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面向多用户NOMA-IRS系统的公平性优化

韩永康, 陈健, 周雨晨, 杨龙

2023, 50(2): 1-10. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.001

摘要 ( 629 )

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多用户非正交多址接入-智能反射面系统,可通过多天线发射机与智能反射面间“发射-反射”联合波束成形,改善系统的用户接入能力。针对多用户非正交多址接入-智能反射面系统用户公平性问题,尝试在射频链路受限的实际场景中,最大限度提升用户最小接收信干噪比,从而无差别地保证各用户的通信质量。为此,根据射频链路数对用户进行分簇,构建了最大-最小接收信干噪比分式规划问题,此问题的发射波束矢量与反射阵元矩阵在接收信干噪比处高度耦合。因此,提出了一种基于半定松弛与算术几何平均算法,通过在每次迭代中交替优化发射波束矢量与反射阵元矩阵,实现各簇中最小信道容量的最大化。并进一步采用二分搜索算法求解簇内功率分配问题,以提升用户最小接收信干噪比。仿真结果表明,相对于迫零方案,提出方案能够以较低的计算复杂度提升用户最小接收信干噪比,从而改善各用户通信质量;且区别于最大比传输方案,提出方案中用户最小接收信干噪比不会随基站发射功率增加而呈现饱和现象,从而实现各用户通信质量的稳定增长。

并行传输编码缓存问题研究

林霄,罗松,刘楠

2023, 50(2): 11-22. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.002

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基于提高网络传输的效率并得到更好的低延迟效果的目的,缓存技术应运而生。不同于传统缓存技术,编码缓存技术通过巧妙创造多播机会,使得服务器的一次广播传输能够同时满足多个用户的不同需求,从而得到全局缓存增益。考虑一个并行传输的编码缓存网络,其中服务器可以向所有用户广播消息,同时,用户之间也可以互发信息。提出了一种非编码预存储的编码缓存方案,该方案可分为三个阶段:预缓存阶段、分配阶段和交付阶段,通过向服务器和用户网络预先分配不同的工作量来获得最佳的传输延迟。仿真结果表明,所提并行传输缓存交付方案相比于单独进行服务器多播传输或单独进行D2D网络节点之间的传输,具备更好的实现效果。同时,所提方案在考虑两种不同信道的传输能力差距后,得到了比忽略信道传输能力时更好的实现效果。最后,证明了在非编码预存储的情况下,所提出的并行传输缓存交付方案在服务器广播信道与D2D网络传输信道的信道容量相同且用户缓存资源充足时的最优性。

融合上下文感知注意力的低光图像去雾网络

王柯俨,成吉聪,黄诗芮,蔡坤伦,王威然,李云松

2023, 50(2): 23-32. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.003

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现有的低光去雾算法因受图像光照强度低、光照不均匀等影响,其去雾后的图像存在细节丢失、色彩失真等现象。针对上述问题,提出一种融合上下文感知注意力的低光图像去雾网络(ACANet)。首先,在基准网络中引入层内上下文感知注意力模块,分别从通道维度和空间维度结合全局视角辨识和加权同一尺度下的重要特征,使网络突破局部视野的约束,更加高效地提取图像纹理信息;其次,引入层间上下文感知注意力模块,通过投影操作将高级特征映射到信号子空间,以实现不同层之间多尺度特征信息的高效融合,进一步提升对图像细节的重建;最后,引入CIEDE2000色偏损失函数,通过CIELAB色彩空间对图像色调进行约束,并与L2损失一起联合优化网络,使网络准确地学习图像色彩,以解决图像的严重色偏问题。实验结果表明,所提算法在多个数据集上的客观指标均优于现有去雾算法,其峰值信噪比指标较基准网络提高了8.8%,且主观去雾效果更彻底,恢复图像细节更丰富,色彩还原度更好,更接近于真实图像。

