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廖勇, 田肖懿, 蔡志镕, 花远肖, 韩庆文

电子学报. 2021, 49(5): 833-842. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200953

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车联网对于超高可靠与低时延通信(Ultra-Reliable and Low Latency Communications,URLLC)具有严格的要求,特别对于车到基础设施(Vehicle to Infrastructure,V2I)场景,URLLC对传输管理交通状况至关重要.3GPP Cellular-V2X(C-V2X)作为现在支撑车联网URLLC主流的无线技术,仍存在技术挑战.为进一步提升通信性能,本文在V2I场景下,基于车载终端、路侧单元(Road Side Unit,RSU)与边缘计算车联网服务器(Internet of Vehicles Server,IoV Server)的交互,设计了一种基于C-V2I规范的智能信道估计框架.在IoV Server中,本文提出了一种基于深度学习的信道估计算法,该算法利用一维卷积神经网络(One Dimensional Convolution Neural Network,1D CNN)完成频域插值和条件循环单元(Conditional Recurrent Unit,CRU)进行时域状态预测,通过引入额外的速度编码矢量和多径编码矢量跟踪环境的变化,对不同移动环境下的信道数据进行精确训练.最后通过系统仿真与分析表明,所提算法能够通过信道参数编码追踪不同高速移动环境下的信道变化,实现对信道数据的精确训练.与车联网代表性信道估计算法相比,所提算法提升了信道估计精度,降低了误码率和增强了鲁棒性.

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一种结合雾计算的车辆通信网络碰撞避免TDMA MAC协议

刘冰艺, 秦静, 熊盛武, 邓东晓, 吴黎兵, 程传奇

电子学报. 2021, 49(5): 843-850. https://doi.org/10.12263/DZXB.20201020

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智能交通系统的产生和发展对车辆通信的介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议提出了更高的要求.被广泛使用的基于信道竞争的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)协议存在不确定时延问题,基于时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)的MAC协议可以有效解决该问题.然而,TDMA协议仍然存在数据传输碰撞.为了解决数据传输碰撞问题,本文提出一个结合雾计算的通信框架,在此基础上提出一种集中式TDMA MAC协议.该协议利用雾计算的低时延优势、计算和协同功能预测即将发生的数据传输碰撞,通过调度时隙以减少数据传输碰撞.实验结果显示,该方法有效减少了数据传输碰撞,提高了信道资源利用率.

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基于势博弈的车载边缘计算信道分配方法

许新操, 刘凯, 刘春晖, 蒋豪, 郭松涛, 吴巍炜

电子学报. 2021, 49(5): 851-860. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200994

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针对车载边缘计算环境中,边缘节点在为不同数据传输任务分配信道时产生的同信道干扰(Co-Channel Interferences,CCI)问题,本文形式化定义了车载边缘计算信道分配问题,致力于为不同数据传输任务合理分配信道,最大化数据传输任务的完成率.利用势博弈模型将全局优化的信道分配问题转化为边缘节点间的分布式信道分配博弈,并证明了信道分配博弈中纳什均衡的存在性.提出了基于激励的概率更新策略选择(Incentive-based Probability Update and Strategy Selection)算法,根据迭代中所选策略的激励值更新策略选择概率,并分析算法结果收敛至纳什均衡.最后,通过仿真实验验证了本文算法的收敛性以及收敛结果纳什均衡的有效性,且在任务完成率及信道利用效率上优于现有代表性算法.

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车载边缘计算卸载技术研究综述

刘雷, 陈晨, 冯杰, 肖婷婷, 裴庆祺

电子学报. 2021, 49(5): 861-871. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200936

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通过将移动边缘计算技术应用在车联网,车载边缘计算技术可为车载用户提供低时延、高带宽、高可靠性的应用服务.首先详细介绍了车载边缘计算卸载技术的背景、意义以及本文的贡献.其次,分别概述了车载边缘计算卸载技术的网络架构、主要挑战以及应用场景.然后,从移动分析、卸载模式、资源协作和管理等多个维度全面综述了车载边缘计算卸载技术的研究工作.最后,对车载边缘计算卸载技术的未来研究进行了展望,可对该领域深入的研究提供有价值的参考.

