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2021年  第50卷  第2期

成电青年学者·信息与通信工程专栏
针对特定LDPC码的多子译码器并行组合译码方法
张哲, 周亮, 周志恒
2021, 50(2): 161-166. doi: 10.12178/1001-0548.2020442
摘要:
对于分组纠错码的译码,由多个子译码器构建的并行译码系统比单译码器系统有较大的性能提升,但是可实现并行译码处理的子译码器的构造却是一个挑战性难题。为此,该文提出一种针对特定LDPC码的适于BP译码算法运用的多子译码器并行组合译码方法。该方法针对基于本原多项式构造的一类LDPC码的译码尤其有效,其特点是:各个子译码器所依赖的校验矩阵由基础校验矩阵的恰当循环移位获得,而循环移位量的恰当选择则依赖了m序列(唯一对应于本原多项式)的采样特性;各个子BP处理过程的迭代次数设置为其校验矩阵最短环长的一半,由此可消除短环对BP译码性能的影响;各子BP处理模块输出的信息比特外信息再经过基础译码模块处理后与并行配置的基础译码输出,一并进行最大似然判决处理并获得译码输出。该方法的仿真结果显示,在误码率为10−5且多子译码器并行组合译码方法在设置5个子译码模块时,其译码性能比原单译码器译码方法高约0.4 dB。
联合优化方向图合成与频谱兼容的MIMO雷达波形设计
陈宁康, 魏平, 高林, 张花国
2021, 50(2): 167-172. doi: 10.12178/1001-0548.2021037
摘要:
多发射-多接收雷达发射方向图合成是当前波形设计和合成问题的热点,其目的在于实现将发射能量聚焦在感兴趣的空域方向上。而在复杂的电磁环境中,还必须兼顾考虑在拥堵频段上的频谱兼容性和灵活性,避免影响邻近频段通信系统传输性能。该文提出算法设计MIMO雷达发射波形向目标空域聚焦能量的同时,避开拥堵频段的频率范围。即针对发射波形在空域、频域两类要求而联合优化。联合优化问题被建模为加权均方误差代价函数,优化问题是非凸非平滑的。在算法的每一步迭代优化中,首先更新当前步骤的匹配系数,再对均方误差代价函数进行放缩,构造替代函数;进而优化替代函数,得到较小代价函数值对应的波形。该文提出的迭代优化算法,具有接近理想的方向图合成性能与频谱塑形性能,且运算量小。仿真和数值结果证明了该方法的有效性。
通信与信息工程
基于Hadamard矩阵构造部分重复码
王静, 孙伟, 何亚锦, 沈克勤, 张鑫楠, 刘向阳
2021, 50(2): 173-179. doi: 10.12178/1001-0548.2020028
摘要:
针对分布式存储系统故障节点修复问题,提出一种部分重复(FR)码的构造算法。由Hadamard矩阵经过简单变换直接构造FR码。随后引入了分组思想,由8阶Hadamard矩阵构造分组FR码(HGFR),构造更加简洁直观,实现多故障节点在局部修复组内进行精确无编码修复。理论分析发现,与RS码和SRC简单再生码相比,设计的HGFR码在分布式存储系统节点发生故障时的修复局部性、修复复杂度和修复带宽开销都降低,且修复效率提高,减少了故障节点的修复时间。
CP-PLL快速入锁集成电路方案设计
赵建明, 张宜尧, 刘炜恒, 李晓东, 徐银森, 李建全, 徐开凯
2021, 50(2): 180-185. doi: 10.12178/1001-0548.2019246
摘要:
该文基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺实现了一个用于加快CP-PLL锁定时间的数模混合复合结构,该复合结构主要包括两个独立单元——动态环路带宽单元及预置位反馈环。其中,两个单元的控制电路均采用全数字电路实现,并通过DC综合与ICC自动布局布线得到版图信息。经过同一CP-PLL参数环境下的对比分析,比较了包括传统结构的3种方案的锁定时间。在工作电源1.8 V下,优化后的锁定时间为1.12 μs,较传统结构锁定时间提升了76.7%;整体相噪在稳态保持−103.1 dBc/Hz @1 MHz,较传统结构仅上升了0.3%。证明该复合结构能够有效降低上电启动以及跳频时的锁定时间。
多传感器系统误差特性匹配的动态估计与补偿算法
邢文革, 桂佑林, 顾万里
