通信学报

可增强信号覆盖范围的放大型信息超表面设计

吴利杰, 杨汉卿, 程强, 崔铁军

2022, 43(12): 3-12. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022143

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传统信息超表面能对电磁波的幅度和相位做出动态调控，在无线中继中控制电磁波的传播方向，但并不能放大入射波的能量，因此这类超表面的工作距离受限，往往要通过较大的阵面面积来实现信号盲区的有效覆盖。为解决这一问题，提出了一种放大型信息超表面，并通过仿真验证了该信息超表面在2.7～3.1 GHz的宽带范围内具有2 bit的相位调制特性和信号放大能力。同时，通过引入功率分配和功率合成网络，使8个超表面单元组成一个1×8的阵列且只需使用一个放大器，以减少放大器的数量，从而降低硬件成本和系统能耗。仿真结果表明，所提出的放大型信息超表面阵列在宽带范围内同时实现了波束成形和信号能量放大，可应用于基于信息超表面的新型无线中继系统中，为增强无线信号覆盖和减小超表面阵面尺寸提供了一种全新的解决方案。

基于电磁表面的阵列天线及应用概述

周嵩林, 唐隽文, 刘罗颢, 吴优, 刘长昊, 金一飞, 杨帆, 许慎恒, 李懋坤

2022, 43(12): 13-23. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022225

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基于电磁表面的阵列天线是目前电磁学领域研究的前沿之一，基于此，对电磁表面阵列天线的早期发展、研究现状和应用情况进行了简要的汇总和介绍。首先，总结了电磁表面早期的发展历程。其次，汇总了电磁表面阵列当前的研究现状，包括可重构设计、宽带、太赫兹和多极化等。再次，给出了电磁表面阵列天线在通信、雷达、电磁环境调控等系统层面的最新应用。最后，对电磁表面阵列天线未来可能的研究方向进行了展望。

基于RIS的室内无线通信信号增强系统

唐奎, 胡琪, 赵俊明, 陈克, 冯一军

2022, 43(12): 24-31. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022228

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利用可重构智能表面（RIS）对电磁波反射特性的动态调控能力，构建了室内无线通信信号增强系统，可以实现室内信号弱覆盖盲区的接收端信号增强。首先，设计了具有动态可调相位特性的RIS单元，通过2个开关二极管的通断组合实现了2 bit反射相位的动态变化。然后，实验验证了RIS对出射电磁波束方向的动态调控。最后，通过上位机和现场可编程门阵列（FPGA）实现了RIS编码的智能调控，并利用RIS口径上的反射相位分布实现了出射波束的动态改变，同时结合遍历预编码的优化方法，实验证明了室内接收信号功率的增强效果。仿真分析及实验结果均表明，所设计的RIS系统能够有效动态提升室内无线信号覆盖质量，其接收信号功率平均提升8.9 dB，最大可达22 dB，有望为5G及新一代通信网络优化提供基础硬件技术支撑。

基于无源可重构智能超表面的室内无线信号覆盖增强

刘海霞, 易浩, 马向进, 乐舒瑶, 孔旭东, 马培, 曾宇鑫, 李龙

2022, 43(12): 32-44. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022229

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可重构智能超表面（RIS）是一种新型人工电磁材料，可灵活调控电磁波的频率、幅度、相位、极化、传播方向、波形等特性。在无线通信领域，可利用RIS重构无线通信信道，实现无线信号的盲区覆盖，提高通信质量。首先，概述了RIS技术的发展和研究现状，分析了RIS的关键技术和应用场景。然后，提出了一种新型无源RIS，通过无源编码和拼接原理实现了RIS口径可重构和波束可重构特性，具有低成本、低功耗、低复杂度的优点。最后，在实际室内环境下进行了基于无源RIS的室内无线信号盲区覆盖增强实验。通过仿真与实测对比，证明了无源可拼接超表面在无线通信补盲场景应用中的有效性。此外，针对5G/6G毫米波通信，设计了双层十字交叉振子无源RIS，应用到室内典型的L形走廊场景，验证了无源RIS对室内无线信号覆盖的增强效果。

面向IoT场景的动态超表面天线密钥生成方法

郝一诺, 钟州, 孙小丽, 金梁

2022, 43(12): 45-53. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022227

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针对物联网（IoT）场景中信道密钥更新缓慢、生成速率低、节点资源受限等问题，利用动态超表面天线（DMA）的捷变性和可重构特性提高接收信号的时变性和随机性，设计了基于DMA的物理层密钥生成方法。首先，发送端采用DMA对信号进行随机捷变加权并发送给接收端，在不影响信号透明接收的前提下增强了信号的随机性；然后，收发双方从接收信号中提取密钥。所提方法将DMA系数的捷变性和随机性、信号源的随机性以及自然信道的随机性三者叠加增强，构造复合信道提高密钥源随机性，并将信道估计开销由终端转移至基站，有效降低了通信系统的开销和时延，适用于资源非对称、节点轻量级的IoT场景。仿真结果表明，所提方法可以有效提高准静态信道下的密钥生成速率，并且所生成的物理层密钥通过了NIST指标测试。

