通信学报

基于审计博弈的安全协作频谱感知方案

王云涛, 苏洲, 许其超, 刘怡良, 彭海霞, 栾浩

2023, 44(12): 1-14. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023238

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针对群智协作频谱感知中恶意感知终端的投毒与搭便车攻击，结合事前威慑与事后惩罚机制提出了一种基于审计博弈的新型防御方案。首先，考虑审计预算约束，构建了一种不完全信息下的混合策略审计博弈模型，在协作感知前设置惩罚策略威慑恶意协作者，并在感知数据融合后进行审计进而实施惩罚。其次，设计了链上链下协同的轻量审计区块链模型，其中，审计证据存储在链下数据仓库，其元数据公开发布在审计链上。再次，设计了基于强化学习的分布式智能审计算法，以在动态环境下自适应地计算审计博弈的渐近混合策略均衡。仿真结果表明，相比传统方案，所提方案能快速获取稳定且渐近最优的审计策略，并积极抑制恶意协作者的投毒与搭便车行为。

天地算力网络中的异构资源协同博弈

张雨童, 彭煜明, 邸博雅, 宋令阳

2023, 44(12): 15-27. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023214

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为解决多卫星天地算力网络中的星间资源博弈，围绕计算、频谱域资源管理问题，设计了一种天地异构资源协同博弈机制。每颗卫星搭载一项计算任务，各任务间彼此独立，依赖用户设备从环境中获取原始数据，通过竞争网络中的计算/频谱资源实现数据卸载与计算。为提供高速数据服务，提出基于多智能体强化学习的分布式算法，以协调星间异构资源竞争，实现系统时延最小化。仿真表明，与现有方案相比，所提算法可获得更低的系统时延。

基于博弈论的空时频谱共享：动态接入与惩罚策略

牛阳阳, 尉志青, 冯志勇

2023, 44(12): 28-38. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023218

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为了解决时空域频谱资源利用不充分的问题，针对异构网络中多个次用户通过感知空时频谱机会动态接入的场景，提出一种基于博弈论的可靠频谱共享策略。首先，次用户通过信道采样感知主用户的活跃程度，并进一步寻找适合的空时频谱机会。其中，每个次用户旨在寻求更多的频谱资源，须避免对主用户的通信质量造成损害。为此，次用户与主用户之间需进行个人效用的协商，以达到混合纳什均衡状态。当次用户发射功率异常时，其行为将被视为违规。然后，结合违规次数和网络中活动节点数，对次用户采用退避时间补偿算法进行惩罚。最后，仿真结果验证了引入惩罚机制的空时频谱机会共享策略的有效性。

卫星网络和高空平台网络频谱共存下的分布式鲁棒波束成形算法

王子宁, 林敏, 李菲, 韩略, 朱卫平

2023, 44(12): 39-49. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023211

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面向由卫星网络和高空平台网络有机结合的星空融合网络，提出一种基于非完美信道状态信息的分布式鲁棒波束成形算法。首先，在卫星网络和高空平台网络分别采用多播技术和非正交多址技术服务多个用户的场景下，以最大化网络和速率为目标函数，并以满足各个用户速率需求为约束，建立卫星和高空平台发射功率受限为约束的优化问题。其次，在仅能获取用户非完美信道状态信息且仅能实现非完美连续干扰消除的情况下，采用S-procedure和连续凸逼近对非凸问题进行转化，并进一步提出基于拉格朗日对偶的分布式波束成形算法，以实现网络间的频谱共享。最后，计算机仿真表明所提分布式算法相比现有工作能以更低的信令开销获取更高的频谱效率。

基于速率分割的可重构智能表面辅助星地融合网络鲁棒安全传输方案

赵柏, 林敏, 肖圣杰, 程铭, 冯一帆, 杨绿溪

2023, 44(12): 50-60. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023221

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首先，考虑一个可重构智能表面（RIS）辅助的星地融合网络，卫星采用速率分割多址技术服务多个地球站，而地面基站则在RIS的协助下利用多播技术服务多个地面用户，同时还存在多个窃听者企图获取卫星的隐私信号。其次，在仅已知窃听者非完美信道状态信息的条件下，以所有用户的通信质量要求及最大窃听概率为约束条件，建立一个以最小化系统总发射功率为目标函数的联合优化问题。为了求解该非凸问题，采用S-procedure和连续凸逼近方法将复杂的窃听概率约束转化为可行的凸约束；利用基于核范数的惩罚函数方法提出一种鲁棒联合优化算法以迭代求解波束成形权矢量和发射功率。最后，计算机仿真结果验证了所提传输方案的有效性和优越性。

