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论网络空间内生安全问题及对策

Cyberspace's endogenous safety and security problem and the countermeasures

邬江兴
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1929-1937
摘要 本文从内生安全问题概念及基本特征研究出发,提出网络空间内生安全防御范式的思维视角、方法论和实践规范.本文指出内生安全问题与其本征功能实体间是事物内部各个对立面之间互相依赖又互相排斥关系的矛盾性表达,具有不可分割性,只可能演进转化或和解而不可能彻底消除;提出网络空间内生安全问题概念并列举了相关实例;定义了网络空间内生安全共性问题并给出了基本特征,强调当前网络安全防御范式不可能从根本上解决内生安全共性问题;比较了网络空间内生安全发展范式与既有范式在思维视角、方法论和实践规范层面的区别.
关键词 内生安全问题; 网络空间内生安全问题; 网络空间内生安全共性问题; 网络空间内生安全防御范式; endogenous safety problem; cyberspace endogenous security & safety problem; cyberspace endogenous security & safety common problem; cyberspace endogenous security & safety defense paradigm;

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人工智能时代的网络空间安全专题简介

李琦, 任奎, 季新生, 陶小峰, N. ASOKAN, Elisa BERTINO, Zhengkai LIANG
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1362-1362
关键词 人工智能时代; 空间安全; 机器学习算法;

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6G网络安全专题

面向6G流量监控: 基于图神经网络的加密恶意流量检测方法

Towards traffic supervision in 6G: a graph neural network-based encrypted malicious traffic detection method

赵键锦, 李祺, 刘胜利, 杨彦青, 洪岳平
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 270-286
摘要 6G作为下一代移动通信技术演进的重要方向,将全面推动经济社会数字化浪潮. 6G网络承载的众多业务将依赖于实体间共享和协同处理海量的数据,数据安全显得尤为重要.当前多数网络应用都会使用SSL/TLS加密协议来保障网络通信的机密性与安全性.然而,加密机制在保障数据安全的同时也给网络安全监管带来了巨大的挑战.尽管针对传统网络的加密恶意流量检测已成为研究热点,但现有技术无法直接应用于6G网络.在海量异构终端即时、无限制通信的6G网络中,网络通信行为模式更加多样化,这使得正常流量与恶意流量的边界相较于传统网络更加模糊,深入分析并利用网络服务相关性与通信行为相关性对加密恶意流量检测有着重要的价值.然而,现有研究不管是对加密流量进行孤立分析还是聚合分析,都忽略了加密流量间丰富的相关关系.为此,我们面向未来6G网络的网络安全问题提出了基于图神经网络的加密恶意流量检测方法 ET-RSGAT.首先,针对6G网络超高速率、超大连接的特点,我们设计了便捷的加密流量特征提取方法:为单条加密会话提取其TLS握手原始字节、TLS记录长度序列等特征表示;其次,考虑到6G网络中海量异构终端互联、多源异质数据共存,我们从网络服务相关性和通信行为相关性这两个方面分析加密会话之间的相关关系,并构建加密流量图ETG.在ETG的基础上,我们引入图注意力网络,充分利用相关关系来丰富节点的特征表示.在更加丰富的节点特征表示的基础上,我们基于多层感知器构建检测模型来识别威胁.考虑到当前6G网络的仿真环境不成熟,我们针对6G网络海量异构终端互联的特点,部署多种异构终端节点并运行各类网络服务来模拟6G通信场景并设计了相关实验对本方法进行了评价.实验结果表明,本方法能够同时在传统网络与模拟环境数据集中取得令人满意的检测结果.
关键词 6G; 恶意流量检测; 加密流量; 图神经网络; 注意力机制; 6G; malicious traffic detection; encrypted traffic; graph neural network; attention mechanism;

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6G网络安全专题

静态场景下基于RIS天线的物理层密钥生成方案

Secret key generation scheme based on RIS antenna for static environments

杨杰, 季新生, 黄开枝, 赵见磊, 管新荣
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 253-269
摘要 针对静态环境下密钥容量低的问题,首次将RIS天线配置在基站设备端用于密钥生成,通过捷变控制RIS单元相移变化,生成随机快变波束,并与原通信信道合并构成新的等价通信信道,从而使密钥容量不受制于自然信道变化速度.然后推导了该方案下密钥容量闭式解,理论分析及仿真表明使用有限单元即可达到与快变信道环境下同等性能,相较于RIS作为反射面部署的方案,在密钥容量增益和防信息泄露等方面具有明显优势.为进一步发挥RIS增益,提出将部分单元用于密钥生成,部分单元用于波束赋形的联合设计方案,推导了该方案下闭式解.最后,在满足密钥容量和通信性能的基础上,给出了最优资源分配策略,仿真表明可以实现密钥容量与通信性能联合提升.
关键词 智能超表面; 密钥生成; 物理层安全; 静态场景; 资源分配; reconfigurable intelligent surface; secret key generation; physical layer security; static environment; resource allocation;

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6G网络安全专题

衰落高斯MIMO窃听信道下安全发送方案及其优化问题

On the optimization problem in fading Gaussian MIMO wiretap channels

马康宁, 徐寅飞, 邵硕, 吴越
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 239-252
摘要 自适应的物理层安全技术是6G通信中具有抗量子攻击实现通信安全一体化的重要挑战问题.本文研究了合法用户信道状态随机衰落,且各状态不满足退化关系的高斯多天线输入输出(MIMO)窃听信道的信道容量问题.我们引入"弱超多数化"(weak supermajorization)理论对各状态排序.并采用广播逼近(broadcast approach)技术,即基于叠加编码(superposition coding)架构设计编码并予以优化,从而完成信道状态信息(channel state information, CSI)未知情况下的物理层安全传输,实现通信系统的内生安全.该编码架构下的参数的优化问题可以表征为对数函数的非凸优化问题,因此我们提出了求解该传输方案最优输入的快速算法.
关键词 高斯MIMO窃听广播信道; 衰落信道; 广播逼近; 叠加编码; 内生安全; Gaussian MIMO wiretap broadcast channel; fading channel; broadcast approach; superposition coding; endogenous security;

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6G网络安全专题

混合窃听环境下多波束符号级安全传输方法

Multi-beam symbol-level secure transmission against hybrid eavesdropping

邱彬, 程文驰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 217-238
摘要 针对毫米波在混合窃听无线通信系统面临的安全问题,基于阵列收发结构,提出了一种有效的无线物理层安全传输方法.在发射端采用多波束符号级方向调制、人工噪声(artificial noise, AN)辅助、天线子集方法,以及合法用户(legitimate user, LU)采用阵列接收确保混合窃听环境下的安全可靠传输.考虑窃听者(eavesdropper, Eve)信息未知,通过最小化发射信息功率准则设计发射波束形成矢量,满足合法用户的接收信号指定符号级约束,确保合法用户有效接收.将剩余的发射功率分配给人工噪声,最大限度扰乱窃听者的接收信号.此外,通过最小均方差无失真响应准则设计合法用户接收权矢量,有效抑制干扰信号.仿真结果证明了所提方法在能量效率和安全增强方面的优越性.
关键词 物理层安全; 人工噪声; 混合窃听; 多波束; 方向调制; physical layer security; artificial noise; hybrid eavesdropping; multibeam; directional modulation;

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6G网络安全专题

6G网络内生安全架构研究

Built-in security framework research for 6G network

粟栗, 庄小君, 杜海涛, 冉鹏, 黄晓婷, 杨朋霖
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 205-216
摘要 6G将是一个覆盖空天地海的一体化网络,并为用户提供按需服务.高安全性是6G网络的重要特性,在规划的6G架构中,安全能力将作为一个独立的逻辑面为6G网络和应用提供服务与保障.本文分析并归纳了6G安全演进的3个方面的趋势:一是网络架构的分布式自治化增加了暴露面,需要网元、子网自身具备高安全性;二是全面云化和虚拟化进一步增加了内部攻击的风险,需要基于零信任理念设计网元、网络内部的安全防护措施;三是按需服务的业务能力需要内部建设智能协同机制,并具备弹性、可编排安全能力资源池.基于上述需求和安全技术发展的趋势,本文提出了以内部安全能力建设为基础的6G安全建设思路,设计了包含安全能力层、安全策略控制器、安全智能中心、安全管理中心,协同信任共识设施、编排能力、人工智能能力形成的6G内生安全架构.本架构以网络内建安全能力为基础,信任共识机制为纽带,智能协同技术为手段,形成主动免疫、信任共识、协同弹性的安全架构与运行机制.通过构建可信链路的实际案例推演证明,该架构可为6G网络和应用提供灵活、按需的安全服务.
关键词 6G; 内生安全; 运行机制; 网络安全; 信任; 6G; build-in security; operating mechanism; network security; trust;

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6G网络安全专题

网络空间内生安全发展范式

Development paradigms of cyberspace endogenous safety and security

邬江兴
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 189-204
摘要 本文试图从科学研究范式的高度诠释网络空间安全发展历程的思维视角和方法论,指出相应发展范式变革的本质原因,目的是围绕网络空间普遍存在的内生安全共性问题和基于这些共性问题引发的"未知的未知"安全威胁,提出解决问题的新理论、新方法论以及相关的实践规范,以期用内生安全发展新范式为网络空间安全领域以及新一代信息技术与相关产业贡献可复制的成功模板.本文在简要介绍范式的概念和理论基础上,以范式的世界观和方法论回顾了传统网络空间安全的主要发展历程以及难以克服的挑战,归纳总结网络空间内生安全共性问题,提出网络空间内生安全发展新范式,介绍了新范式的理论基础、实践规范以及机制方法.
关键词 内生安全共性问题; 未知的未知安全威胁; 相对正确公理; 动态异构冗余构造; 内生安全发展范式; endogenous security common problem; unknown-unknown security threats; relatively-correct axiom; dynamic heterogeneous redundancy architecture(DHR); endogenous safety and security development paradigm;

