通信学报

基于VAE-WGAN的多维时间序列异常检测方法

段雪源, 付钰, 王坤

2022, 43(3): 1-13. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022050

摘要 ( 965 )

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针对传统半监督深度异常检测模型对非平衡多维数据分布学习能力不足及模型训练困难等问题，提出一种基于VAE-WGAN架构的多维时间序列异常检测方法，利用VAE作为WGAN的生成器，使用Wasserstein距离作为模型拟合分布与待测数据真实分布之间的度量，学习复杂的高维数据分布。利用滑动窗口划分时间序列，使用正常序列数据训练模型；根据待测序列在训练好的模型中的异常得分，结合自适应阈值技术进行异常判定。实验表明，该方法具有模型容易训练且稳定性强的特点，并且在精确率、召回率?F1值等异常检测性能指标上，比现有的生成式异常检测模型有明显提升。

可证明安全的抗量子两服务器口令认证密钥交换协议

尹安琪, 郭渊博, 汪定, 曲彤洲, 陈琳

2022, 43(3): 14-29. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022052

摘要 ( 356 )

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针对基于格的单服务器口令认证密钥交换（PAKE）协议不能抵抗服务器泄露攻击，而目前基于格的多服务器 PAKE 协议的执行效率较低且不适用于两服务器场景的问题，利用带误差学习（LWE），提出了格上第一个非适应性两方平滑投影哈希函数（SPHF），具备不可区分适应性选择密文攻击（IND-CCA2）的安全性，并约束了所基于的公钥加密（PKE）方案中相关参数的大小。基于此，分别针对被动和主动敌手的攻击，提出了相应的格上可证明安全的两服务器PAKE协议。所提出的2个协议可抵御量子攻击且实现了唯口令设置，也不需要使用签名/验签、全同态加密、秘密共享等昂贵密码原语来保证安全性，被动敌手攻击下的协议还避免了零知识证明的使用。此外，在标准模型下，对所提出的2个协议进行了严格的安全性证明。实验结果表明，所提出的两方SPHF和两服务器PAKE协议的执行效率较高。

可重构的素域SM2算法优化方法

李斌, 周清雷, 陈晓杰, 冯峰

2022, 43(3): 30-41. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022043

摘要 ( 439 )

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针对SM2算法软件效率低、硬件实现资源利用率低、可扩展性差的问题，提出了一种可重构的素域SM2算法优化方法。通过对SM2算法的深入分析，从不同计算阶段和计算特点着手，分别采用KOA快速乘法、快速模约减和Barrett算法实现推荐或任意参数的模乘运算，并优化改进基为4的扩展欧几里得算法加速模逆运算。然后，在标准射影坐标系下以蒙哥马利方法提高点乘运算效率，并优化了点加和倍点数据流，将运算周期缩短至12个时钟。同时，在FPGA内部实现了快速的坐标系转换。最后，设计实现了多SM2的并行调度管理，满足日益多样化的应用需求。实验结果分析表明，所优化的SM2充分利用了FPGA的资源，缩短了点乘周期，每秒计算次数最多较CPU（Intel i5-8300）高352.48倍，提高了计算性能和可扩展性。

多载波NOMA安全通信系统稳健性资源分配算法

张钰, 赵雄文, 王晓晴, 耿绥燕, 秦鹏, 周振宇

2022, 43(3): 42-52. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022044

摘要 ( 262 )

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为提升无线网络频谱利用率和增强信息传输的安全性，针对下行多载波非正交多址接入安全通信系统，提出了一种基于安全和速率最大化的稳健性资源分配算法。首先，设计人工噪声（AN）预编码矢量与合法用户信道正交，消除人工噪声对合法传输的影响。然后，考虑每个用户最小速率约束、基站最大功率约束，基于窃听信道不确定性建立AN预编码、下行数据预编码和子载波分配联合优化问题模型。为求解该非凸问题，将其分解为预编码优化和子载波分配 2 个子问题进行联合优化，基于 S-procedure 和块坐标下降算法对预编码优化问题进行求解，基于动态匹配理论进行子载波分配。研究结果表明，所提算法具有很好的稳健性，能够有效提高系统安全和速率。

