电讯技术杂志

电讯技术杂志2024年第12期

• 面向6G的超大规模MIMO信道估计技术：进展与挑战

  蒲旭敏,张庆玉,王可豪,刘胤岚

  超大规模多输入多输出(Extremely Large-scale Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)作为6G的关键候选技术之一，通过配置数百乃至数千根天线单元，极大地提高了无线通信和传感的频谱效率。为了充分发挥超大规模MIMO技术的潜力，获取准确的信道状态信息至关重要，这使得信道估计成为该领域的一个核心议题。概述了超大规模MIMO信道的近场及非平稳特性，综述了近年来针对此类场景发展的信道估计方法，指出现有研究往往基于较为简化的假设或未能充分考虑超大规模MIMO特有的信道属性，导致在实际应用中的准确性不足。最后总结分析了当前超大规模MIMO信道估计方法的挑战及潜在的解决思路。

• 近场球面波超大规模MIMO-OTFS信道估计

  蒲旭敏,徐鹏,王可豪

  随着6G技术对数据传输速率的高要求，超大规模多输入多输出(Extremely Large-scale Multiple-Input Multiple-Output,XL-MIMO)系统的应用前景广泛。然而，XL-MIMO系统中的近场球面波前特性使得传统基于平面波前的信道估计方法不再适用，从而影响信道状态信息(Channel State Information,CSI)的获取。为了解决这一问题，提出了一种新的信道估计方案，分析了XL-MIMO的近场球面波特性，并将其与适用于高速移动场景的正交时频空间(Orthogonal Time Frequency Space,OTFS)调制技术结合，构建了一个考虑球面波特性的XL-MIMO OTFS系统框架。此外，利用模型驱动的思想设计了一种可学习的去噪近似消息传递(Learned Denoising Based Approximate Message Passing,LDAMP)算法，用于有效估计信道状态信息。仿真结果表明，所提出的XL-MIMO OTFS信道估计框架在近场高速移动场景下具有显著的性能提升和良好的鲁棒性。在信噪比为20 dB时，LDAMP算法的归一化均方误差达到10－2，相比传统算法提高了多个数量级。

• 面向可视区域的超大规模MIMO低复杂度混合预编码

  张雷,杨帅,曾琦

  为有效利用超大规模多入多出系统中因不同用户可视区域动态分布导致的信道矩阵稀疏特性，提出了一种基于可变子阵列的低复杂度部分连接结构混合预编码方案。先通过直接提取空口信道的共轭相位设计模拟预编码矩阵，并提出逐次最大化可变子阵列增益算法，以更有效连接射频链路与发射天线，从而获得更大空间分集增益；再对等效信道执行迫零数字预编码。仿真结果表明，相较于已有全连接结构方案，所提方案能以更低计算复杂度和硬件成本，提升频谱效率50%~200%，且对信道估计误差更为鲁棒。

• 一种基于最大似然的超大规模MIMO系统近场信道估计方法

  王华华,郑少杰,王磊

  针对超大规模多输入多输出(Extremely Large-scale Multiple-Input Multiple-Output，XL-MIMO)系统近场的极域信道特性，同时考虑到未来信道的低信噪比环境以及匹配追踪算法中的先验稀疏度信息难以获取的问题，提出了一种基于最大似然原理的子载波加权选择的分段弱正交匹配追踪算法(Subcarrier Weight Selection Stagewise Weak Orthogonal Matching Pursuit，SWS-SWOMP)。SWS-SWOMP算法利用公共稀疏性对子载波加权并在获取支持度后进行再选择，从而在低信噪比环境下以及稀疏度未知的情况下提高最终支持度的可靠性。仿真结果表明，所提XL-MIMO近场信道估计算法在低信噪比下归一化均方误差性能相对于极域同步正交匹配追踪(Polar-domain Simultaneous Orthogonal Matching Pursuit，P-SOMP)算法平均提高约3 dB，更符合实际信道场景。