联合路由规划的时间敏感网络流量调度方法

裴金川, 胡宇翔, 田乐, 胡涛, 李子勇

2022, 43(12): 54-65. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022235

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为解决时间敏感网络中时间敏感流量调度与路由分离导致的端到端传输时延不确定的问题，提出了一种联合路由规划的多约束流量调度方法。所提方法结合时间敏感流量的流间冲突度，灵活分配流量路由，在此基础上建立时间感知整形和联合无冲突路由的调度约束模型，在时间和空间2个维度严格保障时间敏感流量调度的有界低时延需求。实验结果表明，所提方法在不同类型拓扑场景下均表现出良好的时延性能，在保证链路均衡负载的同时，有效降低了不同时间敏感流量规模下由于拥塞冲突而产生的时延。

基于样本特征强化的APT攻击多阶段检测方法

谢丽霞, 李雪鸥, 杨宏宇, 张良, 成翔

2022, 43(12): 66-76. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022238

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针对高级持续性威胁（APT）攻击检测方法普遍缺乏对APT攻击多阶段流量特征多样性的感知，对持续时间较长的APT攻击序列检测效果不佳且难以检测处于不同攻击阶段的多类潜在APT攻击等不足，提出一种基于样本特征强化的APT攻击多阶段检测方法。首先，根据APT攻击特点，将恶意流量划分至不同攻击阶段并构建APT攻击标识序列。其次，通过序列生成对抗网络模拟生成APT攻击多个阶段的标识序列，增加不同阶段序列样本数量实现样本特征强化并提高多阶段样本特征的多样性。最后，提出一种多阶段检测网络模型，基于多阶段感知注意力机制对提取的多阶段流量特征与标识序列进行注意力计算，得到阶段特征向量，并作为辅助信息与标识序列进行拼接操作，增强检测模型对不同阶段感知能力并提高检测精度。实验结果表明，所提方法在2个基准数据集上均有良好的检测效果，对多类潜在APT攻击的检测效果优于其他模型。

基于深度展开的大规模MIMO系统CSI反馈算法

廖勇, 程港, 李玉杰

2022, 43(12): 77-88. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022237

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针对现阶段大规模MIMO系统中基于深度学习的信道状态信息（CSI）反馈算法待训练参数过多、可解释性不强的问题，提出了2种基于深度展开的CSI反馈算法。一种是基于可学习参数的近似消息传递（AMP）算法，该算法利用深度学习中的可学习参数将AMP算法中阈值函数的阈值和Onsager校正项的参数替换，增强了阈值函数在应对非严格稀疏数据时的非线性能力。另一种是基于卷积网络的 AMP 算法，该算法将阈值函数模块替换为卷积残差学习模块，利用该模块去除 AMP 算法中每轮迭代产生的高斯随机噪声。仿真分析表明，所提算法具有比AMP算法更好的CSI反馈表现，其中基于卷积网络的AMP算法具有比基于深度学习的代表性方法更优异的CSI重构性能。

区块链网络拓扑优化和转发策略设计

霍如, 程祥凤, 孙闯, 汪硕, 黄韬, F.Richard Yu

2022, 43(12): 89-100. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022240

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为解决区块链网络的数据传输效率低问题，提出了区块链传输效率优化方法来优化网络拓扑和转发策略。首先，设计了可信值函数计算区块链节点的可信值，综合考虑可信值和传输时间构建树形拓扑。然后，基于树形拓扑设计转发路径选择策略，以最小整体并发传输时间为目标，建立节点关于其邻居节点转发次序的转发表。为了减小节点变化对树形拓扑的影响，提出了拓扑动态优化策略局部调整树形拓扑。转发路径选择策略使整个数据传输过程具有最小传输时间，动态优化策略避免重构全网拓扑，有效缩短数据传输时间。仿真结果表明，与权重优先算法相比，所提方法的传输时间减小了约20%，显著提高了数据传输效率。

基于激励相容的权益分散共识算法

田有亮, 袁延森, 高鸿峰, 杨旸, 熊金波

2022, 43(12): 101-112. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022232

