当期目录

2022年 第49卷 第2期 刊出日期：2022-04-20

  

信息与通信工程

一种低复杂度的低信噪比前导检测算法

张阳,郑聒天,张建,庞立华,栾英姿

2022, 49(2):  1-10.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.001

摘要 ( 425 )   HTML ( 230 )   PDF (2112KB) ( 344 )   收藏

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针对低信噪比情况下时域直接相关检测算法增加相关窗长度来提升检测性能与硬件可实现性之间的矛盾,提出了一种联合分段相关和选择分离多径接收检测算法。算法通过分段相关降低硬件实现复杂度,同时利用分离多径接收增加检测信号能量。MATLAB仿真结果表明,所提算法在信噪比为-17 dB时漏检概率和虚警概率都达到了10^-4以下。同时,所提算法在引入选择分离多径接收算法后,增加了最佳判决门限的可选范围,从而降低了因为判决门限的选择不当对检测性能的影响。该算法在低信噪比环境下相较于直接相关检测和分段相关检测均有信噪比增益的提升。并且,所提算法所消耗的资源要远远小于现有算法,该算法虽然增加了复杂度,但是带来的增益是巨大的,所提算法可以在满足检测性能的同时,实现性能和代价的最优折中。最后,在单载波交织式频分多址系统中利用现场可编程门阵列实现了该算法,实现结果和MATLAB结果完全一致,表明该算法可应用于类似的低信噪比多用户通信系统中。

一种面向最小能耗自适应汇聚路由判定算法

孙泽宇,兰岚,曾操,廖桂生

2022, 49(2):  11-20.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.002

摘要 ( 219 )   HTML ( 22 )   PDF (1060KB) ( 68 )   收藏

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在无线传感器网络数据传输过程中,由于大量数据在信道内积累,将会产生频繁数据冲突与碰撞,无故地消耗了过多的网络能量。为此,提出了一种面向最小能耗自适应汇聚路由判定算法。首先,该算法借助于汇聚增益计算了数据融合度介于最小值与最大值之间时,数据融合度与节点距离相关参数之间的比例关系;其次,讨论了3种距离相关系数情况下,节点之间的关联关系,证明了多节点不进行数据融合时,下一跳节点数据融合度存在的条件;然后,通过数据压缩能量比函数关系,讨论了数据在链路上进行压缩与解压以及数据在源节点和Sink节点进行压缩与解压时,全网能量消耗的计算过程;最后,在上述分析基础上,利用能量转换模型计算了任意节点之间欧氏距离满足的必要条件,同时分析了这种算法的实现过程。仿真实验表明,这种算法与其他算法在网络能量开销和网络平均时延上进行对比,其数值分别减少了约10.29%和12.57%,达到了优化汇聚路由的目的,从而证验了这种算法的有效性和实效性。

高动态环境下联合导频与Viterbi的同步技术

关磊,司江勃,李赞,刘晓旭,董超

2022, 49(2):  21-28.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.003

摘要 ( 249 )   HTML ( 14 )   PDF (959KB) ( 63 )   收藏

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针对高动态环境下,移动目标的加速运动同时产生多普勒频偏和多普勒变化率,不易跟踪及消除,严重影响接收机性能的问题,提出了一种联合导频与Viterbi译码幸存处理的载波同步方法。该方法首先基于最小二次均方误差准则开环捕获,将频率偏移建模为泰勒级数展开的形式,利用已知序列辅助粗估多普勒频偏和变化率,将多普勒频偏和多普勒变化率限制到一个较小范围内;同时为了克服长时相位误差积累导致的性能恶化,采用幸存处理技术闭环跟踪载波,利用Viterbi逐符号判决的软信息输入到三阶锁相环路中,鉴相器输出相位误差调整频率合成器输出,实时迭代跟踪最小化鉴相器误差输出,实现载波同步和相干解调接收。仿真结果表明,当归一化频偏小0.1,归一化多普勒变化率小于10^-3时,所提方法能够准确跟踪载波;当误码率要求为10^-5 时,这种译码同步级联跟踪的算法与理想不存在多普勒频偏和变化率的接收性能相比,信噪比仅有约0.8 dB的差距,而且明显优于传统的锁相环和最小均方误差算法。

