Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2023 Vol.24 No.4 P.481-632

Cover:

<238>

Contents:

<164>

<<< CONTENTS >>>

Regular Papers

Position Paper: Privacy and security federated reference architecture for Internet of Things

Musab KAMAL, Imran RASHID, Waseem IQBAL, Muhammad Haroon SIDDIQUI, Sohaib KHAN, Ijaz AHMAD

DOI: 10.1631/FITEE.2200368 Downloaded: 2556 Clicked: 1185 Cited: 0 Commented: 0(p.481-508) <Full Text> <PPT> 187

Chinese summary <31> 物(wù)聯網隐私與安全聯合參考架構

Musab KAMAL¹, Imran RASHID¹, Waseem IQBAL¹, Muhammad Haroon SIDDIQUI¹,
Sohaib KHAN¹, Ijaz AHMAD²
¹國立科技大(dà)學信息安全系，巴基斯坦伊斯蘭堡，44000
²馬甲大(dà)學學院信息技術系，阿曼馬斯喀特，112
摘要：各種物(wù)體(tǐ)正以驚人速度連接到互聯網，使物(wù)聯網概念成爲現實。物(wù)聯網生(shēng)态系統正以智能家居、醫療保健系統、可穿戴設備、聯網車(chē)輛和多種産業形式普及，由此增加了與系統隐私和安全相關的風險。架構缺陷帶來的物(wù)聯網設備安全問題和網絡攻擊可能阻礙物(wù)聯網産品的發展。解決這些問題，需在物(wù)聯網構建塊中(zhōng)設置隐私和安全權限。多年來，物(wù)聯網架構不斷演變，通過可測量性、管理、互操作性和可擴展性等新方案改進了架構。爲此，亟需結合隐私和安全考量，對物(wù)聯網參考架構進行标準化和有效管理。本文檢查了12個現有物(wù)聯網參考架構，對照标準中(zhōng)的要求，分(fēn)析各自不足之處。基于此，提出一(yī)種新的架構，即結合隐私的物(wù)聯網安全參考架構（PF-IoT-SRA），其诠釋了物(wù)聯網通信環境中(zhōng)所有隐私指标，可以對抗主要威脅和攻擊。這是朝着領域架構标準化邁出的一(yī)步。我(wǒ)們使用架構權衡分(fēn)析法（ATAM）--一(yī)種行業認可的基于場景的方法--驗證了所提參考架構的有效性。

關鍵詞組：架構上重要的需求（ASR）；架構權衡分(fēn)析法（ATAM）；互聯網架構闆；物(wù)聯網；隐私增強技術；隐私驗證鏈

Programming bare-metal accelerators with heterogeneous threading models: a case study of Matrix-3000

Jianbin FANG, Peng ZHANG, Chun HUANG, Tao TANG, Kai LU, Ruibo WANG, Zheng WANG

DOI: 10.1631/FITEE.2200359 Downloaded: 1317 Clicked: 1356 Cited: 0 Commented: 0(p.509-520) <Full Text> <PPT> 198

Chinese summary <27> 以Matrix-3000爲例研究面向裸金屬加速器的異構多線程編程模型

方建濱¹，張鵬¹，黃春¹，唐滔¹，盧凱¹，王睿伯¹，王峥²
¹國防科技大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國長沙市，410073
²利茲大(dà)學計算學院，英國利茲市，LS2 9JT
摘要：随着處理器設計轉向使用專門的異構多核以避免功耗牆的影響，軟件開(kāi)發人員(yuán)發現很難處理這些處理器系統的複雜(zá)性。以Matrix-3000爲代表的新型處理器具有複雜(zá)的内存層次結構和處理器組織，是爲下(xià)一(yī)代E級超級計算機設計的高性能處理器。本文分(fēn)享了我(wǒ)們爲Matrix-3000開(kāi)發的并行編程模型及其支持編譯器和庫的經驗。爲了幫助軟件開(kāi)發，我(wǒ)們從頭開(kāi)始開(kāi)發了一(yī)個針對Matrix-3000的軟件棧，包括一(yī)個低層次的編程接口和一(yī)個高層次的OpenCL編譯器。該低層次編程模型爲使用Matrix-3000的裸金屬加速器提供了原生(shēng)編程支持，而高層次模型允許程序員(yuán)使用OpenCL并行編程标準。我(wǒ)們詳細介紹了該軟件棧的設計選擇，并強調了從開(kāi)發系統軟件中(zhōng)學到的經驗教訓，以實現裸金屬加速器的高效程序編寫和性能解鎖。我(wǒ)們的編程模型已經被部署到一(yī)個E級原型系統的生(shēng)産環境中(zhōng)。