• 空间非平稳信道条件下XL-MIMO系统联合天线选择和波束成形

  褚宏云,贾帅,王鑫,闫桐菲

  由于超大规模MIMO（Extremely Large-scale MIMO,XL-MIMO）系统中空间非平稳性的存在，使得部分天线对系统性能贡献较小，从而增加了系统能耗。通过天线选择并结合波束成形从而优化系统性能。以最小化基站发射功率为目标建模，在满足信干噪比和基站激活天线数的约束下，优化基站处的波束成形矩阵。由于该优化问题是典型的混合整数非线性规划问题，传统方法使用连续近似来求解,然而获得的解都是次优解。鉴于此，首先提出采用分支定界算法（Branch and Bound，BAB）求解上述优化问题，从而保证解的最优性。然而，BAB算法在处理大规模问题，特别是基站天线数大于128时，计算复杂度往往过高。为了解决这一问题，提出了一种基于图神经网络和多层感知机（Graph Neural Network and Multilayer Perceptron，GNN+MLP）的方法，通过利用GNN在BAB树的根节点提取一次全局特征，并在每个子节点利用MLP提取局部特征，通过结合全局特征和局部特征来训练一个二进制的节点分类器，以判断当前节点是否需要进一步分支，从而加速计算的过程。仿真结果表明，在天线数等于512时，GNN+MLP比BAB减少了54.2%的计算时间。

• 一种改进多尺度特征融合的交通标志识别算法

  余翔,靳闪闪,杨路

  为了进一步提高在背景复杂且目标距离远的情况下交通标志识别算法的识别准确率，在YOLOv5s算法的基础上提出了一种改进的交通标志识别算法MAFM-YOLO。首先，在颈部网络设计了基于空洞混合注意力机制的多尺度注意力特征融合模块，使网络在特征融合阶段能够高效保留图像中的细节信息，对小目标更加的敏感。其次，在回归阶段采用归一化Wasserstein距离改进原有的损失函数，提高了边界框的回归性能，从而进一步提高网络的识别性能。在TT100K数据集上的实验结果表明，MAFM-YOLO较基准模型在精确率、召回率和平均精度均值上分别实现了9.4%、3.3%、6.3%的提升。

• 基于改进YOLOv7网络的SAR图像舰船目标检测方法

  胡慧中,毛玉明,张文康,丁青艳

  针对合成孔径雷达（SAR）图像在舰船检测过程中因其环境复杂、舰船尺寸多样而导致检测精度低的问题，提出了一种轻量级的Cross Stage Ghostnetv2(CSG)模块替换YOLOv7网络中的ELAN模块和ELAN-W模块，减少网络的参数数量和计算成本；在颈部网络中引入ConvNeXt模块，加强图片的特征提取能力以提高小目标的检测能力；最后采用K-means++ 聚类自动生成锚框，提高算法的识别精度。在SSDD数据集（SAR Ship Detection Dataset）上的实验结果显示，该算法的平均精度均值mAP@0.5较YOLOv7提升4%，模型参数Params下降10.9%，计算量GFLOPs减少63.7%，在提高精确度的情况下大幅度降低了模型复杂度。实验结果证明了该算法在舰船目标检测上的有效性。

• 空中智能反射面辅助毫米波通信系统能效优化

  席云光,李素月

  在复杂无线环境下，针对空中智能反射面（Aerial Reconfigurable Intelligent Surface,ARIS）辅助毫米波通信系统的能效优化问题，考虑加入对ARIS的朝向设计，利用深度强化学习方法对ARIS轨迹、朝向及其相移进行联合优化。在建立的系统和信道模型基础上，将ARIS辅助通信任务建模为马尔可夫决策过程，对其状态和动作空间及奖励函数进行设计，分别应用竞争双深度Q网络（Dueling Double Deep Q Network,D3QN）和近端策略优化（Proximal Policy Optimization,PPO）两种算法优化系统能效。仿真结果显示，优化ARIS朝向有效提高了系统能效，且D3QN相较于PPO算法得到的单位时间能效高出约830 b/J/s，表明基于D3QN的能效优化算法性能更优。

