码。首先给出了通过可分组设计(GDD)构造分裂认证码的定理，利用可分组设计构造可裂可分组设计，再由可裂可分组设计构造可裂平衡不完全区组设计(BIBD)，进而得到分裂认证码；验证在该文给定的条件下，通过可分组设计构造分裂认证码的可行性，在此基础上设计了一种可裂设计，构造了一组分裂认证码。计算所构造的分裂认证码的信源个数、编码规则个数、消息个数和假冒攻击成功概率及替代攻击成功概率等参数，并证明所构造的分裂认证码为最优分裂认证码。给出所构造的分裂认证码的具体例子，计算其假冒攻击成功概率、替代攻击成功概率，通过模拟仿真验证构造的合理性，并验证其满足最优性。
2022, 44(2): 602-610.
doi: 10.11999/JEIT210152
摘要:
针对现有异常检测方法因为预学习以及噪声敏感所导致的检测时间长和误报率高的问题，该文通过对现有异常检测案例进行分析，从平台异构性角度提出了一种异常检测的新方法：将程序分别运行在多个异构平台，正常程序的所有平台运行结果相同，而异常程序在不同平台显示出差异性。基于此，该文设计了一种面向异构化平台的轻量级程序异常检测方法，收集系统状态数据并利用特征工程构建对异常表征明显的多维矢量，采用标签编码和Max-Min归一化对数据预处理，计算数据间差异度并应用阈值规则比较分析判别异常。相比于无监督特征聚类方法，所提方法的检测准确率提升了13.12%且具有低误报率和较短的检测时间。
针对现有异常检测方法因为预学习以及噪声敏感所导致的检测时间长和误报率高的问题，该文通过对现有异常检测案例进行分析，从平台异构性角度提出了一种异常检测的新方法：将程序分别运行在多个异构平台，正常程序的所有平台运行结果相同，而异常程序在不同平台显示出差异性。基于此，该文设计了一种面向异构化平台的轻量级程序异常检测方法，收集系统状态数据并利用特征工程构建对异常表征明显的多维矢量，采用标签编码和Max-Min归一化对数据预处理，计算数据间差异度并应用阈值规则比较分析判别异常。相比于无监督特征聚类方法，所提方法的检测准确率提升了13.12%且具有低误报率和较短的检测时间。
2022, 44(2): 611-619.
doi: 10.11999/JEIT201050
摘要:
作为5G uRLLC的典型应用场景，工业应用对于数据传输的延迟和可靠性要求越来越严苛，且多样化业务带来的多样性数据的融合传输是当前亟待解决的问题，其中高效的无线资源调度以保障各种数据共存互不干扰、稳定可靠地传输和系统安全稳定的运行是重要的挑战之一。为解决无线网络中周期性的监测数据与紧急数据的协同传输问题，该文针对工业多样化业务数据传输场景中的5G上行链路传输，提出一种基于预测的资源分配方案，该方案利用自回归滑动平均(ARMA)模型根据紧急数据的历史传输周期的激活率预测下一传输周期的紧急数据激活率，根据预测激活率动态地为周期数据和紧急数据预留资源，以在满足紧急数据传输条件的前提下最小化对周期数据传输的影响。仿真实验表明，与传统的资源分配方案相比所提方案能有效降低紧急数据传输对周期数据的影响，并能提升频谱资源的利用率。
作为5G uRLLC的典型应用场景，工业应用对于数据传输的延迟和可靠性要求越来越严苛，且多样化业务带来的多样性数据的融合传输是当前亟待解决的问题，其中高效的无线资源调度以保障各种数据共存互不干扰、稳定可靠地传输和系统安全稳定的运行是重要的挑战之一。为解决无线网络中周期性的监测数据与紧急数据的协同传输问题，该文针对工业多样化业务数据传输场景中的5G上行链路传输，提出一种基于预测的资源分配方案，该方案利用自回归滑动平均(ARMA)模型根据紧急数据的历史传输周期的激活率预测下一传输周期的紧急数据激活率，根据预测激活率动态地为周期数据和紧急数据预留资源，以在满足紧急数据传输条件的前提下最小化对周期数据传输的影响。仿真实验表明，与传统的资源分配方案相比所提方案能有效降低紧急数据传输对周期数据的影响，并能提升频谱资源的利用率。
2022, 44(2): 620-626.