關鍵詞組：異構計算；并行編程模型；可編程性；編譯器；運行時系統

A novel motion coordination method for variable-sized multi-mobile robots

Zichao XING, Xingkai WANG, Shuo WANG, Weimin WU, Ruifen HU

DOI: 10.1631/FITEE.2200160 Downloaded: 1294 Clicked: 1194 Cited: 0 Commented: 0(p.521-535) <Full Text> <PPT> 238

Chinese summary <26> 一(yī)種新型變尺寸多移動機器人的運動協同方法

邢子超，汪星恺，王碩，吳維敏，胡瑞芬
浙江大(dà)學智能系統與控制研究所，工(gōng)業控制技術國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310027
摘要：多移動機器人系統（MMRS）廣泛用于制造業和倉儲等工(gōng)業場景的運輸。在MMRS中(zhōng)，碰撞和死鎖可能導緻财産損失或系統停滞，因此運動協同十分(fēn)重要。然而，在一(yī)些場景中(zhōng)，機器人尺寸在載貨和未載貨時是不同的，即機器人尺寸是變化的，這使得運動協同更具挑戰性。基于區域控制的方法首先需要将環境劃分(fēn)爲不相交區域，然後通過區域的分(fēn)配靜态或動态地進行運動協同。但是，這種基于區域控制的方法對于變尺寸機器人不夠精确，降低系統效率。因此，提出一(yī)種基于粘連節點的運動協調方法，可基于路線圖和機器人實時路徑動态避免碰撞和死鎖。粘連節點的動态特性使該方法不必對環境分(fēn)區即可适用于各種場景。所提方法已應用于多個工(gōng)業項目，本文基于一(yī)些制造業項目進行實驗。理論分(fēn)析和實驗結果表明所提算法是有效和高效的。

關鍵詞組：多移動機器人系統；碰撞避免；死鎖避免；粘連節點；運動協同

A distributed variable density path search and simplification method for industrial manipulators with end-effector’s attitude constraints

Jin WANG, Shengjie LI, Haiyun ZHANG, Guodong LU, Yichang FENG, Peng WANG, Jituo LI

DOI: 10.1631/FITEE.2200353 Downloaded: 1373 Clicked: 1212 Cited: 0 Commented: 0(p.536-552) <Full Text> <PPT> 192

Chinese summary <29> 一(yī)種滿足末端姿态約束的工(gōng)業機械臂分(fēn)布式變密度路徑搜索與簡化方法

王進^1,2，厲聖傑^1,2，張海運³，陸國棟^1,2，馮奕暢^1,2，王鵬^1,2，李基拓^1,2
¹浙江大(dà)學機械工(gōng)程學院流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310027
²浙江大(dà)學機械工(gōng)程學院設計工(gōng)程及數字孿生(shēng)浙江省工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州市，310027
³甯波工(gōng)程學院機器人學院，中(zhōng)國甯波市，315211
摘要：在許多機器人操作場景中(zhōng)，末端執行器的運動姿态約束是機器人完成焊接、噴塗、搬運、碼垛等常見任務必不可少的。同時，姿态約束下(xià)的路徑規劃過程中(zhōng)涉及到逆運動學、碰撞檢測和空間搜索等關鍵問題，在實際應用中(zhōng)難以兼顧令人滿意的效率和約束效果。針對這些問題，提出一(yī)種帶末端約束的工(gōng)業機器人分(fēn)布式變密度路徑規劃方法（DVDP-AC）。首先，針對運動學逆解提出位置-姿态約束重構（PACR）方法。然後，設計了具有單步安全球（SSS）的分(fēn)布式有向距離(lí)場（DSDF）模型，以提高碰撞檢測的效率。在此基礎上，在笛卡爾空間中(zhōng)采用變密度路徑搜索方法，并進一(yī)步提出一(yī)種考慮路徑可達性的前向路徑簡化方法（FSPS），以自适應地快速消除冗餘的路徑點。最後，實驗結果驗證了所提出的DVDP-AC方法在末端執行器姿态約束下(xià)的性能和有效性，并與目前主流路徑規劃方法進行比較，說明了該方法的特點和優勢。