面向非地面网络多QoS保障的低地球轨道卫星星座设计

王汝言, 叶显熠, 何鹏, 崔亚平, 吴大鹏, Alexander Fedotov

2023, 44(12): 61-77. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023225

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低地球轨道卫星星座（LSC）能够为非地面网络（NTN）提供无缝和快速连接，但无法为用户提供足够的服务质量保障，严重影响了NTN系统性能。综合考虑多个QoS指标，建立了LSC的容量与下行链路预算模型，进而，将星间链路的建立制定为QoS保障的链路预算问题。提出了带有改进交叉和变异算子的非支配排序遗传算法（INSGA-II）优化LSC的配置，实现多重覆盖率和系统容量的最大化以及星座成本的最小化。数值结果表明，与Telesat和Kepler相比，所设计的LSC具有相当甚至更高的性能，且其星座规模仅为Kepler系统的64%。

新型直接序列扩频通信方法

辜方林, 彭进霖, 黄育侦, 曹圣群, 赵海涛, 魏急波

2023, 44(12): 78-85. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023233

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针对传统直接序列扩频通信复杂多径环境下性能受限且频谱利用效率低的问题，提出了一种时频混合直接序列扩频接收机结构的循环前缀（CP）块传输结构扩频系统，采用频域最大比合并（MRC）同时实现均衡和解扩过程，在获得最佳接收性能的同时，省略了 IFFT 过程，显著降低了计算复杂度。在此基础上，提出了利用恒包络零自相关（CAZAC）序列取代 m 序列作为扩频序列，在不增加计算复杂度的同时显著提升系统的性能。最后，提出了一种基于循环码移位键控（CCSK）的高速扩频通信方法，解决了传统直接序列扩频频谱利用效率低、传输速率受限的问题，并利用傅里叶变换时域循环移位的性质，设计了一种低实现复杂度的CCSK解扩方法，将CCSK解扩所需的乘法次数由O(N²)降为O(N log N)，极大减少了资源消耗。仿真结果表明，相较于已有直接序列扩频方法，所提方法无论是在高斯还是复杂多径信道环境下均获得了3 dB左右的性能增益。

基于多智能体强化学习的异构网络CRE偏置动态优化算法

张铖, 朱家烨, 刘泽宁, 黄永明

2023, 44(12): 86-98. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023235

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为应对无线网络用户激增导致的高吞吐量需求，针对宏微异构网络干扰场景，提出一种基于多智能体强化学习的小区范围扩展（CRE）偏置动态优化算法。基于协作多智能体强化学习的值分解网络框架，通过合理利用并在微微基站间交互系统内用户分布及其所受干扰水平，实现所有微微基站的个性化 CRE 偏置值在线本地化决策。仿真结果表明，与CRE=5 dB、分布式Q-Learning算法相比，所提算法在提高系统吞吐量、均衡各基站吞吐量及改善边缘用户吞吐量方面具有明显优势。

基于模型数据双驱动的短波MUF短期预测网络

李俊兵, 曾囿钧, 曾孝平, 李国军, 白晨曦

2023, 44(12): 99-111. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023234

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针对短波最大可用频率（MUF）经典模型方法预测精度低及机器学习方法训练集数据获取难度大的问题，提出一种模型数据双驱动的双向门控递归单元（BiGRU）网络用于MUF短期预测。模型驱动方面，利用经典MUF预测模型生成的大规模数据集作为模型驱动训练集，经过2D CNN和BiGRU网络联合学习后，获得一个初步网络。数据驱动方面，使用小规模的实测数据集对初步网络进行二次训练，得到最终网络 CNN-BiGRU-NN。仿真结果表明，所提网络与GRU网络、LSTM网络以及VOACAP模型相比，在日期尺度和时刻尺度上的平均均方根误差（RMSE）均有降低。

理性安全的公平两方比较协议

赵搏文, 祝遥, 肖阳, 裴庆祺, 李小国, 刘西蒙

2023, 44(12): 112-123. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023220

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现有的安全两方比较协议通常是让一方（如Alice）先获知比较结果，然后Alice将比较结果告知另一方（如Bob）。如果Alice拒绝或未将结果发送给Bob，则协议无法保障参与方都拿到比较结果，协议的公平性被破坏。为解决上述问题，结合门限 Paillier 密码系统与博弈论提出一种理性安全的公平两方比较协议 TEAM。具体地，首先利用门限 Paillier 密码系统设计一种新型的安全两方比较协议。接着引入博弈论机制，探寻所提安全两方比较协议双方均获得比较结果的博弈均衡点。严格的理论分析表明，TEAM保障理性的参与方可在不泄露各自数据的情况下正确地获得比较结果，即TEAM是一个正确、安全且公平的两方比较协议。实验结果显示，同等实验环境下TEAM的计算效率相较于现有的安全两方比较方法运行速度能提升超50倍。

