通信学报

面向大规模物联网的随机接入：现状、挑战与机遇

范平志, 李里, 陈欢, 程高峰, 杨林杰, 汤小波

2021, 42(4): 1-21. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021098

摘要 ( 1540 )

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在传统通信系统中，随机接入是终端与网络之间建立无线链路的必经过程，只有在随机接入完成之后，终端与网络之间才能正常进行数据传输。聚焦大规模节点物联网，首先阐述了大规模物联网随机接入的基本特征，分析了传统授权随机接入（RA）方法对于大规模物联网应用的局限性；然后从系统模型、协议框架、算法流程、系统性能等多个角度，讨论免授权RA、半免授权RA、无用户标识RA三大类新型大规模随机接入方法，分析各类方法优缺点，并指出面临的挑战与潜在的机遇；最后对大规模物联网随机接入涉及的关键技术与共性问题进行了总结。

面向未来移动网络密集连接的关键技术综述

钱志鸿, 肖琳, 王雪

2021, 42(4): 22-43. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021094

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在总结密集连接相关研究的基础上，阐述了未来移动通信网络中密集终端接入的关键技术，分析了网络架构及相关技术、密集连接的传输技术和接入技术等几个重点方向的研究进展，提出了多种连接形式并存的灵活性网络结构。针对上下行覆盖不对称问题，结合用户的服务质量需求，提出了基于上下行分离网络架构的密集终端接入方案，阐述了为应对大规模组网和密集连接需求要实现的网络架构立体化和通信与计算一体化的必要性，并基于太赫兹和区块链等技术对频段向上延伸和频谱资源共享等未来重点研究方向进行了讨论与展望。

大规模无线通信网络移动边缘计算和缓存研究

黄永明, 郑冲, 张征明, 尤肖虎

2021, 42(4): 44-61. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021096

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面向未来6G移动通信的大规模网络移动边缘计算与缓存技术，首先，介绍了大规模无线网络下移动边缘计算和缓存的架构与原理，并阐释了移动边缘计算和缓存技术在大规模无线网络中的必要性和普适性。接着，从计算卸载、边缘缓存、多维资源分配、用户关联和隐私保护这5个关键问题出发，综述和分析了移动边缘计算和缓存赋能大规模无线网络时会引入的新型关键问题以及对应的解决方案研究，并进一步指出了未来的发展趋势和研究方向。最后，针对隐私保护问题，提出了一种基于联邦学习的隐私保护方案，并通过仿真结果表明所提方案能够同时保护用户数据隐私且改善系统服务质量。

面向B5G/6G的三三三网络体系架构和优化学习机制

朱近康, 柴名扬, 周武旸

2021, 42(4): 62-75. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021095

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面对未来B5G/6G网络是大连接复杂智能网络，极其大量的用户连接、需求连接、服务连接，加之3G、4G、5G 甚至 6G 的综合运用，将导致网络变得极其复杂的挑战，提出了一种三三三网络体系架构，它是一个包含3类网络（核心网、接入网、终端网）、3种资源（频率带宽、功耗、时延）和3项需求（生活、工作、服务）的三维立体综合优化的体系架构，简称三三三网络。进而，论证了三维立体复杂体系的数学计算式，给出了知识+数据驱动学习模型和利用知识学习机制进行智能处理的优化方法。最后，给出了三三三网络的数值例和可达性能。研究结果表明，所提三三三网络体系架构和优化方法对于设计和运行未来的大连接复杂智能网络是有益的。

联合时域-波束域非正交多址接入

张朝阳, 吴佳佳, 王珏, 周楚

2021, 42(4): 76-88. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021099

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为了提高系统容纳连接设备的能力，提出了一种适用于毫米波大规模多输入多输出系统的联合时域-波束域非正交多址接入方案。该方案利用用户空间信道的相关性和差异性实现波束域接入，利用稀疏扩频技术实现时域接入，并以提高系统的通信可靠性为优化目标，构造并求解了联合域稀疏接入矩阵设计的优化问题。最后，基于联合域信道质量对接入矩阵进行重构，并在消息传递算法中加入干扰消除操作，降低译码复杂度的同时提高了通信可靠性。

