电讯技术杂志

电讯技术杂志2024年第7期

• 全网应急通信无人机系统设计及对地覆盖策略

  曾勇,周睿,唐军,赵林,秦萌,赵政宁

  大型固定翼无人机支援下应急通信保障体系创新应用“无人机空中基站”在应急通信保障过程中发挥了积极作用，针对现有大型固定翼无人机搭载单一基础电信运营商单一基站，即单网应急通信无人机存在的不足进行探讨，如基础电信企业用户差异性对待、基站网络容量有限、单一基站冗余性差，可靠性不高等问题，探讨了全网应急通信无人机研发的必要性，分析了全网应急通信无人机系统设计关键技术，如基站制式及冗余设计、数管分离无人机卫星网络架构、多运营数据隔离流控以及对地覆盖策略。信号覆盖仿真、飞行测试和实战演练表明，全网应急通信无人机可同时提供电信、移动、联通等公用电信网信号，覆盖面积不低于50 km，覆盖区域内信号无明显波动，电平不低于-110 dBm，可为通信阻断区域全网用户提供稳定可靠的紧急通信保障。

• 无人机辅助传感器网络中吞吐量与节点能量优化方法

  韩东升,梁燏

  无人机凭借其高机动性可以对传感节点进行无线数据采集和无线供能，然而无线数据采集与无线供能是相互耦合的，如何对两者的资源分配和无人机飞行轨迹进行优化是无人机辅助无线供能传感器网络性能的关键。为此，提出了一种联合优化方案，通过交替优化节点接入、无人机三维飞行轨迹和能量数据传输时间分配，最大化最小节点效用。针对无线供能传感器网络模型中最大化最小节点效用问题提出了一个联合优化方案。由于该问题为非凸问题，提出了一个最大化最小节点效用算法(Maximized the Minimum Node Utility Algorithm，MMNUA)，采用块坐标下降法将原始问题转化成4个子问题，并利用连续凸近似技术在每次迭代时依次优化4个子问题，使最大化最小节点效用逐渐收敛。与基础无人机方案相比，MMNUA使系统性能分别提升了14.1%、567.5%和177.0%，有效提高了无人机的工作效率，同时所提算法具有良好的收敛性和较小的复杂度。

• 面向异构传输需求的多无人机通信协同抗干扰决策方法

  姚昌华,巫刚,李家强,祁博宇,苏婷,刘鑫,付澍

  干扰条件下的多无人机通信中，用户根据业务有不同的通信需求，而各个信道质量也不同，对抗干扰通信决策提出了业务需求与资源匹配的新要求。针对外部对抗性干扰场景下，多个用户如何选择适合的信道和功率，在干扰躲避、内部冲突控制以及功率优化的同时实现有限资源的高效利用这一问题进行研究，提出了一种面向传输需求匹配的抗干扰决策方法。首先，利用部分重叠信道的特性进行信道资源复用；然后，运用多用户协同强化学习训练用户信道选择策略，并使用斯坦伯格博弈对功率进行优化，实现对用户异构传输需求进行资源匹配。所提方法能实现干扰条件下的多用户异构传输需求的信道和功率联合优化，提升资源利用合理性，实现传输效果的提升。

• 一种基于空洞节点检测的可靠无人机自组网路由协议

  姚玉坤,刘长安,张斐翔,谢雨珈

  针对高动态无人机自组网中节点之间链路生存时间（Link Live Time，LLT）短和节点遭遇路由空洞次数多的问题，提出了一种基于空洞节点检测的可靠无人机自组网路由协议——GPSR-HND（Greedy Perimeter Stateless Routing Based on Hollow Node Detection）。GPSR-HND协议中，转发节点通过空洞节点检测机制检测邻居节点状态，将有效邻居节点加入待选邻居节点集；然后基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）的多度量下一跳节点选择机制从待选邻居节点集中选择权重最大的邻居节点贪婪转发数据；如果待选邻居节点集为空，则从空洞邻居节点集中选择权重最大的空洞节点启动改进的周边转发机制，寻找可恢复贪婪转发模式的节点。与GPSR-NS协议和GPSR协议相比，GPSR-HND协议表现出了更好的性能，包括平均端到端时延和丢包率的改善，以及吞吐量的提高。

