FITEE 2022年第1期摘要（“智简无线网络理论与技术”专题）

【FITEE 2022年第1期出版“智简无线网络理论与技术”专题。北京邮电大学张平院士担任专题主编，北京邮电大学彭木根教授任执行主编，香港中文大学（深圳）崔曙光教授、浙江大学张朝阳教授、西安电子科技大学毛国强教授、深圳大学全智教授、新加坡科技设计大学Tony Q. S. QUEK教授、加拿大通信研究中心荣波研究员任客座编辑。包含1篇社论、1篇综述和5篇研究论文。扫描二维码即可下载全文PDF。】

“智简无线网络理论与技术”专题文章目录

1. 智简无线网络理论与技术（社论）

2. 智能无线接入网：架构、关键技术和试验平台（综述）

3. 适用于智简IoT网络的基于背向散射超低功耗软件无线电设计

4. 基于智能反射面辅助云无线接入网的波束成形和前传压缩设计

5. 基于多智能体深度强化学习的工业无线网络端边协同资源分配

6. 多点协同传输机制下的多层无人机-地面异构网络覆盖性能分析

7. 雾无线接入网络中面向低时延移动虚拟现实分发的联合上下行资源分配

1. Theory and techniques for "intellicise" wireless networks

智简无线网络理论与技术

张平¹，彭木根¹，崔曙光²，张朝阳³，毛国强⁴，全智⁵，Tony Q.S. QUEK⁶，荣波⁷

¹北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876
²香港中文大学（深圳）理工学院，中国深圳市，518172
³浙江大学信息科学与工程学院，中国杭州市，310027
⁴西安电子科技大学智慧交通研究院，中国西安市，710071
⁵深圳大学电子与信息工程学院，中国深圳市，518060
⁶新加坡科技设计大学信息系统技术与设计系，新加坡，487372
⁷加拿大通信研究中心，加拿大渥太华市，K2K 2Y7

摘要：现有5G向6G演进，需要适应更加苛刻、更多样化的应用场景，更为严格的能量约束，更加灵活的多维资源协同编排，同时避免网络扩张带来的资源需求急剧增大以及网络架构和协议的过度复杂化。这些挑战寻求一种智简（intellicise）无线网络新范式。其中，“intellicise”是应6G特征和场景应用需求提出的一个新形容词，代表“智慧内生、原生简约”。以人工智能与下一代组网技术的一体化为基础，智简无线网络持续探究和利用新的智能本原（例如，语义通信中的语义基等），主动以系统熵减为全局优化目标，自适应地重塑信息系统的核心模型，最终实现自身的智慧内生、原生简约。在此背景下，《信息与电子工程前沿（英文）》（FITEE）期刊组织了本期“智简无线网络理论与技术”专题。专题涵盖信息论、架构设计和智简无线网络，涉及空天地海一体化、资源管理、硬件测试平台等相关应用。此外，专题旨在回顾智简无线网络研究领域的进展并展望未来研究方向。

详见专题导读。

https://doi.org/10.1631/FITEE.2210000

2. Intelligent radio access networks: architectures, key techniques, and experimental platforms

智能无线接入网：架构、关键技术和试验平台

王则予，孙耀华，袁硕
北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876

摘要：智能无线接入网（RANs）是一种很有前途的范例，能够更好地满足各种应用需求并支持各种服务场景。本文概述了智能RANs最新进展。首先，总结了标准组织和运营商的工作，介绍了学术界提出的几种智能RAN体系架构，例如意图驱动RAN和具有增强数据分析功能的网络。然后，总结了使能技术，包括人工智能驱动的网络切片、意图感知、智能运维、基于AI的云边协同组网和智能多维资源分配。此外，介绍了近期在开放试验平台方面取得的进展。最后，鉴于研究领域的广泛性，从标准开放数据集、AI使能的算力网络、边缘智能和软件定义的智能地面卫星网络等未来方向进行探讨。

关键词：智能网络架构；人工智能；试验平台

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100305

3. Ultra-low-power backscatter-based software-defined radio for intelligent and simplified IoT network

适用于智简IoT网络的基于背向散射超低功耗软件无线电设计

董慧鑫¹，匡伟¹，肖菲²，刘立海³，向峰⁴，王巍¹，何建华^5
1华中科技大学电子信息与通信学院，中国武汉市，430074
²华中科技大学管理学院，中国武汉市，430074
²中铁第四勘察设计院集团有限公司，中国武汉市，430063
³武汉船舶通信研究所，中国武汉市，430079
³艾塞克斯大学计算机科学与电子工程学院，英国科尔切斯特市，CO4 3SQ