2021, 50(2): 186-192. doi: 10.12178/1001-0548.2020117
摘要:
针对非合作目标场景下多传感器系统误差估计的工程应用问题,提出了一种面向工程应用的多传感器相对系统误差动态估计与适配性处理算法(μ-DECA),提高了多传感器融合系统的精度和稳定性。建立了系统误差实时估计模型,设计了一种多传感器相对系统误差动态迭代估计与补偿算法,使得各传感器原始点迹和融合航迹的误差特性趋于一致,克服了多传感器系统点航迹关联的困难,保证了相对系统误差估计与补偿的正确性。通过不同设备多个场景的实测数据,验证了该方法能够补偿环境等因素对传感器系统误差的影响,提高了多传感器融合的精度和稳定性,改善了多传感器融合系统输出点迹的质量。
基于重点域的自适应加点方法
毛勇, 曾锋, 罗曼
2021, 50(2): 193-198. doi: 10.12178/1001-0548.2020284
摘要:
代理模型已经普遍应用于复杂电子装备的设计中,以提高计算效率、缩短产品的设计周期。该文在重点域的基础上,提出了一种自适应加点方法。该方法每次进行迭代时,通过建立局部加点模型和全局加点模型选取更新点,以分别提高代理模型的局部开发能力和总体探索能力,进而提高代理模型的整体优化效率和预测能力。通过几个标准数学测试函数,验证了该方法的有效性。最后,将该方法应用于某共形天线的优化设计实例中,得到了满意的结果。
计算机工程与应用
基于深度确定性策略梯度的粒子群算法
鲁华祥, 尹世远, 龚国良, 刘毅, 陈刚
2021, 50(2): 199-206. doi: 10.12178/1001-0548.2020420
摘要:
在传统的粒子群优化算法(PSO)中,所有粒子都遵循最初设定的一些参数进行自我探索,这种方案容易导致过早成熟,且易被困于局部最优点。针对以上问题,该文提出了一种基于深度确定性策略梯度的粒子群优化算法(DDPGPSO),通过构造神经网络分别实现了动作函数和动作价值函数,且利用神经网络可以动态地生成算法运行所需要的参数,降低了人工配置算法的难度。实验表明DDPGPSO相比9种同类算法在收敛速度和寻优精度上均有较大的提升。
基于相似图像配准的图像修复算法
何凯, 刘坤, 沈成南, 李宸
2021, 50(2): 207-213. doi: 10.12178/1001-0548.2020327
摘要:
传统基于纹理合成的图像修复算法只能从破损图像中提取有用信息,不能修复复杂结构;基于深度学习的修复算法训练时间长,纹理合成效果不理想。为解决上述问题,该文提出了一种基于相似图像配准的图像修复算法。首先提出一种破损图像的相似度计算方法,利用图像的深度学习特征,在数据库中寻找与之最为相近的图像,为修复过程提供更多的有效信息;然后对破损图像和相似图像进行配准,利用单应性变换实现图像空间位置的自动粗纠正;最后使用改进的最佳匹配块搜索方法和匹配准则来改善纹理合成效果,实现图像的最终修复。仿真实验结果表明,该方法可以获得较多的有用信息,产生良好的纹理合成效果,克服了传统算法和深度学习方法的缺点,即使对于具有复杂纹理信息和结构的破损图像,也能够得到良好的修复效果。
异构多分支网络超声图像自动诊断方法
李昕昕, 师恩
2021, 50(2): 214-224. doi: 10.12178/1001-0548.2020246
摘要:
超声(US)是乳腺结节的主要影像学检查和术前评估手段之一,然而由于其在良性和恶性乳腺结节图像上的相似表现形式,使得诊断结果在很大程度上依赖于医生的经验判断,以计算机辅助手段帮助医生提高诊断准确率逐渐成为当前的热点。该文提出了一种用于乳腺超声图像的良性和恶性分类的异构多分支网络(HMBN),该网络同时使用了图像信息(超声图像及造影图像)和非图像信息(包括患者年龄和其他6个病理特征)。还提出了一种适合该异构多分支网络的混合型损失函数,在附加角边距损失的基础上应用了最小超球面能量来提升分类精度。实验结果表明,在本文收集的包含1303个病例的乳腺超声数据集上,该文提出的异构多分支网络的分类精度为92.41%,相较于具有5年资历的医师的平均诊断准确性提升了7.11%,相较于其他最新研究成果诊断准确性名列前茅。说明通过将医学知识纳入优化过程,以及将超声造影和非图像信息添加到网络中,可以在很大程度上提高乳腺超声诊断的准确性和鲁棒性。