• 基于强化学习的能量受限无人机通信感知轨迹规划方法

  张智琛,何振清,李彬

  针对能量受限下无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）辅助通信感知中的无人机轨迹规划问题，采用激光无线充电的方式为无人机额外提供能量，同时考虑了无人机动力学和感知通信速率等约束，以对移动目标感知互信息量最大化为目标，建立了移动目标感知通信轨迹规划问题。为了求解建立的包含大量复杂约束的优化问题，将原优化问题建立为马尔可夫决策过程，把无人机运动、能量变化、目标感知、基站通信等过程建模为环境空间，无人机电机转速设计为动作空间，并采用深度强化学习方法进行训练，实现无人机的轨迹规划。由于考虑了无人机动力学，规划得到的轨迹更符合无人机运动特性，并且训练得到的最优控制序列可以直接作用于无人机电机转速，降低了无人机控制难度。在设计的实验场景下，相较于传统最优控制方法，所提方法对移动目标感知互信息量提升了约3倍。

• 面向大规模物联网的无人机通信感知一体化能效优化算法

  宋利枝,季增栓,曾凤,王伟,杨永杰

  针对大规模物联网场景下无人机通信感知一体化系统存在的重复感知和能量受限等问题，提出了一种基于聚类算法的能效优化方案。该方案在满足无人机的移动性和感知能力约束下，通过联合设计无人机的三维轨迹和发射功率来最大化系统能效。由于该问题是非凸的，首先将其解耦为两个子问题，然后利用模拟退火算法和标准凸优化技术来求解无人机的悬停位置和飞行速度以获取最优轨迹，最后根据最优轨迹推导发射功率的闭合表达式，求得每个悬停位置的最优发射功率。与传统的二维和三维方案相比，所提基于聚类的能效优化方案在收敛速度提高4倍的基础上能提升20%~30%系统能效。

• 国产化无人机机载数据链路系统模拟器设计

  张鑫刚,张富斌,薛培,邵春伟,沈小波

  针对无人机链路系统在可靠性设计和有效性验证过程中的仿真要求，设计了一种模拟器，利用国产现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为主控芯片，生成虚拟航迹信息，模拟链路数据解析和通信协议转换。使用滑窗式数据处理与环形缓存相结合，实现虚拟航迹信息并行缓存与计算；通过数据流加和校验法来实现通信过程差错控制；运用并行存取数据来模拟多端口RS422机载总线通信；利用千兆以太网UDP组播方式实现模拟器与无人机地面站之间通信，并采用星型拓扑结构，由FPGA完成对系统中任务载荷设备数据轮询和调度。当数据帧长度为1 200 B时，模拟器以太网传输速率947.52 Mb/s。研究成果在无人机链路系统模拟方面有一定工程化应用价值。

• 无人机自组网中基于信任的路由机制

  杨磊,龙伟

  传统无线路由方式不能很好地适应无人机自组网通信链路不稳定、节点能量受限等特点，为此，提出了一种新的基于信任的路由方案。首先，考虑了节点传输数据包所产生的能耗，对已有的分簇算法进行优化，选择剩余能量超过阈值的节点作为转发候选。其次，引入转发正确率、节点交互频度、探测成功率等信任因子对节点行为进行建模，由簇头节点汇聚所有的信任信息，并利用贝叶斯理论评估节点信任值。最后，在传统按需路由协议基础上，通过节点剩余能量、节点信任值及跳数来计算整体路由成本，并基于路由成本选择转发节点，确保了路由路径上的节点性能及行为可靠。所提方案有效提高了分组投递率及吞吐量，降低了端到端时延与转发能耗。

• 一种采用联邦深度强化学习的车联网资源分配方法

  王辛果,王昶

  在车联网中，为了充分利用可用资源，车到车(Vehicle to Vehicle,V2V)链路需要动态地复用固定分配给车到基础设施(Vehicle to Infrastructure,V2I)链路的信道。传统的集中式信道资源分配方法会产生较大的通信开销，也难以适应转瞬即逝的车辆环境。为此，提出了一种基于分布式联邦深度强化学习(Federated Deep Reinforcement Learning,FDRL)的信道资源分配方法。首先，所有V2V智能体基于局部观察的环境信息独立地训练自己的模型，但彼此间保持相同的奖励以激励它们相互协作进而达成全局最优方案；然后，这些V2V智能体通过基站的帮助聚合部分模型参数，以增加接入公平性并加快模型学习效率。通过上述两阶段的迭代训练，每个V2V智能体训练出独特的决斗深度神经网络信道接入决策模型。仿真结果表明，所提出的FDRL方法与现有的优化方法相比具有更高的V2I链路总容量和V2V链路传输成功率。