摘要：近年来，对智能和简化、为众多小型化设备提供超低功耗的通信物联网（IoT）的需求激增。尽管科研人员已开始为这些网络设计通信协议，但缺乏一个低功耗、高能效软件无线电（SDR）开发平台实现快速实施和实验评估。现有SDR平台只能在有源场景下工作良好，但不适用于硬件条件和能量高度受限的小型化IoT设备。本文率先尝试实现一种超低功耗SDR平台，可满足超低功耗甚至无源物联网节点的通信研发需求。为实现这个目标，将 µW级背向散射通信技术有效集成到SDR平台，避免使用高耗能有源射频前端器件。设计了一个包含能量收集和功率管理的新颖电路，并提出消除背向散射造成的谐波和镜像频率干扰方法。评估了不同调制方式下的SDR性能，实现了100 kb/s的高通信速率，该节点在唤醒状态能耗低于200 µW，在睡眠状态下能耗为10 µW。利用该平台进行一个铁路检查案例研究，在真实环境中且距离为50米时，实现1 kb/s的无源数据传输效率。此外，提供智能工厂和物流配送两个案例，探索所提平台的应用。

关键词：背向散射；超低功耗软件无线电；IoT网络

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100321

4. Beamforming and fronthaul compression design for intelligent reflecting surface aided cloud radio access networks

基于智能反射面辅助云无线接入网的波束成形和前传压缩设计

张昱^1,2，武学璐¹，彭宏¹，钟财军³，陈晓明^3
1浙江工业大学信息工程学院，中国杭州市，310023
²东南大学移动通信国家重点实验室，中国南京市，210096
³浙江大学信息与电子工程学院，中国杭州市，310027

摘要：得益于现在的中央信息处理和资源管理能力，对于智简化的第六代（6G）无线网络，云无线接入网（C-RAN）是一种很有前景的网络结构。然而，为了进一步增强云无线接入网的容量和覆盖范围，需要部署更多的无线射频拉远头（RRH）以及高保真、低延迟的前传链路，这会导致较高的实施成本。为了解决这个问题，本文提出利用智能反射面（IRS）作为增强云无线接入网低成本且节能的替代方法。具体来说，我们考虑多天线用户通过多天线射频拉远头与基带单元（BBU）池上行通信，并且在用户和射频拉远头之间部署多个智能反射面。射频拉远头可进行点对点压缩或Wyner-Ziv编码来压缩接收信号，然后通过前传链路转发到基带单元池。研究了在前传链路容量受约束情况下，对用户的发送波束成形、智能发射面的被动波束成形和前传压缩噪声的协方差矩阵进行联合优化，以在点对点或者Wyner-Ziv编码压缩下最大化上行总速率。通过利用Arimoto-Blahut算法和半正定松弛（SDR），提出一种连续凸近似方法解决上述非凸问题，并提供两种分别对应于点对点压缩和Wyner-Ziv编码的迭代算法。数值仿真结果验证了在云无线接入网中部署智能反射面带来的性能增益以及所提联合设计的优势。

关键词：云无线接入网；智能反射面；传输波束成形；前传压缩

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100307

5. Multi-agent deep reinforcement learning for end–edge orchestrated resource allocation in industrial wireless networks

基于多智能体深度强化学习的工业无线网络端边协同资源分配

刘晓宇^1,2,3,4，许驰^1,2,3，于海斌^1,2,3，曾鹏^1,2,3
1中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，中国沈阳市，110016
²中国科学院网络化控制系统重点实验室，中国沈阳市，110016
³中国科学院机器人与智能制造创新研究院，中国沈阳市，110169
⁴中国科学院大学，中国北京市，100049

摘要：边缘人工智能通过协同利用设备侧和边缘侧有限的网络、计算资源，赋能工业无线网络以支持复杂和动态工业任务。面向资源受限的工业无线网络，我们提出一种基于多智能体深度强化学习的资源分配（MADRL-RA）算法，实现了端边协同资源分配，支持计算密集型、时延敏感型工业应用。首先，建立了端边协同的工业无线网络系统模型，将具有感知能力的工业设备作为自学习的智能代理。然后，采用马尔可夫决策过程对端边资源分配问题进行形式化描述，建立关于时延和能耗联合优化的最小系统开销问题。接着，利用多智能体深度强化学习克服状态空间维灾，同时学习关于计算决策、算力分配和传输功率的有效资源分配策略。为了打破训练数据的时间相关性，同时加速MADRL-RA学习过程，设计了一种带经验权重的经验回放方法，对经验进行分类存储和采样。在此基础上，提出步进的ε-贪婪方法来平衡智能代理对经验的利用与探索。最后，通过大量对比实验，验证了MADRL-RA算法相较于多种基线算法的有效性。实验结果表明，MADRL-RA收敛速度快，能够学习到有效资源分配策略以实现最小系统开销。

