电讯技术杂志

电讯技术杂志2024年第10期

• 基于超表面的涡旋波束控制技术研究综述

  王志伟,朱永忠,韩冷,周涵楚,徐军伟,谢文宣

  轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)复用技术因OAM模式间的正交性和模式的无限性，能极大程度地提升信道容量与频谱效率，对解决当前无线通信频谱拥挤问题具有重大潜力。然而，OAM波束的衍射特性和发散角问题严重限制了通信质量。对OAM通信的技术的难点进行了介绍，并对比分析了现有OAM波束控制天线的优势与不足,其中超表面天线因其结构简单、成本低和优异的电磁调控能力，在OAM波束控制中具有独特优势。其次重点梳理了基于超表面实现OAM波束控制的不同实现方式以及发展现状，最后综述了未来发展方向，为OAM波束控制相关技术的发展和未来大容量通信的实现提供了一定指导。

• 超薄全极化大角度稳定的“蛇形”吸透超构表面

  吴微微,李士贤,施庆展,陈曦,黄敬健

  提出了一种具有吸波-透波-吸波（Absorption-Transmission-Absorption，A-T-A）的频率选择超构表面，具有超薄剖面低、全极化和大宽角稳定的电磁特性等优点。在结构的损耗层上，构造了由“蛇形”金属曲折线、金属曲折线终端加载金属贴片和集总电阻组成的有耗串联谐振结构，以吸收电磁能量。给出了该超构表面的电磁模型和等效电路模型，并对该超构表面进行了加工和测试。测试出的透波频带(玈11≤－10 dB和玈21≥－3 dB)在12.9~14.3 GHz附近。两个吸波频带(玈11≤－10 dB和玈21≤－10 玠B)分别在8~12.3 GHz和15.1~18 GHz附近，低于-10 dB的反射压制带宽（玈11≤－10 玠B）为8~18 GHz。实测结果表明，在0°~45°的大入射角范围内，当两种线极化波（TE波和TM波）和圆极化波入射该超构表面时，均呈现传输和反射性能稳定的特性。该超构表面可应用于雷达隐身天线罩或电磁兼容领域的干扰抑制屏中。

• 一种基于时间编码超表面的ISAR干扰方法

  施庆展,黄敬健,吴微微,马育红,王少植,郑滋浩,张晓发

  时间编码超表面具备对电磁波的调制能力，从而有效改变反射电磁波的特性，达到改变目标特性的目的。基于超表面的调控特性，设计了一种周期时间编码的逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)干扰方法。分析了时间编码超表面的相位调制机理，建立了时间编码序列模型，通过设计优化时间编码序列的相关参数，形成对雷达在距离向上的欺骗干扰。通过理论推导，分析了时间编码调制参数对假目标位置、幅度等的影响。仿真实验结果表明，该方法可以根据信号参数生成数量可控、位置可变的虚假目标，距离向干扰范围扩展至2倍以上，从而实现不同的干扰效果，在电子对抗等方面具有较高的应用价值。

• 基于特征模理论的超表面天线设计

  何欢

  提出了的由5×5矩形贴片组成的超表面天线，通过特征模理论分析了中心单元存在和移除的场景。采用中心馈电的偶极子激励所需的相互正交特征模式，同时采用差分馈电网络实现阻抗匹配。对样机进行了加工组装，其剖面高度为0.07λ0（λ0是最低工作频率下自由空间波长）。仿真结果和实测结果表明，在4.2 ~ 5.5 GHz的整个工作频段范围内，所提出的超表面天线的反射率系数小于-10 dB，相对带宽达到26.8%，最大实测实现增益大于9 dBi，最大辐射效率为90%。该设计可为特征模在电磁辐射领域应用提供指导。

• 具有可调谐通带的双极化频率选择吸波体

  史桐桐,张晓发,吴微微,王少植,许逸轩,颜雨晨,阎潇

  针对当前通带可调谐频率选择吸波器(Frequency Selective Rasorber,FSR)插入损耗过高的问题，提出了一种可调谐的双极化吸收-透射-吸收(Absorption-Transmission-Absorption,A-T-A)的FSR。集总电阻被加载到损耗层以吸收吸波带内的电磁(Electromagnetic,EM)波。变容二极管被加载到另一个无损传输层，以控制该FSR的传输频带，给出了其等效电路模型。提出的可调谐FSR通过改变施加在无损传输层的偏置电压，可以使透波带在14.5~15.5 GHz范围内移动，插入损耗保持在-1.67 dB以上。有损层的串联谐振结构在10.2~13.5 GHz和17.2~22 GHz产生双边吸收频带，其宽带反射抑制范围为10.3~22 GHz(70.7%)。其原型经过了加工测试，实测结果验证了仿真结果的有效性。