• 双智能反射面辅助的感知通信一体化波束赋形与相移优化

  谭子谦,韩士莹,李月

  部署智能反射面可有效解决基站与部分通信用户或潜在目标之间直接链路很弱的问题，但由于单个智能反射面的覆盖范围有限，因此研究了双智能反射面辅助的感知通信一体化系统。为了减小信道训练开销，使用了统计信道信息。建立了通过联合优化基站的发射波束赋形与智能反射面的相移，在保证通信用户遍历容量的最低要求下最大化波束图增益的问题。将该问题转化为3个子问题来解耦发射波束赋形与两个智能反射面的相移，进而提出用基于半定松弛的交替优化算法来求解问题。相较于单智能反射面场景，部署双智能反射面得到了超过两倍的波束图增益。

• IRS辅助MU-MISO系统中基于深度残差学习的信道估计

  陈发堂,朱鹏云,杨涛,孙宸

  针对智能反射表面辅助多用户通信系统中传统信道估计方法性能下降的问题，将信道估计问题转化为信道去噪问题，利用深度残差学习方法学习残差噪声，从含噪导频信号中恢复信道系数。同时为提升信道估计精度，设计信道估计网络进一步提升去噪性能。网络主体包含两个模块：拼接信息保留模块将每一层卷积输出相融合，防止信道特征丢失，有效提取信道噪声的主体特征；扩张卷积稀疏模块通过扩大感受野范围获得信道的重要结构和细节特征，恢复信道噪声的边缘细节特征。仿真结果表明，归一化均方误差约等于0.45时，所提方法在不明显增加复杂度情况下，相比于线性最小均方误差算法获得3.7 dB的信噪比增益，更为接近最小均方误差信道估计器的性能，表现出了更好的性能和可用性。

• 基于生成对抗学习的标准rPPG信号生成

  涂晓光,胡哲昊,胡俊强,刘建华,雷霞,刘宇昂,王宇,冯子亮

  为了提高生成远程光电容积脉搏波描记法(remote Photoplethysmography，rPPG)信号的波形规律性，降低心率计算难度，提出了一种标准化rPPG的信号生成方法。将人脸视频输入到生成对抗网络的生成器中，生成器通过有标签数据进行监督训练，预测得到人脸视频中蕴含的rPPG信号。为了进一步优化生成器的预测结果，使用数学建模方法生成标准的rPPG信号，并将其与生成器预测的信号同时输入至判别器中进行对抗学习，不断优化生成器参数，使得生成器能够学习标准信号的波形分布。这样，生成器预测的信号波形在形态上更接近于真实rPPG信号的波形分布，从而有利于后续心率计算。在不同数据集上进行的实验结果表明，该方法可以显著提高预测的准确性，且拥有更高的信噪比。

• 基于“北斗”差分的双基SAR高精度时频同步方法

  班亚龙,李沛洲,康荣雷,常军

  为了满足分布式平台协同探测和双基地合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）目标成像对时频同步的高精度应用需求，提出了一种基于“北斗”导航卫星观测单差的时频同步方法。该方法基于伪距单差计算得到平台间的相对钟差，并通过载波相位观测单差的前后历元差消除单差整周模糊度，计算得到相对频率误差。静态实测和动态模拟测试结果表明，该方法可以实现固定时间同步误差优于5 ns，线性时间同步误差优于2×10-3 ns/s，二次时间同步误差优于10-6 ns/s，固定频率同步误差优于0.01 Hz，线性频率同步误差优于10-5 Hz/s的精度，满足实际工程应用的要求。在该时频同步方法的基础上，开展了双基SAR目标成像质量仿真分析，验证了算法的可用性，可以保证分布式协同系统的动态、实时和高精度时频同步应用。