一种双频多极化共口径波导天线阵列

鲁加国,张洪涛,汪伟,张冰,尹应增

2022, 49(2):  29-35.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.004

摘要 ( 380 )   HTML ( 90 )   PDF (2756KB) ( 98 )   收藏

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针对雷达应用中共口径天线阵列的小型化问题,提出了一种实现双频多极化波导天线阵列的有效设计方法。该天线阵具有口径共用、低剖面、重量轻、辐射效率高等特点。该天线阵列由工作在L波段的线阵和C波段的双极化线性阵组成。L波段线阵为垂直极化矩形背腔缝隙天线,C波段双极化线阵为脊波导缝隙天线阵。L波段天线位于两个C波段垂直极化开槽波导之间,同时位于C波段水平极化波导下方。为了实现共口径天线阵列的小型化,在L波段矩形波导中引入了一种有效金属桥馈电设计。为了验证所提出设计的可行性,加工了一个工作在C波段的8×16天线阵列和工作在L波段的2×2天线阵列实物,并进行了测试。实验结果表明,在电压驻波比小于2的情况下,该天线阵在L波段的阻抗带宽约为12%,在C波段的阻抗带宽约为5.5%,天线辐射效率在85%以上。

雾网络中在线缓存方案设计

孙蓉,郑慧慧,刘景伟

2022, 49(2):  36-41.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.005

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5G网络中将会部署大量的超密集边缘设备,在边缘设备附近放置和处理数据,可以避免不必要的网络数据传输,减少网络传输时延。雾计算网络将云服务的能力扩展到网络边缘,通过近距离地为终端提供计算、存储和通信等服务,能够有效地降低系统数据传输时延。在5G愿景的驱动下,针对雾计算网络的数据存储,提出了一种利用编码缓存技术在雾计算网络中快速获取数据的有效方案——雾网络缓存架构,解决了缓存资源分配和数据传输问题。首先将基于雾网络的缓存架构建模为两跳网络,并为两跳网络提出一种基于文件分割和极大最小距离可分码的去中心化在线编码缓存方案。该方案通过合理设计服务器文件更新方法以及中继和用户的缓存更新策略,保证了服务器文件与中继和用户的缓存文件的一致性,使得中继和用户的缓存内容保持有效性。然后通过仿真分析了两跳网络的缓存内存和传输负载之间的关系。仿真结果证明了所提出的方案具有较低的传输负载,能够有效地缓解网络拥塞。

一种基于预编码的MIMO无线隐信道

曹鹏程,刘伟伟,刘光杰,茅伟伟,戴跃伟

2022, 49(2):  42-49.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.006

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物理层调制类无线隐信道将秘密信息转化为人工噪声传输,以避免被检测发现。在多输入多输出通信场景下,由于传输介质的开放性,检测方可以利用各天线信号存在相关性而发现隐信道。针对这个不足,提出一种基于预编码的多输入多输出无线隐信道。假设发送方与检测方均能获得两者之间多输入多输出信道状态信息,发送方可以利用该信道状态信息对生成的人工噪声进行预编码处理,以去除检测方接收到的多路信号之间的相关性。接收方可通过公开信道传输的该信道状态信息生成预编码矩阵,进而提取出秘密信息。仿真结果表明,所提出的多输入多输出无线隐信道相较于现有方法,去除了检测方接收到的多路信号之间的相关性,有效地提高了抗检测性,同时可靠性有了一定的提高。

一种使用Sagnac环和I/Q探测的全光微波测量方案

康博超,樊养余,谭庆贵,高永胜

2022, 49(2):  50-57.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.007

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针对高速无线通信、互联网、新一代雷达系统和实时信号处理系统对大瞬时带宽(大于10 GHz)和宽工作频率范围(几兆赫兹到数百吉赫兹)的微波测量需求,提出了一种基于Sagnac环和I/Q探测的全光微波信号测量方案,并使用该方案进行了频移和相移的测量。实验中,在10~40 GHz的工作频率范围内对多普勒频移进行了测量,该方案可清晰地辨别微波频移的方向,且频率分辨率高,测量最大误差为8 Hz。随后,在10~40 GHz的工作频率范围内对微波信号的相位偏移进行了测量,通过仿真实验证明本方案在10~40 GHz的工作频率范围内的测量误差小于7°。由于易于实现、结构简单和多功能可调谐的优点,该方案相比于传统的电子微波测量方案,在未来的宽带电子应用中具有极大的竞争优势。

