物联网学报

图神经网络驱动的交通预测技术：探索与挑战

周毅, 胡姝婷, 李伟, 承楠, 路宁, 沈学民

2021, 5(4): 1-16. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00235

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随着物联网及人工智能技术的快速发展，对交通数据进行精准的分析和预测成为智慧交通的首要环节。近年来，交通预测方法逐渐从经典的模型驱动转变为数据驱动，然而，如何通过大数据有效分析路网的时空特性是预测过程中面临的关键难题之一。时空大数据分析是交通预测的利器，将交通路网建模为图网络，将深度学习方法在图网络上进行扩展，通过图神经网络建立时空预测模型，采用图卷积的方式有效地获取路网传感器节点之间的时空相关性，可以显著提高交通预测模型的精度。针对图神经网络驱动的交通预测技术进行了探索，基于深度时空特性分析提炼了两大类交通预测模型，并通过实例进行分析和验证，探讨了图神经网络在交通预测领域的技术优势和主要挑战，挖掘了图神经网络预测机制的潜在研究方向。

基于射频指纹的LoRa网络安全方案研究

姜禹, 陈思卿, 孙雯

2021, 5(4): 17-25. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00228

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远距离无线电（LoRa, long range radio）凭其远距离、低功耗的优点在物联网中应用广泛，但目前LoRa网络还没有可靠的安全方案，无法保证通信安全。为此，基于射频指纹的唯一性和难以篡改性，提出接收请求接入的LoRa终端的射频信号，提取指纹并标注，与根据需求自定义的多尺度安全规则匹配来判断终端身份是否安全，采取对应安全措施。据此，对原有 LoRa 网关及 LoRa 网络架构进行改进，设计了全新的工作流程，提出了两种LoRa网络安全方案。提出的LoRa网络安全方案从物理层实现LoRa终端身份认证和接入控制，仅需针对原有网关及其工作逻辑进行改进，无须改造数量巨大的LoRa终端，在不影响原有LoRaWAN安全机制工作的基础上，给LoRa物联网应用添加新的安全措施和保障，具有很高的实用价值。

面向海洋观监测传感网的移动终端位置隐私保护研究

苏新, 江苏, 周一青

2021, 5(4): 26-36. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00244

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移动边缘计算可支撑多类高可靠、低时延的海事应用，然而计算任务的卸载存在诸多安全隐患。为此，分析并量化了海洋移动终端由任务卸载导致的位置隐私泄露风险。建立有关位置隐私保护模型并提出一种基于动态缓存与空间匿名的位置隐私保护（DS-LPP, dynamic cache and spatial cloaking-based location privacy protection）算法。仿真结果表明，DS-LPP 算法在保护海洋移动终端位置隐私时，相比传统算法优构建匿名空间与中继节点选取性能更优，因而可有效应用于通信、计算资源相对匮乏的海洋观监测传感网，保障终端位置隐私保护连续性。

基于FPGA-Jetson的智能电网硬件实时联合仿真

段通, Venkata Dinavahi, 程天石

2021, 5(4): 37-45. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00246

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智能电网是一个电力网络和通信网络耦合的物理信息电力系统（CPPS, cyber-physical power system），这种双域耦合的特性使得对其实时仿真成为难点。不同于现有基于软件同步的联合仿真方法，借助了FPGA的可编程计算能力和Jetson的实时操作系统，设计了基于FPGA-Jetson平台的智能电网硬件实时联合仿真架构，在FPGA板卡内进行电力系统仿真，在Jetson平台中完成信息通信系统仿真，利用PCIe数据通道模拟双域的信息交互。通过充分发掘各个模块的计算和数据传输能力，可以实现对“电网+通信网”双域联合的实时仿真。最后，针对广域 AC-DC 混合输电网和微电网两个典型智能电网场景设计了相应的实时仿真模型及参数，验证了所提实时联合仿真架构的可行性和可扩展性。

基于标签量信息的联邦学习节点选择算法

马嘉华, 孙兴华, 夏文超, 王玺钧, 谭洪舟, 朱洪波

2021, 5(4): 46-53. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00249

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针对节点数据分布差异给联邦学习算法性能带来不良影响的问题，提出了一个基于标签量信息的节点选择算法。算法设计了一个关于节点标签量信息的优化目标，考虑在一定时耗限制下选择标签分布尽可能均衡的节点组合优化问题。根据节点组合的综合标签分布与模型收敛的相关性，新算法降低了全局模型的权重偏移上界以改善算法的收敛稳定性。仿真验证了新算法与现有的节点选择算法相比拥有更高的收敛效率。