基于深度学习的正交频分复用系统信道估计

张昀, 周婧, 黄经纬, 于舒娟, 黄丽亚

2023, 44(12): 124-133. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023240

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针对5G系统信号接收子载波间串扰和子符号间干扰问题，提出了一种高效的基于深度学习的信道估计模型。在导频处进行初步估计获得估计信道，并将其视为含噪声的低分辨率图像样本输入信道估计模型，通过学习低分辨率图像与高分辨率图像之间的映射关系，最终去除输入信道的噪声，还原高分辨率信道图像，获得整个信道状态信息。仿真结果表明，该模型不仅延续了传统注意力机制抑制冗余信息的优势，降低了计算开销，还能获得良好的精度和鲁棒性，对各种信道都有较好的估计效果。

基于双重信誉值与多角度权值的抗SSDF攻击协作频谱感知方法

孙志国, 王钊, 陈增茂, 孙溶辰

2023, 44(12): 134-145. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023213

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为保证协作频谱感知具备较好的抗频谱感知数据篡改（SSDF）攻击能力，提出一种基于双重信誉值与多角度权值的协作频谱感知（DRMW-CSS）方法。首先，以历史本地判决结果进行多次迭代获得评分信誉值，并在此基础上计算出准确率信誉值。其次，以双重信誉值和多个信誉值门限对次级用户（SU）进行筛选。然后，判断SSDF攻击对该筛选方法造成的影响程度，并将其分为3种情况。最后，根据不同情况采用相对应多角度权值数据融合判决方法做出最终的全局决策。仿真结果表明，所提方法在面对不同攻击策略与攻击概率的SSDF攻击时具有良好的感知准确率，相较于传统方法具备更好的抗攻击能力。

基于可见光和射频融合的通信定位一体化系统

杨彦兵, 胡超, 鲁邦彦, 张频频, 孙奕髦, 陈冠宇

2023, 44(12): 146-157. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023230

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针对在可见光和射频融合网络中，传统的基于接收信号强度的用户切换方案未考虑用户切换错误率的问题，提出了基于位置的用户切换方案。具体地，设计并实现了一套基于低成本物联网芯片ESP32的可见光-射频融合的通信定位一体化系统，该系统使用可见光通信下行数据、Wi-Fi上行数据。设计了基于时-频复用的通信定位一体化框架，使用神经网络估计用户的位置，用户根据估计的位置完成切换。在通信方面，系统的吞吐量最高可达35 kbit/s；在定位方面，系统的定位精度可达2.8 cm，比传统系统的定位精度提升了33%。与基于接收信号强度的切换方案相比，所提方案的用户切换错误率降低了4%。

支持多密文批量审计的解密外包SM9-HIBE密钥封装机制

刘宽, 宁建廷, 伍玮, 许胜民, 林超

2023, 44(12): 158-170. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023222

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SM9-HIBE密钥封装机制的解密操作需要2次双线性配对运算，在设备算力受限且需对大规模信息资源进行高频解密时，配对运算的高额计算开销会束缚系统的有效部署。为此，基于SM9-HIBE提出了一种支持解密外包和多密文批量审计的新型密钥封装机制OASM9-HIBE，并利用Fujisaki-Okamoto转换技术在随机谕言模型下证明了OASM9-HIBE具备RCCA安全性。OASM9-HIBE将计算繁重的双线性配对运算全部安全外包至算力强大的云端，第k层用户只需执行一次简单的指数运算即可完成最终解密，有效提升了原SM9-HIBE的解密效率，OASM9-HIBE同时运用密钥盲化技术实现了多份转换密文的高效批量审计功能，从而拓展了SM9系列算法的应用领域。

基于分组序列码本和压缩感知的大规模无源多址方案

张晶, 马林, 梁楚龙, 高宏旭

2023, 44(12): 171-180. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023239

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针对大规模机器类型通信零星突发场景，提出了一种基于分组序列码本和压缩感知的大规模无源多址方案。首先，设计了基于特定移位模式的大容量扩展码本生成方案，以扩展码本空间；然后，将上行信号的稀疏结构与多载波技术结合，支持多用户数据在部分子载波上重叠传输，以提高频谱效率；最后，建立了多载波CS-MUD模型，设计了基于码本序列块的组正交匹配追踪算法完成活动用户及其上行数据的联合检测。仿真结果表明，所提方案能够有效降低大规模随机接入的误码率。

基于IHBA优化模糊C均值的三维WSN分簇路由算法

杨靖, 徐碧阳, 李维正, 李伟, 朱兆强, 覃涛

2023, 44(12): 181-192. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023236

摘要 ( 56 )