适用于BOC及其衍生信号的无模糊跟踪算法

孙希延,宋少杰,纪元法,梁维彬,李有明

2022, 49(2):  58-66.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.008

摘要 ( 178 )   HTML ( 13 )   PDF (1987KB) ( 43 )   收藏

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针对二进制偏移载波调制及其衍生信号自相关函数的多峰特性带来的跟踪模糊问题,提出一种基于信号相关函数特点的子函数组合相关的无模糊跟踪算法。首先,通过构建的形状码向量得到二进制偏移载波调制基准及衍生调制信号的通用互相关函数表达式,将接收信号的伪码作为本地参考信号,设计特殊的本地码波形与相应的接收信号进行相关运算得到信号相关子函数,然后利用重构规则重新组合子函数,得到边峰完全消除,保留单峰的新的相关函数。改进跟踪算法的码跟踪环路结构,相比传统的码跟踪环路结构,减少了滤波电路,结构有了简化,硬件的实现复杂度也有所降低。仿真实验结果表明,相关函数副峰消除的同时保留了主峰的尖锐性。通过与传统跟踪算法对比可知,在相同载噪比的前提下,该算法的码跟踪精度更高,鉴相函数不存在除过零点外的其他误锁点,不会造成误锁现象。相比传统的跟踪模糊消除算法,该方法不仅能有效地适用于BOCs(m,n)一类的基准调制信号,对于复合类衍生信号CBOC(6,1,1/11)也能实现无模糊精准跟踪。

边缘增强H-CRAN中能耗感知的资源分配机制

吕翊,王焰斌,张鸿,王汝言,张普宁

2022, 49(2):  67-78.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.009

摘要 ( 181 )   HTML ( 10 )   PDF (1801KB) ( 53 )   收藏

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针对目前移动边缘计算增强异构云无线接入网中的设备能耗高、资源利用率低以及用户服务质量恶化等不足之处,从频谱资源与计算资源的角度出发,提出了一种基于能耗感知的通信与计算资源分配机制。首先将网络吞吐量作为收入,能耗作为成本支出,建立起了服务提供商视角的利润模型框架。为了避免由于资源分配不均导致的边缘服务器资源浪费或过载,首先通过分析用户到来的各项服务请求,并利用稀疏矩阵算法合理分配频谱资源使网络吞吐量得到提升,而针对计算资源则设计了一种启发式算法,以确定用户关联和用户计算资源需求量,使每个边缘服务器都能得到充分利用;并基于资源利用的结果并结合考虑光纤前传链路容量约束,可以动态部署移动边缘计算服务器于宏基站或者远端射频头处以降低设备开销。针对不同参数指标与一天不同时刻服务请求情况的仿真结果表明,所提机制能有效地提高网络吞吐量、减少网络能耗并降低光纤前传链路的阻塞概率,相较于其他算法在各项指标上均有显著提升。

