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面向联邦学习的6G大规模物联网资源跳跃多址方案

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移动通信 2024年第5期48卷 60-68页

作者：张一萌李广恺马国玉张婉悦杨靖雅汪莞乔艾渤北京交通大学电子信息工程学院北京100044 国家计算机网络应急技术处理协调中心北京100020 河南省高速铁路运营维护工程研究中心郑州河南451460 中国电力科学研究院有限公司北京100192

随着移动设备的广泛应用和大数据的快速增长,联邦学习作为一种在分散数据环境中进行机器学习的新兴范式,吸引了越来越多的关注。同时,5G/6G均将大规模物联网场景作为其核心场景之一,以通过实现大规模设备连接来完成未来海量分散数据的... 详细信息

随着移动设备的广泛应用和大数据的快速增长,联邦学习作为一种在分散数据环境中进行机器学习的新兴范式,吸引了越来越多的关注。同时,5G/6G均将大规模物联网场景作为其核心场景之一,以通过实现大规模设备连接来完成未来海量分散数据的实时传输。因此,6G大规模物联网可以为联邦学习中海量终端的数据处理提供有力支撑。多址技术是6G大规模物联网实现海量连接的关键,现有研究提出了多种面向大规模物联网的新型多址方案,其中资源跳跃多址方案考虑信道资源的跳跃,通过给不同用户分配不同的资源跳跃图案从而实现海量用户接入。提出了资源跳跃多址与联邦学习的结合方案,将联邦学习客户端的通信信道划分为多个子信道,然后根据其数据特征和计算资源分配资源跳跃图案。结果表明,所提出的结合方案不仅能够提高联邦学习模型的训练速度,而且能够有效保护用户数据的隐私。

关键词：联邦学习大规模物联网资源跳跃多址

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大规模物联网终端密文数据分段小波降噪算法仿真

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吉林大学学报（工学版） 2023年第8期53卷 2358-2363页

作者：曹守启孔凡慧张铮熊如意上海海洋大学工程学院上海201306 重庆交通职业学院中德学院重庆402260

为有效滤除终端密文数据中的噪声,提出一种大规模物联网终端密文数据分段小波降噪算法。采用周期图谱估计特征提取方法提取不同类型数据的连续谱分量和线谱分量,获取密文数据的噪声特征。通过噪声数据在尺度空间的最大投影构建能量匹配... 详细信息

为有效滤除终端密文数据中的噪声,提出一种大规模物联网终端密文数据分段小波降噪算法。采用周期图谱估计特征提取方法提取不同类型数据的连续谱分量和线谱分量,获取密文数据的噪声特征。通过噪声数据在尺度空间的最大投影构建能量匹配准则,采用结构化小波滤波器组建立与信号能量一致的最优能量匹配小波。并通过波形匹配准则,使用优化函数建立与信号波形相同的最优波形匹配小波,完成大规模物联网终端密文数据分段小波降噪处理。经实验测试结果表明:所提算法能有效降低数据降噪延时,同时能获取较满意的降噪效果。

关键词：大规模物联网终端密文数据分段小波降噪

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车联网辅助大规模物联网业务传输方法研究

车联网辅助大规模物联网业务传输方法研究

作者：曲冠桥哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大规模物联网(Massive Internet of Things,MIo T)作为蜂窝物联网的一种,通过将所收集的业务向蜂窝网络回传,可以进一步促进万物的互联互通。由于MIo T设备具有价格低廉、易于部署等优点,MIo T目前已占据了蜂窝物联网中大量的市场份额... 详细信息