doi: 10.11999/JEIT202019
摘要:
在毫米波MIMO通信系统中，针对如何提升频谱效率的问题，该文提出一种有效的混合预编码双层交替迭代算法。外层交替使用分解的方法解耦收发端，减少1次计算中所求变量的个数；而内层交替只对接收或者发送端进行，利用模拟域矩阵按列分解，数字域矩阵按行分解，将频谱效率表达式化简为一系列子问题。考虑到模拟域矩阵中单个元素对函数的影响和模为1的限制，对列元素采取逐个优化的方案，并对每一次的解加上约束，使解始终处在收敛域内。实验结果表明，所提交替优化解决方案可以获得更好的性能且有着较低的复杂度。
在毫米波MIMO通信系统中，针对如何提升频谱效率的问题，该文提出一种有效的混合预编码双层交替迭代算法。外层交替使用分解的方法解耦收发端，减少1次计算中所求变量的个数；而内层交替只对接收或者发送端进行，利用模拟域矩阵按列分解，数字域矩阵按行分解，将频谱效率表达式化简为一系列子问题。考虑到模拟域矩阵中单个元素对函数的影响和模为1的限制，对列元素采取逐个优化的方案，并对每一次的解加上约束，使解始终处在收敛域内。实验结果表明，所提交替优化解决方案可以获得更好的性能且有着较低的复杂度。
2022, 44(2): 627-636.
doi: 10.11999/JEIT200698
摘要:
针对商用Wi-Fi设备中由于天线数量和信道带宽有限而导致的到达角(AoA)和飞行时间(ToF)估计精度受限问题，以及现有基于最大似然估计的3维参数估计算法容易收敛于局部最优值，且依次对参数进行估计的方式使参数之间会互相影响的问题，该文提出一种基于Wi-Fi信道状态信息(CSI)的AoA, ToF和多普勒频偏(DFS)的3维联合参数估计算法，以提高参数估计精度和信号分辨能力。首先，通过分析CSI数据，构造包含AoA, ToF和DFS信息的3维矩阵，并对构造的3维矩阵进行降维处理。其次，设计了一种3维空间平滑算法，以消除相干信号对参数估计的影响。最后，利用空间谱估计算法，同时估计出AoA, ToF和DFS 3个参数。实测结果表明该文所提3维联合参数估计算法的参数估计精度和信号分辨能力高于现有的子空间交替期望最大化算法(SAGE)和2维参数估计算法。
针对商用Wi-Fi设备中由于天线数量和信道带宽有限而导致的到达角(AoA)和飞行时间(ToF)估计精度受限问题，以及现有基于最大似然估计的3维参数估计算法容易收敛于局部最优值，且依次对参数进行估计的方式使参数之间会互相影响的问题，该文提出一种基于Wi-Fi信道状态信息(CSI)的AoA, ToF和多普勒频偏(DFS)的3维联合参数估计算法，以提高参数估计精度和信号分辨能力。首先，通过分析CSI数据，构造包含AoA, ToF和DFS信息的3维矩阵，并对构造的3维矩阵进行降维处理。其次，设计了一种3维空间平滑算法，以消除相干信号对参数估计的影响。最后，利用空间谱估计算法，同时估计出AoA, ToF和DFS 3个参数。实测结果表明该文所提3维联合参数估计算法的参数估计精度和信号分辨能力高于现有的子空间交替期望最大化算法(SAGE)和2维参数估计算法。
2022, 44(2): 637-645.