关键词：多智能体深度强化学习；端边协同；工业无线网络；时延；能耗

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100331

6. Coverage performance of the multilayer UAV-terrestrial HetNet with CoMP transmission scheme

多点协同传输机制下的多层无人机-地面异构网络覆盖性能分析

王维昊，蒋逸凡，费泽松，郭婧
北京理工大学信息与电子学院，中国北京市，100081

摘要：为满足第六代移动通信的泛在连接需求，无人机作为未来通信网络主要组成部分发挥着关键作用。频谱共享和视距链路传输造成的干扰是无人机通信的一个主要问题。近年来，为减少无人机--地面异构网络干扰，提出多点协同传输技术。本文提出一个三维多层无人机-地面异构网络，其中无人机作为空中基站部署于不同高度。利用随机几何理论，提出一个易于处理的数学框架评估这个异构网络的干扰统计特性和覆盖概率。数值结果表明多点协同传输机制能有效缓解网络中的干扰，尤其当基站密度较大时。此外，部署在更高的空中基站的系统参数是影响所提三维异构网络覆盖性能的主要因素。

关键词：无人机；泊松点过程；多点协同；干扰统计特性；覆盖性能

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100310

7. Joint uplink and downlink resource allocation for low-latency mobile virtual reality delivery in fog radio access networks

雾无线接入网络中面向低时延移动虚拟现实分发的联合上下行资源分配

党甜，刘晨熙，刘喜庆，闫实
北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876

摘要：雾无线接入网络（F-RAN）中，雾接入节点上部署了通信、缓存和计算功能，因此，F-RAN被认为是一种可使能移动虚拟现实（VR）应用的无线网络架构。为实现移动VR分发，高效的下行资源分配策略已被广泛研究，但同样重要的VR分发上行资源分配问题至今少有关注。本文研究了基于F-RAN的移动VR分发框架，并同时考虑上行和下行传输的影响。首先，通过刻画系统往返时延，揭示了通信、缓存和计算资源的影响。在此基础上，考虑缓存和计算容量以及上行和下行链路传输容量的约束，提出一种简单高效的往返时延最小化算法。仿真结果表明，与其他基准方法相比，本文所提算法可有效降低往返时延；阐明了通信、缓存和计算资源对往返时延性能的影响。

关键词：虚拟现实分发；雾无线接入网络；往返时延；资源分配

https://doi.org/10.1631/FITEE.2100308

8. Dynamic grouping of heterogeneous agents for exploration and strike mission

探索与打击任务中异构智能体动态分组策略

陈晨¹，吴啸尘¹，陈杰^1,2，Panos M. PARDALOS³，丁舒忻^4
1北京理工大学自动化学院，中国北京市，100081
²同济大学控制科学与工程系，中国上海市，200092
³佛罗里达大学工业与系统工程系应用优化中心，美国佛罗里达州盖恩斯维尔市，32611
⁴中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，中国北京市，100081

摘要：多变的环境和复杂的作战任务对无人作战智能体任务群组的构建提出了新的要求。本文旨在解决新需求下的任务群组动态构建问题。针对智能体的异构性，在不断探索任务的情况下群体形成方法需满足能动态形成新的群组。提出一种融合了启发式规则和响应阈值模型的群组形成策略，用于动态调整任务群组的成员以适应新的任务需求。将任务需求与群组能力的匹配程度以及群组的组网开销作为评价团队素质的指标。选取响应阈值法和蚁群算法作为仿真实验中的对比算法。结果表明所提方法在解决动态任务组形成问题时具备一定优势。

关键词：多智能体；动态作战任务；任务组形成；启发式规则；组网开销

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000352

9. EDVAM: a 3D eye-tracking dataset for visual attention modeling in a virtual museum

用于虚拟博物馆视觉注意建模的三维眼动数据集

周赟湛¹，冯天²，帅世辉³，厉向东⁴，孙凌云⁵，杜本麟^2
1杜伦大学计算机科学学院，英国杜伦市，DH1 3LE
²乐卓博大学计算机科学与信息技术学院，澳大利亚维多利亚州，3086
³阿里巴巴集团，中国杭州市，311121
⁴浙江大学数字媒体系，中国杭州市，310027
⁵浙江大学国际设计研究院，中国杭州市，310058