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基于链路效用的3D-VANET可靠路由算法

徐川, 胡渝, 韩珍珍, 熊郑英, 赵国锋

电子学报. 2021, 49(5): 872-878. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200678

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针对三维车载自组织网络中,高速移动的车辆节点和复杂多变的链路状态导致车辆间通信链路不稳定的问题,通过引入软件定义网络技术实时获取网络状态并预测其变化过程,构建时-空演化图模型,并定义链路效用指标量化无线链路性能,然后建立基于链路效用的加权时-空演化图模型,最后将路由问题转化为多属性决策问题,设计基于链路效用的可靠路由算法.仿真结果表明,相对现有四种路由算法,本文所提路由算法在数据包传输率、端到端时延和路由负载率方面,性能均有明显提升.

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反向学习的灰狼算法优化及其在交通流预测中的应用

张兴辉, 樊秀梅, 阿喜达, 樊书嘉, 武文瑜

电子学报. 2021, 49(5): 879-886. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200915

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本文针对灰狼优化(Grey Wolf Optimizer,GWO)算法平衡全局探索和局部搜索能力的不足,提出了一种基于反向改进的灰狼算法(Opposition Learning Grey Wolf Optimizer,OLGWO),来优化预测模型的超参数,以提高其用于交通流预测的精度与鲁棒性.本算法在迭代过程中采用了反向学习策略,并引入了等级相关概念,主要通过计算普通狼与目标狼的Spearman相关系数,并根据其值来选择性地更新狼种群.实验先对12个标准测试函数对比了四种算法OLGWO、TGWO(Transformed Grey Wolf Optimizer)、GWO、PSO(Particle Swarm Optimization),得到了寻优均值和标准差,验证了OLGWO算法具有突出的性能优势;然后采用美国加州公路交通流数据,在不同缺失率下比较了四种算法优化的反向传播(Back Propagation,BP)网络模型,结果显示,OLGWO-BP模型预测精度比其它三种模型最高分别有1.95%、3.98%和11.07%的提升,同时表现出更好的稳定性.

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基于隧道多散射信道的车载通信系统建模

唐登洪, 席晓莉, 范倩莹

电子学报. 2021, 49(5): 887-893. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200869

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为建立更高效的智能车对车(Vehicle To Vehicle,V2V)通信系统,针对密集隧道空间多入多出系统(Multiple Input Multiple Output,MIMO)移动传播环境,提出新型三维(Three Dimensional,3D)车载多散射通信信道模型.分析波达信号水平面和仰角平面发射角(Angle Of Departure,AOD)和到达角(Angle Of Arrival,AOA)概率密度分布函数(Probability Density Function,PDF).与以往模型及测量对比,提出模型符合真实隧道环境中无线信道特性,拓展了V2V通信技术的研究.

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基于粒子群优化和LightGBM的情景感知多式联运推荐

孙全明, 曲志坚, 任崇广

电子学报. 2021, 49(5): 894-903. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200952

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针对交通推荐服务中推荐的出行方式单一、忽略用户出行偏好以及多分类任务中样本类别不平衡等问题,本文提出一种基于粒子群优化和LightGBM的情景感知多式联运推荐方法.该方法综合考虑用户在时间、空间以及出行成本上的出行偏好,利用数理统计和表示学习方法捕捉用户出行与各要素之间的内在关系.同时,为了缓解样本类别不平衡带来的负面影响,利用基于粒子群优化算法的指标优化方法为每个类别搜索最优权重,对模型的预测结果进行修正,以实现最大化评价指标的目的.实验结果表明,与传统算法相比,本文提出的模型在时空特征提取、缓解类别不平衡和推荐准确性上均有较好的表现.

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车-路协同电动汽车动态无线充电的路权调度控制

周熙炜, 汪贵平, 王会峰, 尚宵

电子学报. 2021, 49(5): 904-911. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200954

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在高级公路中设置无线充电专用道路,对行驶中的电动车辆进行动态无线充电,引发了交通工程领域的深刻变革.然而在最大限度的保证电动车辆充电能效的前提下,如何对这类车辆进行调度和管理,以提高行车安全和道路的通行能力是一个无法回避的关键问题.为此,本文首先建立了系统的车辆调度模型.然后提出了一种新的精英反向变异粒子群算法(Reverse Elitist Mutation Particle Swarm Optimization,REMPSO),通过与传统的粒子群和遗传算法的比对,证明了该算法的稳定性和寻优能力.然后使用这一算法对系统模型进行求解,得出充电行驶中的优化移动隔离分区.通过车-路协同为电动汽车动态无线充电的路权调度提供了一种可行的控制策略.