• 一种基于柔性材料的可穿戴式天线设计

  刘佳兴,刘亚伟,陈平,徐子昂,文忠,高翔

  针对传统杆状天线在现代化战争应用场景中存在的带宽窄、质地硬以及隐蔽性与便携性较差等问题，提出了一种基于柔性介质材料的可穿戴式天线，该天线采用平面单极子天线的形式，极大地降低天线的剖面。借助电磁仿真软件CST Studio Suite 2023进行仿真分析，该天线尺寸为270 mm×270 mm×1.1 mm，重量仅有120 g，包含0.37~1.8 GHz的实测宽带频段，在人体加载影响下，实测频段范围超过0.3~1.8 GHz。给出了反射系数S11、辐射方向图的结果，分析了人体对天线的影响，结合通信电台开展实物对比测试。仿真与实测表明，可穿戴式天线在士兵手持电台中具有一定的应用前景。

• P/L波段大带宽轻质柔性超材料吸波体

  李士贤,吴微微,崔开博,王福兴,许逸轩

  为了适应现代武器设备在低频端的应用和对于吸波性能的要求，基于电磁超材料理论，利用电磁谐振特性设计了一种在P/L波段工作的大带宽轻质柔性吸波体。当电磁波入射到该新型吸波体，根据电磁感应作用机理，会在吸波体表面产生感应电流，通过装载集总电阻的方式，可将入射电磁波的能量转化为热能，从而实现对于电磁波的有效吸收。对于吸波体单元结构形状和尺寸的设计使得该吸波体具有两处谐振频点，并通过多谐振频率的耦合进一步展宽吸波带宽。仿真和实测结果验证了吸波体的优良性能。其工作频段为382~1 419.4 MHz，相对带宽为140.9%，吸波层厚度仅为0.2 mm，在保证大带宽的同时具有重量轻、可共形的优点，在转台曲面吸波、雷达隐身等领域具有广阔的应用前景。

• 一种低RCS圆极化超表面天线阵列

  赵一

  针对当前宽带圆极化辐射和低散射天线需求，提出一种低雷达截面积（Radar Cross Section，RCS）圆极化超表面天线阵列。天线阵列由线极化超表面天线单元组成，当天线辐射时，超表面被激励起新的工作模式，天线工作带宽得到拓宽；当天线被电磁波照射时，超表面的各向异性反射特性使得天线对于正交极化波的反射相位相反。将该超表面天线单元以正交方式组成2×2阵列，配合输入相位可以控制天线阵圆极化方式工作，天线的阻抗匹配频带为4.42~5.46 GHz。而正交的单元之间的反射形成对消，从而消除了镜面反射方向的RCS，相对于参考天线和金属面，新型天线阵列在4~8 GHz范围内RCS都有减缩效果。加工了一个4×4阵列实物并测试验证，实测结果与仿真结果取得了较好一致性。

• 一种低剖面宽波束双圆极化扫描阵列设计方法

  王力,杜春野,党欢,靳博川

  设计了一种用于卫星通信的低剖面宽波束双圆极化扫描阵列天线。天线阵元采用十字形贴片的形式，使用改进的共面耦合探针结构来实现较好的匹配性能并降低剖面高度。在天线阵元4个角放置矩形金属块，用于改善天线的波束宽度。在天线底部增加了匹配网络，引入非辐射模式，实现了双谐振，进一步优化了天线的阻抗带宽。该天线阵元实现了可覆盖频段（上行：889~904 MHz，下行：934~949 MHz）的阻抗带宽，在频段内大于92°的半功率波束宽度，同时实现了大于5 dBi的峰值增益，且天线的剖面高度仅为0.03│霜0。采用矩形栅格布阵将该阵元组成8×8阵列，最终可实现俯仰60°下17.56 dB的可实现增益覆盖，波束扫描至60°时，可实现增益的扫描下降都在4.5 dB以内，且不同扫描角度下阵列轴比小于3 dB。该天线可用于运营商LTE band8频段的卫星通信。