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6G网络安全专题

6G网络安全专题编者按

季新生, 陶小峰, 刘斐, 黄开枝, 王慧明, 李娜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 187-188

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基于3D波束成形的隐蔽无线通信威胁区域构建

Threat region development of covert wireless communication based on 3D beamforming

林钰达, 金梁, 黄开枝, 韩乾
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1360-1374
摘要 为了实时且直观地评估当前隐蔽无线通信系统所面临的未知非法检测威胁,本文首次定义了隐蔽威胁区域并设计了相应轻量级算法.首先,在莱斯衰落信道和噪声不确定条件下构建了基于3D波束成形的下行隐蔽无线通信系统模型,分析了敌方最优检测性能,推导了系统最小平均隐蔽概率;然后,给出了通信速率及连接中断概率闭式表达式,求解了给定敌方位置时的系统最大化隐蔽吞吐量优化问题;最后,针对实际通信场景中无法获知敌方位置或分布规律的情形,定义了系统隐蔽威胁区域这一新的性能指标,并设计了相应轻量级算法.仿真结果验证了系统的隐蔽性能、总体性能,以及所提算法性能,揭示了背景噪声、信道环境、天线构造和系统要求等主要参数对隐蔽威胁区域的影响.
关键词 隐蔽无线通信; 隐蔽威胁区域; 3D波束成形; 莱斯衰落; 噪声不确定; covert wireless communication; covert threat region; 3D beamforming; Rician fading; noise uncertainty;

通信 网络安全 评述 Website Google Scholar

5G安全技术研究与标准进展

Survey on research and standardization of 5G security technology

强奇, 武刚, 黄开枝, 胡苏, 李少谦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 347-366
摘要 随着第五代移动通信系统(5th generation wireless systems, 5G)及其演进系统的商用和其在物联网、车联网等垂直领域的融合发展,其安全问题越来越受到关注.本文从潜在威胁、安全架构和安全技术3个方面阐述了相关研究进展.首先,根据攻击者对系统有效性、信息完整性、身份认证、隐私和机密性保护的不同安全目标,将5G潜在的安全威胁进行了分类,分析了各个层次可能面临的威胁与攻击手段.其次,简述了相关标准中的5G安全架构,讨论了5G及其演进系统潜在的物理层、网络层和应用层安全技术.最后,本文指出了未来继续提升5G及B5G安全的潜在研究方向.
关键词 5G安全; 5G演进; 系统架构; 安全威胁; 物理层安全; 5G security; beyond 5G; system architecture; security threats; physical layer security;

通信 网络安全 刊讯 Website Google Scholar

B5G网络安全专题简介

季新生, 陶小峰, 黄开枝, 吴慧慈
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 171-172
关键词 网络安全; B5G; 物理层安全;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar

超宽角域广义布儒斯特超表面

Ultrawide-angle generalized Brewster metasurface

吕奇皓, 金城, 田步宁, 张彬超, 张鹏宇
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 128-145
摘要 针对传统超表面存在大角度电磁性能恶化问题,提出了广义布儒斯特波阻抗匹配理论,实现超表面电磁性能的超宽角域稳定性.首先针对超宽角域透波问题,将超表面本征参数由各向同性标量推广至各向异性张量,建立包含入射角变量的各向异性超表面特性阻抗模型,推导了全角域透波的广义布儒斯特波阻抗匹配条件,将单一角度下的传统布儒斯特理论推广至整个角域.接着,针对电磁吸波问题,进一步将本征参数张量从实数域推广至复数域,建立了吸波超表面的复反射系数的角域模型,推导实现双极化超宽角域吸波的广义布儒斯特复波阻抗匹配条件,将广义布儒斯特波阻抗匹配理论由超宽角域透波推广至超宽角域吸波.最后,根据该理论分别研制了超宽角域透波和吸波超表面,仿真和实验均证明了它们在0?~80?超宽角域内的透波性能和在0?~75?超宽角域内的吸波性能.
关键词 超表面; 超宽角域; 斜入射; 广义布儒斯特理论; 本征参数张量; metasurface; ultrawide-angle; oblique incidence; generalized Brewster theory; constitutive parameter tensors;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

功放数字预失真线性化技术发展趋势与挑战

Digital predistortion: development trends and key techniques

刘昕, 陈文华, 吴汇波, 冯正和
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 569-595
摘要 射频功率放大器是发射机的核心器件之一,它在提供高效率的同时也成为了发射机非线性失真的主要来源.因此,发射机往往采用额外的功放线性化技术以兼顾效率和线性度,其中,数字预失真技术以其高精度、稳定、可灵活配置等优势成为目前应用最广泛、应用效果最好的一类线性化技术.本文从数字预失真的基本原理和关键技术出发,回顾了数字预失真技术近三十年的发展历程,探讨了目前数字预失真发展面临的关键技术挑战,为今后的研究提供了参考.
关键词 无线通信; 射频功率放大器; 数字预失真; 行为建模; 发展趋势; wireless communication; RF power amplifier; digital predistortion; behavioral modeling; development trends;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar

松散电接触对无源互调干扰的影响机理分析

Analysis of passive intermodulation distortion caused by loose electrical contact

杨会平, 黄为, 曾碧卿, 温和
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1316-1330
摘要 抑制无源互调干扰是确保新一代移动通信系统安全、稳定和经济运行的重要前提,也是推进我国电信基础设施共建共享的重要保证,对无源互调干扰的产生机理进行分析是抑制其干扰产生的最根本性手段.本文综合性地阐述了金属松散电接触对无源互调干扰的影响机理,包括金属电接触表面的微观特征分析、松散电接触等效电路模型建立、松散电接触面电流密度和阻抗等电特征量对互调干扰作用机制等内容.理论建模、软件仿真以及实验测试表明:松散电接触导致增大的面电流密度与接触阻抗是产生无源互调干扰的直接原因.
关键词 无源互调干扰; 松散电接触; 同轴连接器; 接触阻抗; 新一代移动通信系统; passive intermodulation; loose contact; coaxial connectors; contact impedance; next-generation communication system;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar

5G毫米波大规模MIMO阵列失效特性分析

Analysis on the characteristic of millimeter-wave 5G massive MIMO array with failed elements

蒯乐, 周后型, 陈继新, 洪伟
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1156-1167
摘要 大规模MIMO阵列是第五代移动通信(5G)的关键技术之一.然而,阵列在经历了长时间工作之后,会出现部分通道失效的情况,从而对大规模MIMO阵列的辐射性能造成不同程度的影响.本文针对5G毫米波大规模MIMO阵列中不同数量通道失效以及失效通道处于不同失效状态时的辐射特性进行了系统的仿真与实验研究,并在此基础上对MIMO阵列的辐射性能进行了统计分析.提出并建立了大规模MIMO阵列部分通道失效状态下的方向图参数概率模型,对概率模型的结果和统计分析的结果进行了对比,验证了概率模型的正确性和有效性,所给出的概率模型可以代替基于大量样本的仿真或实验结果进行统计分析的方法,对有不同比例的通道失效及不同失效状态时阵列的辐射特性进行快速评估,直接得出阵列主要辐射参数的期望值和方差.此外,本文还分析了不同失效比例和状态下主要辐射特性的概率分布.
关键词 5G, 大规模 MIMO, 毫米波, 有源天线阵列, 失效

通信 信息论与编码 论文 Website Google Scholar

考虑LDPC码字的NAND闪存信道量化

LDPC code-dependent quantization for the NAND flash channel

方泽群, 马征, 周璇, 庞琦珂
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1542-1559
摘要 随着尺寸工艺的提升和存储方法的演进, NAND闪存芯片的存储密度正在一步步提高.而存储密度的提高带来了芯片物理容错性能的下降,从而导致器件的寿命下降.如何保证NAND闪存的使用寿命是目前闪存器件的研究热点问题.纠错编码的软判决译码器应用到NAND闪存中能够充分提供数据可靠性保障,但其在数据读取时的量化方法是核心问题之一.针对目前最大互信息量化方法没有考虑纠错编码码字特性的缺点,本文提出使用密度进化量化算法来进行基于低密度奇偶校验码(low density parity check, LDPC)码字特征的量化.为了适应NAND信道非对称的特点,本文进一步提出首先利用比特翻转器来将实际非对称译码器输入对称化,然后通过使用固定比例方法进一步减少搜索最佳读取电压位置的复杂度.经在NAND闪存信道下的数值仿真比较,本文提出的量化算法可以比最大互信息量化算法更好地提升译码性能,能够显著提升闪存器件的寿命.
关键词 NAND闪存; 非对称信道; LDPC码; 量化; 密度进化; NAND flash memory; asymmetric channel; LDPC codes; quantization; density evolution;

通信 光通信 论文 Website Google Scholar

130∼170 GHz平坦毫米波噪声信号产生技术

Generation of 130{170 GHz flat millimeter-wave noise signal

孙粤辉, 郭亚, 王云才, 刘文杰, 黄海碧, 黄奕敏, 秦玉文
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2155-2162
摘要 本文提出了一种基于三束非相干光混频产生D波段平坦毫米波噪声信号的方法.通过设置与调节三束光的中心波长与滤波光谱宽度,利用高速光电探测器同时实现光生毫米波噪声信号的频率范围与功率谱平坦度有效可控.理论分析了三束高斯型非相干光的中心波长差、滤波光谱宽度与预设频段噪声功率谱平坦度的关系.实验中,以单行载流子光电探测器(UTC-PD)为光混频器,在130~170 GHz产生了超噪比(ENR)> 35 dB、平坦度低至±2.5 dB的D波段毫米波噪声信号.
关键词 噪声发生器; 毫米波噪声; 光子混频; 超噪比; 平坦度; noise generator; millimeter-wave noise; photonic mixing; excess noise ratio; flatness;