基于MIMO的大容量LPWAN技术TurMass^TM与LoRa对比

江昊, 陈宏铭, 曹以龙, 崔昊杨

2021, 5(4): 54-61. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00243

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随着低功耗广域网（LPWAN, low-power wide area network）技术的快速发展和应用，越来越多的物联网终端需要接入网络。为应对海量物联网终端随机接入带来的挑战，提出了将大规模 MIMO 免授权随机接入（MGFRA, grant-free random access with massive MIMO）技术应用到LPWAN场景中。介绍了MGFRA技术并理论分析了 MGFRA 的性能，以验证其在极低信令开销的前提下大幅提升信道接入容量的性能优势。介绍了基于MGFRA的大容量LPWAN技术TurMass^TM。为展现TurMass^TM在实际应用中相较于现有LPWAN技术的优势，在典型LPWAN通信场景下对TurMass^TM和LoRa在信号覆盖、通信速率、网络容量、低功耗、低成本方面进行了对比。对比结果显示，与现有LPWAN技术LoRa相比，TurMass^TM在信号覆盖、通信速率、网络容量、低功耗、低成本方面具有突出的优势。

基于测距修正及改进灰狼优化器的DV-Hop定位算法研究

赵小强, 吴帅, 高传义, 李宁, 李波东, 杨小勇

2021, 5(4): 62-70. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00222

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节点定位是无线传感器网络中的一个重要问题，基于测距的定位算法虽然定位误差较小，但在应用于室外三维环境时具有较多的局限性。因此，以原始的距离向量（DV-Hop, distance vector-hop）算法为研究基础，分别引入接收信号强度指示（RSSI, received signal strength indication）算法和最小均方误差（MMSE, minimum mean squared error）准则对算法的测距过程进行修正，同时采用改进的灰狼优化器对确定未知节点坐标的过程进行优化处理。仿真结果表明，相较于原始DV-Hop算法和IPDV-Hop算法，IGDV-Hop算法在初始参数下的平均定位误差率分别降低了28%和17%，定位效果得到明显改善。

面向车联网的认知雷达通信复合波形设计

姚誉, 李妍洁, 吴乐南, 苗圃, 唐小渝

2021, 5(4): 71-80. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00232

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介绍了认知雷达通信（CRC）收发器的系统架构，提出了一种认知雷达通信复合波形的设计方法。此方法旨在从雷达场景中估计目标散射系数（TSC），同时实现高速率数据通信。为了降低TSC的均方误差（MSE），建立了在实际雷达系统多约束条件下的认知复合波形优化模型。通过基于卡尔曼滤波的方法设计超宽带（UWB）传输脉冲集，并利用多元位置相移键控调制技术（MPPSK）将信息数据嵌入其中，从而实现峰均功率比（PAPR）约束的最佳解决方案。实验结果证明，随着迭代次数的增加，TSC 估计和目标检测概率均有所提高。同时，在CRC收发系统之间仍能够以低误码率和速率为几Mbit/s的范围内传输数据。

基于多预测模型与非线性组合的神经网络风速预测

王家君, 曹薇, 张贵龙, 张淮智, 凌子兴, 赵小强

2021, 5(4): 81-89. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00221

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针对复杂山地风速在时空特性上存在强随机性的问题，为了提高风速数据预测的准确性，提出一种基于多预测模型与非线性组合的神经网络风速预测算法。在算法第一层，利用灰狼优化器（GWO）并引入动态收敛因子改进鲸鱼优化算法（WOA），将改进后的 WOA 应用于反向传播神经网络（BPNN）权值及偏置项的更新过程。同时，基于改进后的鲸鱼优化算法的反向传播神经网络（IWOABP）、极限学习机（ELM）和长短期记忆（LSTM） 3种优势互补的方法构建组合预测方法，并在此基础上利用算法第二层的ELM混合机制，以非线性方式学习第一层与最终结果的关系。仿真结果表明，所提算法相较于BPNN、小波神经网络（WNN）及灰狼优化器导向的BPNN （GWOBP），预测误差均有所降低。

基于卡尔曼滤波器和多层感知器的大麦幼苗最优生长参数预测

黄云龙, 李正权, 孙煜嘉

2021, 5(4): 90-98. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00218

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为了提高生长舱大麦幼苗的质量和种植效率，首先利用卡尔曼滤波算法对传感器采集的数据进行处理，有效降低了环境因素和传感器本身误差的影响，提高了采集数据的精度，保证生长舱的精确控制和准确的实验数据，然后利用多元非线性回归、径向基函数和多层感知器神经网络对不同条件下，大麦种子萌发生长约160 h后的平均生长高度、麦苗重量和种子重量干燥比进行分析比较，结果表明，多层感知器网络模型对数据的拟合效果最好。利用该模型预测最优环境时的大麦幼苗平均高度和麦苗种子重量比与实际种植效果基本一致，为生长舱大麦幼苗的种植提供一定参考。