• 全自动精密进近引导与传输技术研究

  顾海燕,熊健

  全自动着舰是保障舰载机着舰安全性和提高出动率的关键手段，分析了外军舰载机全自动着舰引导及传输系统发展及应用情况，研究了海上母舰动基座、复杂电磁环境下的应用需求，突破了抗干扰条件下的卫导高精度测量、动基准差分卫导相对定位、低时延高可靠传输等相关技术，提出了基于差分卫导与新体制着舰数据链相结合的全自动精密进近引导与传输系统综合解决方案。通过原型系统研制和典型环境下的测试验证，证明了原理的可行性，技术指标在双动状态下相对定位精度达分米级，传输时延达毫米级，与国外技术水平相当，可为无人机起降着陆及舰载机自动着舰相关装备研制提供重要参考。

• 一种低碰撞多传输的水声无线网络MAC协议

  任智,邱金,郭建,陈春宇

  针对水声通信网络中长传播时延带来的时空不确定性以及现有水声MAC协议中存在信道预约阶段握手碰撞概率较高的问题，提出了一种碰撞避免并发传输的MAC协议(Collision Avoidance Concurrent Transmission MAC protocol，CACT-MAC)。CACT-MAC协议先由目的节点发起广播测试帧，对信道进行预约。收到该测试帧的源节点通过发出带有并发传输条件的控制包进行并发传输节点的获取，同时这个控制消息还能够为后续数据包的追加传输提供支持。此协议包含一种发送优先级确定机制：根据源、目的节点传播时延与中继数据包数目来确定发送顺序。与DCT-MAC协议和Slotted-FAMA协议相比，所提协议在网络吞吐量上分别提高了5.49%和9.98%，同时在信息控制开销方面分别降低了18.87%和20.56%。

• 导频辅助的突发信号多普勒频偏及变化率联合估计

  刘洋

  为了提升高动态突发卫星通信系统多普勒参数估计精度及运算效率，提出了一种基于数据辅助的多普勒频偏及变化率联合估计算法。首先，优化了突发传输帧结构并建立了信号模型；接着，利用导频信号的延迟自相关特性，通过一次离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）完成多普勒变化率的快速估计和补偿，实现多普勒变化率动态压缩；最后，利用改进的最大似然估计（Maximum Likelihood Estimation，MLE）离散化实现算法，通过在有限数量多普勒变化率取值上的最大似然值搜索计算，得到最终的多普勒频偏及变化率精确估计值。相较于帧头-帧尾导频估计算法，所提算法的估计性能提高7 dB以上，运算量下降30%。相较于传统MLE离散化实现算法，所提算法的估计性能与之相当，运算量下降99.8%，可为卫星通信系统实现更好的性能与复杂度平衡提供设计参考。

• 资源块间跳频的高可靠SCMA系统设计与分析

  曾琦,杨坤,方科,郝黎宏,牛宪华,钟俊,刘星

  传统稀疏码分多址（Sparse Code Division Multiple Access,SCMA）系统在固定时频资源块（Resource Block,RB）上传输信息，系统性能易受到信道污染（外在干扰和信道衰落）的影响。为了解决这一问题，提出一种基于资源块间跳频（Frequency Hopping,FH）的SCMA系统（FH-SCMA系统）。借助跳频技术实现动态SCMA码字复用，使得各用户能够均匀、随机地使用所有资源块。同时，基于素数序列设计了一种动态码字正交复用的跳频策略（跳频码），提升了FH-SCMA系统容量以及抗干扰能力。该系统接收端采用对数域消息传递（MAX-log-MPA）多用户检测算法，推导了该FH-SCMA系统的理论误码率上界。对比传统的SCMA系统，该资源块间FH-SCMA系统能均匀化资源块被污染对用户性能的影响，使得每个用户的传输误码率达到可接受的程度;相比传统SCMA系统和采用完全随机跳频策略的FH-SCMA系统（干扰时频资源占比η=25%时），设计的跳频策略及FH-SCMA系统在误码平层处分别获得4 dB和8 dB的信噪比增益。

• 面向异构信号处理平台的混合优化调度算法

  李宇东,马金全,岳春生,冀亚玮,张坤,沈小龙

  针对异构信号处理平台中通信密集型任务并行复杂度高、通信延迟大等问题，提出了一种基于二阶聚簇和任务复制的混合优化调度算法。该算法对经典调度算法中任务最早开始时间的计算方法进行改进；通过改进传统聚簇方法，有效避免了任务的重复聚簇；结合任务复制连锁效应，设计了基于关键前驱节点的多任务复制方法；利用二阶聚簇法进一步减小调度长度，同时解决了处理器资源浪费的问题。通过随机生成的有向无环图进行仿真实验，结果表明，该算法在通信量较大的情况下具有更小的调度长度和更大的加速比，对于通信密集型任务具有良好的调度结果。