极化码在水下光通信系统中的应用研究

邢莉娟,李卓,王庆港

2023, 50(2): 33-41. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.004

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为了验证不同水质条件对水下光通信的影响,采用蒙特卡罗模拟算法模拟了水下光信道的离散冲激响应。在此基础上结合具有抗衰落优点的正交频分复用技术搭建了水下光通信系统,针对收发端已知信道状态信息前提下,采用16正交幅度调制方式,结合蒙特卡罗构造算法完成极化码的构造,译码端使用基于循环冗余校验辅助的串行抵消译码算法,设计并实现了基于正交频分复用技术的水下光通信系统中的极化码编译码方案。通过实验验证了不同水质条件下码长等参数对极化码性能的影响,证明了在高信噪比时,极化码相比同等码长的低密度奇偶校验码在不同水质下具有0.2 dB~0.6 dB左右的性能增益;随着水质环境越差,其渐进性能优势表现得越明显,且不会出现误码平层的问题。极化码的编码结构更加清晰简单,译码复杂度与低密度奇偶校验码相差不大,且在译码中不需要多次迭代。因此相比于其他编码方案,极化码具有较低的编译码复杂度,在水下光通信场景中具有很强的竞争力和应用潜力。

导航卫星星地双基SAR时频同步误差估计方法

遆晶晶, 索志勇, 王婷婷, 赵秉吉, 张乐茹

2023, 50(2): 42-53. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.005

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为验证长合成孔径时间下地球同步轨道合成孔径雷达对地成像的机理,采用北斗3号IGSO导航卫星作为照射源,地面静止接收的星地双基构型进行等效性验证。针对导航卫星信号特点和星-地双基合成孔径雷达面临的时间频率同步难题,提出了一种基于回波数据估计导航卫星测距码延迟误差,并进行误差修正的星地双基地合成孔径雷达回波数据时频同步误差估计方法。该方法首先根据导航卫星脉冲重复频率对一维直达波信号和反射波信号进行了二维划分,保留了整个采集信号的完整性,通过直达波信号距离向匹配滤波获得非理想采样环境下正确的峰值位置序列,并利用此峰值位置序列完成直达波信号和反射波信号的时间同步误差补偿以及本地测距码的修正,解决了北斗3号IGSO导航卫星星地双基合成孔径雷达成像过程中存在时间同步后距离脉压信号包络分布与理论推导模型失配的问题;然后利用修正后的本地测距码对直达波信号匹配滤波获得直达波峰值相位矢量;最后利用此峰值相位矢量对反射波信号进行频率误差补偿和成像处理。实测数据的处理结果验证了所提方法的有效性。

加权分数傅里叶辅助的上行NOMA隐蔽通信

段正祥, 杨欣, 张兆林, 王伶

2023, 50(2): 54-63. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.006

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针对一个具有两阶段检测器的上行非正交多址接入系统,提出了随机功率分配和加权分数傅里叶变换来实现隐蔽通信。在该非正交多址接入系统中,存在一个可靠用户和隐蔽用户传输信息给基站,同时存在一个监听者企图侦察隐蔽用户的通信行为。设计了一种两阶段检测器,包括能量检测阶段和相似度检测阶段。通过相似度检测阶段为能量检测阶段提供先验概率,降低检错概率。针对所设计的两阶段检测器,提出了一种随机功率分配和加权分数傅里叶变换方案去掩盖隐蔽用户的传输,其中可靠用户采用随机功率分配而隐蔽用户采用加权分数傅里叶变换。给出了期望最小检错概率、可靠用户及隐蔽用户的中断概率的闭合表达式,并进行了仿真。在隐蔽约束和可靠约束下研究了最大期望隐蔽速率,以优化可靠用户的功率分配。研究表明,所设计的检测器有更低的期望最小检错概率,并改进了系统的隐蔽性能。