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基于顺序选择的自动驾驶车辆十字路口调度方案

吕品, 何岳滨, 许嘉

电子学报. 2021, 49(5): 912-919. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200956

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自动驾驶车辆的普及是城市交通发展的重要趋势,然而以交通灯为代表的现有调度方案难以指导这些车辆高效通过十字路口.为此,本文设计了一种基于顺序选择的无交通灯十字路口调度方案以提高自动驾驶车辆通行效率.首先根据车辆的物理性能对其到达路口的最早时间点进行估算,然后在此基础上寻找车辆可行的计划到达时间点,最终根据计划到达时间为每辆车制定到达路口的行驶计划.在SUMO(Simulation of Urban MObility)平台上进行的大量仿真实验验证了本文提出方案的有效性.从实验结果可以看出,本文所提出的方案使自动驾驶车辆在调度区平均行驶时间等指标上均优于对比方案;特别是在路口面临高压力车流时,本文所提出方案的优势更加明显.

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北斗卫星导航系统伪距偏差特性及减轻措施研究

贺成艳, 郭际, 郝振圆, 王鹏博, 杨倩倩

电子学报. 2021, 49(5): 920-927. https://doi.org/10.12263/DZXB.20181039

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随着人们对卫星导航系统定位精度需求的不断提升,近年来伪距偏差问题越来越受到广泛关注.然而截至目前,国内外专家学者对北斗系统的伪距偏差问题研究甚少.本文首先深入分析了北斗系统的伪距偏差产生根源,在此基础上对伪距偏差随接收机参数设置变化的关系进行详细阐述.然后基于昊平观测站的40m大口径天线采集的各颗北斗卫星下行信号数据,利用软件接收机遍历并分析了在不同接收机带宽、不同相关器间隔情况下,以及不同卫星仰角情况下北斗各颗卫星的B1I和B3I信号伪距偏差测量结果.最后根据北斗伪距偏差的特点,首次给出了我国北斗接收机参数设置建议.研究结果表明:在一定的接收机参数设置范围内,本文提出的方法可以将北斗伪距偏差降低到20cm以内.本文的研究成果不仅能够进一步促进广大专家学者对我国北斗伪距偏差的深入了解及广泛关注,同时还能促进我国BDS (BeiDou Navigation Satellite System)及其他GNSS(Global Navigation Satellite System)系统接口控制文件的进一步完善.

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基于区间二型模糊神经网络的垂直切换算法

马彬, 王双双, 陈海波

电子学报. 2021, 49(5): 928-935. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200850

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在超密集异构无线网络中,针对传统垂直切换算法无法同时描述网络状态的模糊性和随机性,导致网络性能得不到有效提升的问题,提出一种基于区间二型模糊神经网络的垂直切换算法.重构了两阶段判决算法:在网络预筛选阶段,定义了历史接入率,结合当前候选网络集的数目设置阈值.根据接收信号强度和剩余可用带宽,对用户接收范围内的所有网络进行初步筛选; 再在垂直切换判决阶段,将剩余候选网络的时延,丢包率以及误码率作为区间二型模糊神经网络的输入,利用前馈神经网络的结构完成模糊逻辑推理,经训练之后计算得到输出判决值,从而选择最佳接入网络.实验结果表明,该算法能在保证时间开销较低的同时,有效降低切换决策的错误概率,减少切换失败和切换次数,提升网络总吞吐量.

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基于稠密变形场能量优化的非刚性在线体积重建方法

林金花, 马林

电子学报. 2021, 49(5): 936-943. https://doi.org/10.12263/DZXB.20170915

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针对动态非刚性在线重建存在的重建漂移问题,提出了一种基于单个RGB-D传感器的稠密变形场在线融合策略,实现了对非刚性几何形状的动态重建.通过局部平滑和输入约束处理,将空间的最优变形转换为非线性正则变分优化问题,并使用数据并行闪存优化策略,以摄像机捕获速率,实现对非刚性场景的在线跟踪重建.通过实验表明,本文方法实现了对非刚性场景的鲁棒跟踪,减少了在线重建过程中的漂移现象,适用于快速运动和缺乏几何特征的场景重建.

