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2022年第45卷第1期刊出日期：2022-02-28 上一期下一期

论文

面向QoS需求的分簇自组织网络路由算法
杨灿, 罗涛, 刘颖, 李泽旭, 徐永庆
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 1-6. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-048
摘要 ( 852 ) PDF ( 370 ) HTML( 370 ) 　　
基于分布式分簇的网络管理架构，网络节点可以被划分成多个管理域，并由相应区域的簇首进行协同管理。为实现分布式网络场景中，业务差异化的服务质量（QoS）需求与多维度网络资源之间的高效按需匹配，提出了一种基于强化学习的路由调度算法，以降低端到端的时延和防止网络拥塞为目标，优化调度路径。所提算法可以通过簇首集中式和节点分布式2种方式实现，可以解决分布式环境下全局资源信息不完备的问题，有效保证跳变环境下网络的健壮性。将100个节点划分为4个管理域进行仿真验证。仿真结果表明，所提算法可以有效地降低业务的平均时延，并且在业务拒绝率、网络资源利用率方面均优于传统方法。
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室内办公室高频段信道测量和大尺度衰落建模
杨丽花, 刘加欢, 任露露, 杨钦, 黄山虎
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 7-12. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-090
摘要 ( 607 ) PDF ( 334 ) HTML( 334 ) 　　
为了探索高频段宽带无线通信的可行性，对9~12GHz高频段室内办公室场景的大尺度衰落特性进行研究。基于大量的实测数据，针对室内非视距场景下遮挡物对路径损耗的影响，提出了一种新型的具有遮挡损耗的路径损耗模型，该模型利用遮挡损耗来修正遮挡物带来的影响，且分析了遮挡物损耗与传输频率的关系，给出了不同传输频率下遮挡损耗的统计特性。研究结果表明，遮挡物静止时，遮挡损耗与接收端到遮挡物的距离满足指数函数关系，指数函数收敛速度随着频率的增大而减小；遮挡物移动时，遮挡损耗与接收端到遮挡物的距离满足二次函数关系，且随着频率的增加，最小遮挡损耗位置趋于发送端和接收端的中点。上述研究结果可为未来高频段室内无线通信系统的设计和微蜂窝网络部署提供参考与实践依据。
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差分隐私轨迹数据保护方案
宋成, 许标, 贺军义
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 13-18. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-076
摘要 ( 941 ) PDF ( 475 ) HTML( 475 ) 　　
针对当前用户轨迹隐私信息易泄露的问题，提出了一种差分隐私轨迹数据保护方案。该方案在基于位置服务请求用户身份匿名化处理的基础上，采用差分隐私技术对用户的轨迹数据集进行加噪生成轨迹噪声数据集；然后用轨迹加噪后的伪用户替代真实用户执行基于位置的服务请求，从而实现用户身份、轨迹和查询信息的隐私保护。通过安全性分析，所提方案具有匿名性、不可伪造性和抗假冒攻击等安全特性。仿真实验表明，所提方案不仅具有较好的数据可用性，也有一定的效率优越性。
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四向穿梭车系统的提升机调度优化
张经天, 马莹, 翁迅, 孙壮志, 张继龙
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 19-25,81. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-069
摘要 ( 1118 ) PDF ( 735 ) HTML( 735 ) 　　
提升机作为四向穿梭车系统的瓶颈资源，其调度方案的优劣与系统作业效率密切相关。针对提升机的调度问题，提出了一种调度策略。首先，将提升机调度问题转化为含运输时间的柔性作业车间调度问题，并考虑同层任务的执行顺序约束，构建提升机调度数学模型。其次，提出了一种改进型混合遗传算法对模型进行求解，该算法以混合遗传算法为基础，针对混合遗传算法易产生不合法个体导致算法搜索能力下降的问题，提出了一种个体修正方法，以增强算法的搜索能力。最后，采用某农产品冷库的实际数据对模型及改进型混合遗传算法的可行性与有效性进行了验证。结果表明，相比于仓库中实际应用的策略，改进型混合遗传算法可使任务完成时间至少减少24.66%。