通信 其他 编者按 Website Google Scholar

复杂场景下目标协同智能检测专题

编者按

朱中梁, 廖桂生, 郭福成, 王鼎
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1941-1941

通信 其他 编者按 Website Google Scholar

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

纪念清华大学电子工程系成立 70 周年专刊编者按

周炳琨, 陆建华, 罗毅, 王希勤, 黄翊东, 汪玉, 金德鹏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 567-568

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

计算阵列——计算赋能的数字阵列技术

Computational array — digital array with computational empowerment

吴曼青, 赵逸超, 何峰, 粟毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2270-2289
摘要 计算阵列是计算与传感深度融合的新一代数字阵列.由于引入单元计算,在发射和接收端构建“阵元–模块–系统”三级分布式计算架构,不仅能开发当前数字阵列的发射自由度,还能最大限度利用感知数据满足大任务中海量数据的传递与分布式计算的需求,解决当前数字阵列数据传输和处理压力.本文对计算阵列进行了综述,主要介绍计算阵列的概念和内涵、能力优势和应用、设计与实现和未来发展趋势.
关键词 计算阵列; 传感计算一体化; 发射自由度; 计算单元; 计算中心; computational array; integration of computing and sensing; computational unit; transmitting freedom; computational center;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

基于散射图卷积网络的PolSAR影像地物分类

Scattering graph convolutional network-based PolSAR image classification

刘旭, 李玲玲, 刘芳, 杨淑媛, 侯彪, 焦李成
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1900-1914
摘要 本文针对极化合成孔径雷达(polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR)图像解译中特征提取不足与目标分类困难的问题,进行了深入的研究,提出了一种基于散射图卷积网络的PolSAR影像分类方法.在特征提取方面,本文给出了极化散射编码的一维表现形式;同时,考虑目标散射的特性和像素间的复杂关系,结合图论理论,提出了一种新的散射机制的图表示模型,来刻画复杂的极化散射机理;最后,将这种新的散射建模方法和图卷积网络结合,提出了PolSAR图像分类的新方法,从而更加高效、高精度地完成分类任务.实验结果表明,在5幅公开的PolSAR图像上(PolSF数据集),本文提出的算法具有良好的分类性能.
关键词 散射; 特征表示; 图卷积网络; 极化SAR图像; 地物分类; scattering; feature representation; graph convolutional network; PolSAR image; classification;

通信 雷达技术与遥感图像处理 进展 Website Google Scholar

稀疏阵列MIMO雷达参数估计研究进展

Research progress on sparse array MIMO radar parameter estimation

刘永祥, 师俊朋, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1560-1576
摘要 利用稀疏阵列多输入多输出(multi-input and multi-output, MIMO)雷达的虚拟孔径扩展特性开展参数估计研究具有重要的理论意义和应用前景.本文以稀疏阵列MIMO雷达设计和参数估计为导向,以提高估计精度和降低运算量为落脚点,从子空间类和压缩感知类算法的契合点出发,围绕阵列设计、波达方向估计、角度联合估计等方面,构建了系统的稀疏阵列MIMO雷达参数估计理论.最后,从阵列优化设计、混合目标参数估计、非理想因素抑制和分布式平台搭建等方面展望了稀疏阵列MIMO雷达的发展趋势.
关键词 稀疏阵列; MIMO雷达; 参数估计; 孔径扩展; 压缩感知; sparse array; MIMO radar; parameter estimation; aperture extension; compressive sensing;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

一种同时全极化雷达发射波形和接收滤波器联合设计的抗间歇采样转发干扰方法

An anti-jamming method against interrupted sampling repeater jamming based on designing transmitted waveforms and receiving filters for simultaneous polarimetric radar

王福来, 庞晨, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1333-1348
摘要 针对间歇采样干扰生成的高逼真虚假目标串能将真实目标回波掩盖,致使雷达目标检测功能失效的问题,本文以降低脉冲压缩后的干扰能量为出发点,首次提出了在同时全极化雷达体制下,基于正交发射波形和接收滤波器联合设计的间歇采样干扰抑制方法.文中首先建立了以脉冲压缩输出信号旁瓣能量为指标的目标函数;其次,以抑制间歇采样干扰为目的,根据发射波形的恒模约束等条件,建立了同时全极化雷达体制下发射波形与接收滤波器的联合优化模型;最后,通过交替迭代优化方法对该模型求解,继而实现对间歇采样干扰的抑制.数字仿真和半实物硬件系统测试结果表明,本文提出的方法能有效抑制间歇采样干扰,提升全极化雷达在复杂电磁环境下的抗干扰能力.
关键词 全极化雷达; 抗干扰; 间歇采样转发干扰; 波形设计; 非线性优化; fully polarimetric radar; anti-jamming; interrupted sampling repeater jamming; waveform design; nonlinear optimization;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

雷达图像深度学习模型的可解释性研究与探索

Research and exploration on the interpretability of deep learning model in radar image

李玮杰, 杨威, 刘永祥, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1114-1134
摘要 虽然深度学习技术在雷达图像处理任务中获得了部分应用,但缺乏对黑盒模型的可解释性分析和全面的性能评估,限制了该技术在雷达图像领域中的应用性能、可信度和广泛性.本文从可解释性入手,提出了雷达图像深度学习黑盒模型分析思路,在开源MSTAR雷达图像数据集上进行实验验证.从深度学习模型的迁移机制和认知机理两个方面进行分析,得到了关于迁移学习、归因方法应用和模型鲁棒性评估方面的相关结论,填补了现有研究的空白.
关键词 深度学习; 雷达图像; 可解释性; 迁移学习; 归因方法; 鲁棒性; deep learning; radar image; interpretability; transfer learning; attribution algorithm; robustness;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

基于Wishart梯度和SIFT方法的极化SAR图像配准

A PolSAR image registration method based on the Wishart gradient and SIFT method

王洪淼, 杨健, 殷君君
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 687-699
摘要 目前基于多幅极化SAR图像融合的遥感应用受到了广泛关注.图像配准是图像融合应用的一个关键预处理步骤.典型的SAR-SIFT配准算法不能利用极化SAR图像的目标极化信息.本文提出Wishart-SIFT配准方法,即利用Wishart梯度代替SAR-SIFT中的比值梯度,并基于此梯度建立改进的SIFT配准算法,从而充分利用极化SAR图像的目标极化信息.我们在RADARSAT-2和AIRSAR的数据集上分别实验验证了Wishart-SIFT方法在不同视角和不同频段极化SAR图像下的配准效果,结果显示Wishart-SIFT方法在配准精度和稳定性方面均优于SAR-SIFT方法.
关键词 极化SAR; 图像配准; SIFT; Wishart梯度; 多波段; polarimetric SAR; image registration; SIFT; Wishart gradient; multi-frequency;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

频谱拥挤环境下雷达扩展目标探测极小极大波形设计

Radar minimax waveform design for extended target detection in the presence of spectrally crowded environment

徐舟, 朱家华, 范崇祎, 黄晓涛
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2134-2148
摘要 雷达频段的逐渐拓宽以及5G通信的广泛应用使得频谱资源越发拥挤,宽带雷达在提高距离分辨率的同时,使得目标散射特征由原来的点特征向距离扩展特征转变.本文立足于频谱拥挤环境下的扩展目标探测波形设计问题,以输出信干噪比(signal to interference pulse noise ratio, SINR)为准则,通过建立极小极大(minimax)优化模型,研究在距离扩展目标冲击响应(target impulse response,TIR)非准确已知情况下,具有良好的频谱兼容与脉冲压缩性能的雷达波形设计问题,确保检测性能对TIR的偏差具有稳健性.在波形优化过程中,借鉴Minorization Maximization (MM)算法的思想,构造序列的子minimax问题对原波形设计问题进行逼近.针对子minimax问题,给出了基于拉格朗日(Lagrange)对偶的求解算法,并对算法复杂度和收敛性进行了分析.仿真结果表明,依照所提算法设计的波形能够满足频谱兼容性且具有较好的脉冲压缩性能,是一种稳健的检测波形,相比当前其他算法,所提算法能够确保迭代的收敛性,而且在TIR先验偏差较大时获得更高的SINR.
关键词 扩展目标探测; 频谱兼容; 极小极大优化; Minorization Maximization算法; 拉格朗日对偶; extended target detection; spectral compatibility; minimax optimization; Minorization Maximization algorithm; Lagrange duality;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

一种提高全极化相控阵雷达极化测量精度的方法

An approach to improve the polarization measurement accuracy of fully polarimetric phased array radar

王占领, 殷加鹏, 庞晨, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1183-1198
摘要 天线交叉极化隔离度与全极化相控阵雷达极化信息精确获取密切相关.为提高交叉极化隔离度,基于三馈点微带贴片天线阵元提出了一种全极化相控阵极化状态配置方法.不同于传统的固定极化状态,如线极化和圆极化,该方法可根据波束指向动态调整辐射信号的极化状态.将交叉极化隔离度提高问题建模成一个多变量带约束非线性最优化问题,从而实现全极化阵元激励幅度和相位的最佳配置.同时,为实现全极化相控阵在极化散射特性测量中的统一化表示,推导了任意极化状态下标准散射体的固有和后向散射矩阵的通用表达式.利用全极化相控阵天线验证了所提极化状态配置方法的有效性和可行性.通过仿真分析,结果表明该方法能够获得更高的交叉极化隔离度,并且能够适应相控阵天线波束宽角扫描特性.经过极化状态配置后的隔离度参数可以显著提高全极化相控阵雷达极化测量精度.
关键词 交叉极化隔离度, 全极化相控阵雷达, 极化测量, 极化状态配置, 三馈点微带贴片天线