基于特征融合的文物碎片模型检索
赵夫群, 戴翀, 耿国华
2021, 50(2): 225-230. doi: 10.12178/1001-0548.2020281
摘要:
基于特征的模型检索是计算机视觉领域的一个重要研究方向,主要包括特征提取和模型检索两个方面,其中特征的鲁棒性对模型检索结果起决定性作用。由于已有检索算法存在局部特征有效性较低的问题,该文提出一种基于特征融合的兵马俑碎片模型检索算法。针对兵马俑碎片的三维点云数据模型,首先计算点的主曲率和法向夹角,并对其加权融合;然后基于该融合特征构造特征匹配算法,通过对融合特征的匹配实现碎片模型检索。实验中,对50个兵马俑的1036个碎片进行了检索,结果表明该算法可以有效提高碎片的检索精度,避免算法陷入局部极值。因此,该基于特征融合的三维模型检索算法是一种有效的兵马俑碎片检索方法。
视频人脸识别中高效分解卷积与时间金字塔网络研究
周书田, 颜信, 谢镇汕
2021, 50(2): 231-235. doi: 10.12178/1001-0548.2020319
摘要:
随着大量视频监控和摄像头网络的架设,非受限场景下的连续视频帧人脸识别愈发引人关注。传统的连续视频帧人脸识别方法大多存在识别结果易波动和计算资源消耗密集的问题。因此,该文对比了不同的帧间汇聚方式,采用注意力机制优化帧间汇聚过程,并采用3D分离卷积进行视频人脸建模,有效降低了视频人脸识别的计算消耗,提高了识别准确率。此外,提出了一种时间金字塔网络,可以进一步有效挖掘帧间互补信息,以提高识别准确率。该方法的有效性在YTF、PaSC数据集上得到了验证。
以用户QoE预测值为奖励的视频自适应比特率算法
叶进, 肖庆宇, 陈梓晗, 陈贵豪, 李陶深
2021, 50(2): 236-242. doi: 10.12178/1001-0548.2020325
摘要:
该文提出了一种基于深度学习的用户体验质量预测网络(UQPN),通过当前视频播放状态预测当前用户的QoE并进行建模,旨在采用UQPN替代以往方法的奖励函数,使得生成的自适应比特率算法做出更符合用户需求的比特率决策。实验证明与已有的奖励函数相比,UQPN的预测与真实QoE的相关系数更高,以该网络作为强化学习奖励得到的算法能够将用户体验质量提高20%。
基于改进深度残差网络的图像分类算法
储岳中, 汪佳庆, 张学锋, 刘恒
2021, 50(2): 243-248. doi: 10.12178/1001-0548.2020314
摘要:
ResNet的瓶颈结构存在一定的冗余输出,面对类别较少的分类任务时,冗余信息占比会非常大,造成计算资源浪费。针对这个问题,该文利用残差结构和连接操作设计了一个新的升维结构(RC结构)用于改进瓶颈结构。RC结构可以降低瓶颈结构的资源消耗,并增强梯度传递。将RC与多种残差网络进行结合,并在多个数据集上进行图像分类实验。实验结果表明,基于RC的残差网络在面对类别较少的分类任务时,能有效提高网络的效率和精度。
基于改进字节对编码的汉藏机器翻译研究
头旦才让, 仁青东主, 尼玛扎西, 于永斌, 邓权芯
2021, 50(2): 249-255, 293. doi: 10.12178/1001-0548.2020218
摘要:
该文通过改进字节对编码算法,提出了带字数阈值的藏文字节对编码算法,优化了基于注意力机制的汉藏神经机器翻译模型。收集整理了100万汉藏句对和20万汉藏人名地名词典,训练了汉藏神经机器翻译模型。通过测试和验证,模型的BLEU值达到36.84。该模型的命名实体翻译效果优于已商用汉藏在线翻译系统。同时,该文的神经机器翻译模型已部署于汉藏机器翻译网站,实现了汉藏神经机器翻译系统的应用推广。
基于近视筛查数据的近视影响因素分析和近视预测
黄峻嘉, 张琪, 赵娜, 李蓉, 苏宇涵, 周涛
2021, 50(2): 256-260. doi: 10.12178/1001-0548.2020426
摘要:
该文分析了国内外近视检查数据,统计结果显示中国青少年近视发生率远远超过国际水平,其中8~12岁是近视新增的高发时期,平均每年约有20%的非近视学生转为近视学生,而10~14岁是高度近视新增的危险时期。此外,父母近视情况和户外活动时间对近视形成的影响最大,高于电脑使用时间和看电视时间的影响。该文采用5种集成学习方法对未来视力情况进行预测,综合考虑鲁棒性和精确度,随机森林模型预测效果最好,其中近视的预测准确率在70%训练集、30%测试集划分的情况下为92.8%。