doi: 10.11999/JEIT200840
摘要:
极化码作为一种纠错码，具有较好的编译码性能，已成为 5G 短码控制信道的标准编码方案。但在码长较短时，其性能不够优异。作为一种新型级联极化码，奇偶校验码与极化码的级联方案提高了有限码长的性能，但是其译码算法有着较高的复杂度。该文针对这一问题，提出一种基于奇偶校验码级联极化码的串行抵消局部列表译码(PC-PSCL)算法，该算法在编码前进行外码构造，通过高斯近似(GA)得到的子信道错误概率选取较不可靠的信息位，对选取的较不可靠的信息位进行串行抵消列表(SCL)译码和奇偶校验，其余信息比特仅进行串行抵消(SC)译码。仿真结果表明，在高斯信道下，当码长为512，码率为1/2，误帧率为10–3，最大列表长度为8时，该文提出的低复杂度译码算法比SCL译码算法获得了0.5 dB的增益；与基于奇偶校验的SCL译码算法性能相近，但是空间复杂度和时间复杂度分别降低了38.09%, 15.63%。
极化码作为一种纠错码，具有较好的编译码性能，已成为 5G 短码控制信道的标准编码方案。但在码长较短时，其性能不够优异。作为一种新型级联极化码，奇偶校验码与极化码的级联方案提高了有限码长的性能，但是其译码算法有着较高的复杂度。该文针对这一问题，提出一种基于奇偶校验码级联极化码的串行抵消局部列表译码(PC-PSCL)算法，该算法在编码前进行外码构造，通过高斯近似(GA)得到的子信道错误概率选取较不可靠的信息位，对选取的较不可靠的信息位进行串行抵消列表(SCL)译码和奇偶校验，其余信息比特仅进行串行抵消(SC)译码。仿真结果表明，在高斯信道下，当码长为512，码率为1/2，误帧率为10–3，最大列表长度为8时，该文提出的低复杂度译码算法比SCL译码算法获得了0.5 dB的增益；与基于奇偶校验的SCL译码算法性能相近，但是空间复杂度和时间复杂度分别降低了38.09%, 15.63%。
2022, 44(2): 646-653.
doi: 10.11999/JEIT210561
摘要:
针对正交时频空间(OTFS)调制系统中分数多普勒信道对应的物理路径信道状态信息估计困难及计算复杂度较高等问题，该文提出一种节省导频资源的脉冲匹配滤波(PRS-PMF)信道估计算法。该算法首先使用数据与导频联合成帧的嵌入式辅助导频方法获得等效信道的估计，然后通过互相关匹配滤波估计出各路径信道状态信息，相比于传统的脉冲导频互相关匹配滤波信道估计算法，能够在降低计算复杂度的同时减少导频资源的占用。在此基础上，对OTFS系统加窗，减少窗口响应主瓣的整数样点数量并降低旁瓣电平，有效改善了等效信道多普勒响应函数的自相关特性，从而降低了其他符号及噪声对估计符号的干扰。
针对正交时频空间(OTFS)调制系统中分数多普勒信道对应的物理路径信道状态信息估计困难及计算复杂度较高等问题，该文提出一种节省导频资源的脉冲匹配滤波(PRS-PMF)信道估计算法。该算法首先使用数据与导频联合成帧的嵌入式辅助导频方法获得等效信道的估计，然后通过互相关匹配滤波估计出各路径信道状态信息，相比于传统的脉冲导频互相关匹配滤波信道估计算法，能够在降低计算复杂度的同时减少导频资源的占用。在此基础上，对OTFS系统加窗，减少窗口响应主瓣的整数样点数量并降低旁瓣电平，有效改善了等效信道多普勒响应函数的自相关特性，从而降低了其他符号及噪声对估计符号的干扰。
2022, 44(2): 654-660.
doi: 10.11999/JEIT210057
摘要:
该文提出一种通用稀疏系统识别Lawson-lncosh自适应滤波算法，该算法采用系数向量的Lawson范数和误差的lncosh函数构建代价函数。Lawson范数约束引入参数p，实现稀疏约束滤波动态调整，所提算法可以提高稀疏系统识别时的收敛速度，减小了稳态误差。误差的lncosh函数具有良好的抗脉冲噪声性能。然后，算法分析了步长参数的取值范围和参数p对算法性能的影响。计算机仿真结果表明，在高斯信号输入和色信号输入情况下，所提算法的性能要明显优于其他现存算法，且具备稀疏约束可控特性。
该文提出一种通用稀疏系统识别Lawson-lncosh自适应滤波算法，该算法采用系数向量的Lawson范数和误差的lncosh函数构建代价函数。Lawson范数约束引入参数p，实现稀疏约束滤波动态调整，所提算法可以提高稀疏系统识别时的收敛速度，减小了稳态误差。误差的lncosh函数具有良好的抗脉冲噪声性能。然后，算法分析了步长参数的取值范围和参数p对算法性能的影响。计算机仿真结果表明，在高斯信号输入和色信号输入情况下，所提算法的性能要明显优于其他现存算法，且具备稀疏约束可控特性。
2022, 44(2): 661-667.