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高光谱图像光谱维结构相关性及稀疏重建模型

Spectral dimensional correlation and sparse reconstruction model of hyperspectral images

王相海, 王顺, 谢释铖, 李业涛, 陶兢喆, 宋传鸣
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 449-467
摘要 高光谱图像(HSI)的高维度、高冗余等特性给其传输和处理带来了极大的挑战.近年来基于压缩感知的HSI重建受到重视并成为一前沿问题,在这一领域中有效挖掘HSI的稀疏先验成为提高其重建质量的一个关键.本文首先定义了HSI波段组的"光谱维面",并以此为切入点对HSI光谱维的结构相关性进行研究,获得了如下结论:一是HSI光谱维面的纹理分布较空间域更为简单和均匀,且其纹理的对比度低、平稳度高,更容易被稀疏表达,二是在HSI光谱维面,与参考块相邻的搜索区域内存在着一定数量的与参考块具有较高相似度的光谱曲线块;进一步确定了基于光谱维面的HSI光谱维结构相关性的涵义,并提出了相应的稀疏测量模型;在此基础上,通过整合空间维非局部相关性与光谱维结构相关性的稀疏表示,提出了稀疏模型S-SCo SM,并以其为稀疏约束先验构建了HSI的稀疏重构模型.大量实验表明,所提出的稀疏模型S-SCo SM从空间维和光谱维两个角度更深层次地挖掘了HSI的相关性,获得了更为充分和有效的HSI稀疏约束先验,使HSI的重构质量得到进一步提升,在有效提高重构波段图像空间信息质量的同时,很好地保持了波段组的光谱属性.
关键词 高光谱图像; 光谱维面; 光谱维结构相关性; 联合稀疏; 稀疏重建; 波段组; hyperspectral image; spectral dimension; spectral dimensional correlation; joint sparse; sparse reconstruction; band group;

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构建我国近地小行星探测雷达系统的需求与技术途径探讨

Discussion on the requirements and feasibility of constructing China’s near-Earth asteroids radar system

李海涛, 刘建军, 陈少伍, 樊敏, 严韦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 325-346
摘要 近地小行星既是人类科学探测的重要目标,也是对人类地球家园构成重要威胁的灾害之源.利用地基雷达系统进行近地小行星探测具有独特的技术优势.随着我国科技实力的不断增强,开展近地小行星雷达探测已经成为科学探测、国家安全和国际义务等领域的关注重点.本文以此为背景,探讨了我国在科学探测、国家安全和国际义务3个领域的近地小行星雷达探测需求,分析了国际上主要的行星雷达系统技术现状和后续重点技术发展方向.结合我国深空测控网和射电天文网的技术现状及未来的发展规划,对后续我国建设地基小行星探测雷达系统的主要技术途径进行探讨,并对不同技术途径的特点进行了初步分析.
关键词 近地小行星; 雷达探测需求; 行星雷达; 技术途径; near-Earth asteroids; radar detection requirements; planetary radar systems; technical approaches;

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复杂运动目标雷达成像研究进展

Progress in radar imaging for maneuvering targets

黎湘
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 305-324
摘要 雷达成像是获取目标精细结构特征的重要技术途径.对于复杂运动目标,传统基于距离–多普勒(range-Doppler, RD)原理的逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)成像性能下降:在距离维上,高速运动导致一维距离像展宽,且雷达系统硬件能力制约了大带宽实现,约束成像纵向分辨率;在多普勒维上,非合作复杂运动呈现的时变和非线性破坏成像条件,约束成像横向分辨率.本文首先分析了复杂运动对ISAR成像的影响机理,接着从距离和多普勒两个维度,对复杂运动目标ISAR成像技术进行了综述,阐述了高速运动补偿、多频段融合成像、高次相位补偿与稀疏ISAR成像等技术途径.进一步针对ISAR成像体制的局限,阐述了复杂运动目标波前调制超分辨雷达成像新途径,其中包括波前随机调制和电磁涡旋两种技术途径.最后对复杂运动目标雷达成像进行了总结与展望.
关键词 逆合成孔径雷达(ISAR)成像; 复杂运动; 高速运动补偿; 多频段融合成像; 稀疏ISAR成像; 波前随机调制; 电磁涡旋; inverse synthetic-aperture radar(ISAR) imaging; complex motion; high-velocity compensation; multiband fusion; sparse ISAR imaging; wave front random modulation; electromagnetic vortex;

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地月空间近地小行星观测系统研究

Near-Earth asteroids observation system in cislunar space

唐玉华, 吴伟仁, 李明涛, 韩思远, 祁海明, 王新涛, 周琪, 张哲, 田少杰, 石萌, 金霄
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1169-1185
摘要 近地小行星撞击是造成人类毁灭性灾难的七大威胁之一,开展小行星防御、保护地球家园是全人类共同的责任.做好小行星防御,首先要建立和完善小行星监测系统.目前,国际小行星监测主要以地基光学系统监测为主,由于光学观测条件限制,导致来自太阳方向的小行星无法及时被“捕获”跟踪,而天基监测系统由于其特定的位置优越性,成为地基观测系统的有益补充.本文系统梳理了地基监测系统存在的问题和不足,分析了月基和地月空间轨道部署望远镜的优劣,提出了基于地月系统L4,L5点轨道部署天基望远镜用于近地小行星观测的方案,并提出了国际合作实施建议,对未来构建近地小行星监测系统具有参考价值.
关键词 地月空间; 行星防御; 近地小行星; 拉格朗日点轨道; 红外望远镜; cislunar space; planetary defense; near-Earth asteroids; Lagrange point orbit; infrared telescope;

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基于多域判别核典型相关分析的辐射源指纹特征融合方法

Radio frequency fingerprinting feature fusion based on multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis

孙丽婷, 王翔, 黄知涛
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 146-163
摘要 辐射源个体识别(specific emitter identification, SEI)是指通过提取信号中蕴含的有关其发射来源的硬件指纹信息,来实现对特定信号辐射源的精确识别. SEI技术的关键在于指纹特征的提取.相关研究大多侧重于定义和提取新的指纹特征,较少关注对已有特征的综合利用问题.鉴于不同分析域的特征对辐射源指纹的描述存在互补性,本文提出一种基于多域判別核典型相关分析(multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis, MDKCCA)的辐射源指纹多域特征融合方法,充分利用特征的标签信息以及特征间的互补性,在高维空间完成多域特征的降维与融合.以4个特征分析域8种常见指纹特征为依托,在4种不同类型的实测数据集上验证了算法的性能.结果证明,该方法无需人工特征寻优环节,可大幅降低融合特征的维度,对4类目标的准确识别率均达到95%以上,优于最优单一特征,同时优于基于直接级联或基于PCA (principal component analysis)降维变换的简单特征综合方法、基于神经网络的特征综合方法,以及基于判别相关分析(discriminant canonical correlation,DCA)等方法的特征融合方法.
关键词 辐射源个体识别; 特征融合; 多域辐射源指纹特征; 典型相关分析; 特征提取; specific emitter identification(SEI); feature fusion; multi-domain radio frequency fingerprint feature; canonical correlation analysis(CCA); feature extraction;

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复杂场景下目标协同智能检测专题

基于地球高程信息的运动辐射源时差频差无源定位算法

Moving source localization using TDOA and FDOA measurements in the presence of altitude knowledge

裴禹豪, 张敏, 郭福成, 王垚
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1974-1991
摘要 本文研究利用时差频差以及地球高程信息对运动辐射源的定位测速问题.针对高程信息精确已知的情况,提出一种鲁棒迭代约束加权最小二乘法RICWLS-noAE (robust iterative constrained weighted least squares without altitude error).方法通过引入多个辅助变量将测量方程伪线性化,而后根据加权最小二乘准则构建含4个二次约束的代价函数,最后通过将二次约束近似成伪线性约束的方式迭代求解出辐射源的位置和速度.当高程信息存在误差时,对算法进行拓展,提出RICWLS-AE(robust iterative constrained weighted least squares under altitude error)以解决对运动辐射源定位测速问题.数值仿真表明本文所提RICWLS-noAE法的定位和测速性能要好于现有的两步加权最小二乘法,并且RICWLS-AE方法在中等信噪比下也能达到CRLB.
关键词 无源定位; 运动辐射源; 时差; 频差; 高程信息; passive localization; moving source; time difference of arrival; frequency difference of arrival; altitude knowledge;

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复杂场景下目标协同智能检测专题

针对超视距短波辐射源的测角与测时差协同定位方法

Novel cooperative localization method of over-the-horizon shortwave emitters based on direction-of-arrival and time-difference-of-arrival measurements