• 一种基于圆环交指谐振结构的新型频率选择吸波体设计

  许逸轩,吴微微,史桐桐,颜雨晨,阎潇

  针对宽带天线的隐身问题，提出了一种基于圆环交指结构的新型频率选择吸波体（Frequency Selective Rasorber，FSR）的设计方案。所设计的两个FSR的阻抗层相同，由圆环交指谐振结构与耶路撒冷十字金属线组成，并加载电阻。FSR1的无损带通层由金属缝隙方环构成，FSR2的带通层由金属贴片-金属孔径-金属贴片三层结构组成。仿真结果显示，两种FSR均具有双极化性质，并且FSR1角度稳定性可达45°，FSR2为35°。FSR2在垂直电磁波入射条件下，在2.52~10.07 GHz的反射系数低于-10 dB，在5.73~6.93 GHz的透射系数高于-3 dB，其中在6.29 GHz，透波窗口的最小插入损耗为-0.11 dB。FSR2在几乎相同的频带保持反射系数低于-10 dB，但是其透波带被拓展为5.6~7.2 GHz，同时透波带的矩形系数得到很大提升，具有更好的选择性。模型仿真结果与等效电路模型仿真结果基本一致。最终制作了两个FSR的实物模型，实验测试结果与仿真保持基本一致。

• 含金属衬底复合材料的有效电磁参数检索方法

  张凡,陈鑫,武明虎,何博琨

  复合材料的有效电磁参数获取对研究其电磁性质具有重要作用。然而，基于S系数的传输反射方法不适用于含金属衬底的复合材料目标，导致其有效电磁参数难以检索。为解决该问题，提出了一种新型的信息融合有效电磁参数检索方法。首先，通过主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）对有效电磁参数样本的S系数进行关联性分析和全局特征提取，简化模型复杂度。其次，构建了多输出回归信息融合网络（Multi-output Regression Information Fusion Network，MRIFN）模型对电磁参数进行检索。该模型结合了双向门控循环单元（Bidirectional Gated Recurrent Unit，BiGRU）处理主成分信息，并通过卷积层纵向融合特征信息，从而提高了检索性能。最后，通过非磁性吸波材料数据集和蜂窝有效电磁参数数据集验证了该检索方法有效性。结果表明，该方法对介电常数实部和虚部的平均绝对百分比误差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）分别为0.21%和0.57%。同时考虑介电常数和磁导率的综合影响，该方法对介电常数实部和虚部的 MAPE 分别为2.34%和9.28%，对磁导率实部和虚部的 MAPE 分别为2.40%和6.40%，验证了其有效性和泛化能力。

• STAR-RIS辅助通信感知一体化的多用户安全通信

  郝万明,宋亚飞,孙钢灿

  智能反射面在提高通信感知一体化系统性能和增强物理层安全方面具有极大潜力，但是其存在半空间覆盖的缺点。为此，研究了一种同时反射和透射智能反射面，并在考虑感知目标的信噪比约束条件下，建立一个联合优化基站发射波束赋形和智能反射面相移的安全能效最大化问题。为求解所赋形的非凸优化问题，用Dinkelbach方法将目标函数转化为减法形式，并将该为题转化为两个子问题来解耦发射波束赋形和反射面相移，进而提出基于连续凸近似、半正定松弛的交替优化算法来求解。仿真结果表明，与传统的分组智能反射面场景相比，该方案能够提升25.6%的系统能效。

• 有源RIS辅助速率分割多址系统的资源分配方案

  周围,黎飞雨,余明明,向曾,陈黎

  针对无源智能反射面（Passive Reconfigurable Intelligent Surface,PRIS）所带来的“双衰落“效应及传统多址接入方案在干扰管理上的缺陷，提出了一种有源智能反射面（Active Reconfigurable Intelligent Surface,ARIS）辅助速率分割多址（Rate Splitting Multiple Access,RSMA）的系统方案。该方案中，构建了一个以最大化用户最小速率为目标的优化问题。该问题是一个多变量耦合的非凸问题，为此提出了一种具有公平性的资源分配算法，在ARIS硬件约束、公共信息速率约束等条件下，将原优化问题拆分为基站波束赋形矢量和速率分割因子的联合优化、ARIS的预编码矩阵优化两个子问题，随后使用逐次凸逼近、半正定松弛和凸差函数对非凸约束进行转换，并利用交替优化方法迭代求解。理论分析和仿真结果表明，在系统总功率为30 dBm的情况下，所提方案的用户最小速率相比传统PRIS辅助RSMA方案提升了18.6%。

