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2020年第43卷第3期刊出日期：2020-06-28 上一期下一期

综述

智简6G无线接入网:架构、技术和展望
彭木根, 孙耀华, 王文博
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 1-10. DOI:10.13190/j.jbupt.2020-079
摘要 ( 1298 ) PDF ( 2412 ) HTML 　　
移动通信系统每十年演进一代，为了更好地满足人机物智能高速、低时延和大连接的通信需求，特别是提升垂直行业的信息化和智能化水平，急需向智能内生的第6代移动通信系统（6G）演进.为了实现智能内生，提出了一种极智极简的无线接入网体系架构，探讨了相应的基础理论和关键技术，对未来的6G特色业务和应用进行了展望.
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论文

尘土颗粒影响下电路板电化学迁移失效寿命建模探索
周怡琳, 杨璐, 鲁文睿
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 11-18,31. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-170
摘要 ( 585 ) PDF ( 706 ) HTML 　　
针对离散尘土颗粒与温度、湿度、电场强度交互作用的复杂条件下，难以有效建立电路板电化学迁移的失效物理模型的问题，通过温湿偏置加速实验，模拟不同积尘密度下电路板的电化学迁移失效，分析颗粒分布密度对电路板绝缘失效时间的作用特性.采用正交实验获取不同尘土颗粒密度、温度、湿度、电场条件下电路板绝缘失效的寿命数据.基于数据驱动的方法，探讨电路板在尘土颗粒污染下的电化学迁移失效寿命建模.对比了多项式回归、机器学习中的梯度提升回归树和随机森林3种方法在尘土分布密度的高低区间内的寿命预测效果.讨论了尘土颗粒污染下利用机器学习建立电路板电化学迁移失效寿命模型的有效性.
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多载波认知无线电无线携能通信资源分配算法
郭少雄, 刘玉涛, 吕玉静, 张中兆
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 19-23. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-118
摘要 ( 592 ) PDF ( 632 ) HTML 　　
认知无线电可通过频谱感知提高资源利用率，但会产生感知能耗，降低传输能量.为了保证认知无线电的传输性能，提出认知无线电可利用多载波实现无线携能通信，并分配通信资源，实现系统性能优化.认知无线电利用部分子载波传输信息，采集剩余子载波上主用户射频能量，补充感知耗能.提出的子载波和子载波功率联合优化算法，在保证能量、干扰和总功率受约束的基础上，可最优化系统的吞吐量和能量.仿真结果表明，能量采集会占用传输资源，需要合理分配子载波，使其在速率和能量间取得性能折中.提出的算法通过采集能量补充感知能耗有效地提高了系统吞吐量.
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基于射频能量收集的无人机协助的分时段功率分配策略
刘志超, 赵宜升, 高锦程, 陈忠辉
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 24-31. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-175
摘要 ( 516 ) PDF ( 472 ) HTML 　　
针对毫微微基站（FBS）在不同时间段用户数量的差异，研究了最大化下行总信息量的功率分配问题.不同时间段包含忙时和闲时2个阶段，忙时用户数量较多，闲时用户数量较少.通过部署一个无人机携带的微微基站（PBS-UAV）为多个FBSs闲时的用户提供服务.FBS和PBS-UAV都具有能量收集功能.在FBS忙时，FBS和PBS-UAV同时从宏基站收集能量，并且向用户发送数据.FBS闲时，由PBS-UAV接替多个FBSs，与用户进行下行通信.将功率分配问题建模为最优化问题，以最大化FBS和PBS-UAV的下行信息量为目标，同时满足FBS和PBS-UAV能量消耗及发射功率的约束条件.由于建立的最优化问题是凸优化问题，可通过引入增广拉格朗日乘子法获得最优解.仿真结果表明，与PBS-UAV参与的等功率及部分功率固定的方法相比，所提出的方法在总信息量方面有不同程度的增加.
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缓存辅助边缘计算的卸载决策与资源优化
薛建彬, 丁雪乾, 刘星星
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 32-37. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-189
摘要 ( 627 ) PDF ( 647 ) HTML 　　
提出一种缓存辅助边缘计算的卸载决策制定与资源优化方案，以进一步降低移动边缘计算（MEC）系统中终端设备的能量消耗.首先，建立该优化问题为最小化用户在任务执行时最坏情况下的能耗值，并将这一混合整数规划问题转化为非凸的二次约束二次规划（QCQP）模型，使用半定松弛及随机概率映射方法获得缓存辅助下的预选卸载集合；其次，分别采用拉格朗日对偶分解法和二分法求得性能约束下的最优传输功率及边缘计算资源分配，从而通过对比该集合中的设备能耗得到理想的卸载决策集合与资源分配方案.实验数值结果表明，所提方案能够有效降低用户能量消耗，提升边缘计算系统的服务性能.