關鍵詞組：路徑規劃；工(gōng)業機器人；分(fēn)布式有向距離(lí)場；姿态約束；路徑簡化

Synchronization of nonlinear multi-agent systems using a non-fragile sampled data control approach and its application to circuit systems

Stephen AROCKIA SAMY, Raja RAMACHANDRAN, Pratap ANBALAGAN, Yang CAO

DOI: 10.1631/FITEE.2200181 Downloaded: 2379 Clicked: 2216 Cited: 0 Commented: 47(p.553-566) <Full Text> <PPT> 223

Chinese summary <25> 基于非脆弱采樣數據控制的非線性多智能體(tǐ)系統同步控制及其在電路系統中(zhōng)的應用

Stephen AROCKIA SAMY¹，Raja RAMACHANDRAN²，Pratap ANBALAGAN³，曹陽⁴
¹Alagappa大(dà)學數學系，印度泰米爾納德邦，Karaikudi 630 003
²Alagappa大(dà)學高等數學Ramanujan中(zhōng)心，印度泰米爾納德邦，Karaikudi 630 003
³國立Kunsan大(dà)學風能系統研究中(zhōng)心，韓國群山市，573-701
⁴東南(nán)大(dà)學網絡空間安全學院，中(zhōng)國南(nán)京市，210096
摘要：設計了一(yī)個非脆弱采樣數據控制方案，用于互連耦合電路系統（多智能體(tǐ)系統）的漸近同步标準。該方案對所考慮的多智能體(tǐ)系統在時變延遲情況下(xià)作同步分(fēn)析。通過構建合适的李亞普諾夫函數，得出線性矩陣不等式成立的充分(fēn)條件，确保多智能體(tǐ)領導者和跟随者系統之間的同步。最後，給出兩個數值案例，展示了該控制方案的有效性和所提李亞普諾夫函數的較低保守性。

關鍵詞組：多智能體(tǐ)系統；非脆弱采樣數據控制；時變延遲；線性矩陣不等式；漸近同步

An array of two periodic leaky-wave antennas with sum and difference beam scanning for application in target detection and tracking

Mianfeng HUANG, Juhua LIU

DOI: 10.1631/FITEE.2200473 Downloaded: 2366 Clicked: 1085 Cited: 0 Commented: 0(p.567-581) <Full Text> <PPT> 194

Chinese summary <25> 一(yī)種應用于目标檢測和跟蹤的和差波束掃描的雙周期漏波天線陣列

黃棉烽^1,2，劉菊華^1,2
¹中(zhōng)山大(dà)學電子與信息工(gōng)程學院，中(zhōng)國廣州市，510006
²中(zhōng)山大(dà)學廣東省光電信息處理芯片與系統重點實驗室，中(zhōng)國廣州市，510006
摘要：本文提出一(yī)種兩個基片集成波導（SIW）周期性漏波天線（LWA）組成的天線陣列，該陣列具有和差波束掃描功能，可應用于目标檢測和跟蹤。陣列由兩個具有不同周期的漏波天線組成，其中(zhōng)每個漏波天線通過n=-1空間諧波輻射産生(shēng)窄波束。這兩個漏波天線因爲具有不同的周期所以可産生(shēng)兩個不同方向的波束。當對陣列進行同相饋電時，這兩個波束将組合成和波束；當對陣列進行反相饋電時，兩個波束則組合成差波束。我(wǒ)們設計了集成180°混合網絡的陣列，并對其加工(gōng)與實測。實測結果顯示陣列的和波束增益最高可達15.9 dBi，和波束掃描範圍爲-33.4°至20.8°。在掃描範圍内，差波束中(zhōng)的零點方向與和波束的輻射方向角一(yī)緻，最低的零點深度爲-40.8 dB。實測結果表明該天線陣列具有優異的性能，能夠爲目标檢測和跟蹤應用提供一(yī)種低複雜(zá)度和低成本的替代解決方案。

關鍵詞組：天線；漏波天線（LWA）；基片集成波導（SIW）；和差波束；目标檢測和跟蹤

Dynamic power-gating for leakage power reduction in FPGAs

Hadi JAHANIRAD

DOI: 10.1631/FITEE.2200084 Downloaded: 1721 Clicked: 1124 Cited: 0 Commented: 0(p.582-598) <Full Text> <PPT> 185