大规模物联网(Massive Internet of Things,MIo T)作为蜂窝物联网的一种,通过将所收集的业务向蜂窝网络回传,可以进一步促进万物的互联互通。由于MIo T设备具有价格低廉、易于部署等优点,MIo T目前已占据了蜂窝物联网中大量的市场份额。但是,即使第五代(5th Generation,5G)移动网络已在全球大面积进行部署,目前的蜂窝网络仍无法做到对全球的无缝覆盖。考虑到基站的建设成本与能耗代价,目前大量的修建基站以实现全球覆盖的目标仍无法实现。所以,部署在无蜂窝网络信号的偏远地区或蜂窝网络信号差的部分城市地区中的MIo T设备仍无法直接向蜂窝网络回传其收集的业务信息。为了解决该问题,本文提出了一种车联网辅助的大规模物联网业务传输方法。首先,部署在道路远端的MIo T设备需要先将业务聚合至道路附近的MIo T设备上。其次,道路附近的MIo T设备会将聚合的业务上传至过往的车辆上。最后,车辆会将MIo T设备上传的业务通过向其他车辆转发,最终卸载至蜂窝网络。本文的研究共分为三个部分,具体内容如下。第一部分的研究内容为基于设备中继的MIo T业务聚合。由于MIo T设备的最大发射距离有限,部署于道路远端的MIo T设备无法直接将业务上传至过往的车辆。所以本文提出了基于设备中继的业务聚合方法,处于道路远端的MIo T设备可以借助其他设备的中继,将业务向道路附近的MIo T设备上聚合。考虑到部署在同一区域内的MIo T设备所收集的业务类型与内容相近,且大量的MIo T设备同时发起通信时会造成信令资源的浪费,本文提出了多层设备数据转发系统,并将每层设备进行分簇。簇成员设备需要先将业务发送到所在簇的簇首设备上。簇首在将本簇所有设备的业务去冗余与压缩后,会将聚合业务向内层簇首进行转发,直至聚合业务到达了处于道路附近的第一层簇首设备上。本文主要对设备在进行业务聚合时的能耗最小与业务聚合路由可靠度最大的问题进行分析。通过本文提出的基于交替迭代方法的业务聚合算法可以解决上述优化问题,并为系统规划合适的分簇方案、单次聚合业务量、簇首选举方案与簇间聚合路由。仿真结果显示,本文所提的业务聚合方法在能耗开销指标与路由可靠度指标上优于其他业务聚合方法。第二部分的研究内容为车辆辅助的MIo T业务上传。当MIo T设备的业务聚合到道路附近的簇首设备上后,簇首设备需要将这些数据上传到过往的车辆。考虑到MIo T设备所装载电池容量的有限性、过往车辆到达的不确定性与设备缓存队列的稳定性,本文对道路附近的簇首向车辆上传业务的过程进行分析,并主要分析了MIo T设备在向车辆上传业务时的系统能效最大问题。通过本文所提的基于块坐标下降和并行连续凸约化方法的业务上传算法可以解决上述优化问题,并规划合适的簇首与车辆连接方案、簇首在上传业务时的功率资源分配方案与外层聚合业务的数据到达速率。仿真结果显示,本文所提的业务上传方法在能效指标与外层聚合业务的数据到达速率指标上优于其他业务上传方法。第三部分研究内容为基于车载自组网(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)的MIo T业务转发与卸载。当MIo T业务上传到车辆上后,由于此时车辆无法直接向蜂窝网络进行业务卸载,需要借助VANETs将业务转发至更接近蜂窝网络的车辆上,最后再向蜂窝网络进行卸载。考虑到不同业务具有不同的时延敏感度与最大容许传输时延、车辆的行驶轨迹具有随机性与不同蜂窝网络接入点具有不同网络负载等因素,本文设计了业务转发与卸载目标的代价函数,和业务转发与卸载策略。本文主要分析了基于传输目标代价和车载功率联合最小的问题。通过本文提出的基于分支定界和外部约化方法的业务转发与卸载算法可以解决上述优化问题,并为车辆寻找合适的业务传输路由并规划合适的功率资源分配方案。仿真结果表明,本文所提的业务转发与卸载方法,在业务成功向蜂窝网络的卸载率与能耗开销方面优于其他业务转发与卸载方法。

关键词：大规模物联网车载自组网资源分配业务传输

面向大规模物联网的随机接入:现状、挑战与机遇

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通信学报 2021年第4期42卷 1-21页

作者：范平志李里陈欢程高峰杨林杰汤小波西南交通大学信息科学与技术学院四川成都611756

在传统通信系统中,随机接入是终端与网络之间建立无线链路的必经过程,只有在随机接入完成之后,终端与网络之间才能正常进行数据传输。聚焦大规模节点物联网,首先阐述了大规模物联网随机接入的基本特征,分析了传统授权随机接入(RA)方法... 详细信息

在传统通信系统中,随机接入是终端与网络之间建立无线链路的必经过程,只有在随机接入完成之后,终端与网络之间才能正常进行数据传输。聚焦大规模节点物联网,首先阐述了大规模物联网随机接入的基本特征,分析了传统授权随机接入(RA)方法对于大规模物联网应用的局限性;然后从系统模型、协议框架、算法流程、系统性能等多个角度,讨论免授权RA、半免授权RA、无用户标识RA三大类新型大规模随机接入方法,分析各类方法优缺点,并指出面临的挑战与潜在的机遇;最后对大规模物联网随机接入涉及的关键技术与共性问题进行了总结。

关键词：大规模物联网随机接入免授权无用户标识RA 非正交多址

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大规模物联网系统中认证和安全传输技术研究

大规模物联网系统中认证和安全传输技术研究

作者：祁丙恒东南大学

学位级别：硕士

在互联网飞速发展的时代,物联网这一新兴的网络体系正日渐广泛的应用于生活中的各个领域。物联网给社会带来极大便利的同时,物联网安全技术是保障其稳步发展过程中不可或缺的基石。由于物联网存在设备异构、设备之间交互以及部署环境复... 详细信息