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融合先验知识特征的超声图像甲状旁腺结节识别

毛林, 赵利强, 于明安, 魏莹, 王颖

电子学报. 2021, 49(5): 944-952. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200271

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正确识别超声图像中的甲状旁腺结节对甲状旁腺功能亢进的诊断治疗非常重要.由于病人个体的差异性和超声图像的复杂性,采用图像的形态特征和纹理特征识别甲状旁腺结节准确率低.本文提出利用包膜以及结节与甲状腺相对位置的先验知识特征描述方法,并将其与形态、纹理特征融合,采用支持向量数据描述(Support Vector Data Description,SVDD)识别甲状旁腺结节.实验结果表明,先验知识特征可以准确描述甲状旁腺结节的特征,融合先验知识特征比仅利用形态特征和纹理特征具有更高的识别准确率.

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基于深度学习的GPR B-SCAN图像双曲线检测方法

王辉, 欧阳缮, 廖可非, 晋良念

电子学报. 2021, 49(5): 953-963. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200635

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利用深度学习方法来处理探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)数据以提高GPR B-SCAN双曲线检测准确率.为了解决数据集样本不够的问题采用循环生成对抗网络(Cycle Generative Adversarial Networks,CycleGAN)算法对GPR B-SCAN图像数据进行增强.采用Faster R-CNN算子来定位双曲线图像区域,充分利用双曲线结构对称性及其方向差异性特征,设计与之对应的卷积核模板,通过卷积运算实现对B-SCAN图像中双曲线目标的有效分割.对双曲线目标采用最小二乘法进行二次曲线拟合得到精确的双曲线图像.与基于迁移学习的方法、HOG算法以及基于Hough变换的B-SCAN检测算法等相比,本文方法得到的结果在综合指标度量F上是最优的.

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SDN中基于全局拓扑感知的自适应流量均衡算法

王莅晟, 伊鹏, 胡涛, 江逸茗, 胡静萍, 胡宗魁

电子学报. 2021, 49(5): 964-974. https://doi.org/10.12263/DZXB.20190989

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针对软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)中控制平面和数据平面之间的控制链路性能受限导致的Packet_In传输瓶颈问题,提出了一种自适应的流量均衡算法,利用SDN网络控制平面拥有全局拓扑和交换机实时状态的特点,运用阈值对流量均衡起止条件进行控制,通过将超载交换机中流量重定向到邻居交换机的一跳转发的自适应方法,解决上行控制链路瓶颈问题.与现有方法相比,减小了33%的上行控制链路负载与50%的Packet-In消息丢包率,且部署开销小.

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广域量子密钥网络分层路由方案

杨超, 张红旗, 苏锦海, 胡浩, 赵丹, 王昉

电子学报. 2021, 49(5): 975-983. https://doi.org/10.12263/DZXB.20170960

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针对现有可信中继QKD(Quantum Key Distribution)网络路由方案应用于广域环境时存在着密钥交换效率低、密钥资源无意义消耗大的问题,分析了影响密钥交换效率的因素,设计了适应广域QKD网络的分层路由方案.该方案将QKD网络划分为若干路由域,并通过拓扑聚合构建分层QKD网络,设计了基于最低层网络匹配的跨域密钥路由算法,使得高层路由域内一跳便可跨过多个低层路由域,极大地降低了密钥中继跳数,提高了密钥交换效率及密钥资源利用率.仿真结果表明分层路由方案相对于现有单层逐跳式路由方案能够提高大约77.6%密钥资源利用率,同时缩短一半密钥服务延时.

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基于残差混合注意力机制的脑部CT图像分类卷积神经网络模型

乔思波, 庞善臣, 王敏, 翟雪, 于世行, 丁桐

电子学报. 2021, 49(5): 984-991. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200881

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针对阿尔兹海默症、病变(如脑肿瘤)和健康老化的3类脑部CT图像分类问题,本文提出了一种改进的ResNet-10卷积神经网络模型.该模型在网络的残差映射结构中加入残差混合注意力模块,解决了原模型提取的特征分辨性弱的问题,精确捕捉了脑部组织在CT图像中的位置和内容信息;此外,本文设计了全局平均池化层,简化了模型的复杂度,并在其后引入Dropout机制,缓解了过拟合.在训练阶段,该模型建立了标签平滑交叉熵损失函数,使模型在样本数量有限的情况下仍有较强的泛化能力.系列实验证明了改进后的ResNet-10网络模型在分类脑部CT图像时达到97.47%的分类精度.