一种智能超表面辅助的非视距安全通信方法

高建邦, 高国旺

2023, 50(2): 64-70. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.007

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针对发射机与期望用户之间存在阻挡时的非视距物理层安全传输问题,提出了智能超表面辅助的阵列天线物理层安全通信方法。首先,建立智能超表面阵列天线系统模型,通过阵列天线直传链路和智能超表面反射链路完成无线系统的安全通信。随后,针对窃听者被动接收信号,无法确定窃听者具体位置的情况,提出了在确保期望用户可靠接收信号的同时以最大化人工噪声干扰功率为目标联合优化发射波束成形矢量和智能超表面反射系数矩阵的优化方法。最后,分析优化问题,并利用辅助变量和半定松弛等方法得到最优解,达到抑制窃听者接收信号的同时,确保期望用户可靠和安全通信的目的。仿真实验证实,智能超表面辅助的物理层安全通信方法提高了非视距场景下信息传输的可靠性与安全性。

能量收集分布式基站系统的下行射频远端选择

黄志民, 肖琨

2023, 50(2): 71-80. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.008

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为解决能源短缺的问题,能量收集技术被提出并广泛应用于若干典型的通信系统中。为研究在具备能量收集能力的分布式基站系统中,如何有效地选择射频远端实现下行链路通信的问题,首先建立了不依赖电网等外部能源,仅由基带处理子系统、能量子系统和射频远端子系统构成的能量收集分布式基站系统模型;其次在模型基础上,以最大化信息传输速率为目标形成了覆盖波束赋形、能量共享、功率分配的联合优化问题。针对能量收集情况不可控的问题,提出了两种不同的能量共享策略,在此基础上分别对问题进行了数学分析,推导得到了系统射频远端最优的功率分配策略,从而归纳出所述系统模型的射频远端选择算法。最后,基于该文模型与算法开展了蒙特卡罗仿真,并与已有文献中的算法进行了对比。仿真结果表明,所提算法在平均信道容量和平均能量效率上具有良好的性能,有助于减少系统的功耗,节约资源。

模糊空间下双标签指纹定位算法

郑安琪, 秦宁宁

2023, 50(2): 81-91. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.009

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针对指纹定位中传统的空间划分方法所伴随的指纹点区归属识别困难和邻界匹配误判的问题,提出一种适用于区域中心识别和过渡双域判别的空间模糊划分方法,利用参考点类间距离与类内距离的差异度,衡量子区域边界的模糊度,保证实验场景定位开销最优化的同时,兼顾空间重叠划分优势,缓解子区域间绝对判别的负效应,提高定位匹配的泛化能力。在位置估计阶段,综合考虑参考点邻域间接收信号波动差异,将参考点与待定位点间信号域的距离度量转化为同源差异下的无量纲排序,并以修正后的多源排序均衡结果间接映射待定位点与参考点之间的相似度;此外,引入空间密度可达搜索强相关参考点集,结合信号域和空间域迭代约束参考点,实现目标近邻集的动态选择和集聚效应,有效克服环境变化与信号波动的干扰,提高定位方法的环境适应性。经路演下的实测数据对定位性能的评估,所提算法的定位精度优于同类区划分算法4.7%~11.8%,且在同全局匹配方法的比较中,平均定位误差最佳可降低0.422 m。

一种面向二维三维卷积的GPGPU cache旁路系统

贾世伟,张玉明,秦翔,孙成璐,田泽

2023, 50(2): 92-100. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.010

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通用图形处理器作为卷积神经网络的核心加速平台,其处理二维、三维卷积的性能,决定着神经网络在实时目标识别检测领域的有效应用。然而,受其固有cache系统功能的限制,当前通用图形处理器架构无法实现二维、三维卷积的高效加速。针对此问题,首先提出一种L1Dcache动态旁路设计方案。该方案定义了一组能够动态反映指令访问cache特征的数据结构,并基于此数据结构定义访存特征记录表,以记录不同访存指令在请求cache时的执行状态。其次,采用优先线程块的warp调度策略来加速访存状态的采样。最后根据访存状态得出不同PC值下访存请求对L1Dcache的旁路的判定,并动态完成部分低局域性数据请求对L1Dcache的旁路。由此将L1Dcache空间保留给高局域性的数据并降低二维、三维卷积执行时的访存阻塞周期,进而提升了二维、三维卷积在通用图形处理器上执行时的访存效率。实验结果表明,相比原架构,在面向二维、三维卷积时分别带来了约2.16%与19.79%的性能提升,体现了设计方案的有效性与实用性。