Saturnin算法的不可能差分分析

蒋梓龙, 金晨辉

2022, 43(3): 53-62. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022045

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轻量级分组密码算法Saturnin是类AES算法，在资源受限的环境下，仍具有良好的安全性。对Saturnin算法进行了不可能差分分析。首先，基于Saturnin算法的结构特性，提出并证明了Saturnin算法3.5轮不可能差分区分器的充分条件，利用此充分条件可以快速构造2^70.1个截断式不可能差分区分器。其次，从构造的2^70.1个区分器中，有针对性地挑选了64个区分器并分成了四类。将这四类区分器向前扩展2轮可得四条攻击路径。这四条攻击路径不仅具有相同的明文结构，而且具有大量的公共密钥比特，利用这2个特性，可以改善攻击方案的复杂度。结合明文早夭等分析技术，提出Saturnin算法的5.5轮不可能差分攻击方案，其数据、存储和时间复杂度分别为2^176.88个选择明文、2^143.88算法规模和2^176.91次5.5轮加密，这是目前可见的对Saturnin算法的一种不可能差分攻击方案。

高效的强隐私保护和可转让的属性票据方案

封化民, 史瑞, 袁峰, 李艳俊, 杨旸

2022, 43(3): 63-75. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022053

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为了解决电子票据中面临的效率低、灵活性差和隐私保护不全面的问题，提出了高效的强隐私保护且可转让的属性票据方案。首先，结合属性证书和集合承诺构建了基于属性泄露的票据购买算法；其次，利用等价类上的结构保持签名和动态可延展签名降低了票据购买的计算复杂度，实现了常数复杂度的票据转让和票据验证；再次，为了杜绝恶意的验票方根据卖方身份猜测用户信息的可能，在票据验证中同时实现了用户和卖方的匿名性；最后，给出了方案的安全性定义，并将其安全性规约到普通密码学假设或已证明安全的密码学原语的安全性上。对比和实验结果表明了所提方案的灵活性和高效性。

基于SDN的实际网络流中Tor网页复合特征提取方法

言洪萍, 周强, 王世豪, 姚旺, 何刘坤, 王良民

2022, 43(3): 76-87. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022056

摘要 ( 276 )

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基于网站指纹（WF）攻击的Tor网页流量识别方法往往建立在分离好的Tor流量甚至是分离好的Tor网页流量的基础上，但从实际网络的原始流中分离出Tor流量，再从Tor流量中分离出Tor网页流量，其计算量和困难程度远高于Tor网页流量的WF攻击本身。根据目前互联网的体系结构，利用网络流量汇聚到区域中心节点的特点，通过中心节点的 SDN 结构所提供的域内全局视角，结合 Tor 网络公开的节点信息提出了一种区分 Tor流量的双向统计特征（BSF），可以有效分离Tor流量；进而提出了一种基于LSF技术的网页流量隐藏特征提取方法，从而获得了基于BSF和LSF的复合流量特征（CTTF）；在此基础上，针对当前Tor流量训练数据较少的问题，提出了一种基于平移的流量数据增强方法，使增强后的流量数据与真实工作环境中捕获的Tor流量数据分布尽量一致。实验结果表明，基于 CTTF 与仅使用原始数据特征相比，识别率提高了 4%左右，在训练数据较少时，使用流量数据增强方法后分类效果提升更加明显，并且可以有效降低误报率。

基于地址重载的SDN分组转发验证

吴平, 常朝稳, 左志斌, 马莹莹

2022, 43(3): 88-100. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022047

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针对软件定义网络（SDN）中现有转发验证机制大多通过加入新的安全通信协议实现分组逐跳转发验证，出现通信与计算开销的问题，提出了一种基于地址重载的 SDN 分组转发验证机制。入口交换机通过重载分组地址信息将流运行时间划分为连续随机的时间间隔，各后继节点基于重载的地址信息转发分组；控制器采样间隔内流入口与出口交换机的转发分组，检测路径中的异常转发行为；最后，构建仿真网络实现了所提机制。实验结果表明，该机制以引入不超过8%的转发延迟，可有效检测异常。

高速Ed25519验签算法硬件架构的设计与实现

薛一鸣, 刘树荣, 郭书恒, 李岩, 胡彩娥

2022, 43(3): 101-112. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022061

摘要 ( 311 )

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针对区块链等特定场景对验签速度有较高要求的特点，设计了一种高速Ed25519验签算法的硬件架构。提出了基于交错NAF的多点乘算法，通过预计算和查表的方式，有效减少了点加、倍点的次数；采用Karatsuba乘法和快速约简方法实现模乘运算，并设计了不需要模加、模减的点加、倍点操作步骤，有效提升了点加、倍点运算的性能。针对解压过程中耗时的模幂运算，设计了模逆和模乘并行的模幂计算方法，提高了解压运算的性能。整个设计充分考虑了资源的复用，在Zynq-7020平台上实现需要13 695个Slices，在81.61 MHz的时钟频率下，每秒能够完成8 347次验签运算。