王鼎, 尹洁昕, 朱中梁
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1942-1973
摘要 对短波超视距辐射源进行定位在国防安全领域具有重要意义.短波多站定位体制包括测角交汇定位和测时差交汇定位,它们在性能上各有优劣.为了结合这两种定位技术的优势,本文研究短波测角与测时差协同定位问题.首先,在超视距传播场景下依次构建二维波达方向(direction-of-arrival,DOA)和到达时差(time-difference-of-arrival, TDOA)非线性观测模型;然后,在电离层虚高先验观测误差存在下推导定位精度的克拉美罗下界(Cramér-Rao lower bound, CRLB);接着,针对超视距观测方程的强非线性特征,提出一种基于DOA/TDOA观测量的短波协同定位方法;最后,利用一阶误差分析方法证明所提方法的渐近统计最优性.该方法包含两个阶段:阶段1通过引入辅助变量并求解一元二次方程得到短波DOA伪线性观测方程,基于此构建含双重二次等式约束的优化模型,并提出一种基于矩阵QR分解的迭代优化算法,用于获得辐射源位置中间估计值;阶段2利用该估计值构建短波TDOA伪线性观测方程,并提出基于矩阵分解的迭代型约束加权最小二乘估计器,以确定最终定位结果.仿真实验结果表明,所提的协同定位方法具有较好的全局收敛性,其定位性能可达到CRLB,并能获得较高的协同增益.
关键词 无线定位; 短波辐射源; 波达方向; 到达时差; 克拉美罗下界; QR分解; 理论性能分析; wireless positioning; shortwave emitter; direction-of-arrival(DOA); time-difference-of-arrival(TDOA); Cramér-Rao lower bound(CRLB); QR decomposition; theoretical performance analysis;

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频谱共生干扰主动抑制技术研究

Research on the active cancellation technology of spectrum symbiotic interference

郭文博, 林朗, 赵宏志, 唐友喜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1915-1928
摘要 针对频谱共生无线通信系统,提出了一种主动式共生干扰抑制架构.在此基础上,以残余接收功率最小化为目标,提出了一种频谱共生干扰的时幅相三维联合抑制算法,其主动利用频谱共生无线通信系统中发射电磁波的信号特征,在时、幅、相3个维度对共生干扰进行调整、重建和抑制.理论和仿真分析表明,所提架构和算法可以将共生干扰抑制到底噪水平,并且具有较低的空间复杂度和时间复杂度.
关键词 频谱共生; 干扰抑制; 联合搜索; 复杂度; 残余功率; spectrum symbiotic; interference cancellation; joint search; complexity; residual power;

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RS-LDPC概率联合译码算法

RS-LDPC stochastic joint decoding algorithm

孙怡宁, 黄秋, 胡剑浩, 康凯
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 922-933
摘要 现有的译码方案中,由于复杂度问题, LDPC码多使用部分并行译码架构,难以满足高速、超高速应用; RS码多采用硬判决译码算法.因此,对于RS-LDPC级联码译码在复杂度和性能上有进一步优化的空间.本文基于概率计算的思想提出了RS-LDPC概率联合迭代译码算法.该算法继承了概率LDPC译码器的低复杂度优势和概率RS译码算法可采用硬译码器逼近软译码性能的特点,同时通过联合迭代译码架构改善了译码性能.为此,我们设计了一种基于LDPC概率值的测试向量产生方法和一种新颖的应用于概率LDPC译码器的变量节点结构的附加外信息生成机制.仿真结果表明,在误比特率为10-6处,我们提出的算法与使用浮点BP和BM硬判决译码的RS-LDPC级联译码方案相比,可以获得0.3 d B的增益;其实现复杂度为一个概率LDPC译码器和多个RS硬译码器的复杂度;译码时延由概率LDPC译码器时延决定.因此,本文提出的联合译码算法具有很好的应用价值.
关键词 RS码; LDPC码; 概率计算; 联合迭代译码; RS codes; LDPC codes; stochastic computing; joint iterative decoding;

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面向智能体的语义通信: 架构与范例

Semantic communication for intelligent devices: architectures and a paradigm

张亦弛, 张平, 魏急波, 赵海涛, 熊俊, 张姣
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 907-921
摘要 语义通信关注的是语义的准确传递,而不是数据或通信符号的准确传输,因此可以达到用更低的通信量实现更高效信息交互的目标,是适用于智能体交互的高效通信机制.本文分析总结了与语义通信紧密相关的一些研究工作,探讨了一种面向智能体的语义通信架构,并分析了该架构下各模块的功能;进一步,从有效性和可靠性两个方面分析了语义通信性能的指标和评估方法;最后,通过一个范例来说明语义通信的实现过程,证明其相较于传统通信方式可以显著降低通信量.
关键词 语义通信; 智能体通信; 语义相似度; 语义编码; 语义译码; semantic communication; intelligent communication; semantic similarity; semantic coding; semantic decoding;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

一种面向商用接收机的GNSS欺骗干扰源测向方法

A direction finding method of the GNSS spoofer for commercial receivers

王仲潇, 李洪, 周子恒, 陆明泉
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 658-674
摘要 随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)应用的日益广泛和欺骗攻击威胁的日益加剧,针对商用接收机开展反欺骗研究是十分必要和迫切的.本文提出了一种面向商用接收机的GNSS欺骗干扰源测向方法.该方法利用水平面内运动接收机提供的多普勒(Doppler)观测量和钟漂解算信息构造双差观测量,计算提取了由接收机运动产生的多普勒信息,并利用该信息实现欺骗干扰源测向.本文给出了欺骗源方位角和仰角测量的最大似然估计(maximum likelihood estimation,MLE)方法,推导了克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB),分析了影响角度估计性能的因素,并通过外场试验验证了所提方法的有效性.
关键词 全球导航卫星系统; 欺骗攻击; 波达方向; 多普勒; 最大似然估计; GNSS; spoofing; DOA; Doppler; MLE;

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室内空气质量物联网部署、优化和数据预测

Deployment, optimization and data prediction of Internet of Things for indoor air quality

张楠, 白子轩, 张泓亮, 宋令阳
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 160-175
摘要 调查研究显示,城市地区人们平均有超过70%的时间在室内度过,因此良好的室内空气质量及其实时信息对维持健康和生产力至关重要.本文使用低成本物联网传感器网络对室内健身房空气质量进行监测,研究了电量受限的传感器网络位置部署和能量控制优化问题.为了提高测量数据的有效性,使用模拟退火算法寻找最优的部署位置;为了提高能量利用率,使用动态规划算法合理规划传感器的感知策略;为了获得室内空气质量的变化趋势,使用LSTM网络对室内空气质量进行预测,并使用遗传算法对网络超参数进行优化.通过仿真评估所提出的解决方案的性能,显示当联合采用位置部署和能量优化策略时,性能显著提升,预测算法可以对未来的空气质量进行有效预测.
关键词 空气质量; 物联网; 位置部署; 能量优化; 数据预测; air quality; Internet of Things; location deployment; energy optimization; data prediction;

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宏观尺度下的分子通信原型机综述

Survey on macro-scale molecular communication prototypes

黄煜, 季飞, 温淼文, 陈绚, 唐元锟, 郑倍雄
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2016-2036
摘要 分子通信是一种利用信息粒子的特性来传递信息的通信方式,可用于常规信号载体(如电磁波)受限的场景.目前的研究以理论分析为主,而用于验证理论成果并推进实际应用的原型机实验仍然较少.本文首先介绍了分子通信系统的定义,描述了发射机、信道和接收机模型;着重按信道类型回顾了现有的宏观尺度原型机研究及其对应理论成果;最后,根据理论模型与原型机实验结果的区别,指出理论研究的局限、原型机实验的必要性,以及未来研究方向.
关键词 扩散; 流体力学; 宏观尺度; 分子通信; 原型机; diffusion; fluid dynamics; macro-scale; molecular communication; prototype;

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Reed-Solomon码概率软译码算法增强技术

Enhanced stochastic soft decoding algorithm for Reed-Solomon codes

孙怡宁, 黄秋, 胡剑浩
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1331-1344
摘要 基于概率计算的Chase算法可以在保证译码性能的情况下,大幅度降低软译码的复杂度,使得RS软译码算法得到实际应用.然而,概率Chase算法的时间复杂度会随着测试码字个数的增加而增长;在高阶调制下, SSCA算法产生测试码字时的搜索范围会随着调制阶数的增加呈指数增长,从而增大了硬件存储开销.为降低时间复杂度,本文提出了提前输出算法,不需要产生所有的测试码字即可实现成功译码.仿真结果表明该算法可以在逼近原算法误帧率性能的同时将时间复杂度最多降低为原来的近1/τ(τ为测试码字个数).针对SSCA算法存储的压力,本文通过确定搜索半径辅助的选择方法来减小搜索范围.仿真结果表明,提出的3σ-SSCA算法仅以少量性能损失为代价可将测试码字单个符号的搜索范围由q (q为调制阶数)个缩小为个位数.
关键词 RS码; Chase算法; 概率计算; 提前输出算法; 搜索半径辅助的选择方法; RS codes; the chase algorithm; stochastic computing; early output algorithm; search-radius-determination assisted selection method;

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面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统: 架构、关键技术与验证

6G-oriented ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless converged communication system: architecture, key techniques and verification