Chinese summary <26> 在現場可編程門陣列中(zhōng)用于降低洩漏功率的動态電源門控

Hadi JAHANIRAD
庫爾德斯坦大(dà)學電子與通信工(gōng)程系，伊朗薩南(nán)達季市，66177-15175
摘要：現場可編程門陣列（FPGA）器件由于其低設計成本和可重構性，在電子系統中(zhōng)得到廣泛應用。在手持電子系統等電池受限的應用中(zhōng)，低功耗FGPA的需求很大(dà)。在現代集成電路技術中(zhōng)，洩漏功率幾乎相當于動态功率，因此降低洩漏功率可以顯著節省能耗。我(wǒ)們提出一(yī)種基于靜态随機存取存儲器（SRAM）的FPGA高效架構，其中(zhōng)每個模塊定義了兩種模式（活動模式和休眠模式）。在休眠模式下(xià)，模塊消耗超低洩漏功率。當模塊輸出對新輸入向量的評估時，模塊模式由休眠模式動态改變爲活動模式。在産生(shēng)正确的輸出後，該模塊返回到休眠模式。所提電路設計在活動模式和休眠模式下(xià)都降低了洩漏功耗。通過在FPGA-SPICE軟件上實現北(běi)卡羅來納州微電子中(zhōng)心（MCNC）基準電路，将所提出的低洩漏FPGA體(tǐ)系結構與最先進的體(tǐ)系結構進行比較。仿真結果表明，休眠模式下(xià)洩漏功耗降低約95%。此外(wài)，與以往的最佳設計相比，總功耗（洩漏功耗+動态功耗）降低15%以上。平均面積開(kāi)銷（4.26%）小(xiǎo)于其他電源門控設計。

關鍵詞組：現場可編程門陣列（FPGA）；洩漏功率；電源門控；晶體(tǐ)管級電路設計

Efficient and optimized approximate GDI full adders based on dynamic threshold CNTFETs for specific least significant bits

Ayoub SADEGHI, Razieh GHASEMI, Hossein GHASEMIAN, Nabiollah SHIRI

DOI: 10.1631/FITEE.2200077 Downloaded: 1222 Clicked: 1296 Cited: 0 Commented: 0(p.599-616) <Full Text> <PPT> 200

Chinese summary <24> 基于特定最低有效位動态阈值碳納米管場效應晶體(tǐ)管的高效優化近似栅極擴散輸入全加器

Ayoub SADEGHI¹，Razieh GHASEMI²，Hossein GHASEMIAN³，Nabiollah SHIRI¹
¹伊斯蘭阿紮德大(dà)學設拉子分(fēn)校電氣工(gōng)程系，伊朗設拉子，7198774731
²伊朗科技大(dà)學電氣工(gōng)程學院，伊朗德黑蘭，1684613114
³設拉子技術大(dà)學電氣與電子工(gōng)程系，伊朗設拉子，7155713876
摘要：碳納米管場效應晶體(tǐ)管（CNTFET）可替代傳統晶體(tǐ)管，尤其在基于近似計算的容錯數字電路中(zhōng)。本文結合CNTFET技術和栅極擴散輸入（GDI）技術，提出3種分(fēn)别具有6、6和8個晶體(tǐ)管的基于近似計算的全加器。采用基于非支配排序的遺傳算法II，将管數和手性向量作爲變量，對所提單元進行性能尋優。結果表明，在電路面積有所增加的情況下(xià)，功耗延時積性能指标提升約50%。采用蒙特卡羅方法（MCM）和32 nm CNTFET技術，評估所提電路在制造過程中(zhōng)的工(gōng)藝偏差和穩定性。與文獻中(zhōng)的方法相比，所提電路具有更高穩定性。在電路晶體(tǐ)管中(zhōng)使用的動态阈值技術修正了可能出現的輸出壓降。所提電路出色的電路性能和差錯率使其可以作爲複雜(zá)算術電路（如乘法器）的最低有效位（LSB）部分(fēn)。

關鍵詞組：碳納米管場效應晶體(tǐ)管（CNTFET）；優化算法；基于非支配排序的遺傳算法II（NSGA-II）；栅極擴散輸入（GDI）；近似計算

Correspondence: Wavelength-selective wavefront shaping by metasurface

Zixin CAI, Xin HE, Xin LIU, Shijie TU, Xinjie SUN, Paul BECKETT, Aditya DUBEY, Arnan MITCHELL, Guanghui REN, Xu LIU, Xiang HAO