基于NB-IoT技术的环境温湿度监测系统的研制

茅敏敏, 居家奇, 欧阳玉玲, 金妍

2021, 5(4): 99-106. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00223

摘要 ( 421 )

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针对传统环境监测系统功耗高、维护成本高、不能实时监测的弊端，研制了一种以单片机为主控制芯片的基于 NB-IoT 技术的环境温湿度监测系统，并对主控制器的工作流程及通信模块的工作方式进行优化，降低系统功耗。利用NB-IoT通信技术进行数据传输，将温湿度传感器采集的数据信息通过基站和核心网发送给云平台，运用中国移动物联网开放平台（OneNET平台）实现终端设备与应用的相互连接。通过平台的拓展功能实现网页界面及手机应用程序的设计，最终实现对环境参数的远程实时监测，提高使用便捷度。

基于Wi-Fi信号的身份识别技术研究

魏忠诚, 张新秋, 连彬, 王巍, 赵继军

2021, 5(4): 107-119. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00213

摘要 ( 554 )

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随着信息技术的不断进步，身份识别的研究逐渐向无感化、自动化的方向发展，在人机交互、智能家居和智慧安防等领域得到了广泛应用。作为一种非接触式的无线感知技术，基于Wi-Fi信号的身份识别正逐步向多属性识别以及合法性认证等方向演进。首先，介绍了基于无线信号的身份识别原理，并从信号处理的角度综述了其预处理流程；然后，分别从行走和日常活动两种不同依据讨论了身份识别的实现方法，并从功能演进的角度讨论了多属性识别和合法性认证两大身份识别的发展趋势；最后，指出深层次特征提取、日常活动分析、识别模型构建以及多种技术融合等是实现更加鲁棒、多元、普适身份识别的未来方向，为物联网感知层的研究提供重要支撑。

智慧渔业时代的深远海养殖平台控制系统

张建波, 王宇, 聂雪军, 吴国庆, 刘久军, 严俊

2021, 5(4): 120-136. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00247

摘要 ( 544 )

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分析了深远海养殖平台控制系统，在云计算的开放架构下引入边缘智能的协同控制技术，建立起深远海养殖平台的分布式智能控制模式，探索性地提出“云-网-边-端-智”可灵活部署的深远海养殖平台云边协同控制系统总体框架体系和智能养殖云平台开放式架构体系，提出了深远海养殖平台控制系统的开发思路、云中心控制和边缘智能的实现方案。试图建立云边协同控制的理论框架和思想体系，构建深远海渔场的全过程智能化养殖方式和陆海联动的运营管理模式，以期最终实现智慧渔业产业生态和绿色可持续发展目标。

基于信道编码理论的电表台区识别技术

谢映海, 张玉

2021, 5(4): 137-144. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00245

摘要 ( 194 )

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电表的台区识别一直是泛在电力物联网中的一个难题，建立了一套类似于衰落信道的新分析模型，并基于有载调容调压配电变压器的远程有载调压功能，将信道编码理论应用于该难题的解决，为识别区域中不同台区的智能电表并同步施加不同的具有重复编码和分组编码性质的特殊调压图案，同时利用用电信息采集系统收集各智能电表在该时间段中的电压数据，最后基于译码算法的最小距离原则实现对每只电表的台区识别。理论分析和测试结果表明，和传统技术相比，新技术无须升级即可在现有电网系统中，实现对有载调容调压配电变压器台区中大量电表的高准确性台区识别，具有较高的工程应用价值。

一种轻量级物联网节点管理软件设计及应用

关世友, 吴再群

2021, 5(4): 145-152. doi:10.11959/j.issn.2096-3750.2021.00248

摘要 ( 237 )

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采用模块化设计思想对物联网节点进行逻辑抽象，将节点的功能和控制逻辑进行原子拆分，原子功能模块可根据不同场景自由组合部署，支持单一系统和分布式系统部署，具有可插拔和易于扩展的特性，满足物联网应用多元化的设计需求。设计并实现了基于该思想的轻量级物联网节点管理软件，测试该软件实际运行最小仅需要14 872 byte的flash和1 976 byte的RAM空间，可应用于硬件资源比较有限的场合。采用该软件框架设计了物联网智慧酒店客控系统包括基于ESP32（Wi-Fi Soc）的语音网关节点和基于CX32L003（MCU）的4位按键面板节点。基于该软件框架设计的客控系统可实现单次设计多酒店部署，解决了传统客控系统针对不同酒店应用场景无法通用，需要反复定制修改的问题，极大加快了酒店智能化部署进程。目前该客控系统已经在希岸、涂派等快捷酒店部署并稳定运行。

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