基于深度高斯过程的飞行冲突探测方法研究
陈正茂, 刘洪, 林毅
2021, 50(2): 261-266. doi: 10.12178/1001-0548.2019191
摘要:
为了更加准确地建立航班飞行轨迹的时序特征,该文引入了高斯过程预测航班飞行轨迹。考虑机动环境运动目标的非线性特征,将高斯过程与深度置信网络相结合形成深度高斯过程,将其用于预测航班飞行轨迹。同时基于预测的航班飞行轨迹,实现了概率型基于深度高斯过程的飞行冲突探测算法。在引入蒙特卡罗思想和马尔科夫链蒙特卡罗采样算法基础上,提出了求解冲突探测算法的方法。基于深度高斯过程的航班飞行轨迹预测方法不仅可以预测航班飞行的标称轨迹,还可以预测各时刻位置可信区间的概率分布,这些特征为概率型飞行冲突探测打下了良好的数据基础。通过真实历史数据的仿真实验说明,该算法较基线算法具有更高的精度和稳定性,将其应用到飞行冲突探测中可获得更低的虚警率和更多的预警时间提前量。
光电子学工程与应用
基于VO2热相变的光子晶体波导开关
刘海, 邵齐元, 张砚曾, 赵嘉, 陈聪, 白冰冰
2021, 50(2): 267-271, 293. doi: 10.12178/1001-0548.2019288
摘要:
基于相变材料VO2,设计了一款光子晶体波导结构的光开关。通过在硅波导中填充SU-8包层对温度灵敏度做补偿,降低了波导开关的温度敏感特性。采用热驱动开关实现了1591 nm波长处约9.5 dB的消光比。同时提出一种新型级联波导来优化开关结构,实现了27.46 dB的消光比。
结合光电振荡器的高精度光纤轴向应变传感研究
杨帆, 曾珍, 章令杰, 周晓军
2021, 50(2): 272-275. doi: 10.12178/1001-0548.2019292
摘要:
该文提出了利用普通单模光纤作为传感头的结合光电振荡器(OEO)的高精度光纤轴向应变传感系统。通过放大自发辐射宽谱光源(ASE)、双输出马赫曾德尔电光强度调制器(DOMZM)和两段长度不一致的光纤构成的马赫曾德尔(M-Z)干涉仪,形成单通带微波光子滤波器,实现OEO腔内的选模。对M-Z干涉仪任意一臂的光纤施加轴向应变,改变干涉仪两臂的长度差,从而改变OEO的输出微波信号频率,达到轴向应变传感的目的。实验结果表明,当轴向应变施加于较长的光纤上时,该传感系统灵敏度为4.67121×10−4 GHz/με,线性度为0.99895;当轴向应变施加于较短的光纤上时,该传感系统灵敏度为−4.48388×10−4 GHz/με,线性度为0.99841。
复杂性科学
融合用户行为同步指标的链路预测研究
王曦, 许爽, 许小可
2021, 50(2): 276-284. doi: 10.12178/1001-0548.2020241
摘要:
现有链路预测方法大多基于网络结构相似性及连边的权重特征,没有有效挖掘连边权重形成的时序信息。考虑到两个节点行为的时间同步性往往是由于两个节点存在链接造成的,因此在网络结构的重构研究中通常利用节点的行为同步性来反推它们之间是否存在链接关系。该文尝试将节点同步性信息这一网络重构的方法引入链路预测领域,提出一种网络拓扑相似性上融合节点行为同步指数的链路预测算法。经过两类6种真实网络数据的比较分析,发现该算法可有效提高链路预测准确率,相比现有方法,Precision指标提高了15.3%~68.2%。该研究不仅发现节点局域结构相似性和节点行为同步指数对链路预测的共同影响,也揭示了不同类别真实加权网络的内在结构和动态特征。
基于网络节点中心性的新闻重要性评价研究
曹开臣, 陈明仁, 张千明, 蔡世民, 周涛
2021, 50(2): 285-293. doi: 10.12178/1001-0548.2020355
摘要:
评价权威报刊的新闻重要性对于正确理解国家政策变化具有重要意义。该文以《人民日报》为例,抽取发表在1946−2008年期间的新闻,利用其内容相似性构建新闻网络。从复杂网络视角,一篇新闻与其他新闻的相似性越高,其在新闻网络中连接越紧密,具有较大的节点中心性。鉴于此,该文将H指数引入PageRank排序算法,提出H-PageRank排序算法,利用其计算H-PageRank中心性,评价新闻重要性。在实验过程中,考虑到不同领导核心执政时期《人民日报》的新闻风格与新闻版面的差异性将新闻划分为4个时代,基于表示学习分别形成对应的新闻网络。研究结果表明:1) 4个新闻网络的拓扑结构都表现出高聚类性与同配性,且具有近似幂律的度分布,表现出复杂网络一般特性;2) 基于多种网络节点中心性指标,对每个新闻网络中的节点进行全局排序,并以是否成为头版新闻为重要性的评价准则计算得到相近的AUC值,然后基于局部排序的Top-N评价方法计算得到正确率、召回率和F1指标,综合以上指标的实验结果表明,H-PageRank中心性显著优于其他算法的中心性,验证H-PageRank排序算法的有效性;3) 针对每个新闻网络,基于网络节点中心性的Top-N评价方法不同排序列表长度条件,其计算得到的正确率显著高于理论基准,表明评价方法的鲁棒性。
知识标签网络生成机制研究
韩仪, 冯鑫, 周金连, 吴晔, 肖井华
2021, 50(2): 294-302. doi: 10.12178/1001-0548.2020084
摘要:
在知识生成社区中,现实中的网络关系由于具有一些人为实际演化特征,而与传统经典模型并不相符。该文将网络的批量增长和交叉连接特征引入到知乎社区标签网络中,对于网络演化过程进行动态分析,提出了一种标签网络优先连接模型,用来模拟知识标签网络中参数时间序列的复杂性。结果发现,该模型的仿真效果与实际情况下的知识标签网络吻合良好,且用时变方法分析网络的动态趋势较静态分析方法更为合理,该模型有助于后期深入了解现实世界中的复杂网络。
基于网络相似性测度的国际贸易产品分类
程静静, 樊瑛
2021, 50(2): 303-310. doi: 10.12178/1001-0548.2020252
摘要:
该文以复杂网络视角研究国际贸易产品的社团结构,探究产品贸易的演化规律。选取1995−2015年每隔5年的产品贸易数据,首先构建产品国际贸易网络与国际总贸易网络,采用网络相似性测度来衡量产品距离;然后通过最小生成树与设立阈值相结合的方法构建产品网络;最后运用加权极值优化算法进行产品分类,研究产品集群的演化规律。研究发现,国际总贸易虽为各产品加总,但产品国家间贸易关系存在显著差异。5年间国际产品贸易的产品选择从重工业到农业,再到轻工业,最终转为农业,且国家间贸易往来日益紧密。此外,对5年的产品网络进行社团划分发现,除1995年外其余年份均呈现一致的划分结果,但在社团内部,产品集群的紧密性一直在增加。
基于多变量LSTM神经网络的澳大利亚大火预测研究
李莉, 杜丽霞, 张子柯
2021, 50(2): 311-316. doi: 10.12178/1001-0548.2020370
摘要:
长短周期记忆神经网络(LSTM)受益于能够捕获长期依赖关系的特点,在许多实际应用中展现了优异的性能。该文构建了LSTM多变量数据驱动的预测模型,通过多变量输入的方式预测澳大利亚森林大火。首先使用多变量LSTM预测模型对日最高温度进行预测,并与反向传播(BP)神经网络以及ARIMA预测模型的结果进行对比。研究表明:以相关变量为输入的BP神经网络无法考虑时序变化规律,预测误差最大;以温度单变量为输入的ARIMA根据时序变化做出相应预测,预测效果较好;多变量LSTM预测模型综合考虑了多种因素的相互影响,同时结合了时间序列依赖关系,预测效果最好。最后通过多变量LSTM预测模型对某节点是否着火进行了预测,预测结果与实际值契合较好。总体来说,多变量LSTM预测模型对澳大利亚大火的预测结果可信。
高校学生心理健康情况对其社交网络结构的影响研究
聂敏, 罗炜敏, 邓辉, 王伟, 夏虎, 周涛
2021, 50(2): 317-320. doi: 10.12178/1001-0548.2020032
摘要:
高校学生心理健康情况是近年来教育工作者普遍关注的焦点问题。目前尚无利用大规模样本分析学生心理健康对其社交行为影响的报导。该文基于某高校4 955位匿名学生一卡通刷卡数据来构建社交网络,并利用《SCL-90测评量表》测评结果刻画学生的抑郁症状发生水平。分析发现,学生心理健康程度极大地影响其社交网络结构:无明显抑郁症状的学生更倾向于与不同的同学共餐(推断社交活跃性更高);有明显抑郁症状的学生则更倾向于单独用餐(推断社会活跃性较低)。