doi: 10.11999/JEIT210073
摘要:
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2022, 44(2): 668-676.
doi: 10.11999/JEIT210079
摘要:
针对基于离散傅里叶变换(DFT)扩频的低峰均功率比滤波器组多载波(LP-FBMC)结构需要额外传输边带信息(SI)等问题，该文提出一种基于星座符号序列局部相位旋转的无SI优化结构。考虑到SI是由LP-FBMC在发送端对4种信号传输形式进行选择而产生，结合这4种形式解调后的星座符号序列与原符号序列的关系，采用对星座符号序列进行局部相位旋转的方式避免边带信息的传输。局部旋转的方式减少了相位旋转角度的个数，降低了计算复杂度，并在接收端通过扩大相位判定范围的方式提升了相位估计的正确率。仿真结果表明，所提结构不但能保持与LP-FBMC结构相同的峰均功率比抑制性能和相近的误码率性能，而且计算复杂度相较于嵌入式SI结构降低了约20%。
针对基于离散傅里叶变换(DFT)扩频的低峰均功率比滤波器组多载波(LP-FBMC)结构需要额外传输边带信息(SI)等问题，该文提出一种基于星座符号序列局部相位旋转的无SI优化结构。考虑到SI是由LP-FBMC在发送端对4种信号传输形式进行选择而产生，结合这4种形式解调后的星座符号序列与原符号序列的关系，采用对星座符号序列进行局部相位旋转的方式避免边带信息的传输。局部旋转的方式减少了相位旋转角度的个数，降低了计算复杂度，并在接收端通过扩大相位判定范围的方式提升了相位估计的正确率。仿真结果表明，所提结构不但能保持与LP-FBMC结构相同的峰均功率比抑制性能和相近的误码率性能，而且计算复杂度相较于嵌入式SI结构降低了约20%。
2022, 44(2): 677-685.
doi: 10.11999/JEIT210013
摘要:
当一对失配序列的所有异相自相关函数和均为同一非0整数时，称该对失配序列为几乎失配互补对。该文提出平衡4元几乎失配互补对的新类型序列，通过Gray映射证明得到了平衡的素数长4元几乎失配互补对的理论界，基于4阶分圆类，提出满足理论界的周期为素数长的理想平衡4元几乎失配互补对的构造方法。通过该文研究扩大了4元互补对的存在范围，弥补了目前已有4元互补对大多只存在偶数长度的缺陷。
当一对失配序列的所有异相自相关函数和均为同一非0整数时，称该对失配序列为几乎失配互补对。该文提出平衡4元几乎失配互补对的新类型序列，通过Gray映射证明得到了平衡的素数长4元几乎失配互补对的理论界，基于4阶分圆类，提出满足理论界的周期为素数长的理想平衡4元几乎失配互补对的构造方法。通过该文研究扩大了4元互补对的存在范围，弥补了目前已有4元互补对大多只存在偶数长度的缺陷。
2022, 44(2): 686-693.
doi: 10.11999/JEIT210028
摘要:
有限脉冲响应(FIR)滤波器是无线通信研究中多载波调制系统的主要组成单元。针对有限字长效应导致FIR滤波器性能下降问题，该文提出一种FIR滤波器格型结构改善因量化导致的滤波器系数误差，即降低系数灵敏度，利用状态空间结构表示相应改进格型结构系数，并推导分析其系数灵敏度表达式。仿真实例验证理论推导结果，即改进格型结构系数灵敏度与采样周期相关。与传统格型结构相比，在量化字长和采样周期约束下，改进格型结构频响特性曲线更接近理想频响特性曲线，系数灵敏度更小，抗有限字长效应能力更好。
有限脉冲响应(FIR)滤波器是无线通信研究中多载波调制系统的主要组成单元。针对有限字长效应导致FIR滤波器性能下降问题，该文提出一种FIR滤波器格型结构改善因量化导致的滤波器系数误差，即降低系数灵敏度，利用状态空间结构表示相应改进格型结构系数，并推导分析其系数灵敏度表达式。仿真实例验证理论推导结果，即改进格型结构系数灵敏度与采样周期相关。与传统格型结构相比，在量化字长和采样周期约束下，改进格型结构频响特性曲线更接近理想频响特性曲线，系数灵敏度更小，抗有限字长效应能力更好。
2022, 44(2): 694-701.