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基于改进CNN的阀门泄漏超声信号识别方法
宁方立, 韩鹏程, 段爽, 李航, 韦娟
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 38-44. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-127
摘要 ( 540 ) PDF ( 635 ) HTML 　　
为了检测输气管道阀门泄漏，对改进AlexNet网络结构进行了研究，提出了基于改进卷积神经网络（CNN）的阀门泄漏超声信号识别方法.针对泄漏信号短时稳定的窄带线谱特征，从图像邻域信息密度角度出发，将卷积核形状由图像识别领域通常使用的"正方形"改进为"扁横状".同时，对AlexNet层数进行优化，重新确定卷积核和全连接层神经元数目，并选择小尺寸卷积核，在减少参数量的同时增加网络容量和模型复杂度，防止模型出现过拟合.分别建立二分类和不同泄漏量下的多分类模型，通过输气管道实验平台采集阀门泄漏数据集，生成对应时频图样本，包括不同阀门开度、不同管道压力下的泄漏及背景声信号.结果表明，对比传统的CNN分类模型，改进CNN分类模型在测试集上取得了更高的识别性能.
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空间相关信道下大规模MIMO系统频谱效率分析
丁青锋, 连义翀, 邓玉前
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 45-50,98. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-177
摘要 ( 653 ) PDF ( 727 ) HTML 　　
针对空间相关信道下存在干扰机的多用户大规模多输入多输出系统，研究了基站仅配置低精度模数转换器（ADC）的系统频谱效率性能.通过结合指数（Toeplitz）相关模型建立空间相关信道，并利用加性量化噪声模型和最大比合并算法，推导出系统频谱效率的闭合表达式.基于此，进一步对理想和非理想信道状态信息下的系统频谱效率进行比较分析.仿真结果表明，随着用户发送功率和ADC精度的增加，频谱效率将出现饱和效应；当合法用户发送功率小于干扰机发送功率时，干扰机对系统的影响占主导作用；当合法用户发送功率大于干扰机发送功率时，能够有效地抑制干扰机对系统的影响.
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多用户MIMO-WET系统中短包传输的块错误概率分析
赵伟, 骆亚菲, 鲍慧, 王斌
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 51-58. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-187
摘要 ( 493 ) PDF ( 571 ) HTML 　　
针对超可靠低时延通信的收发设备能量受限和超可靠性要求的特点，将多天线技术应用于无线能量捕获的短包传输系统，研究了多用户多天线无线能量传输（MIMO-WET）系统中短包传输的块错误概率性能.首先利用每个用户的信噪比累积分布函数和高斯函数近似的方法，推导出块错误概率的近似闭合表达式；然后对无线能量传输阶段中的时隙数和无线信息传输（WIT）阶段中的功率分配系数因子进行联合优化，实现总块错误概率的最小化.仿真结果验证了所推导的块错误概率闭合表达式的正确性，并根据仿真数据得到：在给定信息传输的块长度和天线数量条件下，WET和WIT所用时隙数存在最优值.
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时间反演多址系统中的一种多用户检测算法
朱江, 梁静雯, 吕志强
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 59-65. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-191
摘要 ( 392 ) PDF ( 375 ) HTML 　　
针对时间反演多址系统中信道的相关性会导致多用户干扰的问题，为了消除用户间干扰，降低计算复杂度，提出基于最小均方误差的3条对角线矩阵分解的低复杂度近似算法.首先提取检测矩阵（Gram-N）中包含主对角线的3条对角线矩阵；然后将3对角线矩阵分成2个2对角线矩阵；再利用2对角线矩阵求逆规律，分别求出这2个2对角线矩阵的逆，由此得出3对角线矩阵的逆；最后，根据诺依曼级数近似，用3对角线矩阵这个稀疏矩阵的逆来逼近Gram-N的逆.仿真结果表明，该算法在误码率和频谱效率方面具有明显的性能优势，并且具有较低的复杂度，在复杂度较低时可获得近乎最优的性能增益.
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卫星组网系统下的多普勒频移估计与补偿
朱军, 李秋瑾, 李凯, 王华俊
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 66-71. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-178
摘要 ( 908 ) PDF ( 2917 ) HTML 　　
针对目前卫星移动通信系统中卫星组网能力欠缺等问题，在非地面网络基础上提出了一种基于虚拟卫星小区组网的多普勒频移估计和补偿算法.通过引入集中管理单元，移动终端能快速选择多普勒频移最小的卫星，同时根据传输时延和卫星星历对多普勒频移值进行估计、补偿、更新和再补偿.仿真结果表明，与传统算法相比，该算法有效降低了多普勒频移，提高了卫星通信链路的质量和接入成功率.