• 智能表面辅助的星地融合数能同传鲁棒安全波束成形

  马彪,赵柏,冯一帆,欧阳键

  针对智能反射面辅助的星地融合数能同传场景中的物理层安全问题，提出了一种鲁棒安全波束成形方法以提升系统安全性能。在地面物联网设备采用接收能量分割架构同时进行信息接收和能量采集的情况下，构建了以系统总发射功率最小化为目标，以卫星用户服务质量满足要求，同时保证卫星信号不被窃听者窃取以及物联网设备信息接收和能量采集满足要求为约束的联合优化问题。为了克服求解该非凸优化问题的困难，首先引入辅助变量进行松弛处理，并进一步提出一种新颖的半正定规划与伯恩斯坦（Bernstein）不等式相结合的鲁棒安全波束成形方法，从而获得较优性能的解。在不同地面用户速率阈值和不同天线规模的系统中，相比迫零波束成形方案和固定能量分割比方案，所提方案所需的功率分别能平均节省20%和11%，能够在有效满足不同种类用户的服务需求的同时实现对窃听者窃听行为的抑制。

• 基于深度强化学习的复杂网络节点影响力排序算法

  李旭杰,吉普,孙颖,李浩天,徐宁

  针对当前节点影响力评估算法准确度较低的情况，提出了一种基于深度强化学习的节点影响力排序算法。该算法从网络拆解的视角看待节点影响力，将节点影响力的排序问题转换为网络拆除策略的优化问题。算法首先利用排序学习训练图神经网络模型的节点特征提取能力，然后使用强化学习对依赖于网络状态的节点断连行为做价值学习，最后使用训练完成的模型预测网络拆除的最佳策略，即节点影响力的最准确排序。仿真实验证明，所提算法在典型真实数据集的CN（Crtical Node）与ND（Network Dismantling）问题上，相较于PageRank算法，准确度分别提升了31.1%与29.0%。同时,该算法具有较低的复杂度，可为网络稳定性分析和网络性能优化提供技术支撑。

• 适用于工业物联网网关的智能边缘计算

  王嘉炜,赵小燕,张朝晖,王祎豪

  工业设备接入网络实现生产自动化的过程中数据量级快速增长，而边缘层设备资源有限，无法完成全部任务请求。针对边缘层设备合理高效处理端设备任务请求的问题，提出了一种基于多跳计算卸载方法的物联网边缘网关（Internet of Things Edge Gateway，IoTEG）框架。该框架要求数据优先在网关侧处理以降低时延和保护隐私。首先，该框架根据端设备任务流特点将其分为时敏和非时敏两类。其次，设计了任务轮转调度处理机制，对任务流按时延要求高低进行处理。最后，设计了基于实时网络资源、实时本地资源和任务类型的最优联合计算卸载策略。实验结果表明，IoTEG框架能有效提高任务卸载的成功率，并能够高效处理不同类型的任务。

• 认知传感网中基于Transformer网络的MAC协议识别方法

  赵立,赵宏坚,高智伟,王黎明,刘越,罗渝,廖勇

  媒体接入控制（Media Access Control，MAC）识别有助于优化认知无线电系统的频谱管理并提高通信质量。已有的基于深度学习的MAC协议识别方法仍存在复杂信道环境的适应性不足、长期依赖关系捕捉能力有限的问题。因此，提出基于Transformer网络的MAC协议识别方法，利用自注意力机制有效捕捉长距离依赖，通过多头注意力机制同时关注输入序列中不同部分的相关性，提升对信号特征和行为的理解。针对认知传感网的特定需求，对传统的Transformer模型结构进行了优化，包括调整模型的深度和宽度以适应信号数据的特性。自注意力机制不仅增强了模型对时间序列数据的处理能力，还通过位置编码保留序列中的位置信息，结合前馈神经网络增强模型的非线性表达能力，并通过层归一化和残差连接机制提高模型的稳定性和训练效率。实验结果表明，所提方法在复杂无线通信环境中具有显著的性能优势，在识别4种主要MAC协议时展现出超过95%的高准确率。

• 融合rPPG和人脸三维法向量的非接触情绪感知技术

  王宇,刘宇昂,赵梦洁,涂晓光,牛知艺,杨明,刘建华,殷举航,朱新宇,石臣鹏,章超,张铖方

  近年来，基于深度学习的情绪识别技术取得了显著进展。然而，现有方法主要集中在面部图像或视频上，忽略了其他模态信息，导致鲁棒性和稳定性不足。为了解决这一问题，提出了一种融合多模态信息的面部表情识别方法。首先将输入的人脸视频进行远程光电容积脉搏波（Remote Photo plethysmography，rPPG）信号和人脸三维法向量的提取，其次将这两种模态的信息输入其相应的情绪特征提取子网络，提取出对应的情绪特征向量。然后，将这两种模态提取出的情绪特征向量进行融合，生成一个丰富的特征向量，最后将其输入分类器进行情绪分类任务。通过这种多模态信息融合的方式，提高了面部表情识别的准确性和稳定性。对所提方法在不同数据集上进行了验证，实验结果表明，该方法在多样化面部表情识别中的表现优于当前先进的情感识别方法，具有更高的鲁棒性和稳定性。