在互联网飞速发展的时代,物联网这一新兴的网络体系正日渐广泛的应用于生活中的各个领域。物联网给社会带来极大便利的同时,物联网安全技术是保障其稳步发展过程中不可或缺的基石。由于物联网存在设备异构、设备之间交互以及部署环境复杂等因素,物联网终端的安全性普遍较低。为保证物联网系统的安全,物联网终端认证方案以及端到端之间的安全传输机制是目前物联网安全技术炙手可热的研究内容。在当前“万物互联”的发展背景下,物联网规模逐渐庞大。类似于共享单车、智能电表、交通监控、车联网等拥有成千上万终端设备接入的大规模物联网场景越来越多。一方面在该类场景下,海量的数据处理需求会给服务器带来巨大的计算压力,导致传统的物联网安全机制效率低下甚至无法正常执行;另一方面,大规模物联网系统中的终端大多为计算和存储能力有限的设备,传统加密算法、安全协议等在设备上无法正常执行,导致安全性较低。因此,对于大规模物联网场景中系统安全的关键技术需要进一步的研究。本文分别针对大规模物联网场景下,终端认证和安全传输方案的缺陷和不足进行研究分析,提出了相应的解决方案,本文的主要工作和研究成果如下:(1)为解决大规模物联网场景中存在的环境变化造成的高误判和大量设备认证请求造成的高时延等问题,结合设备指纹技术提出了一种基于迁移学习的大规模物联网快速认证方案EAFA。首先,该方案利用物联网设备初始化阶段生成的指纹来建立无限高斯混合模型,随后,将设备生成的指纹与混合模型中记录的特征参数进行相似性比对以完成认证,紧接着,将成功认证的指纹添加到布隆过滤器中以缩短设备再次认证的时间,最后,使用迁移学习的方法检测环境造成的设备指纹变化以降低认证的误报警率。我们对EAFA方案进行了分析与实验验证,结果显示EAFA方案有效提高了设备认证的准确率,加快了对大规模物联网设备完成认证的速度,并且降低了传统指纹认证方案中由于环境变化导致的误报警率。(2)针对大规模物联网场景中的资源受限节点面临的存储空间不足、计算能力较差、通信链路不稳定、无法采用互联网标准安全协议等问题,提出了一种基于边缘计算的物联网安全架构,并在此架构的基础上提出了基于边缘计算的大规模物联网端到端安全传输方案ECST。该方案在资源受限节点和网关之间引入了边缘计算设备,并利用该设备对标准DTLS协议的握手流程进行代理,减少了资源受限节点的存储空间消耗并缩短了建立安全连接的时间。方案分析和实验结果表明该方案可以让物联网中的资源受限节点能够采用互联网标准的安全协议进行端到端安全通信,且具有较好的规模性、可扩展性和实际的可行性。

关键词：大规模物联网物联网安全认证方案安全传输协议端到端安全

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关于大规模物联网的多变量公钥安全传输研究

计算机仿真 2021年第6期38卷 109-112,267页

作者：蔡志锋陈伟三江学院计算机科学与工程学院江苏南京210012 东南大学计算机科学与工程学院江苏南京211189

由于大规模物联网具有复杂的模块与网络构成,且其设备密度越来越高,因此给物联网数据安全传输带来严重威胁。针对大规模物联网应用,提出一种扩展多变量公钥安全传输方案。首先对原始域的维度进行扩展,以增加公钥方程的系数。然后根据扩... 详细信息

由于大规模物联网具有复杂的模块与网络构成,且其设备密度越来越高,因此给物联网数据安全传输带来严重威胁。针对大规模物联网应用,提出一种扩展多变量公钥安全传输方案。首先对原始域的维度进行扩展,以增加公钥方程的系数。然后根据扩域与原始域建立同构关系,利用投射及其限定得到扩展公钥方程。再利用公钥对明文采取加密,使明文与密文构成的映射数量超过系数数量,在解密时利用公钥与无关方程构造多变量方程组。最后针对密码机制分别进行了线性攻击、差分攻击和秩攻击的安全分析。基于MAGAM与MATLAB的仿真结果,验证了扩展多变量公钥具有良好的加密与解密速度,能够抵御多种网络攻击,应用于大规模物联网场景中能够显著提升数据传输的安全性与传输效率。

关键词：大规模物联网多变量公钥维度扩展安全传输

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大规模低功耗物联网反射通信系统设计与优化

大规模低功耗物联网反射通信系统设计与优化

作者：徐玥中国科学技术大学

学位级别：硕士

反向散射通信（Backscatter）是一种不需要电源的低功耗通信技术,以环境中常见的电磁波作为载波传输发送信号,例如WiFi、ZigBee、蓝牙信号,可以实现随时随地的通信,在物联网领域被广泛应用。但现有的反射通信系统大都节点规模较小,不适... 详细信息