跳时短参考载波索引差分混沌移位键控通信方案

杨华, 王宇, 徐思远, 蒋国平

2022, 43(3): 113-123. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022060

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为有效利用载波索引差分混沌移位键控通信系统中参考信号的发射功率，提出了一种跳时短参考载波索引差分混沌移位键控通信方案。首先，将符号时间分成多个时隙后，根据参考索引比特取其中的一个时隙来发送短参考信号；然后，推导了所提方案在加性白高斯噪声信道和多径Rayleigh衰落信道下的理论误码率计算式。仿真结果表明，所提方案在频带利用率、系统能量效率以及误码率性能方面都有显著提升。

基于RFID载波相位的室内EKF定位算法

谢良波, 刘西西, 王勇, 周牧, 田增山

2022, 43(3): 124-134. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022048

摘要 ( 308 )

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为解决现有超高频射频识别定位方法受室内环境干扰导致定位精度不高的问题，提出了一种基于跳频辅助的 RFID 载波相位室内扩展卡尔曼滤波（EKF）定位算法。利用跳频获取的虚拟大带宽进行距离粗估计以实现多径抑制，并通过多径抑制后的相位完成可靠双频点选择以及参数优化，最终采用 EKF 算法实现高精度快速定位。实验结果表明，所提算法平均定位误差为9.35 cm，定位解算实时性比传统的基于中国剩余定理（CRT）的解整周方法提高了近10倍。

基于混合供能和能量协作的异构网络能量效率优化算法

曹阳, 钟烨, 彭醇陵, 彭小峰

2022, 43(3): 135-147. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022042

摘要 ( 228 )

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为降低异构蜂窝网络的基站能耗和同频干扰，联合能量收集与能量协作提出一种以能量效率优化为目标的联合优化算法。首先，考虑用户服务质量约束、蜂窝基站功率约束以及可再生能源收集约束，构建联合资源分配的混合整数非线性规划问题。其次，考虑到该问题是一个NP-难问题，难以直接求解，结合固定变量法将复杂原问题分解成单独求解用户关联、功率分配、能量协作3个子问题，分别利用拉格朗日对偶法、粒子群优化算法和匹配理论求解这3个子问题。最后，通过收敛迭代算法，联合以上3种算法求得原问题的最终解。仿真结果表明，所提算法相较于对比算法在收敛性和能量效率上均有改善。

基于Spark框架和ASPSO的并行划分聚类算法

毛伊敏, 甘德瑾, 廖列法, 陈志刚

2022, 43(3): 148-163. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022054

摘要 ( 200 )

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针对划分聚类算法处理海量的数据存在的数据离散系数较大与抗干扰性差、局部簇簇数难以确定、局部簇质心随机性及局部簇并行化合并效率低等问题，提出了一种基于Spark框架和粒子群优化自适应策略（ASPSO）的并行划分聚类（PDC-SFASPSO）算法。首先，提出了基于皮尔逊相关系数和方差的网格划分策略获取数据离散系数较小的网格单元并进行离群点过滤，解决了数据离散系数较大与抗干扰性差的问题；其次，提出了基于势函数与高斯函数的网格划分策略，获取局部聚类的簇数，解决了局部簇簇数难以确定的问题；再次，提出了ASPSO获取局部簇质心，解决了局部簇质心的随机性问题；最后，提出了基于簇半径与邻居节点的合并策略对相似度大的簇进行并行化合并，提高了局部簇并行化合并的效率。实验结果表明，PDC-SFASPSO 算法在大数据环境下进行数据的划分聚类具有较好的性能表现，适用于对大规模的数据集进行并行化聚类。

融合评论文本特征和评分图卷积表示的推荐模型

冯海林, 张潇, 刘同存

2022, 43(3): 164-171. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022049

摘要 ( 257 )

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为了充分利用评分的有效信息，并进一步研究评论的重要性，提出了一种融合评论文本特征和评分图卷积表示的推荐模型，利用图卷积编码学习用户和商品在评分上的特征表示，结合文本卷积特征，使用注意力机制来区分评论的重要性，然后通过隐因子模型把在评论和评分上学习到的特征表示融合产生推荐。在亚马逊公开数据集上的实验结果表明，提出的模型显著优于现有的模型，证明了提出的模型的有效性。

基于并行CNN的RIS辅助D2D保密通信系统资源分配算法

朱政宇, 侯庚旺, 黄崇文, 孙钢灿, 郝万明, 梁静

2022, 43(3): 172-179. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022046

摘要 ( 309 )