空天地协同的边缘云服务功能链动态编排方法

乔文欣,卢昱,刘益岑,李志伟,李玺

2022, 49(2):  79-88.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.010

摘要 ( 297 )   HTML ( 18 )   PDF (2274KB) ( 64 )   收藏

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空天地协同网络作为一种新型网络架构,拥有广域网络覆盖和泛在无缝接入等优势,但也面临日益增长的用户需求与有限的网络服务资源之间的矛盾,将边缘计算引入空天地协同网络能够大幅提升系统的业务处理能力。同时,为了进一步提高空天地协同的边缘云网络资源利用率,可以将一组虚拟网络功能按照一定的业务逻辑连接起来,形成动态可重构的服务功能链,为用户提供多样化且高质量的网络服务。考虑到空天地协同的边缘云网络的高动态和异构特性,研究了动态服务功能链的高效编排问题,设计了空天地协同的边缘云网络系统模型,并在此基础上构造了受网络资源和服务请求约束的端到端时延优化目标函数。其次,结合量子机器学习高效并行计算的优势,将服务功能链路径选择问题建模为基于开放量子随机行走的隐马尔可夫模型,并采用量子回溯解码的方法对模型进行了求解。最后,对文章研究的内容进行仿真验证,仿真结果表明:与传统精确求解和启发式方法相比,文章中提出的服务功能链动态编排方法能够在网络流量负载较高的情况下,提高服务请求成功率并降低端到端平均时延。

一种新的传感器节点分布式定位算法

徐莎莎,周芳,李杨剑,蒋俊正

2022, 49(2):  89-96.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.011

摘要 ( 281 )   HTML ( 18 )   PDF (1088KB) ( 68 )   收藏

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大规模无线传感器网络中节点定位问题可以归结为高度非线性非凸的优化问题。该问题在大规模无线传感器网络中难以直接求解,因此提出了一种新的传感器节点分布式定位算法。首先将大规模无线传感器网络构成的全局无向图分解为一系列部分重叠的子图,进而将全局的优化问题分解为一系列小规模的子图内优化问题,每个子图内的优化问题可以独立进行迭代求解。新的传感器节点分布式定位算法每步迭代包含两个步骤,首先使用Barzilai-Borwein梯度法估计出划分好的部分重叠子图中节点的位置,使用的Barzilai-Borwein梯度法具备收敛速度较快,计算复杂度较低的特点,然后再对不同部分重叠的子图内的同一个传感器节点进行融合求平均。通过理论分析和仿真结果表明,新的传感器节点分布式定位算法与已有算法相较,具有较高的扩展性,在大规模无线传感器网络中有较高的定位精度,能满足大规模的无线传感器网络节点的定位需求。

功率受限CR-NOMA协作V2X中断性能分析

乔宇航,张良梅,贺玉成,周林

2022, 49(2):  97-107.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.012

摘要 ( 206 )   HTML ( 12 )   PDF (3913KB) ( 42 )   收藏

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考虑无线信息与能量传输在底层认知非正交多址车联网的应用,在次级网络受主网络干扰的情况下,根据非正交多址网络的技术特点,提出了一种适用于非正交多址网络的两阶段中继选择方案。在第1时隙,次级网络源节点采用固定功率分配方案向所有中继广播叠加信号,功率分配方案由第2跳链路信道质量的统计特性决定。第2时隙,根据中继接收信号分两个步骤选择最优中继,所选中继采用能量分裂的无线信息与能量传输协议自接收信号中采集能量,并在主网络信号干扰下为次级用户提供解码转发服务,转发再编码信号所需的能量开销均来自能量采集,不考虑编译码电路的能量消耗。两个次级网络用户在受到主网络干扰的情况下使用串行干扰消除技术对所接收到的叠加信号进行译码,在干扰温度限约束下推导了各次级用户受主网络干扰时中断概率的近似表达式,并对数值分析的正确性进行了验证。通过分析次级用户中断概率受各系统参数的影响,证明了TSRS方案相比于现有体制在提升中断性能方面的优越性。

结合自适应软掩模和混合特征的语音增强

张敏,贾海蓉,张刚敏,王素英

2022, 49(2):  108-115.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.013

摘要 ( 188 )   HTML ( 14 )   PDF (1398KB) ( 37 )   收藏

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针对采用梅尔域特征进行语音增强时存在有效特征丢失的问题,提出采用更符合人耳压缩感知的幂函数提取带噪语音的伽马通域特征,将其与梅尔域特征深度混合进行语音增强,用于改善梅尔域滤波器在高频处丢失有效特征的局限性。同时,为了捕获语音的瞬变信息和相邻帧语音信息间的联系,求取混合特征的差分导数,将其与初始特征融合得到混合特征。其次,由于传统的时频掩蔽无法根据信噪比的不同自动调节,从而影响了增强语音的可懂度。为使系统在提升语音质量的同时尽可能地减少语音失真,提出一种可以根据信噪比信息自适应调节的软掩模,其可以根据语音信噪比信息的不同进行自动调节,得到相应信噪比条件下的掩蔽值,并在其中融入可提升语音可懂度的相位差信息。最后,对不同噪声背景下的多条语音进行实验。实验结果表明,采用混合特征和自适应软掩模进行语音增强时,保持了语音频谱的完整性,可提升主观语音增强质量和短时客观可懂度,验证了所提算法的有效性。