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一种时间敏感网络GCL自适应调整算法
周小明, 仇梓鑫, 朱瑾瑜, 张恒升, 赵成林
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 26-32. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-117
摘要 ( 979 ) PDF ( 729 ) HTML( 729 ) 　　
时间敏感网络（TSN）使以太网技术能够在具有严格时延限制的任务关键型系统中使用。目前在网络上进行部署的TSN大多是静态的，TSN设备无法对拓扑更改或流量的动态变化做出反应。针对上述问题，通过建立门控列表（GCL）模型，推导了理论上时间敏感流的端到端时延，提出了一种GCL持续时长自适应调整算法。根据TSN工作组提出的IEEE 802.1Qcc标准，为GCL的动态配置仿真实现了集中式网络控制器模块。集中式网络控制器管理网络上运行的应用并检测流量变化，之后根据提出的算法动态配置TSN设备，以保障时间敏感业务在流量发生变化时稳定可靠的传输。仿真结果表明，相比静态的TSN配置，使用GCL自适应调整算法后时间敏感流的平均时延满足率提升1倍以上。
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基于倍矩阵的1P5R串联机械手逆运动学分析
张英, 黄起能, 魏世民, 廖启征
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 33-38. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-098
摘要 ( 530 ) PDF ( 285 ) HTML( 285 ) 　　
将倍矩阵引入到串联机械手运动学分析的建模中，结合四维旋转矩阵，提出了一种空间1P5R串联机械手逆运动学分析的新方法。基于倍矩阵和四维旋转矩阵对空间1P5R串联机械手进行运动学建模，直接得到14个逆运动学约束方程；将14个方程通过线性消元和Sylvester结式消元，得到只含1个关节变量的一元16次方程。通过数字实例求解和SolidWorks软件仿真验证了所提方法的正确性。所提方法最大的优势在于可直接获得14个逆运动学约束方程，不需要进行矢量运算或者投影等，为空间其他串联机械手的逆运动学建模提供了一种新思路。
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一种水声传感器网络容错定位算法
胡克勇, 宋相琳, 公雪瑶, 孙中卫, 宋传旺
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 39-45. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-125
摘要 ( 754 ) PDF ( 194 ) HTML( 194 ) 　　
针对由于分组冲突和信号噪声造成测距数据包损坏，导致节点间距离测量缺失从而定位性能下降的问题，提出了一种能够容忍测距包损坏的定位算法。首先，设计了一种高效的节点间距离测量值收集机制，并构造具有部分观测值的平方距离矩阵；然后，利用平方距离矩阵固有的低秩结构，将矩阵的恢复补全转化为一个正则化的低秩矩阵分解问题，并设计了一种改进的Newton-Raphson方法进行优化求解；最后，基于恢复矩阵内的距离测量值，应用多维标度技术对所有节点进行定位。仿真结果表明，该算法在定位精度、定位覆盖率和稳定性等方面均优于其他对比算法。
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边缘计算环境下无证书车联网身份认证方案
彭维平, 韩宁, 宋成
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 46-51. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-070
摘要 ( 767 ) PDF ( 348 ) HTML( 348 ) 　　
针对当前边缘计算环境下车联网身份认证中的隐私泄露问题，基于双线性对理论，提出了一种新型的车联网身份认证方案。该方案基于泰森多边形，划分区域路网并确定生成元坐标，依据车辆当前位置所属区域的生成元与边缘节点之间距离以及边缘节点当前负载为决策依据，选择最合适边缘节点认证，或通过"云-边协同"技术与云计算中心认证。该方案采用无证书的认证方式，实现车辆与边缘节点或云计算中心、车辆与车辆之间的双向匿名认证和共享密钥的生成。若认证过程出现异常，云计算中心可通过异常数据进行恶意节点的快速追溯和撤销。通过安全分析，证明所提方案能够满足匿名性、不可伪造性和可追溯性。仿真实验表明，所提方案在计算、通信开销和达到率方面具有一定的优势。