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针对分簇路由算法在三维场景下能量消耗大、网络生存周期短的问题，提出了一种基于改进蜜獾算法优化模糊C均值的三维无线传感网分簇路由算法IFCRA。IFCRA分别对网络成簇、簇首选举以及数据传输阶段进行了优化。首先，采用改进蜜獾算法优化模糊C均值算法，解决模糊C均值易陷入局部最优的问题，并综合节点的距离和能量特征划分拓扑结构。其次，结合簇内节点的能量和相对距离构建最优簇首函数，平衡簇首负载。最后，采用自适应传输机制寻找中继节点，综合节点距离和能量构建最优传输路径函数，采用改进蜜獾算法进行寻优，均衡数据传输能耗。仿真结果表明，IFCRA在三维异构场景中分簇合理、能耗均衡且生存周期长。

基于分布式MIMO网络的室内终端单站定位技术

李泽, 邹建, 黄曾, 田增山

2023, 44(12): 193-205. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023237

摘要 ( 67 )

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针对分布式MIMO网络中的终端定位问题，提出了基于分布式MIMO网络的室内终端单站定位系统。首先，将接入点天线布置在室内不同的位置，并利用压缩感知算法对终端每个天线上接收路径的离开角（AoD）和飞行时间（ToF）进行估计；其次，联合多个路径的 AoD 和 ToF 建立非线性定位模型，并利用一种改进的Levenberg-Marquardt算法进行求解；再次，理论分析了定位误差的影响因素以及给出了天线布局的理论依据；最后，利用电磁仿真软件和软件无线电平台进行了仿真和实测验证，仿真和实测结果表明，所提定位系统的性能优于现有基于自然多径辅助的单站定位系统。

2023年度“信息与通信系统”领域国家自然科学基金项目申请与资助情况统计分析

孙玲, 胡杰, 李泳成, 文珺, 何杰, 刘克

2023, 44(12): 206-215. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023224

摘要 ( 148 )

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统计分析了 2023 年度“信息与通信系统”领域国家自然科学基金面上项目、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的申请与资助情况，结合涉及面最广、申请量最大的面上项目和青年科学基金项目，分析了依托单位与二级申请代码的资助情况，以便广大科研人员了解该领域基础研究队伍、主要研究方向和发展趋势，以及“十四五”期间该领域重点发展方向。最后介绍了 2023 年度落实自然科学基金改革相关举措情况，包括按照科学问题属性分类评审、深入推进原创探索计划、以及“负责任、讲信誉、计贡献”评审机制等。

基于两分量广义加权分数傅里叶变换的大规模MIMO波形设计

李行健, 宋志群, 李勇, 刘丽哲, 王斌, 汪畅

2023, 44(12): 216-229. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023226

摘要 ( 51 )

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针对大规模多输入多输出（MIMO）系统下传统信号分集技术需要牺牲通信速率或频谱等通信资源的缺陷，提出了一种基于两分量广义加权分数傅里叶变换（DCGWFRFT）的波形设计方法。该方法通过引入计算分集的概念，以一定的计算资源为代价提升系统的分集性能，且发送端不需要已知信道状态信息。分析了基于DCGWFRFT的波形的计算分集原理，并根据该原理提出了一种基于DCGWFRFT的波形设计与变换流程，在保持物理层安全特性的基础上提升波形的抗衰落能力。理论分析证明，在无噪声的情况下，所提出的波形设计与变换流程能够完美恢复原始发送信号；在有噪声的情况下，所提出的波形相比于未经变换的波形的误差能量分布更加平均。仿真结果显示，在误码率为10^-3时，基于DCGWFRFT的波形相比于未经变换的波形有至少1.7 dB的比特信噪比性能优势。

基于安全联邦蒸馏GAN的工业CPS协作入侵检测系统

梁俊威, 杨耿, 马懋德, Muhammad Sadiq

2023, 44(12): 230-244. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2023216

摘要 ( 78 )

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针对敏感信息保密必要性导致的数据孤岛问题，提出了一种适用于工业信息物理系统（CPS）的安全协作入侵检测系统（PFD-GAN）。具体来说，首先通过融入Wasserstein距离和标签条件，改进外部分类器生成对抗网络（EC-GAN），构建了一种新型半监督入侵检测模型，以产生能够实用的生成数据来增强分类性能。同时，在改进EC-GAN的训练中，融合本地差分隐私技术，防止敏感信息的泄露、保障协作过程的隐私安全。此外，设计了基于去中心化联邦蒸馏的协作方式，允许多个工业CPS共同构建一个综合的入侵检测系统，以识别整个网络系统下的威胁，而无须共享统一的模板模型。对真实工业CPS数据集的实验评估和理论分析表明，PFD-GAN可以在免受隐私泄露风险的同时，高效地检测针对工业CPS的各种类型攻击。

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