信息流介数分布熵测度的C4ISR网络抗毁性

余昌仁,贾连兴,张斌

2022, 49(2):  116-124.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.014

摘要 ( 192 )   HTML ( 9 )   PDF (1352KB) ( 25 )   收藏

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针对当前多数抗毁性研究侧重网络结构进行统计分析,不太适合有特定功能的C4ISR网络的问题,从信息流的功能角度,借鉴“复杂网络介数”和“信息熵”相关理论,提出“信息流介数分布熵”测量C4ISR网络的抗毁性。把侦察节点至火力打击节点的最短信息路径看成一个作战信息链,提出以“信息流介数”测量C4ISR网络中通过某节点的作战信息链数量。以“信息流介数分布熵”测量信息流介数分布的均匀度,分析了该指标反映C4ISR网络功能抗毁性的有效性。在构造一种基本C4ISR网络结构的基础上,仿真分析了网络受随机攻击、度攻击、介数攻击、信息流攻击后的抗毁性表现,以及信息流介数分布熵在提高网络功能抗毁性上的应用。仿真结果表明,文章中提出的测量指标比平均网络效率、自然连通度、度分布熵、介数分布熵等结构上的抗毁性指标更为灵敏与准确,能有效发现C4ISR网络功能失效的临界点,也能为优化提升网络功能上的抗毁能力提供指导。

时钟及面积优化的可配置片上网络路由器

胡东伟,尚德龙,张勇,王力男

2022, 49(2):  125-134.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.015

摘要 ( 177 )   HTML ( 10 )   PDF (2090KB) ( 20 )   收藏

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片上网络路由器是实现多核/众核互连的核心电路部件。在介绍同步先进先出缓存器和异步先进先出缓存器的实现电路架构和延迟特点以及片上网络及其路由器架构的基础上,提出了片上网络的时钟优化方案,给出了优化时钟方案下的路由器电路结构,并进行了实现。采用该时钟方案,片上网络路由器间的延迟得以减小。为降低先进先出缓存器的面积开销,进一步提出采用锁存器来实现同步或异步先进先出缓存器,解决了单时钟下的锁存器写问题。更进一步,给出了多个先进先出缓存器的共享实现方案。文章中的方案对开发低功耗嵌入式众核处理器具有直接指导意义。

计算机科学与技术 & 网络空间安全

抗属性篡改的去中心化密文数据安全共享

曾辉祥,习宁,谢晴晴,吕静,崔志浩,马建峰

2022, 49(2):  135-145.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.016

摘要 ( 236 )   HTML ( 21 )   PDF (1734KB) ( 92 )   收藏

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智能设备间的相互协同丰富了智能家居的各类应用,而设备间信息交互与共享使得用户的数据面临着窃取及篡改的安全威胁。基于密文策略的属性加密机制(CP-ABE),在对云服务商保密的同时实现了云端跨用户、设备的数据安全共享。但是,智能设备资源受限以及属性管理服务器单点失效的风险给传统的密文数据安全共享方法带来了严峻的挑战。为此,基于区块链和可验证外包解密技术,提出了一种基于区块链的去中心化的密文数据安全共享方案。该方法以属性中心为节点构建联盟链网络,通过区块链记录属性与密文信息,实现了用户属性的去中心化管理,保障了访问属性的不可篡改性。在此基础上,结合外包解密CP-ABE技术,减少了智能设备的计算量,提高了共享的效率。实验及分析结果表明,该方案在保证数据共享安全性的同时,能够有效降低智能设备的计算开销。