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稀疏移动网络中时延软约束的低能耗路由算法
许蒙蒙, 朱海, 崔娅杰, 徐恒舟
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 72-76. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-121
摘要 ( 474 ) PDF ( 968 ) HTML 　　
针对稀疏移动网络中能量高效的数据传输问题，提出一种满足时延软约束的路由算法.将多个时隙的静态网络拓扑建模为虚拟的空时图模型.该空时图模型既包含网络拓扑在每一时隙的连通信息，也包含由移动性引起的链路变化信息.重新定义端到端的路由问题为寻找一条低能耗空时路径，并满足时延软约束.根据重新定义的路由问题，提出一种满足时延软约束的低能耗路由算法.仿真结果表明，该算法可以实现能量消耗与传输时延的权衡.
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研究报告

绿色车辆路径问题研究
孔继利, 陈璨
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 77-82. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-196
摘要 ( 743 ) PDF ( 885 ) HTML 　　
对绿色车辆路径问题的发展形势进行了分析.阐述了绿色车辆路径问题的起源，梳理了绿色车辆路径问题的研究热点，将其划分为最小化燃料消耗的绿色车辆路径问题、考虑污染路径的绿色车辆路径问题、结合新能源车的绿色车辆路径问题这3个研究的主要阶段，指出了绿色车辆路径问题研究的不足和未来可能的研究方向.
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无人机辅助5G网络中基于合同的缓存租赁机制
王敏, 张碧玲
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 83-91. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-133
摘要 ( 557 ) PDF ( 914 ) HTML 　　
为了缓解回程链路的压力，移动网络运营商（MNO）在其宏基站（MBS）覆盖范围内的热点地区上方灵活部署具有缓存能力的无人机（UAVs）作为空中基站.此外，多个内容提供商（CPs）渴望租用MBS和UAVs的缓存空间以主动缓存其流行视频，从而降低订阅用户的服务时延.但每个CP租赁缓存空间的意愿程度是私有的，这导致MNO和CPs间的信息不对称.为了解决此问题，提出了基于合同理论的缓存资源租赁机制以最大化MNO的效用.理论上推导出了合同的可行条件，继而将目标优化问题放松为凸规划问题，采用KKT条件求得缓存租赁的最优合同.仿真结果验证了所提出的无人机辅助第5代移动通信系统（5G）网络缓存租用机制的有效性，并讨论了UAVs的飞行高度对系统性能的影响.
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基于U-Net的颅内出血识别算法
张天麒, 康波, 孟祥飞, 刘奕琳, 周颖
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 92-98. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-146
摘要 ( 717 ) PDF ( 800 ) HTML 　　
针对颅脑计算机断层成像（CT）影像中脑出血的分析和识别，提出采用神经网络模型U-Net与轮廓识别相结合的方法提取脑实质区域，通过阈值分割算法分析血块的图像纹理特征，并过滤软组织、脑组织和脑脊液等无关生理组织结构，实现对颅内出血点的精确定位，最后采用插值方法将出血区域进行三维重建，对血块的三维形态作出评估.在天津市某医疗机构提供的500例颅脑CT数据上进行了验证测试，实验结果表明，该算法达到97.4%的目标识别准确率，能够为脑出血诊断提供参考.
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基于MBM的未编码空时标记分集技术
金宁, 宋伟婧, 金小萍, 陈东晓, 王嘉天
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 99-104. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-195
摘要 ( 478 ) PDF ( 635 ) HTML 　　
针对基于正交振幅调制（QAM）星座的未编码空时标记分集（USTLD）系统包络不恒定和频谱效率较低的问题，分别提出了相移键控星座的USTLD系统映射器设计方法和基于媒介调制（MBM）的USTLD系统，并对该系统的理论误码性能进行了分析.由于USTLD-MBM系统检测复杂度较高，故提出了该系统的低复杂度检测算法.仿真结果表明，在相同频谱效率的情况下，USTLD-MBM系统的误码性能优于USTLD系统.在USTLD-MBM系统中，球形译码算法的误码性能与最大似然算法几乎一致，复杂度降低了约50%.