朱敏, 张教, 华炳昌, 雷明政, 蔡沅成, 田亮, 王东明, 许威, 张川, 黄永明, 余建军, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 191-210
摘要 太赫兹通信被普遍认为是未来6G移动通信系统的核心组成部分.通过对国内外太赫兹无线通信系统中太赫兹上变频与下变频主要技术路线进行分析与对比,本文提出了一种超宽带太赫兹光纤一体融合实时系统新型架构,借助于商业成熟的数字相干光模块(digital coherent optics, DCO),解决超高容量6G太赫兹实时无线通信难题.该架构系统性融合双偏振光子上变频太赫兹产生和光电混合下变频太赫兹接收技术,解决“光纤–太赫兹–光纤”无缝融合的应用难题.考虑到光电器件带宽受限,利用超宽带太赫兹信号多维调制技术,提升频谱效率和传输容量.针对复杂时变的太赫兹光纤混合信道,提出基于深度神经网络(deep neural network, DNN)的智能非线性联合补偿技术,有效解决太赫兹光纤混合信道信噪比受限问题.基于上述架构和关键技术,完成了世界上首个360~430 GHz光子太赫兹100/200 GbE实时无线传输通信实验,创造了目前世界上太赫兹无线通信的最高实时传输纪录,通信速率较5G提升10~20倍.本文提出的技术方案可实现与高速光纤网络的无缝融合,在太赫兹与光信号之间平滑转换,且能够充分复用商用化DCO,兼容IEEE 802.3和ITU-T G.798物理层传输协议,显著降低研发技术门槛和成本,大大加速6G太赫兹技术商用化进程.本文还从大容量、长距离和集成化等方面,对太赫兹光纤一体融合通信系统的未来发展方向及关键技术进行展望.
关键词 6G; 太赫兹无线通信; 光纤通信; 一体融合; 实时通信; 6G; THz wireless communication; optical fiber communication; seamless converged architecture; real-time communication;

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基于多流接收空间调制的去蜂窝MIMO下行传输方法

Multi-stream receive-spatial modulation based cell-free MIMO downlink transmission method

黄谋华, 张冬梅, 许魁, 谢威, 夏晓晨
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 111-127
摘要 将多流接收空间调制(multi-stream receive-spatial modulation, MSR-SM)技术应用于用户和接入点(access point, AP)都是多天线的去蜂窝(cell-free)多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)下行链路传输,为绿色节能的无线通信提供新的思路.在AP的最高发射功率和用户的最低信干噪比(signal interference-to-noise ratio, SINR)约束下,运用连续凸逼近(sequential convex approximation, SCA)算法求得每个AP的功率控制系数,实现能量效率(energy efficiency, EE)最优化.为减少不必要的服务AP数量,降低系统总消耗功率,本文提出基于注水(water-filling)算法的接入点选择方案.通过仿真表明,本文所提的功率分配算法相比最大最小(max-min)功率控制算法可以显著提升能量效率,基于多流接收空间调制的下行链路传输模式,其能量效率性能优于传统的空分复用MIMO数字调制模式.此外,基于AP选择方案的连续凸逼近算法相比无AP选择方案的功率控制算法,能够进一步增强能量效率.
关键词 去蜂窝; 多流接收空间调制; 连续凸逼近; 能量效率; 接入点选择; cell-free; MSR-SM; sequential convex approximation; energy efficiency; AP selection;

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一种面向无人机智能通信的信息物理融合框架

Cyber-physical framework for UAV intelligent communications

王海军, 赵海涛, 任保全, 马东堂, 张姣, 熊俊, 魏急波, 尹浩
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2141-2154
摘要 为了缓解无人机面临的通信瓶颈问题,本文充分利用通信、计算和控制间的共生效应,从信息物理融合的角度探讨一种面向无人机智能通信的框架.首先,分析了计算和控制对通信的耦合作用以及相关研究工作.进而,提出一种信息物理融合框架并阐述各模块的关键作用.该框架将通信决策的维度扩展到计算和控制上,能够更准确地定位和处理通信问题,为实际应用中的通信、计算和控制一体化设计提供启发.最后,以一个应用范例来说明基于所提通信框架进行建模和优化的过程.仿真结果验证了所提框架的有效性和先进性.
关键词 无人机; 智能通信; 信息物理融合; 信息物理系统; 能耗模型; unmanned aerial vehicle; intelligent communication; cyber-physical fusion; cyber physical system(CPS); energy consumption model;

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复杂场景下目标协同智能检测专题

基于空间稀疏采样的频谱态势生成: 模型与算法

Spectrum situation generation from sparse spatial sampling: model and algorithm

张国勇, 王军, 陈霄南, 武刚
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2011-2036
摘要 面对日益复杂的电磁频谱环境和持续增长的用频需求,为了维护电磁频谱秩序和安全,提高频谱资源整体利用效率,亟需利用有限感知节点采集的频谱状态数据,挖掘广域地理空间的频谱态势信息.本文从空、时、频等多维频谱态势表征着手,探讨和总结基于空间稀疏采样的电磁环境频谱态势的模型和生成方法.本文提出了基于多元函数的频谱态势表征方法,建立了适应不同辐射源传播特性的频谱态势模型.针对不同类别的频谱态势生成方法,论文分析了空间稀疏采样下频谱态势模型的辨识性和恢复性条件,为实现频谱态势的可靠生成提供了理论准则.最后,论文通过仿真对不同频谱态势生成算法的性能进行了对比分析.
关键词 频谱态势; 无线电环境地图; 张量分解; 张量填充; 神经网络; spectrum situation; radio environment map; tensor decomposition; tensor completion; neural network;

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复杂场景下目标协同智能检测专题

无线信号交汇定位的奇异解问题表征与解决

Representation and solution of singular positioning issues from wireless signal intersection location technology

刘公绪, 李龙, 路建民, 高新波
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1992-2010
摘要 无线信号交汇定位是最常见的几何定位技术,在通信与定位领域具有广泛的应用.然而人们对无线信号交汇定位所产生的奇异解问题本质认识不足,对相关解决方法缺少基础和深入的研究.针对上述问题,本文基于最小二乘法推导了相关一维/二维/三维定位的解析式,从新的角度发现了用来表征奇异解的八条几何拓扑约束关系,并提出了参数微调法和空时自调节法来解决奇异解相关问题.实验结果表明所提出的几何拓扑约束关系是可信的,使奇异解问题易表征、可解释;此外,所提出的解决方法可实现对奇解问题的高效解决,且有高精度定位近似解.总之,该工作对几何定位、基站布设、奇异解表征和鲁棒定位算法设计等提供了有益指导.
关键词 无线信号交汇定位; 几何定位; 最小二乘法; 奇异解; 拓扑约束; wireless signal intersection location; geometric positioning; least square method; singular solution; topological constraints;

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基于数能同传的D2D网络鲁棒资源分配算法

Robust resource allocation algorithm in SWIPT-based D2D networks

徐勇军, 杨蒙, 周继华, 陈前斌
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1883-1899
摘要 为了提高终端直通(device-to-device, D2D)网络设备运行寿命和复杂电磁环境下的抗干扰能力,提出了一种基于数能同传的D2D网络系统能效最大化的鲁棒资源分配算法.考虑用户最小速率约束、最小收集能量约束、功率分流和信道分配因子约束,建立了联合优化传输功率、子信道和功率分流因子的鲁棒能效资源分配模型.基于Dinkelbach方法和Worst-case方法,将原NP-hard问题转换为确定性的凸优化问题,利用匹配理论和拉格朗日对偶理论获得解析解.仿真结果表明所提算法具有较好的鲁棒性和较高的能效.
关键词 D2D通信; 无线信息与功率同传技术; 匹配理论; 能效; 鲁棒资源分配; D2D communications; SWIPT; matching theory; energy efficiency; robust resource allocation;

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面向6G的共生散射通信技术: 原理、方法与应用

Symbiotic backscatter communications for 6G: principles, approaches, and applications

张倩倩, 王俊, 梁应敞
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1393-1416
摘要 近年来,共生散射通信因其在频谱与能量域的互惠共享特性而受到广泛关注,为解决6G面临的频谱与能耗问题提供了潜在方案.在该技术中,次系统利用主系统的频谱及射频信号实现被动式反向散射通信,而次系统的传输为主系统提供额外的多径效应,有望提升主系统的性能.本文首先介绍共生散射通信的基本概念及技术原理,然后从信息论基础、接收机设计、资源配置,以及多用户接入4个方面综述该技术的研究现状.在此基础上,讲述可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)在共生散射通信系统中的应用,分析并总结了引入RIS为共生散射通信带来的性能增益.最后介绍了融合共生散射通信的6G架构及应用前景,并探讨了共生散射通信面临的技术挑战.
关键词 6G; 共生散射通信; 可重构智能表面; 互惠共生; 频谱效率; 能量效率; 6G; symbiotic backscatter communications; reconfigurable intelligent surface; mutualistic symbiosis; spectrum efficiency; energy efficiency;

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不确定网络环境下的任务卸载和资源分配算法

Task offloading and resource allocation in an uncertain network

姚枝秀, 夏士超, 李云
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1349-1361
摘要 随着计算密集型和时延敏感型应用的大量涌现,在大数据和低时延计算需求的驱动下,移动边缘计算(mobile edge computing, MEC)在提升用户体验和降低能耗方面将发挥重要作用.然而,由于计算资源有限的MEC服务器无法快速响应海量突发的计算请求,计算任务在MEC服务器的排队等待时间是不可忽略且难以预测的.为了保证在排队等待时间不确定的网络环境中满足应用的计算时延需求,本文在计算时延约束条件下,以最小化系统能耗为目标,提出了一种基于随机模拟的任务卸载和资源分配两阶段随机规划算法SS_2SSP.仿真结果表明, SS_2SSP算法能够保证应用的计算时延需求,同时有效降低了系统能耗.
关键词 移动边缘计算; 不确定网络; 任务卸载; 资源分配; 计算时延; 两阶段随机规划; mobile edge computing; uncertain network; task offloading; resource allocation; computation delay; two-stage stochastic programming;