摘要：视觉注意预测能帮助建立适应性虚拟博物馆环境，提供上下文感知和交互式用户体验。目前，利用眼动数据探究视觉注意机制的研究仍限于二维场景。研究者尚未能从时间和空间的角度出发，在三维虚拟场景里研究这一问题。为此，我们构建了第一个用于虚拟博物馆视觉注意建模的三维眼动数据集，命名为EDVAM。我们还建立了一个深度学习模型，通过历史眼动轨迹预测用户未来的视觉注意区域，用于测试EDVAM。这项研究能为虚拟博物馆的视觉注意建模和上下文感知交互提供参考。

关键词：视觉注意；虚拟博物馆；眼动数据集；注视检测；深度学习

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000318

10. Motion detection for high-speed high-brightness objects based on a pulse array image sensor

基于脉冲阵列图像传感器的高速高亮度目标检测

张培文^1,2，徐江涛^1,2，聂华峰^1,2，高志远^1,2，聂凯明^1,2
1天津大学微电子学院，中国天津市，300072
²天津市成像与感知微电子技术重点实验室，中国天津市，300072

摘要：提出一种基于脉冲阵列图像传感器（PAIS）的高速高亮目标光流提取方法。PAIS是将光信号转换成一系列脉冲间隔的仿视网膜图像传感器。通过累积连续脉冲直接从脉冲数据流中获得光流，当目标相对于背景亮度较大时，触发点可过滤冗余数据。该方法充分利用PAIS对高亮度目标快速响应特性。将该方法用于不同背景亮度高速转盘的光流提取，在传感器模型和实际拍摄数据中进行实验。在2×10⁴帧/秒的采样条件下拍摄转速为1000转/分的高速转盘，可以滤除90%以上冗余点。实验结果表明，基于脉冲数据的光流提取算法可在无需重构灰度图像基础上有效提取高亮目标光流信息。

关键词：器光流；仿视网膜图像传感器；脉冲触发；高速目标；视觉处理

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000407

11. Identification of important factors influencing nonlinear counting systems

非线性计数系统的关键因子辨识方法

张新民，王静波，魏驰航，宋执环
浙江大学控制科学与工程学院工业控制技术国家重点实验室，中国杭州市，310027

摘要：从数据中识别对系统输出产生较大影响的关键因子是科学和工程领域最具挑战性的任务之一。本文针对非线性计数系统，提出基于敏感性分析的广义高斯过程回归（SA-GGPR）建模方法，以识别影响系统输出的关键因子。SA-GGPR采用具有泊松似然的GGPR模型描述非线性计数系统。GGPR模型继承了非参数核学习和泊松分布的优点，可处理复杂非线性计数系统。然而，由于GGPR模型的非参数核学习架构，难以理解GGPR模型中输入和输出之间的关系。SA-GGPR方法通过定量评估不同输入对系统输出的影响来辨识影响系统输出的关键因子。在模拟非线性计数系统和实际钢铁轧制过程的应用结果表明，SA-GGPR方法在识别精度方面优于几种先进方法。

关键词：关键因子；非线性计数系统；广义高斯过程回归；敏感性分析；钢铁轧制过程

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000324

12. An energy-efficient reconfigurable asymmetric modular cryptographic operation unit for RSA and ECC

一种用于RSA和ECC的高能效可重构非对称密码模运算单元

别梦妮¹，李伟¹，陈韬¹，南龙梅²，杨丹阳^1
1信息工程大学，中国郑州市，450001
²复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，中国上海市，200000

摘要：RSA和椭圆曲线密码（ECC）算法广泛应用于身份验证、数据安全和访问控制。本文分析了ECC和RSA算法基本操作并对模乘和模逆算法进行优化。提出一个具有混合内存单元和双乘加结构的可重构模运算单元，实现了非对称密码算法在运算单元层次的统一。采用55 nm CMOS标准工艺对模运算单元进行综合，该单元占用硬件资源437 801 µm²，最高时钟频率可达588 MHz。所提模运算单元完成2048位RSA模乘和模逆功耗分别为21.92和23.36 mW，完成512位ECC双域模乘和模逆功耗分别为16.16和15.88 mW。它比现有单一算法单元更高效、更灵活。与现有多算法单元相比，所提单元表现出更好性能。将所提模运算单元嵌入64位RISC-V处理器，可实现RSA和ECC的密钥生成、加解密以及数字签名功能。实验结果表明，所提设计在G(p)和G(2^m)上实现256位ECC点乘分别需要0.224和0.153 ms，实现1024位RSA求幂需要0.96 ms，满足高能效需求。