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为满足智能信号处理和物理层安全需求，针对频谱资源紧缺问题，提出了一种智能超表面辅助设备到设备（D2D）通信的资源分配算法。D2D 用户通过复用蜂窝用户频谱资源实现通信，考虑 D2D 传输速率、基站发射功率和RIS发射相移约束，构建了用户保密速率最大化问题。为了解决该非线性规划问题，提出了一种并行卷积神经网络算法，以得到最佳资源分配方案。仿真结果表明，所提算法能够有效提高系统保密速率，且明显优于其他基准算法。

自动向量化：近期进展与展望

冯竞舸, 贺也平, 陶秋铭

2022, 43(3): 180-195. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022051

摘要 ( 607 )

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随着单指令流多数据流（SIMD）技术的迅速发展，近年来许多面向 SIMD 扩展部件的自动向量化编译方法被提出，有效缓解了程序员手写向量程序的压力，并发挥了SIMD扩展部件的加速效能。基于此，分析总结了自动向量化领域近 10 年的研究成果，从保义分析和变换、向量化分组分析和变换、面向处理器支持特性的分析和变换以及性能评估分析这4个方面分类归纳了自动向量化的关键问题和主要突破，进而对4个方面的发展趋势和研究方向进行了展望。

工业物联网异常检测技术综述

孙海丽, 龙翔, 韩兰胜, 黄炎, 李清波

2022, 43(3): 196-210. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022032

摘要 ( 1602 )

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针对不同的异常检测方法的差异及应用于工业物联网（IIoT）安全防护的适用性问题，从技术原理出发，调研分析2000—2021年发表的关于网络异常检测的论文，总结了工业物联网面临的安全威胁，归纳了9种网络异常检测方法及其特点，通过纵向对比梳理了不同方法的优缺点和适用工业物联网场景。另外，对常用数据集做了统计分析和对比，并从4个方向对未来发展趋势进行展望。分析结果可以指导按应用场景选择适配方法，发现待解决关键问题并为后续研究指明方向。

基于生成对抗网络技术的医疗仿真数据生成方法

向夏雨, 王佳慧, 王子睿, 段少明, 潘鹤中, 庄荣飞, 韩培义, 刘川意

2022, 43(3): 211-224. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022057

摘要 ( 441 )

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对结构化电子健康档案中行的概率分布进行建模并生成仿真数据非常困难，因为表格数据通常包含定类列，传统编码方式可能产生特征维数灾难的问题，从而使建模异常困难。针对这一问题，提出利用庞加莱球模型建模医疗分类特征的层级结构，并采用高斯耦合的生成对抗网络技术合成结构化的电子健康档案。实验表明，该方法生成的训练数据能够在保证隐私性的前提下，实现与原始数据仅相差2%的可用性差异。

无人机辅助通信中基于用户轨迹的无线资源和航迹优化

郎磊, 王荆宁, 王一, 赵子涛

2022, 43(3): 225-232. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022059

摘要 ( 505 )

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近年来，将无人机应用在无线通信网络中来提高系统性能的研究越来越普遍。针对无人机辅助移动用户通信的下行无线传输系统，提出了一种基于用户轨迹的无人机辅助通信系统无线资源分配和航迹优化方法。根据已知的用户运动轨迹提前获取估计的大尺度信道状态信息，以最大化用户的最小平均速率为目标，建立了一个联合优化无人机通信带宽分配和飞行航迹优化的问题。该问题是一个非凸优化问题，要优化的变量之间存在非线性耦合，通过引入辅助变量和分离变量交替优化的方法，将原问题分解为2个可以求解的近似凸优化子问题，并利用连续凸逼近方法对2个子问题交替迭代优化，得到原非凸问题一个近似次优解。仿真结果表明，所提方法能够有效提高用户的平均数据吞吐量，在保证所有用户的通信质量的前提下提高无人机辅助通信的效率。

基于高阶异构度的执行体动态调度算法

贾洪勇, 潘云飞, 刘文贺, 曾俊杰, 张建辉

2022, 43(3): 233-245. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022055

摘要 ( 244 )

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针对当前动态异构冗余系统中异构体调度缺乏动态性和仅考虑二阶异构性，导致系统易被攻击者找到共模漏洞从而攻破系统的问题，提出了一种同时考虑执行体高阶异构度和历史信息的异构执行体动态调度算法——基于高阶异构度的负反馈调度算法。该算法首先计算等待池中执行体的高阶异构度矩阵，然后在每次调度执行体时同时考虑历史威胁和异构体间的高阶异构度来确定调度执行体集。实验表明，结合高阶异构度和历史信息的策略使算法获得了动态性和安全性的平衡，且防御能力较先前算法更优秀。

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