• 一种基于可解释深度强化学习的动态频谱接入方法

  耿凯,张建照,姚昌华

  针对基于强化学习的动态频谱接入模型性能有限、可解释性差的问题，提出了一种基于权重分析的动态频谱接入方法。采用储备池计算（Reservoir Computing,RC）网络来替代传统的深度Q学习网络(Deep Q-Learning Network,DQN)，以简化网络结构并提高计算效率。同时引入权重分析的可解释方法，通过生成热力图来反映神经网络对不同信道的认知和偏好，从而提高了模型的可解释性。仿真结果表明，在多用户环境中，该算法在平均成功率、平均碰撞率和平均奖励等关键指标上显著优于Q-Learning等传统强化学习算法。相较于DQN+MLP算法，该算法不仅加快了收敛速度，而且在平均成功率达到0.8、平均碰撞率接近0以及平均奖励等关键指标上的表现与之相当。

• 蜂窝认知网络中的增强加权质心定位算法

  章艳,李银波,申滨

  在蜂窝认知无线电网络（Cellular Cognitive Radio Network，CCRN）中，主用户（Primary User,PU）与次级用户(Secondary User,SU)之间缺乏通信，单独依靠传统的频谱感知技术来判断频谱接入机会存在一定的不可靠性。提出一种基于KL(Kullback-Leibler)散度与邻居关系的改进加权质心定位（KL-divergence Based Weighted Centroid Localization，KLD-WCL）算法。首先计算未知节点与锚节点接收信号强度（Received Signal Strength，RSS） 向量的 KL散度值，表征两者的邻近程度；其次，提出一种自适应邻居选择算法，针对每一个未知节点自适应地选择最优的邻居锚节点。在采用 KLD-WCL 算法获得 SU 位置信息的基础上，最终实现机会性接入授权频段的使能标签设置。所提方案有效减缓了RSS波动对于定位精度的影响，优化了邻居节点选择策略与加权方式。理论推导与实验结果表明，所提方案为CCRN中的SU定位算法提供了更为强健和良好的定位误差性能，能够有效增强蜂窝认知网络对于频谱接入的可靠性。

• 面向民航地空通信抗干扰的多飞行目标追踪方法

  姚元飞,陈欣鹏,张小舟,蔡方凯,李晓钰

  针对低信噪比场景下多飞行目标波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计精度不高，导致基于智能天线的民航地空通信抗干扰性能较差的问题，提出了一种基于航向训练模式和动态径向基神经网络（Radial Basis Function Neural Network,RBFNN）的多飞行目标追踪方法。首先融合二次雷达信息，建立民航飞行目标DOA变换关系；然后通过航向训练模式，粗估下一时刻各飞行目标DOA，并作为RBFNN的输入；最后构建隐含层中心动态调整的RBFNN，快速准确追踪各飞行目标DOA。实验表明，该方法可以大幅提高空中同时存在的多飞行目标DOA估计精度；结合波束形成技术，可以大幅提高民航地空通信系统的抗干扰能力，提升民航飞行安全水平；在5 dB信噪比条件下，相对基于常规智能天线的民航地空通信系统，抗干扰能力可以提升16 dB。

• 分布式综合化飞机环境监视系统架构设计与分析

  吴鑫炜,胡明华,毛继志,林澳

  飞机环境监视系统是保证航空器全飞行过程安全航行的重要航电子系统。针对系统的开放性、可扩展性和低总耗需求，首先提出了基于传感器开放式系统架构（Sensor Open System Architecture，SOSA）的系统功能架构，从系统运行支持、发射/接收器、信号/目标处理、分析与开发、信息传达、管理服务等6个顶层模块定义了49个标准功能组件，实现功能域的解耦。设计了基于像素级、特征级和决策级融合的机载多源融合感知算法框架，实现对合作目标和非合作目标的综合态势感知。提出了由零中频体制通用射频收发通道、基于“平台+APP”的数据处理资源平台等构成的分布式综合化硬件架构，实现硬件资源的集约化和软件功能的增量扩展。硬件平台的试验评估表明，分布式架构相比联合式和集中式架构，系统在重量、体积和功耗方面分别提升了49%和34%，同时具备更好的可靠性和开放性。