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能量采集衬底式认知协作中继网络安全中断概率分析
罗轶, 王雨婷, 施荣华, 严梦纯, 曾豪
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 105-111,124. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-179
摘要 ( 487 ) PDF ( 463 ) HTML 　　
能量受限协作中继网络频谱利用率低，生存周期短，无线信道开放性所带来的物理层安全受到威胁，对此，将功率信标辅助射频能量采集技术、认知无线电技术和协作中继网络相结合，构建了一种新的中继节点分散布置的能量收集2跳认知协作中继网络；引入单窃听节点对第2跳传输进行窃听，并结合主动和被动窃听方式提出了最优中继选择和次优中继选择方式，推导了2种中继选择方式下次网络安全中断概率闭合式.数值计算和仿真结果表明，主接收节点和中继数目、中继和窃听节点位置设置、能量采集比例、能量转换效率以及信道容量和安全容量阈值都会对次网络安全中断性能产生显著影响.最优中继选择方式下的次网络安全中断性能明显优于次优中继选择方式.功率信标信号功率或干扰约束的增大使得次网络安全中断概率降低，并趋于饱和.
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基于主成分分析与迭代最近点的三维膝关节配准
王小玉, 陈琳
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 112-117. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-165
摘要 ( 489 ) PDF ( 1086 ) HTML 　　
针对膝关节与假体空间坐标系不一致的问题，提出了一种基于主成分分析（PCA）与迭代最近点（ICP）算法相结合的三段式配准方法.采用PCA结合两次ICP算法的配准策略，对膝关节与关节假体的点云数据进行PCA配准处理，然后对得到的初始配准结果采用ICP算法进行调整，最后对调整好姿态的点云数据再次进行ICP配准，从而将其空间坐标轴调整到一致.实验结果表明，三段式配准方法相较于其他算法，可在保持较高配准精度的同时缩短配准时间.
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一种海量数据快速聚类算法
何倩, 李双富, 黄焕, 徐红
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 118-124. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-078
摘要 ( 780 ) PDF ( 686 ) HTML 　　
为满足海量数据处理要求，提出了一种基于网格的K-means快速聚类算法（SPGK）.设计基于网格质心的聚类簇个数选取算法，对数据进行网格划分得到每个网格的质心，将质心作为K-means聚类的样本点，从而减少K-means的欧氏距离计算次数.该算法基于Spark平台实现并行计算，进一步地提高了算法的运行效率.SPGK不但能够获得良好的聚类效果，而且缩减了欧氏距离计算次数，适用于海量数据的快速聚类.在千万级数据集上的实验结果表明，SPGK的性能明显优于现有的K-means++和基于K均值聚类的递归划分方法.
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压缩感知安全理论研究
汤永利, 赵明洁, 李丽香
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 125-130. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-129
摘要 ( 521 ) PDF ( 19762 ) HTML 　　
互联网的发展导致各种信息传输量的激增，对于大数据的处理，奈奎斯特采样定律已经不能满足许多实际工程应用的需要，而压缩感知的出现解决了这个问题.压缩感知理论指出稀疏信号可以用远小于奈奎斯特采样定律的采样数进行采样，并将原始数据恢复出来.压缩感知不仅可以将数据进行压缩，而且还具有加密功能，被广泛应用到信息和网络的安全理论中.为了实现更好的加密效果，对压缩感知与其他多种技术相结合（如混沌系统、置乱和扩散等）的安全方案进行汇总，并对现有的多种方案的对比结果进行了对比分析.结果表明，现有的这些压缩感知安全方案都可以达到良好的加密效果，可以抵抗暴力攻击、统计攻击、已知明文攻击等多种攻击，具有良好的安全性.
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基于改进萤火虫优化神经网络的WSNs分簇路由协议
戴剑勇, 邓先红, 王彬, 汪恒浩
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 131-137. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-161
摘要 ( 586 ) PDF ( 566 ) HTML 　　
针对无线传感器网络中能耗不均衡问题，提出了一种基于改进萤火虫算法优化反向传播神经网络的非均匀分簇路由协议.通过在萤火虫算法中引进权重因子并增加4个评价指标，来平衡簇内负载和减少簇间的通信距离.结合BP神经网络，优化路径选择和簇首选举方式，达到最佳成簇效果.仿真结果表明，改进萤火虫算法优化BP神经网络的非均匀分簇路由协议能有效延长网络生命周期，节省能量，并均衡能耗.
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多用户无线供电通信网络中基于最大加权和速率的优化方案
李方伟, 吴玥
北京邮电大学学报. 2020, 43(3): 138-144. DOI:10.13190/j.jbupt.2019-185
摘要 ( 539 ) PDF ( 754 ) HTML 　　
针对多用户无线供电通信网络系统中的交叉耦合干扰问题，提出了一种基于时间反演技术联合优化上、下行时间分配和功率分配方案，以最大化上行加权和速率.利用时间反演特有的空时聚焦性抑制交叉耦合干扰；然后建立优化模型，将难以求解的加权和速率问题转化为最小均方误差问题；最后通过分级逐次优化变量，分别求出功率和时间的最优解.仿真结果表明，在引入时间反演技术抑制系统的交叉耦合干扰后，系统的平均加权和速率明显提升.
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