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阶梯式图像去噪方法
王靖, 姜竹青, 门爱东, 郭晓强, 王智康
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 52-57. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-103
摘要 ( 626 ) PDF ( 379 ) HTML( 379 ) 　　
为了提高对原始红绿蓝（RAW）和标准红绿蓝（sRGB）2种格式的真实噪声图像的去噪性能，提出了一种基于卷积神经网络的阶梯式图像去噪方法。第一阶段，利用单个通道内空间结构信息对图像各个通道独立去噪，获得初步去噪结果。第二阶段，利用噪声图像在不同通道的相关性进一步去噪，获得增强的去噪结果。在所提方法中引入误差反馈机制来减少采样带来的信息损失；使用密集残差连接模块使得提取到的噪声图像特征能更有效地复用和传播；利用通道注意力使得网络有选择性地增强信息量大的特征，抑制无用特征。将所提方法与常用的其他去噪方法比较，实验结果表明，在达姆施塔特噪声数据集的RAW/sRGB数据集上，所提方法分别达到了49.55 dB和39.55 dB的峰值信噪比（PSNR）；在跨通道数据集达到了39.52 dB的PSNR，较目前绝大多数方法具有更好的性能。
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一种整数混沌映射的伪随机数生成器
王永, 龚建, 王明月, 江功坤
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 58-62. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-094
摘要 ( 750 ) PDF ( 495 ) HTML( 495 ) 　　
为了改善浮点数混沌系统在迭代中状态值精度丢失导致的安全性问题，对分段Logistic映射进行了整数化处理，提出整数化的分段Logistic。利用有限精度下暂态数据具有更好均匀性的特点，重新定义了该整数化的乘法运算，使得输出的状态值具有更均匀分布的概率密度并且保证了其安全性。在此基础上，提出了一种伪随机数生成器算法。该算法结合一维元胞自动机和S盒的替换机制，降低了状态值间耦合性、提高了算法的复杂性。性能分析和仿真实验表明，所提算法采用的整数混沌映射拥有均匀的概率密度分布和复杂的动力学行为，产生的伪随机序列具有复杂性高、安全性好和效率高等特点，在数据安全领域有很好的应用前景。
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基于异构计算加速的开源5G架构
朱子珅, 章晨宇, 王鲁晗, 路兆铭, 温向明
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 63-68. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-092
摘要 ( 687 ) PDF ( 430 ) HTML( 430 ) 　　
针对通用处理器下开源第5代移动通信系统（5G）处理性能差的问题，研究了开源5G的处理特性并提出了基于异构计算加速的架构。该架构将空口协议栈上层与物理层进行分离，并模块化开源5G物理层功能。在保留通用处理器对于上层协议栈流程处理优势的基础上，引入异构硬件对计算资源需求大的物理层功能模块进行加速。提出异构物理层的概念并设计了计算资源适应性分配的算法。其次，首次实现了基于OpenAirInterface平台的异构加速开源5G软件化平台。对信道编解码和调制模块进行实际测试的结果显示，相比于仅在通用处理器下测试结果，异构计算加速架构能够显著地提升物理层模块的处理性能。
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基于改进EMA单元的传统服饰图像语义分割
赵海英, 朱会, 侯小刚
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 69-74. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-104
摘要 ( 729 ) PDF ( 372 ) HTML( 372 ) 　　
针对传统服饰图像分割中标签易混淆和小目标易丢失带来的目标边缘细节难以保留等问题，提出了一种基于卷积注意力特征的残差期望最大化注意力语义分割网络模型。该模型首先以ResNeXt-50作为共享特征的主干网络，并通过在特征提取阶段引入一组平行的卷积注意力模块，可以有效地抑制无效特征，使目标区域的特征更加显著。然后利用残差思想对期望最大化注意力（EMA）单元进行优化，以解决迭代过程中梯度爆炸或者消失的问题，从而更好地建立特征图中位置间的关联，最终实现基于显著性融合学习的语义分割模型。最后在传统民族服饰数据集上通过定性与定量的实验验证了所提模型的有效性，其中平均交并比分割指标达到83.91%，取得了同类算法中最优效果。