关键词：模运算单元；可重构；高能效

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000325

13. A relation spectrum inheriting Taylor series: muscle synergy and coupling for hand

继承泰勒级数的关系谱分析：手部肌肉协同与耦合

刘刚，王晶
西安交通大学机器人与智能系统研究所，中国西安市，710049

摘要：数学中有两种著名的函数分解方法：泰勒级数和傅里叶级数。傅里叶级数发展成为傅里叶频谱，用于信号分解和分析；而泰勒级数的求解需要已知具体函数表达式，所以其在工程领域很少被应用。本文使用树突网络发展了泰勒级数，构造了关系谱，并将其应用于模型或系统分解和分析。了解肌肉激活与手指运动之间的直观联系对于开发无需用户预训练的商业假肢至关重要。然而，由于人手的复杂性，该直观联系尚未被理解。本文使用关系谱分析了肌肉-手指系统。在手指运动中，一块肌肉同时驱动多个手指，多块肌肉同时驱动一个手指。因此，本研究聚焦于手部的肌肉协同与耦合。本文有两个主要贡献：（1）有关手部的发现有助于假肢手的设计；（2）关系谱使在线模型可读，从而统一了在线性能和离线结果。开源代码见https://github.com/liugang1234567/Gang-neuron。

关键词：泰勒级数；关系谱；树突网络；假肢手；机器学习；工程

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000578

14. Design and optimization of a gate-controlled dual direction electro-static discharge device for an industry-level fluorescent optical fiber temperature sensor

一种用于工业级荧光光纤温度传感器的栅控双向静电放电器件的设计与优化

汪洋¹，金湘亮¹，杨健¹，严峰¹，刘煜杰¹，彭艳²，罗均²，杨军^3
1湖南师范大学物理与电子科学学院，中国长沙市，410081
²上海大学机电工程与自动化学院，中国上海市，200444
³西安大略大学工程学院，加拿大安大略省伦敦市，N6A3K7

摘要：工业级荧光光纤温度传感器读出电路的I/O引脚需要片上集成高性能静电放电（ESD）保护器件。采用0.18 µm标准BCD工艺制造的基本N型埋层栅控可控硅（NBL-GCSCR）失效等级难以满足需求。因此，基于相同半导体工艺，提出片上集成新型高失效等级深N阱栅控可控硅（DNW-GCSCR）以有效解决上述问题。采用技术计算机辅助设计（TCAD）仿真分析器件特性。可控硅通过传输线脉冲（TLP）进行测试，以获得准确ESD参数。具有纵向双极晶体管（BJT）路径的NBL-GCSCR维持电压（24.03 V）明显高于具有相同尺寸横向可控硅路径的DNW-GCSCR维持电压（5.15 V）。NBL-GCSCR器件的失效电流为1.71 A，DNW-GCSCR器件的失效电流为20.99 A。当DNW-GCSCR栅极尺寸从2 µm增加到6 µm时，维持电压为从3.50 V增加到8.38 V。优化后的DNW-GCSCR（栅极尺寸6 µm）可以稳定应用于目标读出电路的片上静电放电保护。

关键词：静电击穿；半导体器件可靠性；CMOS工艺

https://doi.org/10.1631/FITEE.2000504

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关于本刊

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（简称FITEE，中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，ISSN 2095-9184，CN 33-1389/TP）是信息电子类综合性英文学术月刊，SCI-E、EI收录，最新影响因子2.161，位于JCR Q2分区。前身为2010年创办的《浙江大学学报英文版C辑：计算机与电子》，2015年更为现名，现为中国工程院信息与电子工程学部唯一院刊。覆盖计算机、信息与通信、控制、电子、光学等领域。文章类型包括研究论文、综述、个人视点、评述等。现任主编为中国工程院院士潘云鹤、卢锡城。实行国际同行评审制，初次转达意见一般在2~3个月内。文章一经录用将快速在线。

2019年，荣获中国科协等七部委推出的中国科技期刊卓越行动计划项目资助（梯队期刊）。

官网：http://www.jzus.zju.edu.cn

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