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一种基于中继的车辆编队功率优化算法

A relay-based power optimization algorithm for platooning

胡杰文, 马征, 刘刚, 范平志, 唐优华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1317-1332
摘要 车辆编队作为蜂窝车联网(cellular-vehicle-to-everything, C-V2X)的高级应用之一,可以有效地提高出行效率.处于编队内的车辆需要实时共享速度、前进方向和意图(制动、加速度等)等信息,并且位于队头的车辆需负责整个编队的管理并传递控制消息.但是在高密度场景下,当多个编队的队头被分配到同一子信道上同时传输时,多个编队之间会存在干扰,如果队头车辆以传统的固定功率方式进行广播,广播功率过大会导致对其他队列造成的干扰过大,广播功率过小则会影响队列内成员的接收质量,因此需要合适的功率分配方案以满足高密度场景下的通信需求.本文在满足时延、接收信噪比要求的前提下以最小化总功率消耗为目标,提出了一种基于中继的多队列协作功率优化方案,该方案通过在编队内选取合适的中继车辆以减少每跳广播所需要的功率,从而减少对其他编队的干扰并且降低总功率消耗.仿真结果表明,所提出的方案相比传统方案能够容纳更多的编队成员,并且在满足性能要求的前提下大幅降低总功率消耗.
关键词 C-V2X; 车辆编队; 广播功率; 中继; 功率优化; C-V2X; platoon; broadcast power; relay; power optimization;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

面向B5G/6G大规模机器通信系统新型多址技术研究进展

Research progress of new multiple access technique for B5G/6G massive machine-type communication systems

戴基明, 马国玉, 马毅琰, 薛珍, 艾渤
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 639-657
摘要 大规模机器通信作为第五代移动通信系统的三大应用场景之一,也是支撑未来第四次工业革命的关键技术.其主要通过部署大量的机器设备,以实现智能型社会.由于低功耗要求,人们引入了免授权随机接入来减少设备与基站间的信令交互过程.加之无线电资源的匮乏,如何实现大规模机器设备的免授权随机接入成为挑战.在B5G以及6G中,这一挑战将变得尤为显著.因此有必要研究出一种行之有效的多址接入技术.串联扩频多址技术是一种实现大规模机器设备高效连接的新型非正交多址接入技术,并且能够以较低的复杂度实现高连接性和高可靠性.本文首先综述了大规模机器通信的特点及多址技术的研究现状.然后,介绍了串联扩频多址技术的收发机设计和性能权衡性分析.最后,介绍了串联扩频多址技术的研究进展和应用进展.
关键词 大规模机器通信; 非正交多址; 串联扩频多址; B5G; 6G; mMTC; NOMA; TSMA; B5G; 6G;

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基于大数据的无线通信技术

Big data-based wireless communication technologies

梁应敞, 谭俊杰, 龚晨, 张四海, 朱近康, 徐正元, 李云洲, 钟晓峰, 周世东, 张倩倩, 曹阳, 葛君刚, 杨刚
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1946-1964
摘要 随着各类丰富的移动应用普及,可以预见,未来的无线通信系统将需要满足更为苛刻的服务要求,为无线通信技术的发展带来挑战.另一方面,大数据在众多领域的应用取得了令人瞩目的成功.大数据如何赋能无线通信成为学术界和工业界关注的焦点.过去5年,我们承担了国家自然科学基金"无线通信大数据基础理论与技术研究"重点项目群,致力于研究基于大数据的无线通信技术,探索使用大数据突破无线通信发展瓶颈的新理论和新方法.我们将这类在无线通信中产生、能够服务于无线通信的大数据定义为无线大数据.本文是对项目群的研究和实践结果的总结.具体地,我们首先分析了无线大数据的来源和特征,然后构建了与之匹配的无线知识学习范式、智能无线网络框架以及跨地域、跨机构、多用途、一体化的无线大数据平台,最后提出并验证了基于大数据的无线传播环境分析、无线传输以及无线接入技术,从而为基于大数据的无线通信技术的进一步发展提供基础理论支撑和应用范式.
关键词 无线大数据; 无线通信系统; 智能网络; 资源优化; 接入控制; wireless big data; wireless communication systems; intelligent networks; resource optimization; access control;

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异构物联网直联通信关键技术

The key technologies of cross-technology communication

曹东江, 王帅, 熊润群, 刘云淮, 罗军舟, 何田
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1738-1754
摘要 随着物联网技术的快速发展,不同应用在通信范围、能耗、时延等方面的需求推动各种无线通信技术的产生.由于无线通信技术的多样性,异构设备间存在通信壁垒不能进行直接通信.由于信息交互能力的缺失,广泛部署的异构物联网设备相互竞争频谱资源并导致通信干扰日益严重.此外,异构设备间的通信障碍限制了信息共享和资源整合.传统的利用网关实现异构设备间的通信需要额外的开销.研究人员提出了不需要网关设备进行协议间转换的异构物联网直联通信技术,使得异构设备能够进行直接通信.本文首先分析和总结异构物联网直联通信技术的研究现状;在此基础上,提出了实现异构物联网直联通信的关键技术:数据包级、信号级和符号级的异构物联网直联通信技术;之后,介绍了所提相关技术在异构物联网设备共存场景下的抗干扰协调应用;最后,总结全文并展望了异构物联网直联通信技术的未来发展方向.
关键词 物联网; 无线网络; 异构物联网直联通信; 无线通信协议; 数字调制; Internet of Things; wireless network; cross-technology communication; wireless communication protocol; digital modulation;

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基于自治域协同的域间路由信誉模型

An inter-domain routing reputation model based on autonomous domain collaboration

陈迪, 邱菡, 祝凯捷, 王清贤, 朱俊虎
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1540-1558
摘要 域间路由系统自治域间的交互缺乏可信认证,建立针对自治域行为模式的信誉模型可为域间路由管理提供约束与激励,提高整体安全水平.由于域间路由系统分布自治、局部路由信息不完整,现有信誉评价方法无法从全局视角感知自治域行为,难以准确反映自治域可信程度及其变化.本文提出一种基于自治域协同的域间路由信誉模型.首先通过分析自治域路由行为统计特征,建立基于贝叶斯(Bayes)后验概率分析的自治域信誉量化指标,用于对目标自治域进行本地信誉评价;然后通过研究自治域属性与本地路由信息完整程度的关系,设计信誉加权聚合算法,采用多域协同方式计算目标自治域的全局信誉评价;最后设计信誉动态更新方法,以对连续恶意行为的自治域进行惩罚.基于真实安全事件的实验结果表明,该模型能够有效聚合各自治域本地信誉评价,捕捉自治域行为在不同时间阶段的细微变化,可为域间路由系统中异常路由抑制、安全事件溯源和供应商选取提供参考.
关键词 域间路由安全; 自治域行为; 信誉模型; 贝叶斯估计; inter-domain routing security; autonomous system behaviors; reputation model; Bayesian estimation;

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基于广义信号索引的椭圆球面波函数多载波调制解调方法

Multi-carrier modulation scheme based on prolate spheroidal wave functions with generalized index modulation

王红星, 陆发平, 刘传辉, 康家方, 张力凡
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1524-1539
摘要 针对基于信号优化分组的椭圆球面波函数(prolate spheroidal wave functions, PSWFs)多载波调制系统频带利用率(spectral efficiency, SE)提升受信号激活路数固定限制的不足,引入广义索引调制(generalized index modulation, GIM),提出了基于GIM的PSWFs多载波调制解调方法,采用放宽对信号激活路数限制、增加调制符号组合数,有效提高系统频带利用率.在发射端,引入固定功率增益,本文提出了基于固定功率增益的调制信号功率控制方法,有效降低了GIM发射端系统复杂度,同时增加了调制符号间最小欧式距离.在接收端,基于不同支路信号激活状态相互独立的特点,引入局部最优,提出了基于局部最优的信号索引检测方法,将信号索引检测转换为相互独立的单支路信号激活状态检测,在相同误比特率(bit error rate, BER)下,能够将检测复杂度由经典GIM信号索引检测方法的O(m Mgn)降低为O(gn).理论与仿真结果表明,所提方法具有更高的系统频带利用率,如当BER为10~(-5)时,相对于基于信号优化分组的PSWFs多载波调制,所提方法 SE提升约14.5%,所需信噪比降低约2.73 d B;相对于经典GIM, SE提升约2.9%,所需信噪比降低约1.92 dB.
关键词 椭圆球面波函数; 频带利用率; 波形设计; 多载波调制; 索引调制; prolate spheroidal wave functions; spectral efficiency; waveform design; multi-carrier modulation; index modulation;

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面向 5G 的短包物理层安全通信

Secure physical layer short-packet communication for 5G

冯晨, 王慧明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1507-1523
摘要 无线短包通信是实现海量机器类通信(massive machine type communication, m MTC)和超可靠低延迟通信(ultra-reliable low latency communication, uRLLC)等5G物联网(Internet of Things,IoT)应用的关键技术之一.面向工业物联网、车联网等应用,无线通信的安全问题至关重要.本文从物理层安全角度研究了慢衰落信道下短包通信系统的安全传输.基于安全短包通信信息论结论定义了保密中断概率(secrecy outage probability, SOP),并以SOP约束下的可靠吞吐量作为短包通信系统的安全通信性能指标.在此基础上设计了自适应和非自适应编码传输方案,分别利用合法信道的精确/部分瞬时信道状态信息(channel state information, CSI)进行编码速率设计及传输门限优化以最大化吞吐量,并进一步分析了主要系统参数对最优吞吐量的影响.数值结果验证了传输方案的有效性,并验证了SOP约束下主要系统参数对系统安全传输性能的影响.
关键词 短包通信; 物理层安全; 保密中断概率; 传输方案设计; 性能评估; short-packet communications; physical layer security; secrecy outage probability; transmission scheme design; performance evaluation;

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基于信号分组优化的椭圆球面波多载波调制解调方法

Multi-carrier modulation scheme based on prolate spheroidal wave functions with signal grouping optimization