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PD辅助的P3P可见光定位算法
张志涛, 郭彩丽, 柏琳, 于倍, 杨洋
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 75-81. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-047
摘要 ( 631 ) PDF ( 279 ) HTML( 279 ) 　　
针对可见光定位中的发光二极管（LED）数目和朝向对定位性能影响较大的问题，提出光电传感器（PD）辅助的3点透视（P3P）定位算法。算法首先基于图像信息估算入射角，然后使用经典P3P算法得出4组接收器到3个LED的距离解集，最后基于光强信息确定唯一的距离解集并计算位置信息。仿真结果表明，该算法能有效地降低LED倾斜带来的定位误差。为了进一步验证算法性能，搭建了可见光定位平台。基于实测平台验证了该算法使用3个倾角在15°之内的LED可以实现20 cm以内的定位误差。
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跳码多址接入及其图案设计
陈子杰, 纪晓东, 彭木根, 王志峰, 刘喜庆
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 82-87. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-056
摘要 ( 590 ) PDF ( 259 ) HTML( 259 ) 　　
由码分多址中用户地址码随时间跳变形成的跳码多址接入技术中，通过伪随机生成的跳码图案而非唯一地址码区分多用户，可以有效地提高用户接入数量。然而，现有的跳码图案设计方案接入碰撞概率较高，造成了严重的系统内干扰，降低了误码性能和编码效率。对此，提出了一种低碰撞概率的跳码图案设计方案，并与地址码随机移位技术相结合。仿真结果表明，在接入用户数量大于地址码数量的前提下，所提方案相比现有方案可获得误码性能增益。
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环境反向散射通信辅助CR-WPCNs的中继传输
庄元东, 李曦, 纪红, 张鹤立
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 88-93. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-141
摘要 ( 1410 ) PDF ( 225 ) HTML( 225 ) 　　
为了提高覆盖式认知无线供电通信网络（CR-WPCNs）的性能，将环境反向散射通信技术引入该网络中，以提高认知系统的吞吐量。在基于环境反向散射通信的CR-WPCNs中，考虑到认知发射机的传输距离有限，提出了一种基于非正交多址接入和能量收集的中继传输方案，以提高认知系统的通信范围和吞吐量。在信道处于忙碌状态时，需要考虑认知发射机进行环境反向散射通信和认知发射机及中继器进行能量收集的时间资源分配；在信道处于空闲状态时，需要考虑认知发射机和中继器利用收集到的能量分别进行有源数据传输的时间资源分配。将上述资源分配问题建模为一个吞吐量最大化问题，并利用拉格朗日乘子迭代算法进行求解。仿真结果表明，所提方案可以显著地提高认知系统的吞吐量。
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研究报告

考虑万向轮扭转角扰动轮式移动机器人轨迹跟踪
田智予, 刘晓平, 王刚, 赵云龙, 黎星华
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 94-101. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-108
摘要 ( 667 ) PDF ( 423 ) HTML( 423 ) 　　
为了研究轮式移动机器人运动过程中万向轮扭转的扰动对其轨迹跟踪的影响，提出了一种考虑前端万向轮摩擦扰动及其质心与几何中心不重合的轨迹跟踪控制方法。首先，建立了考虑万向轮扭转角扰动的轮式移动机器人动力学模型；其次，根据位姿误差模型，采用反步法设计虚拟速度控制器收敛系统位姿误差；然后，结合扰动观测器对机器人行进过程中万向轮扭转所带来的摩擦扰动进行估计，构造出一种基于积分滑模思想的力矩控制器以保证速度追踪；最后，利用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性和渐近收敛进行证明。仿真及实验结果表明，将万向轮摩擦所带来的扰动反馈给动力学控制器，可以减轻控制器的负载。与忽略万向轮扰动的控制方法相比，轮式移动机器人的位置误差最大值的均方根值降低了37.37%，提高了运动系统的稳定性。