DOI: 10.1631/FITEE.2200510 Downloaded: 1579 Clicked: 993 Cited: 0 Commented: 0(p.617-625) <Full Text> <PPT> 225

Chinese summary <23> 基于超表面實現波長選擇性波前整形

蔡子信¹，何欣¹，劉鑫¹，塗世傑¹，孫昕婕¹，Paul BECKETT²，Aditya DUBEY³，Arnan MITCHELL³，任光輝³，劉旭¹，郝翔^1,4,5
¹浙江大(dà)學光電科學與工(gōng)程學院現代光學儀器國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310027
²皇家墨爾本理工(gōng)大(dà)學工(gōng)程學院，澳大(dà)利亞墨爾本市，3000
³皇家墨爾本理工(gōng)大(dà)學集成光子與應用中(zhōng)心，澳大(dà)利亞墨爾本市，3001
⁴浙江大(dà)學嘉興研究院智能光電創新中(zhōng)心，中(zhōng)國嘉興市，314000
⁵嘉興市光電傳感與智能成像重點實驗室，中(zhōng)國嘉興市，314000
摘要：精确的、與波長相關的相位調制在許多領域中(zhōng)是必不可少的，比如超分(fēn)辨成像、全彩色全息、微納加工(gōng)以及光通訊。這一(yī)要求很難通過單一(yī)的傳統光學元件實現，一(yī)般需要使用多個光學元件組合完成。本文提出一(yī)種可以實現波長選擇性波前整形的超表面設計方法。具體(tǐ)來說，本文設計了一(yī)種超表面，它能夠對785 nm波長的光做渦旋相位調制，同時不影響590 nm波長的光保持原有相位分(fēn)布。本文通過幹涉儀以及對應點擴散函數的測量來驗證不同波長下(xià)的波前分(fēn)布。與已提出的空間複用方式以及色散工(gōng)程的方法相比，我(wǒ)們提出的設計方法更加直接，優化難度小(xiǎo)，适用于需要波長選擇性編碼的光學系統。本文所提平面光學器件對于需要波長選擇性編碼的光學系統具有重要應用意義。

關鍵詞組：超表面；波長選擇性；渦旋光；波前整形

Correspondence: Frequency–angle two-dimensional reflection coefficient modeling based on terahertz channel measurement

Zhaowei CHANG, Jianhua ZHANG, Pan TANG, Lei TIAN, Li YU, Guangyi LIU, Liang XIA

DOI: 10.1631/FITEE.2200290 Downloaded: 1094 Clicked: 1049 Cited: 0 Commented: 0(p.626-632) <Full Text> <PPT> 195

Chinese summary <23> 基于太赫茲信道測量的頻(pín)角二維反射系數建模

常钊玮¹，張建華¹，唐盼¹，田磊¹，于力¹，劉光毅²，夏亮²
¹北(běi)京郵電大(dà)學網絡與交換技術國家重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京市，100876
²中(zhōng)國移動研究院，中(zhōng)國北(běi)京市，100053
摘要：太赫茲信道傳播特性對太赫茲通信系統的設計、評估和優化至關重要。此外(wài)，反射在信道傳播中(zhōng)起着重要作用。本文基于大(dà)量的信道測量工(gōng)作，對太赫茲通道的反射系數進行研究。首先，建立從220 GHz到320 GHz的太赫茲信道測深平台，入射角範圍從10°到80°。根據實測的傳播損耗，分(fēn)别計算玻璃、瓷磚、木闆、石膏闆和鋁合金五種建築材料的頻(pín)率和入射角的反射系數。研究發現，由于缺乏與太赫茲相關的參數，導緻非金屬材料的菲涅耳模型無法成功地拟合實測數據。因此，通過改進菲涅耳模型與洛倫茲和德魯德模型，提出一(yī)個頻(pín)角二維反射系數模型。該模型表征了反射系數的頻(pín)率和入射角，與實測數據的均方根誤差較小(xiǎo)。總的來說，這些結果對于太赫茲通道的建模做出貢獻。

關鍵詞組：太赫茲通信；反射系數建模；入射角；建築材料；菲涅耳模型