doi: 10.11999/JEIT210106
摘要:
该文在基于信号分组优化的椭圆球面波函数(PSWFs)多载波调制的基础上，引入双模索引调制思想，提出了双模PSWFs多载波索引调制解调方法(DM-MCM-PSWFs)。该方法利用未被激活的剩余部分子载波加载第2星座图产生的调制符号，以传输额外的信息比特，实现了基于信号分组优化的PSWFs多载波调制中频谱资源的进一步利用，有效提高了系统频带利用率以及误码性能。理论和仿真分析表明，相较于基于信号分组优化的PSWFs多载波调制，所提方法以适当牺牲系统复杂度为代价，具有更高的系统频带利用率和更优的系统误码性能，当误比特率为1×10–5, n=7, k=3时，所提方法系统频带利用率、误码性能可分别提升9.15%, 2.4 dB。
该文在基于信号分组优化的椭圆球面波函数(PSWFs)多载波调制的基础上，引入双模索引调制思想，提出了双模PSWFs多载波索引调制解调方法(DM-MCM-PSWFs)。该方法利用未被激活的剩余部分子载波加载第2星座图产生的调制符号，以传输额外的信息比特，实现了基于信号分组优化的PSWFs多载波调制中频谱资源的进一步利用，有效提高了系统频带利用率以及误码性能。理论和仿真分析表明，相较于基于信号分组优化的PSWFs多载波调制，所提方法以适当牺牲系统复杂度为代价，具有更高的系统频带利用率和更优的系统误码性能，当误比特率为1×10–5, n=7, k=3时，所提方法系统频带利用率、误码性能可分别提升9.15%, 2.4 dB。
2022, 44(2): 702-709.
doi: 10.11999/JEIT210107
摘要:
信息年龄(AoI)是近年来针对时间敏感类应用所提出的一种描述数据交付及时性的度量标准，它是从网络中目标节点的角度出发，衡量其最新收到的数据包的新鲜程度。在信道资源受限的多信道无线网络场景中，基于信息年龄的链路调度问题需要考虑信道资源和链路冲突的约束。针对上述问题，该文提出一种逐时隙调度链路进行数据传输的调度方法，以最小化网络的平均信息年龄。该文首先将信息年龄的优化问题转化为李雅普诺夫优化问题，然后将冲突约束下的多信道分配问题转换为二分图匹配问题并采用Kuhn-Munkres(KM)算法进行求解，进而得到约束条件下的链路调度方法。仿真结果表明，所提方法有效地优化了网络中的平均信息年龄，提升了网络数据的新鲜度。
信息年龄(AoI)是近年来针对时间敏感类应用所提出的一种描述数据交付及时性的度量标准，它是从网络中目标节点的角度出发，衡量其最新收到的数据包的新鲜程度。在信道资源受限的多信道无线网络场景中，基于信息年龄的链路调度问题需要考虑信道资源和链路冲突的约束。针对上述问题，该文提出一种逐时隙调度链路进行数据传输的调度方法，以最小化网络的平均信息年龄。该文首先将信息年龄的优化问题转化为李雅普诺夫优化问题，然后将冲突约束下的多信道分配问题转换为二分图匹配问题并采用Kuhn-Munkres(KM)算法进行求解，进而得到约束条件下的链路调度方法。仿真结果表明，所提方法有效地优化了网络中的平均信息年龄，提升了网络数据的新鲜度。
2022, 44(2): 710-717.
doi: 10.11999/JEIT210142
摘要:
该文提出一种基于宽带均匀同心球阵列(UCSA)的2维波达方向(2D-DOA)低复杂度估计算法。该方法将宽带UCSA输出信号转换为相位模式，并对其进行频率补偿，实现近似频率不变(FI)特性，从而降低宽带信号处理的计算复杂度。为了进一步降低2D-DOA估计的计算复杂度，该文提出基于FI-UCSA的降维多重信号分类(MUSIC)算法。该方法将相位模式导向向量分解为方位角和仰角相关的两个矩阵，从而把2维搜索问题简化为1维(1D)搜索，实现降维优化并降低计算复杂度。仿真结果表明，该算法计算复杂度相较于2维MUSIC算法得到了极大的降低，并且在估计精度和分辨率上均稍有改善。
该文提出一种基于宽带均匀同心球阵列(UCSA)的2维波达方向(2D-DOA)低复杂度估计算法。该方法将宽带UCSA输出信号转换为相位模式，并对其进行频率补偿，实现近似频率不变(FI)特性，从而降低宽带信号处理的计算复杂度。为了进一步降低2D-DOA估计的计算复杂度，该文提出基于FI-UCSA的降维多重信号分类(MUSIC)算法。该方法将相位模式导向向量分解为方位角和仰角相关的两个矩阵，从而把2维搜索问题简化为1维(1D)搜索，实现降维优化并降低计算复杂度。仿真结果表明，该算法计算复杂度相较于2维MUSIC算法得到了极大的降低，并且在估计精度和分辨率上均稍有改善。
2022, 44(2): 718-725.