B样条曲面三维扩展目标跟踪算法

陈振,李翠芸,李想

2023, 50(2): 101-111. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.011

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在目标跟踪中,三维扩展目标跟踪的实现通常需要多角度的大量量测数据,单传感器所获得的量测无论是从数量还是完整性上来说,都不能良好地满足三维形状估计的要求。针对低量测率下现有的三维扩展目标跟踪算法形状跟踪效果差的问题,提出了一种基于B样条曲面的泊松多伯努利混合滤波算法。首先,利用小波聚类对多传感器获得的三维空间量测数据进行处理,得到量测簇,在提取有效信息的同时保证算法的效率;然后,对量测簇进行划分,获得控制矩阵,控制矩阵基于B样条的控制点原理实现,因此能够表征复杂三维形状的参数,利用控制矩阵与B样条曲面拟合获得三维扩展目标的形状;最后,将B样条融入泊松多伯努利混合滤波器,扩展到三维目标跟踪,预测和更新扩展目标运动状态和形状参数。经仿真实验和真实点云数据集的验证,所提算法能够对三维扩展目标的运动状态和扩展形状实现良好的跟踪效果,且能够实现不规则三维形状的估计。

优化块选择策略的高性能可逆信息隐藏算法

周琳娜, 唐鑫, 吴正哲, 邓云腾, 李岱霖

2023, 50(2): 112-124. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.012

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块选择是改善基于像素值排序的可逆信息隐藏算法性能的关键策略,通过在波动性较小的块中优先嵌入数据,可提升相应算法的不可感知性。然而,现有计算波动值的方法准确性受限于分块大小、形状和所选用的预测器,所以设计一种可以在不同分块大小、不同分块形状、不同类型预测器下通用的计算方法就尤为重要。对于较大的或者形状不规则的分块,若用于参与扩展计算的像素空间位置相关性较弱,即使相应的块波动值较小,在实际嵌入过程中,也仍然可能导致无效平移。为了解决该问题,首先提出了一种改进的波动性定义,以同时考虑水平、竖直、双斜对角4个方向上下文像素的一致性,判断完局部邻域内相邻像素一致性后,再判断同一方向上两个邻域的整体像素一致性,提升了块选择的准确性;其次,考虑了最大值与次大值、最小值与次小值之间的切比雪夫距离,通过消减最大值或最小值像素的扩展来减少无效移位。实验结果表明,文中提出的方案可实现更好的不可感知性。

一种可证安全的权益有向无环图共识机制

罗玉琴,关沛冬,田海博

2023, 50(2): 125-137. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.013

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给出了一个可证明安全性的共识机制。该机制主要由委员会协议和交易确认算法构成。委员会协议用于从共识节点中选出主动性强且权益较大的节点组成动态迭代的委员会,以并行处理区块链中用户产生的常规净交易。交易确认算法基于委员会成员所发出的链交易形成的有向无环图,通过有向无环图的直接和间接引用计算常规净交易被委员会成员确认的次数,当某个常规净交易被不少于委员会成员数量的2/3确认后,该常规净交易就被写入链中。在一些公认的假设下,证明了共识机制具有一致性和可结束性。进一步,初步搭建了基于该共识的区块链系统,测试了系统的性能,测试结果与理论估计相符。在部署16个委员会成员,交易批量为10⁶时,测试系统的交易吞吐量约17 000 个交易每秒;对比目前较为高效的Honey Badger BFT共识协议,在相同配置下,该协议的交易吞吐量约2 600个交易每秒,相差约6倍。

结合机器学习的SSR代理下App流量识别方法

郭刚,杨超,陈明哲,马建峰

2023, 50(2): 138-146. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.014

摘要 ( 302 )