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PoW共识算法被证明是激励不相容的，存在高奖励差异下的算力中心化和极端情况下的分叉收敛速度较慢等问题。基于此，提出了一种基于激励相容的 SSPoW 共识算法。通过引入局部解来计算区块链的聚合算力，利用算力的显性量化加快分叉收敛速度，从而满足区块链的一致性。通过改进奖励方案实现激励相容，减少因高奖励差异导致的算力中心化问题。仿真结果证明，所提算法能有效削减奖励差异，并且效率高于传统 PoW 共识算法，对提高系统安全性和共识效率有积极意义。

智能反射面辅助毫米波NOMA系统的资源分配联合设计方案

赵赛, 邹章晨, 黄高飞, 唐冬

2022, 43(12): 113-122. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022236

摘要 ( 292 )

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为了进一步提高智能反射面（IRS）辅助毫米波非正交多址接入系统的频谱效率，研究了用户分簇、串行干扰消除（SIC）解码顺序、发射功率分配、模拟波束选择和IRS相移的联合设计方案。在发射功率约束、SIC解码速率约束、波束选择约束、SIC解码顺序约束、用户速率约束和IRS相移约束下，最大化系统和速率。由于离散变量、组合变量以及连续变量在目标函数和约束条件中耦合，所提优化问题难以用传统的优化方法求解。为了求解该问题，首先通过查询表将SIC解码顺序变量这一组合变量转化为二进制离散变量，然后基于混合鲸鱼优化算法解耦离散变量和连续变量，并基于罚函数法对优化约束建模，将非凸优化问题转换为启发式问题进行迭代求解。仿真结果验证了所提方案的有效性。

基于权力指数的DPoS共谋攻击检测与预防

付晓东, 漆鑫鑫, 刘骊, 彭玮, 丁家满, 代飞

2022, 43(12): 123-133. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022233

摘要 ( 243 )

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针对DPoS共识机制存在恶意节点通过共谋操纵选举，导致DPoS共识过程中区块链安全性无法保证的问题，提出基于权力指数的DPoS共谋攻击检测与预防方法。首先，借鉴博弈理论中权力指数的思想，构建DPoS的加权投票博弈模型，以分析恶意节点的行为动机。然后，通过异常的权力指数变化幅度进行攻击检测，在预防DPoS 共谋攻击的过程中，加入 Softsign 激活函数抑制恶意节点的权力指数。最后，理论分析与实验验证了所提方法检测和预防DPoS共谋攻击的有效性。

OTFS接收端信道估计辅助的无记忆功放非线性失真补偿算法

蒋占军, 刘欢, 张华卫, 李翠然

2022, 43(12): 134-145. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022239

摘要 ( 240 )

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针对正交时频空（OTFS）系统中功率放大器（PA）非线性特性导致传输信号产生失真的问题，提出了一种接收端补偿算法。利用Bussgang定理，结合PA复系数多项式及失真项平均能量对信道状态信息进行估计，重构了包含失真项的发送信号，更新了多项式归一化系数估计值，并基于此，在接收端使用迭代迫零均衡算法对非线性失真项进行自适应补偿分析。结果表明，所提算法降低了Saleh和Rapp模型对传输信号的非线性影响并能够有效提升OTFS系统的误码率性能。

基于Stackelberg博弈的无人机辅助无线供能物联网能量优化

黄旭民, 张旸, 余荣, 蒋丽, 田辉, 吴远

2022, 43(12): 146-156. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022231

摘要 ( 295 )

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无人机结合无线能量传输的技术可为物联网终端设备提供能量供应。为了解决充电用户与无人机之间自由公平的能量交易问题，提出一种基于Stackelberg博弈的能量交易方案，赋予用户主方角色，由其决策服务奖励，各无人机作为从方通过能量供应来竞争获取奖励，参考无线能量传输过程中的平均信道增益决策服务用户的充电时长。运用逆向归纳法分析并求解Stackelberg均衡解。实验仿真表明，所提方案可有效减少用户在能量交易中的经济开销，提高用户满意度，实现用户侧能量优化。

基于多模态特征的无监督领域自适应多级对抗语义分割网络

王泽宇, 布树辉, 黄伟, 郑远攀, 吴庆岗, 常化文, 张旭

2022, 43(12): 157-171. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022212

摘要 ( 368 )

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为了解决领域自适应中存在领域间视觉、空间以及语义特征分布差异的问题，提出了基于多模态特征的无监督领域自适应多级对抗语义分割网络。首先，设计3层结构的注意力融合语义分割网络来分别从源域和目标域学习上述三类特征。然后，在单级对抗学习中引入联合分布置信度和语义置信度的自监督学习方法，从而在领域间所学特征的分布距离最小化过程中实现更多目标域像素的分布对齐。最后，通过基于多模态特征的多级对抗学习方法对3路对抗分支与3个自适应子网进行联合优化，从而能够有效学习各子网所提取特征的域间不变表示。实验结果表明，与当前先进方法相比，所提网络在GTA5到Cityscapes、SYNTHIA到Cityscapes和SUN-RGBD到NYUD-v2的数据集上分别取得最优的平均交并比62.2%、66.9%和59.7%。