doi: 10.11999/JEIT210132
摘要:
为了解决雷达截获接收机对低截获概率(LPI)雷达信号检测效果不理想的问题，针对截获信号中有效信号脉宽长度来定义信号和噪声，该文提出一种基于卷积神经网络(CNN)的LPI雷达信号检测方法，利用卷积核与匹配滤波器结构上的相似性，在低信噪比下能够提高信号的检测准确率。利用大量的基于4种典型LPI雷达信号(线性调频信号(LFM)、非线性调频信号(NLFM)、二相编码信号(BPSK)、COSTAS频率编码信号)和白噪声信号的模拟数据集进行CNN模型训练，同时增加少量实测信号(LFM, BPSK)作为验证集进行适配，更好地拟合实测信号的检测模型。最终利用实际信号进行测试，实验结果表明：该文算法在低信噪比的情况下具有较好的检测效果，对多种调制方式、不同信噪比下的LPI雷达信号具有泛化能力。
为了解决雷达截获接收机对低截获概率(LPI)雷达信号检测效果不理想的问题，针对截获信号中有效信号脉宽长度来定义信号和噪声，该文提出一种基于卷积神经网络(CNN)的LPI雷达信号检测方法，利用卷积核与匹配滤波器结构上的相似性，在低信噪比下能够提高信号的检测准确率。利用大量的基于4种典型LPI雷达信号(线性调频信号(LFM)、非线性调频信号(NLFM)、二相编码信号(BPSK)、COSTAS频率编码信号)和白噪声信号的模拟数据集进行CNN模型训练，同时增加少量实测信号(LFM, BPSK)作为验证集进行适配，更好地拟合实测信号的检测模型。最终利用实际信号进行测试，实验结果表明：该文算法在低信噪比的情况下具有较好的检测效果，对多种调制方式、不同信噪比下的LPI雷达信号具有泛化能力。
2022, 44(2): 726-736.
doi: 10.11999/JEIT210078
摘要:
海水中的声速剖面具有明显的时间演化特性，其预测问题可以看作一个非线性的时间序列预测问题。解决此类问题的常用方法大多使用预定义的非线性形式，无法捕捉真正潜在的非线性关系。循环神经网络作为一种为序列建模特别设计的深度神经网络，在捕捉非线性关系上具有极大的灵活性，在非线性自回归的时间序列预测这一问题上展现了它的有效性；注意力机制能够从众多信息中选择出对当前任务目标最关键的信息，对多变量时间序列在时空维度上的非线性关系进行捕捉。该文利用深度学习中的循环神经网络，添加双层注意力机制构建多变量时间序列预测模型，对浅海环境下时变的全海深声速剖面进行预测。多个模型的预测结果表明，该模型相对于单纯的编码-解码模型有着明显的预测性能提升，并且注意力权重的分布能够与实际物理现象相关联，为水声学中物理模型与机器学习的结合提供了新的思路。
海水中的声速剖面具有明显的时间演化特性，其预测问题可以看作一个非线性的时间序列预测问题。解决此类问题的常用方法大多使用预定义的非线性形式，无法捕捉真正潜在的非线性关系。循环神经网络作为一种为序列建模特别设计的深度神经网络，在捕捉非线性关系上具有极大的灵活性，在非线性自回归的时间序列预测这一问题上展现了它的有效性；注意力机制能够从众多信息中选择出对当前任务目标最关键的信息，对多变量时间序列在时空维度上的非线性关系进行捕捉。该文利用深度学习中的循环神经网络，添加双层注意力机制构建多变量时间序列预测模型，对浅海环境下时变的全海深声速剖面进行预测。多个模型的预测结果表明，该模型相对于单纯的编码-解码模型有着明显的预测性能提升，并且注意力权重的分布能够与实际物理现象相关联，为水声学中物理模型与机器学习的结合提供了新的思路。
2022, 44(2): 737-744.