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提出了一种基于机器学习的ShadowSocksR代理下的 App 流量识别方案。目的是识别出智能手机产生的ShadowSocksR代理流量来源于哪款APP。该方案包含流量预处理、特征提取和模型构建。首先将智能手机产生的ShadowSocksR流量对应的数据包集合,按照到达时间间隔以及源目的IP地址和端口这两部分信息将其划分为细粒度的流数据分组;再将包含数据包较少的流数据分组进行进一步的过滤,目的是过滤掉后台App 或者智能手机操作系统产生的干扰流量识别的噪音流量;之后,从过滤后的流数据分组集合中提取数据包长度统计特征与分布特征、时间统计特征、数据包频率特征、数据包过滤比例特征、前后流结合特征的特征向量组成特征矩阵,输入机器学习算法得到App流量识别模型,对于需要识别的ShadowSocksR流量经过相同处理步骤得到特征矩阵后,输入App流量识别模型即可得到流量识别结果。实验结果表明,该流量识别方法对于ShadowSocksR代理下的App流量识别可以到达97%以上的准确率。

一种Hilbert编码的本地化位置隐私保护方法

晏燕,董卓越,徐飞,冯涛

2023, 50(2): 147-160. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.015

摘要 ( 150 )

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基于位置的各种大数据服务在为用户提供便利的同时,也导致了各种隐私泄露的风险。本地化差分隐私模型避免了对可信第三方数据收集平台的依赖,使得用户能够依据个人需求处理和保护敏感信息,因此更适用于位置隐私保护的场景。针对现有本地化差分隐私位置保护方法编码机制复杂、位置数据可用性低等问题,提出一种基于希尔伯特编码的本地化差分隐私位置保护方法。用户端根据本地化差分隐私模型对自身所处网格的希尔伯特编码进行随机响应扰动处理,实现原始位置的隐私保护;服务器端收集大量用户的扰动位置编码并进行希尔伯特解码,进而判断用户所处的网格位置,实现对用户数量和分布密度的统计分析。通过实际位置数据集合上的实验证明,所提方法能够在实现用户位置本地化差分隐私保护的基础上提供更好的位置数据可用性和运行效率。

格上身份基可追踪环签名方案

叶青,陈晴晴,豆永鹏,张静,汤永利

2023, 50(2): 161-168. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.016

摘要 ( 206 )

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环签名是一种可为签名者提供无条件匿名保护的特殊数字签名。而可追踪环签名是环签名的一种变体,旨在防止签名者滥用环签名的匿名性,即可追踪环签名为签名者提供的匿名性不是无条件的,在签名者的某些行为下会导致其身份被泄露。可追踪环签名在电子投票系统和电子现金系统中扮演重要角色。针对目前格上可追踪环签名方案基于PKI体制构造,存在复杂的数字证书管理负担,文中将基于身份密码学与格上可追踪环签名相结合,提出第一个格上身份基可追踪环签名方案。与以往可追踪环签名方案不同,所提方案依据Baum等格上可链接环签名方案的框架,采用原像取样和拒绝采样等技术构造,避免使用臃肿的零知识证明技术。随机预言模型下,所提方案可被证明满足标签可链接性、匿名性以及抗陷害性,方案的安全性可规约至SIS和ISIS问题。另外,与相关方案相比,所提方案在时间开销和存储开销上也具有一定优势。

一种抗伪造攻击的车联网无证书聚合签密方案

潘森杉,王赛妃

2023, 50(2): 169-177. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.017

摘要 ( 153 )

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车联网给现代交通系统带来了极大的便利并受到人们的广泛关注。在车联网中,车辆访问控制的身份认证和发送消息的隐私性是两个关键问题。同时,由于有限的带宽以及车辆的高移动特性,验证效率也至关重要。聚合签密方案可以有效解决上述问题。但现有部分基于Schnorr签名的聚合签密方案未对密钥进行正确的哈希绑定,而无法抵御两类公钥替换攻击;且在进行聚合签密时,用户间交换部分签密信息生成的单个无效签密仍能通过聚合签密验证,故无法抵御合谋攻击。基于上述问题提出了一种新的面向车联网的无证书聚合签密方案。该方案利用密钥原像保护技术抵御公钥替换攻击,利用哈希抗碰撞特性抵御合谋攻击。在随机预言机模型下,证明了该方案的机密性与不可伪造性。与现有方案相比,该方案增强安全性的同时并未增加计算开销,整个验证阶段仍只需要6n+1次点乘操作。性能分析表明,该方案完全适用于车联网。