工业物联网中大规模受损边缘计算网络修复机制

田辉, 伍浩, 田洋, 任建阳, 崔亚娟, 艾文宝, 袁健华

2021, 42(4): 89-99. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.20211100

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针对工业物联网中边缘计算网络与其余子网的相互依赖特性所导致的网络大规模级联故障问题，考虑到网络修复初期的资源有限性，提出了一种联合考量计算需求与修复开销的网络修复机制。考虑到受损网络结构（拓扑关系与链路容量）和动态特征（边缘计算节点计算需求），基于节点计算量守恒定理构建了链路修复策略集与网络计算迁移的联合分析框架。基于Benders分解算法，将原NP-hard问题转化为相互依赖的主问题与子问题，通过割平面的不断逼近，实现对原问题最优解在多项式时间内的高效探索。结合局部分支法，进一步保障Benders分解算法的上界在迭代过程中的非增特性，加快算法收敛速度。仿真结果表明，所提算法的系统总开销性能优于传统基于拓扑结构的修复算法，并且可以在多场景下保持其性能优势。

基于无标度网络的车联网连通性研究

韩涛, 贺威, 代俊, 左勇, 杨旸, 葛晓虎

2021, 42(4): 100-108. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021101

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移动车辆的连通性是车联网（IoV）的关键指标之一，它会严重影响数据传输的性能。由于车联网的网络拓扑高频动态变化，车辆之间的通信链路容易频繁地断连。如何降低链路建立的随机性和链路断开概率，提高整体网络的连通性一直是急需解决的关键问题。针对上述问题，在视距路径损耗模型和干扰模型下分析网络的连通性，通过对车联网链路在真实世界的表征，设计动态生长（DN）算法。对车辆节点进行增加、删除和链路的偏好连接后，构建无标度车联网。通过仿真结果分析，网络整体的连通性提升了16%。

面向密集多波束组网的卫星通信系统资源调度算法

何元智, 彭聪, 于季弘, 刘韵

2021, 42(4): 109-118. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021102

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研究了高动态、资源受限条件下的卫星通信系统资源调度问题。以时间窗口、卫星功耗、信道数量、用户优先级以及任务突发性为约束，建立了卫星资源调度模型。考虑到传统的蚁群优化算法存在初期搜索速度过慢、局部搜索能力较弱以及易陷入局部最优等缺点，提出了以初始解集构造、额外信息素沉积为核心的改进蚁群优化算法，来求解资源调度问题。仿真实验评估了所提资源调度算法在完成任务的数量、优先级和调度完成时间方面的性能。实验结果表明，所提算法具有较快的收敛速度，且与同类型优化算法相比具有更高的调度效率，适用于调度面向密集多波束组网需求的卫星通信系统资源。

基于自私行为分析的超密集D2D中继选择算法

王义君, 张有旭, 刘大鹍, 陈桂芬

2021, 42(4): 119-126. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021103

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在超密集 D2D 通信中，目前的中继选择方案主要假定中继设备具有主动意愿参与数据转发，但部分理性中继设备出于自身考虑，可能会存在时延或拒绝转发的自私行为，进而影响用户体验效果。从中继设备自私行为角度出发，提出了D2D通信中自私中继设备识别方法，进而提出了基于自私行为分析的超密集D2D中继选择算法。首先，定义了联合兴趣度、转发历史比率和中继物理状态3个中继识别属性因子，并通过三角模糊函数计算三者的权重，从而对具有自私行为的中继设备完成识别。其次，基于理想解相似性偏好排序方法实现了中继设备的最终选择方案。仿真结果表明，所提算法能更有效地识别 D2D 通信中的自私中继设备，与其他中继选择算法相比，在D2D通信转发成功率、系统平均吞吐量和平均时延等方面均取得了显著进步。