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面向时空数据流的移动对象空间索引构建

杨良怀, 沈东海, 范玉雷, 高楠

电子学报. 2021, 49(5): 992-1000. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200300

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本文针对时空数据流提出了一种基于时间窗口数据排序和批量装载的移动对象空间索引构建方法HSTRCL.该方法用固定长度的时间窗口将连续的时空数据流进行切分,每当一个时间窗口完成数据缓存,采用优化的索引批量装载技术,从传统的构建流程中尽可能分离出耗时的数据划分和排序操作,将数据流的接收及其他构建操作并行执行,避免不必要的加锁同步开销,加快索引的构建效率;同时,采用基于Hash和STR的主、辅索引构建技术,满足高性能且多样化的查询需求.另外,为进一步提高对象查询性能,引入聚合技术划分对象,提出了一种基于时间窗口对象聚合和批量装载的移动对象空间索引构建方法OAHSTRCL,对象查询时间约为HSTRCL的65%,但对空间查询性能会有一定程度的影响.通过理论分析和多种实验验证了所提方法的有效性.

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基于改进细菌觅食算法的自动化立体仓库集成优化

董海, 齐新娜

电子学报. 2021, 49(5): 1001-1012. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200315

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针对自动化立体仓库存在的出入库任务多、堆垛机利用率失衡、产品质量差别大及任务执行过程对质量产生影响的问题,提出一种基于权重策略及非均匀消除-扩散概率分布的情绪化细菌觅食算法.构建以运行时间最小化、堆垛机利用率均衡化、货架稳定性、对产品质量影响程度为目标的集成优化模型;针对细菌觅食算法存在的趋化步长不确定及消除-扩散概率恒定等不足,在趋化过程中引入高斯分布搜索机制更新个体位置,避免算法陷入局部最优;引入情绪化突变,并在突变过程引入权重策略更新个体速度,并赋予细菌个体情绪感知因子实现个体速度自适应更新;针对原始算法消除-扩散概率的恒定性,提出非均匀概率分布代替传统的常数分布,以确保种群多样性.仿真及算法对比结果表明,本文提出的算法具有较好的性能.

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标准CMOS工艺低压栅控硅发光器件设计与制备

吴克军, 李则鹏, 张宁, 朱坤峰, 易波, 赵建明, 徐开凯

电子学报. 2021, 49(5): 1013-1018. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200522

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本文采用0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的低压栅控硅基发光器件.该光源器件内部采用n⁺-p⁺-p⁺-n⁺-p⁺-p⁺-n⁺的叉指结构,在相邻两个p⁺有源区之间覆盖多晶硅栅作为第三端控制电极,用于在源/漏区边缘形成场诱导结,降低p⁺/n-well结的反向击穿电压,提高器件发光功率.测试结果表明,该光源器件可以发射420nm~780nm的黄色可见光,在3V的正向栅压下,p⁺/n-well发光二极管的反向击穿电压下降到3V以下,光输出功率提高至2倍以上.本文设计的光源器件工作电压较低,并且与CMOS工艺完全兼容,可以与其他CMOS电路共用电源并且实现单片集成,在硅基光电子集成领域具有一定的应用价值.

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软件定义物联网研究综述

陈亮, 李峰, 任保全, 杨建喜

电子学报. 2021, 49(5): 1019-1032. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200561

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概述了当前物联网发展过程中存在的主要问题,研究了软件定义网络与物联网结合的可行性,在总结分析相关软件定义物联网架构的基础上,给出了SDIoT(Software-Defined Internet of Things)通用架构,举例分析了软件定义车联网基本架构;通过对现有研究成果的分析梳理,从异构互连、资源管理、安全可靠3个方面阐述了面临的挑战及关键技术;最后,以车联网为例,阐明了SDIoT的优势及前景,展望了未来可能的研究方向.

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基于DP83640的以太网时钟同步方法设计

孙建鹏, 刘欣, 洪应平, 何鑫, 熊继军

电子学报. 2021, 49(5): 1033-1040. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200962

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针对当下以太网在军事、工业等领域中的定时同步能力不足,精度不高的问题,设计一种高精度时钟同步协议的高可信的时钟同步接口电路.目前主流的精度最高的是IEEE1588精确时钟同步协议;深入研究分析IEEE1588协议的最佳主时钟算法和主从时钟同步原理,提出了基于DP83640的以太网时钟同步方法,提供了一种在物理层加盖时间戳在以太网中实现高精度时钟同步的方案,阐述主从时钟软件对时流程,对主从时钟同步精度进行测试验证,可达到亚微秒级的时钟同步精度.

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电子学报. 2021, 49(5): 1041-1042.

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