基于格的口令认证密钥交换协议综述

郭渊博, 尹安琪

2022, 43(12): 172-187. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022190

摘要 ( 363 )

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量子计算技术的快速发展使基于传统困难问题的口令认证密钥交换（PAKE）协议在后量子时代面临严重的安全威胁。基于格的密码体制因高效性、高安全性，以及支持全同态加密和多线性映射等更强的密码服务功能，被美国NIST认证为后量子时代最具潜力的密码体制。首先系统地梳理格上PAKE协议的研究进展，主要包括格上集中式的两方、三方PAKE协议和分布式PAKE协议，然后分别对相关典型方案进行了对比分析，最后展望了格上PAKE协议的未来发展趋势。

面向OTFS的时延-多普勒域信道估计方法综述

邢旺, 唐晓刚, 周一青, 张冲, 潘振岗

2022, 43(12): 188-201. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022224

摘要 ( 816 )

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为了在高移动性场景中提供稳定可靠的通信服务，6G 系统可考虑基于时延–多普勒（DD）域的正交时频空间（OTFS）作为其调制方案。OTFS通过将发送符号映射到DD域，再将其二维变换到时间–频率（TF）域，使所有发送符号具备获取时频全分集的潜力，有效提高了双选择性信道下的通信性能。由于DD域等效信道具有很多良好性质，现有OTFS信道估计方法大多在DD域完成。考虑实现思路的差异和算法应用场景的区别，已有面向OTFS的DD域信道估计方法被划分为3类并进行综述。最后总结分析了当前DD域信道估计方法的挑战及潜在解决思路。

“信息与通信系统”领域2022年度国家自然科学基金项目申请与资助情况综述

孙玲, 钟财军, 李成林

2022, 43(12): 202-210. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022241

摘要 ( 465 )

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为了使广大科研人员了解国家自然科学基金“信息与通信系统”领域基础研究队伍、主要研究方向及发展趋势，统计与分析了 2022 年度该领域的面上项目、青年科学基金项目和地区科学基金项目等项目的申请与立项资助等情况，给出了自然科学基金各类项目申请中申请量最大、涉及面最广的面上项目和青年科学基金项目申请与资助的依托单位以及申请代码分布等情况，介绍了该领域按科学问题属性分类的评审和“负责任、讲信誉、计贡献”（RCC）评审机制工作情况，最后展望了“十四五”期间领域重点发展方向。

基于改进CFCC特征提取的语种识别算法研究

龙华, 黄张衡, 邵玉斌, 杜庆治, 苏树盟

2022, 43(12): 211-221. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022234

摘要 ( 171 )

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针对在低信噪比下语种识别准确率低的问题，提出一种基于分数阶小波变换的语种识别算法。首先，在特征提取前端采用自适应滤波法对带噪信号进行噪声滤除，以减小噪声对特征提取的影响，提升系统对带噪信号的处理能力。其次，采用新型分数阶小波变换作为小波基函数来模拟信号在耳蜗基底膜上的传播过程，利用非线性幂函数对信号进行压缩处理。最后，通过模拟人耳听觉过程提取改进耳蜗滤波器倒谱系数（CFCC）。实验结果表明，改进CFCC与传统CFCC相比显著提升了语种识别准确率，在0 dB信噪比下语种识别准确率平均提升了11.1%，充分验证了所提算法的有效性和稳健性。

基于失真反向传播的时域依赖率失真优化

郭红伟, 朱策, 杨栩, 罗雷

2022, 43(12): 222-232. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2022230

摘要 ( 226 )

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率失真优化是基于块的混合视频编码器中一项关键技术，然而广泛采用的独立率失真优化远未取得最优编码性能。为提升高效视频编码的率失真性能，提出了一种时域依赖率失真优化算法。首先，采用指数形式率失真函数，推导出时域失真传播因子的计算式；然后，通过预编码获得编码失真和运动补偿预测误差，并采用失真反向传播估算时域失真传播因子；最后，自适应地调节编码树单元的拉格朗日乘子和量化参数，以优化编码比特资源分配。实验结果显示，在低时延编码配置下，相比于高效视频编码的率失真优化算法，所提算法在获得同等重建视频质量的前提下，将所有测试视频码率平均节省4.4%，BasketballDrill序列码率最高节省13.0%。

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