SQLMVED：基于多变体执行的SQL注入运行时防御系统

马博林, 张铮, 刘浩, 邬江兴

2021, 42(4): 127-138. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021046

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SQL解析过程中利用随机化进行SQL注入攻击（SQLIA）防御的有效性是建立在攻击者不了解当前系统采用的具体随机化方法的基础上，因此，攻击者一旦掌握了当前系统的随机化形式，便能够实施有效的SQLIA。为了解决该问题，基于多变体执行设计出一种SQL注入运行时防御系统，多变体间采用互不相同的随机化方法，攻击者注入的非法 SQL 无法同时被所有变体解析成功，即使在攻击者掌握了随机化方法的情况下，非法SQL也最多只能被某一变体解析成功，利用表决机制对多变体的响应结果或解析结果进行表决，及时发现异常，阻断SQLIA的攻击路径。面向Web服务实现了原型系统SQLMVED，实验证明该系统能够有效抵御SQLIA。

云环境下安全的可验证多关键词搜索加密方案

张键红, 武梦龙, 王晶, 刘沛, 姜正涛, 彭长根

2021, 42(4): 139-149. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021054

摘要 ( 459 )

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云计算的高虚拟化与高可扩展性等优势，使个人和企业愿意外包加密数据到云端服务器。然而，加密后的外包数据破坏了数据间的关联性。尽管能够利用可搜索加密（SE）进行加密数据的文件检索，但不可信云服务器可能篡改、删除外包数据或利用已有搜索陷门来获取新插入文件相关信息。此外，现有单关键词搜索由于限制条件较少，导致搜索精度差，造成带宽和计算资源的浪费。为了解决以上问题，提出一种高效的、可验证的多关键词搜索加密方案。所提方案不仅能够支持多关键词搜索，也能实现搜索模式的隐私性和文件的前向安全性。此外，还能实现外包数据的完整性验证。通过严格的安全证明，所提方案在标准模型下被证明是安全的，能够抵抗不可信云服务器的离线关键词猜测攻击（KGA）。最后，通过与最近 3 种方案进行效率和性能比较，实验结果表明所提方案在功能和效率方面具有较好的综合性能。

基于Pignistic概率转换和奇异值分解的证据冲突度量方法

郭兴林, 孙振晓, 周昱瑶, 漆莲芝, 张谊

2021, 42(4): 150-157. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021086

摘要 ( 320 )

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针对常见证据冲突度量方法适应性差、准确性低的问题，提出了一种基于Pignistic概率转换和奇异值分解的证据冲突度量方法。首先通过Pignistic概率转换将证据焦元差异映射到信度差异上，构建证据复合信任函数矩阵。然后采用奇异值分解的方法提取矩阵特征，根据奇异值特性将矩阵特征空间划分为相似子空间和冲突子空间，综合考虑证据矩阵相似特性和冲突特性，将冲突子空间奇异值与相似子空间奇异值之比作为新的冲突度量因子。最后在全冲突场景、变信度场景、变焦元场景、焦元嵌套场景等多种证据冲突场景下将所提方法与常见方法进行了对比分析，结果表明所提方法具有适应性广、准确性高、稳定性好的特点。

基于信誉积分的路况信息共享中共谋攻击节点检测方法

玄世昌, 汤浩, 杨武

2021, 42(4): 158-168. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021051

摘要 ( 353 )

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针对车联网中共谋节点可能协同发布虚假路况信息，导致路况信息共享过程中消息真实性无法保证的问题，提出了一种基于信誉积分的路况信息共享中共谋攻击节点检测方法。在路况信息聚合过程中，设计了恶意信息检测算法，能够检测到共谋节点发布的虚假消息，保证系统中传递消息的真实准确。安全性评估和实验表明，相比于现有方案，该方法对共谋节点的检测效率更高，共谋节点数量占比适应场景更广泛。

类MARS密码结构的线性特性及其优化设计

王念平, 洪礼荣

2021, 42(4): 169-176. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021068

摘要 ( 183 )