自等价编码与白盒实现方案的改进

罗一诺,童鹏,陈杰,董晓丽

2022, 49(2):  146-154.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.017

摘要 ( 209 )   HTML ( 83 )   PDF (808KB) ( 51 )   收藏

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在白盒攻击环境下,攻击者不仅能访问密码算法的输入输出,还能获取算法的内部细节并控制终端。在此环境下,CHOW等人利用网络化编码构造查找表,将密钥嵌入查找表内,设计了AES和DES算法的白盒实现方案。基于自等价编码设计的密码算法白盒实现是一种新型的实现方式,RANEA等人利用S盒的自等价编码设计了一种针对代换-置换密码的白盒实现方案,其编码空间的大小完全依赖于密码的S盒自等价,并且安全性分析也表明该方案的适用范围有限。针对此情况,考虑了S盒的自等价对白盒实现安全性的影响,提出了两种改进方案,即通过对线性层添加自等价编码或对仿射层添加线性编码的方式来扩大白盒实现方案的编码空间。安全性分析表明,两种改进方案均能有效地抵抗RANEA等人方案的攻击,扩大了方案的使用范围。最后基于以上两种设计方案,构造了两种AES算法的白盒实现,并与RANEA等人的白盒AES方案进行了安全性对比。对比结果证明这两种改进方案均可以抵抗基于中心化子问题和非对称问题的归约攻击。

一种改进R(2+1)D网络的暴力行为检测方法

王勇,靳伟昭,冯伟,全英汇

2022, 49(2):  155-163.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.018

摘要 ( 182 )   HTML ( 10 )   PDF (3125KB) ( 31 )   收藏

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公共安全中复杂的暴力行为检测具有重要的研究价值。传统的研究方法主要基于手工设计的特征,泛化能力较差,现有的深度学习网络模型泛化能力强但准确率较低。针对上述问题,提出了一个结合R (2+1)D改进网络和密集连接思想的暴力行为检测方法。由于原R(2+1)D残差模块支路中的步长为2的卷积操作忽略了特征图的3/4,所以将其优化为池化操作和步长为1的卷积操作。本实验的数据集共有1 500个视频样本,具体包括曲棍球比赛数据集和自制数据集。实验结果证明,改进后R(2+1)D网络相比原网络准确率分别提高了约2.30%和1.00%。另外,引入密集连接思想,将残差模块中的不同卷积层级间建立连接,使残差块中的卷积层输出特征图可重复使用,这在一定程度上减轻了训练过程中梯度消散的问题。通过在相同数据集上进行测试,发现改进后(2+1)D网络相比传统的方法,检测精度进一步提升了约1.47%和0.93%。因此,在公开的经典暴力行为检测数据集上的实验证明,相对于传统的3种网络学习方法,该算法能够更好地表示暴力行为信息,是一种更加简单有效的暴力行为检测方法。

一种基于宏块复杂度的视频隐写算法

杨晓元,唐洪琼,钮可,张英男

2022, 49(2):  164-172.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.019

摘要 ( 152 )   HTML ( 15 )   PDF (1617KB) ( 30 )   收藏

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基于运动矢量的视频隐写算法通常会破坏运动矢量的局部最优性,这种统计特性的破坏容易被对应的隐写分析算法所检测,致使算法的抗隐写检测性能降低,隐写安全性受到威胁。为降低对运动矢量局部最优性的破坏,在分析运动矢量的修改对视频质量和运动矢量局部最优性影响的基础上,提出一种基于宏块复杂度的视频隐写算法,选择低复杂度的宏块运动矢量作为隐写载体,有效地保持了嵌入信息后运动矢量的局部最优性。首先利用希尔伯特填充曲线对宏块像素进行扫描并定义复杂度,然后统计宏块复杂度,根据待嵌信息长度动态确定嵌入阈值,最后选择复杂度低于嵌入阈值的宏块运动矢量进行随机匹配修改以嵌入秘密信息。实验结果表明,以1 000 kb/s的压缩率对视频进行压缩并嵌入信息时,新算法隐写视频的峰值信噪比和结构相似性值下降分别不超过0.30 dB和0.04,比特率增长不超过0.97 %。与同类算法对比结果显示,新算法的隐写视频质量高,比特率增长小,算法具有较高的抗隐写检测能力和安全性。