一种抗分布式机器学习恶意节点的区块链方案

刘远振, 杨颜博, 张嘉伟, 李宝山, 马建峰

2023, 50(2): 178-187. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.018

摘要 ( 144 )

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现有的分布式学习方案大多通过在协议中添加惩戒机制来解决恶意节点问题。此类方法基于两个假设:一是参与方为自身利益最大化而放弃恶意行为的假设,在事件发生后才可以对计算结果进行验证,不适用于一些需要即时验证的场景;二是基于可信第三方的假设,然而在实际中第三方的可信度却无法完全保证。利用区块链的信任机制,针对该问题提出一种基于区块链的抗恶意节点方案——将机器学习中模型训练的全过程通过智能合约实现,以确保机器学习过程不被恶意节点破坏。本方案以基于安全多方计算的分布式机器学习模型为研究模型,利用区块链的智能合约来实现数据的共享、验证和训练过程,所有参与方均只能按照指定的协议执行,将所有参与方转换为半诚实参与方;同时,为解决区块链公开透明特性带来的隐私问题,利用环签名隐藏参与方的数据地址,保护参与方的身份。与传统基于安全多方计算的分布式机器学习模型进行比较,表明本方案在抵抗恶意节点方面具有较强的优越性。

改进奇异值分解的海杂波抑制算法

国强,陈佳甜,戚连刚,CHORNOGOR Leonid

2023, 50(2): 188-196. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.019

摘要 ( 193 )

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针对强海杂波背景下海面运动目标回波信号难以检测的问题,提出了一种奇异值分解和双延迟线对消算法相结合的海杂波抑制算法。首先将脉冲压缩后的目标回波信号按周期重排成快慢时间维度矩阵,进行周期奇异值分解;然后构造出信号所对应奇异值的阈值和输入信杂噪比的关系,利用阈值对奇异值指数比进行判决,实现自适应区分海杂波和目标信号;最后对重构后的目标信号进行双延迟线对消,抑制杂波的同时确保目标信号的损失降到最低。采用实测数据对算法性能进行实验验证,相比于现有的海杂波抑制算法,所提方法能够适应目标回波序列信杂噪比的变化,在输入信杂噪比为-30 dB下仍能抑制大部分杂波并准确检测信号,由此验证了新算法具有更好的抑制效果和更优的检测性能。

视觉拐弯:转角视野盲区无线感知监测算法

王潮, 周梦, 丁寅凡, 汤霖

2023, 50(2): 197-204. doi:10.19665/j.issn1001-2400.2023.02.020

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驾驶人视野盲区是交通事故频发的一个关键问题。现有的摄像头、转角镜以及传感器在感知环境时容易受到天气或光线不足的影响,从而导致意外事故的发生。因此,基于Wi-Fi网络低功耗、低成本、全天时的泛在感知能力,提出一种基于无线信道状态智能化感知的盲区动态对象监测系统。在类似转角或拐弯的场景下,通过无线感知技术与模式识别,提前监测是否有行人即将进入与行进方向垂直的车辆视野盲区的行为,实现“视觉拐弯”,从而预警来往车辆,避免事故的发生。实验结果表明,所提出的盲区监测系统在5 m范围内的视野盲区中实现行人检测的平均精确度可达到96%,具有鲁棒性与普适性等优势。与传统的监测方式相比,该系统在黑暗环境下能良好地工作,同时不会侵犯人们的隐私,在复杂城市交通网络中具备应用潜力,对社会改善交通状况、保障行人出行安全具有重要意义。

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