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首先，提出了类MARS密码结构，给出了该密码结构的若干线性特性，并给出了线性变换的一种优化设计方法。具体地，通过分析一类具有特殊结构的线性逼近的传递规律，证明了无论怎样设计线性变换，t(1≤t≤3)轮线性逼近中至少有一条活动轮函数个数为0的线性逼近；4轮线性逼近中至少有一条活动轮函数个数不超过 1 的线性逼近；t(t＆gt;4)轮线性逼近中至少有一条活动轮函数个数不超过?8t/15?的线性逼近。在此基础上，给出了类 MARS 密码结构中线性变换的一种优化设计方法，该优化设计使活动轮函数个数的下界与 MARS密码结构相比更加接近可能的最大值。

基于基扩展模型的改进正则化正交匹配追踪V2X快时变SC-FDMA信道估计

廖勇, 蔡志镕

2021, 42(4): 177-184. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021081

摘要 ( 231 )

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为了进一步提升车联万物（V2X）的通信性能，首先根据信道冲激响应的稀疏性建立了适用于高速移动场景的基扩展模型（BEM）；其次，证明了BEM系数具有稀疏性，将信道估计问题转化为稀疏信号重构问题，进而提出基于 BEM 的改进正则化正交匹配追踪（iROMP）迭代稀疏信道估计算法（简称为 BEM-iROMP 算法）。所提算法通过iROMP获取BEM系数，利用反馈结果不断迭代以达到最优信道估计。仿真结果表明，与最小二乘法、线性最小均方误差和BEM-LS信道估计算法相比，所提算法能够有效提高V2X快时变信道下单载波频分多址系统的归一化均方误差和误码率性能。

基于IRS辅助的SWIPT物联网系统安全波束成形设计

朱政宇, 徐金雷, 孙钢灿, 王宁, 郝万明

2021, 42(4): 185-193. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021060

摘要 ( 515 )

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为满足绿色万物互联的智能信号处理部署和物理层安全的新要求，针对基于智能反射面辅助的无线携能通信物联网系统中可持续能量供应紧缺问题，提出了一种安全波束成形设计方法。考虑保密速率、发射功率和IRS反射相移约束，以最大化能量采集器采集功率为目标，联合优化基站发射波束成形矩阵和干扰机协方差矩阵以及IRS相移，将优化问题建模为具有二次型约束的非凸二次型规划问题。利用松弛变量、半定松弛法、辅助变量和序列参数凸逼近法将非凸的二次型问题转化为等价的凸问题，并提出一种交替迭代优化算法获取原问题的可行解。仿真结果表明，所提算法能够快速收敛，且与基准方案相比能有效地提升性能。

高带外抑制特性微波陶瓷波导滤波器的设计

梁飞, 蒙顺良, 吕文中

2021, 42(4): 194-201. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021029

摘要 ( 469 )

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介绍了陶瓷波导滤波器的设计理论，采用耦合通槽分别与浅、深耦合盲孔的组合结构来满足正、负耦合带宽要求，通过调整 3～6 腔体的交叉耦合来改善滤波器传输曲线的对称性，同时实现滤波器近端和远端的带外抑制，在此基础上设计了一款5G基站用六腔陶瓷波导滤波器。在该滤波器的优化过程中，详细讨论了3～6腔体交叉耦合通槽的相对位置偏移量和交叉耦合通槽的长度对滤波器传输零点位置、近端和远端带外抑制特性的影响，并给出了相关的变化规律。经优化后滤波器性能指标如下：中心频率为3.5 GHz，工作带宽为200 MHz，插入损耗≤1.2 dB，回波损耗≥17 dB，近端带外抑制≥25 dB，远端带外抑制≥51 dB。根据仿真模型结构参数制备得到的样品，其性能测试结果与仿真结果吻合良好。

基于深度学习的电离层参数预测研究

冯蕴天, 吴霞, 许雄, 张荣庆

2021, 42(4): 202-206. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021097

摘要 ( 480 )

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对于电离层参数预测，通过长短期记忆（LSTM）的预测神经网络建模实现电离层参数的短期和日均值预测。使用逐点预测和序列预测2种方法，并采用多维预测和经验模态分解（EMD）算法优化，预测电离层参数的每小时和每天的变化规律。实验结果验证了所提优化算法在提高预测电离层参数预测精度上的可行性。

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