• 面向遥感星座的地面测控资源调度方法

  娄乐,柳震,齐星,林靖

  为满足遥感星座的各类测控需求，合理分配和调度地面测控资源，提出了面向遥感星座的地面测控资源调度方法。首先分析调度过程中的约束和优化目标项，构建地面测控资源调度约束满足模型。然后对传统的遗传算法进行改进，将星地可见时间窗口冲突作为先验知识转化为算法中基因间的关联约束，迭代过程中使用关联变异的方式进行冲突消解。最后使用改进的遗传算法进行模型求解。设计3种规模的调度场景进行对比实验，结果表明，所提方法相对于传统的遗传算法能有效提高收敛速度和解的质量，并且随着星地场景规模的增大，效果愈加明显；在大规模调度场景下，迭代次数、收敛时间、任务满足率、跟踪冗余率、负载均衡率和有效跟踪圈次总时长均优于传统的遗传算法。

• 一种基于节点同步的热备系统自动运行同步及恢复方法

  王涛,陈学军,李泽西,杨小燕,邓德鑫,孟海涛,蒋浩

  针对测控系统监控服务器主备机切换后，因双机任务运行状态不完全一致，导致任务无法继续正常运行的问题，提出了一种基于节点同步的热备系统自动运行同步及恢复方法。首先，将任务自动运行流程按执行顺序划分为若干节点；其次，在监控服务器主备机部署Redis数据库，存储任务运行流程节点信息，并采用定时和突发发送方式由主机向备机同步节点信息；然后，引入任务是否首次执行标志，实现正在执行任务在主备服务器切换后正确执行；最后，设计针对性测试试验，对热备系统自动运行同步及恢复方法的有效性和正确性进行验证。试验结果表明，所提方法能够实现任务自动运行流程在热备系统间准确同步，并实现故障在热备系统间多次迁移，有效提高测控系统运行的可靠性和可用性，降低运维成本。

• 结合RSSI测距和三边定位算法的LoRa定位系统

  史振江,李君艺,黄珈嘉

  为了提高远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）系统定位精度，提出利用接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）测距和三边定位方法结合小波神经网络模型对LoRa节点进行定位。首先分析了RSSI测距、三边定位的原理和实现方法，给出了基于RSSI测距方法求解LoRa网关与LoRa节点间距离的步骤。然后利用3层融合型小波神经网络搭建了LoRa节点定位模型，选取Morlet小波为隐含层神经元的激励函数，选取Sigmoid阈值函数为输出层函数，将LoRa节点到3个LoRa网关的距离作为输入层数据，节点定位模型转换并输出LoRa节点位置的归一化横坐标和纵坐标。最后利用LoRa网关模块和LoRa节点模块搭建了LoRa节点定位实验系统并进行了实验测试，通过实验数据分析得出了RSSI测距参数并利用三边定位算法和小波神经网络节点定位模型实现了待定位LoRa节点的精准定位。实验结果表明，所提算法的定位精度为1.033 m，优于四点质心定位算法和传统三边定位算法。

• VLIW处理器的变长指令跨边界派发窗设计

  王东旭,汪东,万江华

  针对传统超长指令字（Very Long Instruction Word,VLIW）处理器代码体积增大会显著降低处理器性能的问题，设计了一种八流出新型变长指令跨边界派发窗。该派发窗兼容压缩指令派发功能，支持压缩指令和整字指令混合派发，有效减小了处理器代码体积。同时该派发窗引入指令跨边界派发机制，进一步排出指令间无用气泡。通过搭建派发窗仿真模型，并基于DSP/VoLIB库进行仿真，结果显示，采用新型变长指令跨边界派发窗能够充分发挥指令级并行优势。经编译器调度优化后，库中典型程序体积比传统派发窗平均降低约19.26%，处理器性能提升约15.4%。