一种ICS异常检测的优化GAN模型

顾兆军,刘婷婷,隋翯

2022, 49(2):  173-181.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.020

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工业控制系统异常检测大多面临类不平衡问题,从而导致检测模型准确率下降和泛化能力变差。根据生成式对抗网络,提出一种只使用正常样本进行训练的异常检测模型——基于隐空间特征重构的生成式对抗网络模型。在训练阶段,该模型通过引入新的编码器,学习生成数据到隐空间的映射,实现生成数据的隐空间特征重构,并嵌入SE Block模块提升有效特征权重,提高隐空间特征重构能力;鉴别器同时鉴别两个编码器和一个生成器产生的3个数据对,提高模型精度和泛化能力。在检测阶段,综合考虑重构和鉴别损失,采用L2范数优化异常评分公式,克服模式崩塌。SWaT和WADI两个数据集上的验证实验结果表明,该模型在学习能力、稳定性和检测结果方面与AnoGAN、WGAN-GP和BiGAN等模型相比都具有明显优势。

DorChain:利用休眠币提高交易验证效率

潘森杉,徐腊梅

2022, 49(2):  182-189.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.021

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针对未花费交易输出的日益增长所带来的验证开销增加的问题,提出了一种新的利用休眠币来提高交易验证效率的方法。通过将未花费交易输出分为活跃和休眠这两种状态,将活跃的未花费交易输出存储在活跃集合活跃交易输出中,将休眠的未花费交易输出存储在休眠集合休眠交易输出中,并使用RSA累加器与MMR(Merkle Mountain Range)两种技术分别对休眠和活跃的未花费交易输出进行实例化,形成休眠交易输出承诺以及活跃默克尔根存储在区块头中。另外,以18个月为一个时期,且最后一个区块为一个检查点区块,只在检查点区块处存储休眠交易输出承诺并对其进行更新,在普通区块以及检查点区块处都存储活跃默克尔根来保证区块的最新状态。同时通过构造休眠证明的方式来保证事务的真实性,证明其不是伪造的。该方案评估表明:在提供最小证明大小(320字节)和最小区块头引入数据(32字节)的同时,验证1 000个事务仅花费约100 ms。这种验证方法可大幅度地提高事务验证效率。

面向业务流程关键业务节点识别模型

谢丽霞,倪慧玉

2022, 49(2):  190-197.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.022

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针对业务连续性安全管理问题,提出一种面向业务流程关键业务节点识别模型。首先,分析业务流程获取待评估节点集,依据业务节点重要性量化节点重要性评估属性,结合待评估业务节点集和业务节点评估属性量化值构建业务节点重要性决策矩阵。其次,从主观、客观两个维度对业务节点评估属性权重进行改进,构建业务节点重要性组合权重决策矩阵,并采用AE-VIKOR方法计算业务节点重要性系数,进而识别关键节点。最后,当某一系统发生安全事件时,通过对比分析关键业务的执行情况和其他业务的执行情况对业务连续性的影响,证明面向业务流程关键业务节点识别模型有效性和精确性。实验结果表明,该模型采用AE-VIKOR方法计算得到节点重要性系数,依据节点重要性系数识别业务流程中的关键业务节点。实验进一步对比分析关键业务节点和其他业务节点对业务连续性影响,并对比AE-VIKOR方法和其他方法以及不同决策系数选取的识别结果,结果证明模型识别的高效性和精确性。

注意力驱动的细胞团簇细胞核分割算法

马思珂,赵萌,石凡,孙续国,陈胜勇

2022, 49(2):  198-206.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.023

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胸腔积液细胞团簇的细胞核形态为肺癌诊断、肿瘤转移及治疗效果评价提供了重要途径,而对其细胞核进行精准分割是肺癌病理诊断工作的基础。由于胸腔积液肿瘤细胞团簇复杂的生成背景,以及细胞核特征的不均匀性(特征信息分散)和团簇内部重叠细胞中的触核情况(特征不明显),使细胞团簇分割仍然是一个具有挑战性的问题。提出了基于注意力机制的改进U-Net模型,从空间注意力和通道注意力两方面来增强对细胞核非显著特征的学习;并改进U-Net的跳跃连接,融合U-Net中深层和浅层特征,解决语义间隙的问题。实验结果表明,与最新的其他方法相比,CRUNet能够在所建立的胸水细胞团簇数据集上取得更好的分割效果。为了进一步说明该网络的有效性,在公共数据集BBBC020上也与其他网络进行了对比。