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一种改进的凸组合仿射投影符号算法
火元莲, 连培君, 齐永锋, 王丹凤
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 102-107. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-118
摘要 ( 670 ) PDF ( 291 ) HTML( 291 ) 　　
针对传统的凸组合仿射投影符号算法收敛速度慢和计算量大的问题，提出了一种基于S型函数的快速凸组合仿射投影符号算法。该算法用新的S型函数代替传统算法中的sigmoid函数，改进了联合参数的迭代公式，避免了复杂的指数运算，减少了计算量。同时，采用瞬时转移方案，使凸组合算法在初始自适应过程或在突然发生变化之后能加快小步长慢速算法的自适应过程，进而提升凸组合算法的收敛速度。在系统辨识和声学回声消除环境下的仿真实验表明，该算法具有良好的均方性能和跟踪性能，与传统的凸组合仿射投影算法相比具有更快的收敛速度和更低的计算复杂度。
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一种基于深度学习的PCB图像字符检测方法
张滨宇, 赵衍运, 杜昀昊, 万俊峰, 佟知航
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 108-114. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-109
摘要 ( 885 ) PDF ( 321 ) HTML( 321 ) 　　
利用印刷电路板（PCB）残片图像的字符检索完整PCB图像，是解决PCB残片溯源难题的一种有效方法；为此，提出了一种高性能的PCB图像字符检测方法。基于残差网络结构实现特征金字塔的提取，设计双检测头进行字符区域预测，引入结构相似性损失函数优化网络；设计了一种适合PCB图像的字符区域热力图标签生成算法以训练网络；采用多种数据增强、多尺度检测等策略提高字符检测性能。在自建PCB图像数据集上进行测试，该方法的字符检测精准率为95.6%、召回率为92.4%；特别是综合指标F1为93.6%，优于对比方法，证明了针对PCB图像字符检测问题，所提出的综合检测方法可与当前自然场景图像字符检测的先进方法媲美。
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车联网CR-NOMA系统物理层安全性能分析
李美玲, 杨晓霞, 成文杰, 路兆铭
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 115-120. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-085
摘要 ( 846 ) PDF ( 467 ) HTML( 467 ) 　　
认知无线电—非正交多址接入（CR-NOMA）能够满足第5代移动通信系统的大规模连接，实现车联网的低时延、低功耗和广覆盖。针对协作CR-NOMA的车联网络，基于保密中断概率分析了主用户的物理层安全传输性能，并研究了次用户发射信噪比、次用户数量、保密速率以及功率分配系数对主用户保密中断概率的影响。仿真结果表明，在窃听者存在的情况下，通过增大次用户发射信噪比、选取次用户数量以及合适的目标速率能够降低主用户的保密中断概率，从而提升主用户系统的物理层安全性能。
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偏振光子的水下传输特性分析
刘涛, 邱佳, 李佳佳, 刘舒宇, 王思佳
北京邮电大学学报. 2022, 45(1): 121-126. DOI:10.13190/j.jbupt.2021-126
摘要 ( 919 ) PDF ( 335 ) HTML( 335 ) 　　
提出了利用蒙特卡罗法对偏振光子在表层叶绿素浓度不同的4个海域中的水下传输特性进行研究。首先建立了水下量子信道垂直传输模型，基于此模型分析了在4个海域中叶绿素浓度、海水对光信号的吸收系数和散射系数随海水深度的变化规律。随后仿真分析了4个海域中偏振光子的散射、衰减和偏振度特性随传输距离的变化趋势，给出了不同传输距离时计算接收总光子数的公式。仿真结果表明，海水对光信号的吸收和散射作用主要受叶绿素影响；随着不同海域的表层叶绿素浓度增大，光子的散射次数增加，最远接收距离减小，光子偏振度略微降低但基本保持不变。研究结果可以为星-潜量子通信系统的性能分析和建立提供一定的参考。
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