• 具有多普勒容忍性的CPM调制波形设计

  张坤,杜晓林,李建波,田团伟

  针对雷达通信一体化波形多普勒敏感和误码率（Bit Error Rate，BER）高的问题，提出了一种具有多普勒容忍性的一体化波形设计方法。该方法利用互补序列的理想自相关性能，根据PTM（Prouhet-Thue-Morse）序列的值，对二进制广义布尔函数Golay互补序列进行排序形成脉冲序列，从而实现具有多普勒容忍性的波形构造；然后将脉冲序列进行差分编码与连续相位调制（Continuous Phase Modulation，CPM），最终得到CPM调制后的波形，以此提高信号传输的准确性。仿真结果表明，所提方法在多普勒容忍性区间内距离旁瓣峰值比GCP-Random方法低24.46 dB，比PTM方法低0.51 dB。在信噪比为0 dB时，该方法的BER相比PTM 等对比方法具有近30 dB的优势。

• 一种雷达高度计回波模拟器射频带宽自动检测与识别方法

  刘广康,刘鹏,许可

  根据星载雷达高度计回波模拟器工作在Ku波段、带宽在20 MHz/80 MHz/320 MHz中自适应切换技术要求，提出了一种雷达高度计回波模拟器射频信号带宽自动检测与识别方法，使用带宽为20 MHz、80 MHz、320 MHz线性调频信号作为本振信号进行混频，结合改进后的多相抽取滤波结构得到三路解调数据，再进行带宽类型的识别。经Matlab实验仿真与现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)工程验证可知，该方法能够准确识别当前高度计信号带宽类型和捕获对应的数字基带信号，时间复杂度低，实时性强。

• I/Q不平衡下CR-RSMA网络中断性能分析

  尹沛桐,班嘉阳,叶迎晖,卢光跃

  在实际的认知无线电速率分割多址(Cognitive Radio-Rate-Splitting Multiple Access,CR-RSMA)通信网络中，射频收发机I/Q支路的幅值与相位通常不平衡。然而，已有关于CR-RSMA网络的研究均忽略了这一事实，导致I/Q不平衡对CR-RSMA网络的影响机理尚不清晰。为此，针对存在I/Q不平衡的CR-RSMA网络，在保障主用户传输性能的前提下，次用户根据干扰门限和自身增益进行自适应速率分割，以实现所允许的传输速率。为了量化分析各传输参数对中断性能的影响，以中断概率作为衡量整个网络中断性能的指标，推导了给定幅值和相位下的中断概率封闭表达式。仿真结果表明，I/Q不平衡会引入更多的干扰导致用户中断性能降低；相对于幅度失配，相位失配会导致更高的系统中断概率。

• 非理想条件下协作CR-NOMA的IoT网络性能分析

  薛鹏,朱芸灿,刘金昌,李美玲

  为了解决移动通信系统中的高延迟和覆盖盲点问题，提出了一种基于认知无线电-非正交多址接入(Cognitive Radio Non-orthogonal Multiple Access,CR-NOMA)的工业物联网网络。在认知网络中次用户采用解码转发(Decode and Forward,DF)和放大转发(Amplify and Forward,AF)两种辅助解码方式下，推导了主用户和次用户在完全串行干扰或不完全串行干扰两种终端状态下的中断性能。当用户间链路条件相同时，认知中继采用AF方式优于DF方式，且不完全串行干扰技术后系统残留干扰噪声的增大也会导致主用户和次用户的中断概率增大。研究还发现，各用户移动导致用户之间距离增大时，主用户和次用户的中断概率也会增大。

• 智能化战争条件下数据链关键技术发展述评

  赵志勇,毛忠阳,潘耀宗,徐建武

  针对未来智能化作战需要以及现有数据链存在的不足，从构成数据链的关键技术入手，详细阐述了基于智能规划的抗毁自组织动态组网技术、基于信道感知的高速率抗干扰信息传输技术、基于AI的消息处理技术和多频段多模式智能终端设计这4项关键技术的革新点与发展方向，以期为数据链关键技术在面对智能化战争所呈现的新特点时的发展提供参考。

• 水声通信信道估计技术的研究进展

  刘金荣,冷相文,姬庆,王志林,胡云峰

  水声信道估计是水声通信的关键技术，其估计性能直接影响通信系统的可靠性和传输速率。介绍了水声通信技术发展的不同阶段、水声信道相关特性以及其对水声通信系统的影响，对现有的水声信道估计技术进行分类，讨论了各自的优势与不足，最后分析了水声信道估计技术面临的问题并提出了解决思路。