索引边缘几何卷积神经网络用于点云分类

周鹏,杨军

2022, 49(2):  207-217.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.024

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点云学习因其在计算机视觉、自动驾驶和机器人技术等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。点云数据具有稀疏性、无序性、有限性等特点,给基于深度卷积神经网络的点云分类任务带来很大困难,通常采用多视图或将点云转换为体素后使用卷积神经网络进行处理,但转换过程会带来局部特征信息丢失、计算效率低等问题。将原始点云直接输入到分类网络还存在参数量过多、网络规模复杂等问题,实时性任务处理仍需进一步优化。为使点云处理网络轻量化,以适用于实时点云分类任务,提出索引边缘几何卷积神经网络模型。首先对网络结构和超参进行裁剪并压缩,实现模型轻量化;其次,使用k近邻算法在每个卷积层上确定新的局部区域,加入相邻点之间的向量方向,将不同层的输出特征映射并进行索引跳跃连接,使局部特征信息损失进一步降低。在ModelNet40数据集上,该方法的分类准确率约为92.78%,与DGCNN相比,提高了约0.58%。实验结果表明,所提出的模型具有分类准确率高、轻量化特点,可部署于小型嵌入式设备。

一种融合优化选择策略的差分粒子群算法

张德华,郝昕源,张妮娜,魏倩,刘英

2022, 49(2):  218-227.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.025

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针对粒子群算法进化后期种群多样性减少以及差分粒子群算法出现信息交流误差的问题,提出了一种融合优化选择策略的差分粒子群算法。首先构建了一个用于计算系统偏差的权值网络;其次,引入优化选择策略机制,使用适应度函数作为评价标准;最后,利用系统偏差估计值配准目标传感器量测。在种群多样性和适应度测试中,这种算法种群多样性更加丰富,最优个体适应度值为2.019 4×10^-5;在非机动目标与机动目标测试中,这种算法在大约2 s之后就迅速收敛于真实偏差值附近,收敛时长最短为201.8 s,均方根误差值降低了10%以上。实验结果表明,该算法不仅有效地提高了种群的多样性,而且收敛速度和精度也有了较大的提升。

一种多尺度GAN的低剂量CT超分辨率重建方法

须颖,刘帅,邵萌,岳国栋,安冬

2022, 49(2):  228-236.  doi:10.19665/j.issn1001-2400.2022.02.026

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低剂量CT可以降低X射线辐射、减少对人体的伤害,但成像质量也会显著下降。为得到具有精细结构细节的高质量成像,提出一种基于多尺度残差生成网络的低剂量CT图像超分辨率重建算法,在保持病理不变情况下,从低分辨率图像中恢复高分辨率图像。首先,多尺度网络可以充分利用不同大小图像特征,丰富图像细节信息,提高重建过程中对特征的利用率;其次,引入残差网络,在实现特征重复利用的同时能够很好地防止过拟合现象;最后,将对抗损失和内容损失相结合,约束特征生成的同时能够获得感知质量更好的重建图像。结果表明,该方法在结构相似性、特征相似性、峰值信噪比指标上分别约提高0.047、0.022 8和1.962,算法的IS、FID、SWD性能也比其他两种基于生成对抗网络算法要好,并且在边缘轮廓细节面有更好的表现。为了验证内容损失的有效性,将MSRGAN和其3种变化模型进行比较:MSRGAN相对其变化模型在结构相似性指标平均高出4%,特征相似性指标平均高出3.1%,峰值信噪比指标平均高出17.4%,说明了这种损失函数能够提高超分辨率图像的感知质量,充分证明所提算法的有效性。