• 震后灾区应急通信系统搭建的关键技术

  李晓阳,谢恒义,寇曼曼,郭慧,李晓慧,韩贞辉,钟敏

  大地震发生后通常会导致通信设施损坏，地面通信不畅甚至中断，给救灾工作的开展带来很大困难，因此需要建立可靠的现场应急通信网络。针对传统应急通信车通信手段单一、工作队协同通信难、灾区回传画面效果不佳等问题，研究了可以快速部署、运行稳定的应急通信方案，具体包括现场多种通信方式的融合、“最后一公里”通信能力的提升等。其中，现场通信融合调度中，测试了多种通信手段的通话效果，并能自由切换现场不同运营商网络，以满足现场通信需求；“最后一公里”通信能力提升中将无人机获取的画面作为一路信号接入到视频会议中，实现了同指挥中心之间图像、声音的实时传输。该方案能实现极端环境下的通信网络畅通，其中短波通信距离可达400 km；灾情获取方式能适应多种通信网络，传输帧率大于30 frame/s，画面清晰流畅。

• 星载轻量化区块链边缘节点多级安全架构设计

  张小苗,惠怀海,李铮,王迪,何嘉洪,罗艺

  在卫星节点上构建区块链系统可有效消除星载数据协同的地域限制，同时减少数据泄露的风险，为卫星互联网提供信任机制的保障。针对区块链和卫星互联网深度融合时存在的网络拓扑高动态、计算资源和链路资源受限、存在蓄意攻击与破坏等问题，基于TrustZone构建了星载区块链边缘节点的多级安全架构，可有针对性地提高星载区块链边缘节点的物理节点、信息系统和可信数据的多级安全性，并在多级安全架构下从星载区块链边缘节点的计算、存储、传输和密码等方面开展了轻量化设计，进而通过星载区块链边缘节点多级安全模拟实验、轻量化设计效果对比分析和数据可信协同模拟实验验证了所提架构的有效性，可为下一步开展基于星载区块链边缘节点的卫星互联网数据应用研究提供技术参考。

• 工业5G的非授权频段多优先级动态接入方法

  王秀莲,朱建,张蕾,许驰,金曦,夏长清

  为实现工业5G在非授权频段的高实时、高可靠无线通信，提出了一种多优先级的动态信道接入方法，以满足异构工业任务的按需通信。该方法通过对多种无线网络共享的非授权频段进行实时信道监听，可以根据信道占用率动态切换信道接入方式，包括随机接入和确定性接入。其中，根据异构工业任务的实时性要求，定义了多种接入优先级，并确定合适的竞争和退避时间窗口。仿真结果表明，在工业多设备接入场景下，所提方法的信道传输可靠性达到99.99%，并且实时性比WiFi的载波侦听多路接入/碰撞避免机制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）和授权辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）的先听后说（Listen before Talk，LBT）机制分别提升了24.7%和46.3%。

• 路径规划及信号灯控制的智能优化

  李大卓,钱道庆,杨毅

  由于全智能化的交通控制系统尚未得到完全普及，道路交通资源占用时空二维不够均衡、城市交通规划策略与通行车辆规模不够匹配，导致城市交通拥塞、车辆准点率低等问题。针对上述问题，首先构建了基于服务员休假的多队列多服务员排队模型和级联队列的多跳排队模型，分析了在十字路口处及一般道路情况下车辆流量、信号灯时长与通勤时延的理论关系；然后提出了基于近端策略优化的路径规划及信号灯控制的智能优化方法，通过动态感知城市实时交通拥塞状态，联合规划车辆最优路径和控制信号灯最优时长，从而最大化车辆准点率。仿真结果表明，所提方法比于自适应高效联邦对比方法在时延性能方面提升了3倍以上，在车辆准点率方面提升了18%左右。

• 电磁大数据自动化标注补全算法

  王娜,杨君子,邵怀宗

  针对实际应用中电子侦察数据存在的数据质量差、标注率低等问题，将多传感器数据自动化标注问题抽象为稀疏矩阵恢复问题，在多平台多类型待标注监测数据与低秩稀疏矩阵之间建立正确的语义映射，进而转化为求解优化问题，并基于凸秩最小化算法对目标函数进行迭代以求得最优解。仿真实验结果表明，算法模型在目标特征信息缺失率40%~50%的恶劣情况下，恢复矩阵与原始矩阵的的最小均方根误差维持在0.06左右，能够有效实现矩阵恢复与数据的自动化标注。