反向散射通信（Backscatter）是一种不需要电源的低功耗通信技术,以环境中常见的电磁波作为载波传输发送信号,例如WiFi、ZigBee、蓝牙信号,可以实现随时随地的通信,在物联网领域被广泛应用。但现有的反射通信系统大都节点规模较小,不适用于普通的室内办公场景,且节点的维护成本也比较高。为了解决这些问题,本文针对室内场景设计了一种基于反向散射通信的无源物联网通信系统,该系统由发送端、多个通信节点（Tag）、接收端组成。基于现有的光信号获能模块,为Tag设计了高频信号获能模块,使Tag无需安装电池,降低了节点的维护成本,且相较于其他无源通信系统,本文设计的通信协议中,采用了基于反向散射通信的OOK调制和CDMA编码相结合的信号处理方法,增大了系统中的节点容量。该通信系统的主要创新点在于（1）在光信号获能的基础上设计了一种射频信号获能模块,该模块可以收集射频信号能量并对Tag进行持续供压,保证Tag可以无源工作;（2）改进了针对高频信号的阻抗匹配网络值计算方法,降低了高频信号进入数字电路的损耗;（3）在反向散射通信的基础上结合了 OOK调制和CDMA编码,增加了系统中的Tag数量。在实际环境中,Tag可以安装传感器并通过传感器采集环境信息,以无源被动通信的方式将环境信息发送出去,信号发送过程的能量从环境电磁波中获取。作为一种可持续发展的低功耗通信系统,它可以适用于智能家居、智能办公等多种物联网通信场景。

关键词：反向散射码分复用无源通信大规模物联网

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基于小波神经网络的物联网主干光信道估计

光学技术 2020年第3期46卷 368-374页

作者：李扬江苏商贸职业学院电子与信息学院江苏南通226000 江苏省物联网与视觉智能处理工程技术研究开发中心江苏南通226000

传统的正交频分复用技术对正交性要求高且存在频谱资源的浪费,不适合大规模物联网接入5G网的应用场景,偏移正交幅度调制滤波器组多载波技术是该应用场景的一个解决方案,但该技术应用于40~100Gbps光纤主干网时存在固有干扰和光信道噪声... 详细信息

传统的正交频分复用技术对正交性要求高且存在频谱资源的浪费,不适合大规模物联网接入5G网的应用场景,偏移正交幅度调制滤波器组多载波技术是该应用场景的一个解决方案,但该技术应用于40~100Gbps光纤主干网时存在固有干扰和光信道噪声的问题,为此提出了基于小波神经网络的物联网主干光信道估计方法。通过最小二乘法对光信道进行初步估计,基于估计的结果和布谷鸟搜索算法初始化小波神经网络的参数;通过伪逆运算动态更新网络的权重参数,从而对信道状态进行实时跟踪,保持较高的估计准确性。实验结果显示,估计方法的效果好于传统的最小二乘估计和最小均方误差估计。

关键词：小波神经网络信道估计大规模物联网主干网滤波器组多载波第五代移动通信

物联网中多现象观测的压缩感知通信一体化方法

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物联网学报 2021年第1期5卷 53-61页

作者：韩成成陈力王卫东中国科学技术大学安徽合肥230022

观测多现象的大规模物联网采用正交多址接入(OMA,orthogonal multiple access)机制传输分布式节点的观测数据,会造成极大的传输时延,导致数据失去时效性。针对这一问题,研究了基于压缩感知(CS,compressed sensing)通信一体化的数据传输... 详细信息

观测多现象的大规模物联网采用正交多址接入(OMA,orthogonal multiple access)机制传输分布式节点的观测数据,会造成极大的传输时延,导致数据失去时效性。针对这一问题,研究了基于压缩感知(CS,compressed sensing)通信一体化的数据传输方法,该方法将物联网中分布式节点按照观测现象分为多节点簇,不同节点簇在不同分配时隙内传输观测数据。具体来说,在分配的数据传输时隙内,各簇节点利用随机信道作为CS观测矩阵,以相干传输方式将观测数据传至融合中心(FC,fusion center)形成CS观测值,然后FC利用CS算法从CS观测值中恢复观测数据。通过推导可达速率,发现可达性能与节点簇时隙分配密切相关。为实现最优性能,分别在最大总速率和保证观测公平性两个目标下,研究了物联网中节点簇时隙分配问题。最后,通过数值仿真进行性能验证和分析,仿真结果表明,与现有OMA数据传输机制相比,压缩感知通信一体化方法明显提高了物联网的观测数据速率。

关键词：大规模物联网多现象观测压缩感知通信一体化