doi: 10.11999/JEIT200912
摘要:
与传统基于电真空器件的窄谱高功率微波源相比，基于旋磁非线性传输线(GNLTL)的宽谱强电磁脉冲源无须驱动电子束、导引磁场和真空条件，具有能量效率高、工作频率可调以及可重频运行等优势，是一种结构简单、适合小型化和固态化的技术方案。该文通过理论分析其产生射频振荡和脉冲陡化的工作机制，并利用商业软件建立一套可视化的2-D GNLTL仿真模型进行验证。通过仿真分别研究不同注入电压和不同轴向偏置磁场下的旋磁输出脉冲的时域和频域特性。模拟结果表明：随着注入电压增大，经调制的振荡电压峰值升高，而调制深度则是先增加后减小到几乎不变，输出电压上升沿减小后趋于稳定，而中心频率则随着注入电压增大而增加；随着偏置磁场增加，输出振荡峰值电压和调制深度均是先增大后减小，输出电压上升沿先减小后增大，而中心频率先减小后增大。
与传统基于电真空器件的窄谱高功率微波源相比，基于旋磁非线性传输线(GNLTL)的宽谱强电磁脉冲源无须驱动电子束、导引磁场和真空条件，具有能量效率高、工作频率可调以及可重频运行等优势，是一种结构简单、适合小型化和固态化的技术方案。该文通过理论分析其产生射频振荡和脉冲陡化的工作机制，并利用商业软件建立一套可视化的2-D GNLTL仿真模型进行验证。通过仿真分别研究不同注入电压和不同轴向偏置磁场下的旋磁输出脉冲的时域和频域特性。模拟结果表明：随着注入电压增大，经调制的振荡电压峰值升高，而调制深度则是先增加后减小到几乎不变，输出电压上升沿减小后趋于稳定，而中心频率则随着注入电压增大而增加；随着偏置磁场增加，输出振荡峰值电压和调制深度均是先增大后减小，输出电压上升沿先减小后增大，而中心频率先减小后增大。
2022, 44(2): 745-753.
doi: 10.11999/JEIT210029
摘要:
针对低信噪比下磁异常信号相似性难以度量的问题，该文提出基于正交基函数(OBF)分解和编辑距离法(EDR)相结合的OBF-EDR磁异常信号相似性度量方法。该方法通过对磁异常信号进行正交基函数分解得到离散基函数系数，根据背景噪声与基函数不相关的特性提高离散基函数系数信噪比，利用编辑距离法对离散基函数系数进行相似性计算从而间接实现对磁异常信号的相似性度量。仿真测试表明OBF-EDR方法相较于EDR算法可在更低信噪比情况下对磁异常信号进行相似性度量。
针对低信噪比下磁异常信号相似性难以度量的问题，该文提出基于正交基函数(OBF)分解和编辑距离法(EDR)相结合的OBF-EDR磁异常信号相似性度量方法。该方法通过对磁异常信号进行正交基函数分解得到离散基函数系数，根据背景噪声与基函数不相关的特性提高离散基函数系数信噪比，利用编辑距离法对离散基函数系数进行相似性计算从而间接实现对磁异常信号的相似性度量。仿真测试表明OBF-EDR方法相较于EDR算法可在更低信噪比情况下对磁异常信号进行相似性度量。
2022, 44(2): 754-759.
doi: 10.11999/JEIT210037
摘要:
该文通过引入幂级数展开式的5阶项对双频干扰下系统非线性失真进行分析，揭示了阻塞干扰产生双频钝感现象的本质原因，并进行了试验验证。理论分析与试验结果表明，当干扰信号强度较弱、系统非线性失真程度较低时，可用精确到3阶项的幂级数展开式描述其传递函数，此时受试装备对双频干扰场强的有效值敏感；随着干扰信号增强，系统非线性失真程度上升，幂级数展开式中的5阶项不可忽略，受试装备对双频干扰出现阻塞效应减弱现象；阻塞程度越高，双频阻塞减弱现象越严重。
该文通过引入幂级数展开式的5阶项对双频干扰下系统非线性失真进行分析，揭示了阻塞干扰产生双频钝感现象的本质原因，并进行了试验验证。理论分析与试验结果表明，当干扰信号强度较弱、系统非线性失真程度较低时，可用精确到3阶项的幂级数展开式描述其传递函数，此时受试装备对双频干扰场强的有效值敏感；随着干扰信号增强，系统非线性失真程度上升，幂级数展开式中的5阶项不可忽略，受试装备对双频干扰出现阻塞效应减弱现象；阻塞程度越高，双频阻塞减弱现象越严重。
2022, 44(2): 760-766.