王红星, 陆发平, 刘传辉, 康家方
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1168-1182
摘要 围绕如何提高椭圆球面波(prolate spheroidal wave functions, PSWFs)多载波调制系统频带利用率,采用对PSWFs信号分组优化,利用信号索引与脉冲幅度调制进行两个维度的信息加载,在保证信号高能量聚集性的同时提高系统频带利用率的思路,提出了基于信号分组优化的PSWFs多载波调制方法.该方法依据信号路数、分组数,优选高能量聚集性PSWFs信号,保证信号波形具有高能量聚集性;采用I/Q 2个相互独立支路,同时利用信号索引、脉冲幅度调制进行信息加载,增加调制符号组合数,提高系统频带利用率.理论与仿真分析表明,本文所提方法相对于基于PSWFs的正交和非正交调制,在未明显降低信号功率谱、峰均功率比特性的前提下,能够有效提高系统频带利用率.如当误比特率为10~(-5)时,所提方法相对于基于PSWFs的正交调制,以牺牲0.05 dB的系统误码性能为代价,系统频带利用率可提升约18.2%;相对于基于PSWFs的非正交调制,系统频带利用率可提升约17%,同时系统误码性能提升约0.2 d B.此外,相对于经典的结合信号索引的正交频分复用,所提方法具有更高的系统频带利用率和系统误码性能,如当误比特率为10-5时,系统频带利用率可提升约9.1%,同时系统误码性能提升约0.13 dB.
关键词 椭圆球面波函数, 频带利用率, 波形设计, 多载波调制, 分组优化, 信号索引

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室内Wi-Fi异步效应下CSI定位误差界估计方法

CSI localization error bound estimation method under indoor Wi-Fi asynchronous effect

周牧, 张振亚, 王勇, 聂伟, 田增山
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 851-866
摘要 与传统的基于接收信号强度(received signal strength, RSS)的室内Wi-Fi定位方法相比,信道状态信息(channel state information, CSI)包含了信号传输过程中更细粒度和更多样化的物理层信息(如信道中各个子载波的振幅和相位信息),故基于CSI的室内Wi-Fi定位方法通常具有更高的定位精度.在利用CSI进行定位时,发送端采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术在多个正交子载波上并行发送数据并在接收端进行解调,但由于异步效应(如载波频率偏差(carrier frequency offset, CFO)、采样时钟频率偏差(sampling frequency offset, SFO)和符号定时偏差(symbol timing offset, STO))的存在,接收端子载波的正交性难以得到保证,于是,基于CSI的室内Wi-Fi定位方法的性能会因为符号间干扰(inter symbol interference, ISI)和载波间干扰(inter carrier interference, ICI)的影响而下降.对此,本文从频域的角度推导了不同异步效应下的CSI定位误差界以评估基于CSI的室内Wi-Fi定位性能.
关键词 室内定位; 异步效应; 定位误差界; 正交频分复用; Wi-Fi; indoor localization; asynchronous effect; localization error bound; orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); Wi-Fi;

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无人机通信专题简介

曾勇, 宋令阳, 张朝阳, 盛敏, 许杰, Robert SCHOBER
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 691-692
关键词 无人机通信; 无人机领域; 移动通信网络;

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CMOS毫米波芯片与4096发射/4096接收超大规模集成相控阵设计实现

Design and implementation of CMOS millimeter-wave ICs and 4096 TX/4096 RX very-large-scale integrated phased-array antenna

赵涤燹, 陈智慧, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 505-519
摘要 大规模相控阵是解决毫米波无线传输距离受限的核心关键技术.传统的毫米波相控阵通常基于化合物半导体芯片加以实现,该类芯片成本高昂且难以实现系统单片集成,极大地限制了传统相控阵的应用范围.本文报道了基于CMOS成熟工艺的毫米波芯片设计及收发通道数为4096 (4096发射/4096接收)的超大规模集成相控阵实现技术. CMOS体硅工艺具有集成度高、成本低廉等优势,但面临有源器件高频性能差、无源器件及互连线高频损耗大、高低温性能差异大等一系列技术瓶颈.通过引入电流复用跨导增强型低噪声放大器、基于新型版图结构的高效率功率放大器、矢量调制型数控无源移相器、基于电容补偿的超宽带衰减器、紧凑型功分器,以及高低温自适应偏置电路等技术,可以较好地解决CMOS体硅工艺所面临的上述瓶颈问题.基于65 nm CMOS体硅工艺,所实现的Ka频段CMOS相控阵芯片噪声系数为3.0 d B,发射通道效率为15%,无需校准即可实现精确幅相控制,相关测试结果表明所研制的低成本相控阵芯片具有集成度高、幅相控制精确等优势,噪声系数等关键技术指标接近砷化镓工艺.以此为基础,本文给出了基于多层混压PCB工艺的1024发射/1024接收超大规模"集成相控阵"设计技术,并将其扩展至4096发射/4096接收相控阵规模,最后给出了低成本、高集成宽带卫星移动通信终端在车载和船载条件下的示范应用结果.
关键词 毫米波; 集成电路; CMOS工艺; 接收机; 发射机; 多层混压PCB工艺; 集成相控阵; 宽带卫星通信; millimeter wave; integrated circuit; CMOS technology; receiver; transmitter; multi-layer hybrid PCB technology; phased-array antenna; broadband satellite communication;

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一种面向复杂场景的无线通信节点智能适变架构

An intelligent adaptative architecture for wireless communication in complex scenarios

尹浩, 魏急波, 赵海涛, 熊俊, 梅锴, 张利军, 任保全, 马东堂
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 294-304
摘要 针对可能存在对抗的未知通信环境,本文探讨了一种能进行智能适变的通信节点体系架构.该架构包括通信环境理解、通信波形适配和智能节点学习进化3个核心功能,以及支持这些功能的通信计算融合硬件平台.所提出的智能适变架构支持通信环境知识库、通信波形库,以及波形与环境适配知识图谱的不断累积和进化,通过波形在线重构,通信节点既能匹配典型通信场景,又能快速适应未知环境,因而支持智能通信节点的可持续发展.进一步本文梳理了强化学习、在线学习和迁移学习等3种机器学习技术在智能适变无线通信节点中的应用,并以最经典的信道估计过程为代表,给出了机器学习应用于通信环境识别的典型范例.
关键词 智能节点; 通信环境理解; 智能适变; 学习生长; 机器学习; 信道估计; intelligent node; communication environment understanding; intelligent adaptation; learning and evolution; machine learning; channel estimation;

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基于超图聚簇和干扰限制区域理论的全双工D2D车载通信资源管理方案

Resource management scheme for full-duplex device-to-device vehicular communication using hypergraph clustering and interference limited area theory

肖海林, 吴彬, 张中山, 王承祥, 周迪
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 139-156
摘要 在蜂窝车用无线通信(cellular vehicular-to-everything, C-V2X)系统中,车辆快速移动导致D2D链路的网络拓扑不稳定,频繁重构的网络拓扑增加了同频干扰问题的复杂度和拓扑管理信令的数量,造成基站的计算能力和带宽资源浪费.本文建立以簇为核心的全双工D2D (full-duplex device-to-device,FD-D2D)车载通信模型,提出基于超图聚簇(hypergraph clustering, HG-C)和干扰限制区域(interference limited area, ILA)理论的FD-D2D车载通信资源管理方案.利用链路依赖度(degree of link dependence, DLD)和车辆用户(Vehicle users, VUE)的计算能力提高簇的生存时间,降低基站的开销.同时,利用动态功率控制和复用区域映射辅助基站分配资源,削弱复用相同蜂窝链路的V-D2D (vehicular device-to-device)链路间和对蜂窝链路的同频干扰,提高频谱效率.最后,基于交通仿真建模软件VISSIM产生实时交通流数据,从而验证本文所提资源管理方案,结果表明:基站承担的网络拓扑管理任务量至少降低50%,与传统蜂窝D2D车载通信相比,频谱平均复用次数增加0.5次以上,频谱效率增加10%.
关键词 C-V2X; 超图聚簇; 干扰限制区域; FD-D2D车载通信; 频谱复用; cellular vehicle-to-everything; hypergraph clustering; interference limited area; full-duplex device-to-device vehicular communication; spectrum sharing;

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基于离开角的商用毫米波设备定位方法研究

AoD-based localization with cots millimeter-wave devices

钱堃, 张新宇, 杨铮, 刘云浩
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 122-138
摘要 近年来,基于无线射频信号的定位技术迅速发展.然而,已有基于商用Wi-Fi设备的定位系统在实用性和准确性上存在明显局限.新兴WiGig设备采用毫米波通信,天线数远多于Wi-Fi设备,具有更高的角度分辨率.然而受限于成本,商用WiGig设备采用模拟波束成型方法,无法获得各天线的信道响应.本文利用新兴毫米波设备,实现高精度定位系统WiGLoc.为此,首先对天线阵列接收信号强度建模(received signal strength, RSS),恢复天线的信道状态信息(channel state information, CSI);然后,对天线阵列进行校准,测量天线阵列参数;最后,利用天线信道状态信息和天线阵列布局信息估计发射端到目标的信号离开角(angle of departure, AoD),对目标定位.实验结果表明, WiGLoc平均三维追踪精度达到了6 cm,平均二维定位精度达到了27 cm.与此相比,已有基于波束成型的方法三维追踪和二维定位的精度分别仅为11 cm和44 cm.
关键词 室内定位; 无线感知; 毫米波; 阵列校准; 信道状态信息; indoor localization; wireless sensing; millimeter wave; array calibration; channel state information;