• 面向隐蔽双站反向散射网络的性能优化

  尹沛桐,李欢,叶迎晖,卢光跃

  针对双站反向散射通信（Backscatter Communication,BackCom）网络易遭受恶意窃听的问题，提出了隐蔽双站BackCom网络。推导了窃听者检测错误概率和BackCom传输中断概率来刻画其信息传输的隐蔽性与可靠性，并提出一种方法在满足隐蔽性约束下来进一步提高系统的传输性能。利用统计信道状态信息，在高信噪比条件下依次推导窃听者检测错误概率BackCom中断概率的闭合表达式。通过联合优化窃听者的检测阈值和BackCom发射机的反射系数，构建一个BackCom传输中断概率最小化的非凸多维资源分配问题。为了解决该非凸问题，采用块坐标下降法（Block Coordinate Descent,BCD）将其分解为两个子问题。在此基础上，深入分析子问题的结构特性并利用目标函数关于反射系数的单调递减特性设计一种基于BCD的迭代算法，以此求解转换问题。仿真结果验证了分析结果的正确性并且所提方案能够提升基准方案的性能，当传输速率为0.1 Mb/s时，系统的中断概率能够降低至10-2；对于较大传输速率，系统的中断概率仍保持在10-1以下。

• 基于磁耦合谐振腔的可重构宽带匹配电路

  李航标

  为了降低工艺波动、版图二阶效应、模型偏差等非理想因素对射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）性能造成的不良影响，提出了一种基于磁耦合谐振腔的可重构宽带匹配电路（Reconfigurable Wideband Matching Network Based on Magnetically Coupled Resonator Tank，MCR-RWM）。通过数字控制电路配置可调电阻阵列和可调电容阵列，改变匹配电路增益、带宽、增益平坦度、纹波等参数，实现宽带匹配电路重构。在65 nm互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺设计了一款基于MCR-RWM的驱动放大器并集成于接收芯片。测试结果显示，在18.2~20.2 GHz频率范围，通过数字控制电路重构驱动放大器的宽带匹配，接收通道的S22改善了3.5 dB，S21提升了0.5 dB，增益平坦度改善了0.1 dB，-3 dB带宽增大了113 MHz。

• V频段宽带高效率功率合成放大器设计

  胡顺勇

  介绍了一种基于混合波导魔T的V频段宽带高效率功率合成放大器。采用混合波导魔T结构和超宽带扇形开路薄膜电阻，设计了一款覆盖整个V频段的新型小型化高隔离二路功分器，实测在50~75 GHz频率范围内，平均电路损耗0.2 dB，输入回波小于-20 dB，隔离和输出回波小于-14 dB。基于该电路结构，采用V频段宽带GaN功放芯片，研制了一种3.5 W功率模块，以该功率模块为基本单元，并采用16路高效率功率分配/合成网络，研制出一款V频段宽带高效率功率合成放大器。实测在50～75 GHz的V频段全频段范围内，连续波饱和输出功率大于47 dBm，小信号增益大于46 dB，合成效率全频带内大于82%，在全频段实现了高效率合成和大功率输出。该电路结构紧凑，工作频带宽，合成效率高且便于散热，具有很好的工程应用价值。

• 基于深度学习的跨域辐射源个体识别综述

  李奇真,刘佳旭,梁先明,龙慧敏,董海,曹广平,李建清

  基于深度学习的辐射源个体识别已经成为识别和认证无线设备的主要研究方法之一。然而，基于传统深度学习的辐射源个体识别算法不能直接应用于跨域（跨信道条件、跨接收机、跨接收时间等）辐射源个体识别场景，因为一个域上的数据训练的模型用于另一个域上进行推理，其效果通常会变差。调研了现有基于对比学习、迁移学习、域适应等先进深度学习的跨域辐射源个体识别方法，整理和归纳了跨域辐射源个体识别相关的开源数据集。分析了跨域辐射源个体识别存在的难题与挑战，展望了跨域辐射源个体识别发展趋势及未来研究方向，以助力深度学习在复杂电磁环境下辐射源个体识别的实用化。