doi: 10.11999/JEIT201034
摘要:
针对星载全球导航卫星系统(GNSS)反射信号时-空性能问题，该文从1阶统计量角度定义了平均空间覆盖次数、全球覆盖面积百分比和平均回访时间3个衡量星载GNSS反射信号时-空性能的指标，并通过建立GNSS和低轨卫星轨道仿真研究了低轨卫星轨道高度、倾角、升交点赤经以及天线波束对星载GNSS反射信号时-空性能的影响。结果表明：单颗卫星无法满足全球探测的任务需求，当轨道高度为1300 km，倾角为98.7°，天线波束为40°时，平均覆盖次数、平均覆盖面积百分比和平均回访时间分别为1.6, 36.5%和8 h；通过单一轨道的卫星组网可有效提高星载GNSS反射信号的时-空性能，当卫星数目为4，高度为635 km，倾角为98.7°，波束宽度为40°时，星载GNSS反射信号的时-空性能指标高于单颗ASCAT卫星24 h覆盖地球65%的指标；当卫星数目增加至8颗时，星载GNSS反射信号可在平均4.5 h内观测地球88.9%的区域。
针对星载全球导航卫星系统(GNSS)反射信号时-空性能问题，该文从1阶统计量角度定义了平均空间覆盖次数、全球覆盖面积百分比和平均回访时间3个衡量星载GNSS反射信号时-空性能的指标，并通过建立GNSS和低轨卫星轨道仿真研究了低轨卫星轨道高度、倾角、升交点赤经以及天线波束对星载GNSS反射信号时-空性能的影响。结果表明：单颗卫星无法满足全球探测的任务需求，当轨道高度为1300 km，倾角为98.7°，天线波束为40°时，平均覆盖次数、平均覆盖面积百分比和平均回访时间分别为1.6, 36.5%和8 h；通过单一轨道的卫星组网可有效提高星载GNSS反射信号的时-空性能，当卫星数目为4，高度为635 km，倾角为98.7°，波束宽度为40°时，星载GNSS反射信号的时-空性能指标高于单颗ASCAT卫星24 h覆盖地球65%的指标；当卫星数目增加至8颗时，星载GNSS反射信号可在平均4.5 h内观测地球88.9%的区域。
2022, 44(2): 775-780.
doi: 10.11999/JEIT210006
摘要:
利用MEMS惯性测量单元测量载体的航姿，需要借助精密转台且较难精确估算测量误差，导致成本高误差大。针对该问题，该文利用卡尔曼滤波器在线估算载体的姿态和陀螺仪的偏置，提出一种优化航姿精度的测量误差估算方法。通过推导测量误差的数学模型，分析航姿精度随测量误差变化的关系，得到最优航姿时的测量误差值。采用一种MEMS惯性测量单元，测试载体沿任意轨迹匀速运动5 min的航姿。实验结果表明优化后载体的航姿与参考航姿保持一致，且最后静止时段载体的俯仰角、横滚角和航向角仅偏离参考航姿0.008°, 0.006°和0.6°。
利用MEMS惯性测量单元测量载体的航姿，需要借助精密转台且较难精确估算测量误差，导致成本高误差大。针对该问题，该文利用卡尔曼滤波器在线估算载体的姿态和陀螺仪的偏置，提出一种优化航姿精度的测量误差估算方法。通过推导测量误差的数学模型，分析航姿精度随测量误差变化的关系，得到最优航姿时的测量误差值。采用一种MEMS惯性测量单元，测试载体沿任意轨迹匀速运动5 min的航姿。实验结果表明优化后载体的航姿与参考航姿保持一致，且最后静止时段载体的俯仰角、横滚角和航向角仅偏离参考航姿0.008°, 0.006°和0.6°。
