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:

<342>

Contents:

<262>

<<< 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: 7060 Clicked: 1925 Cited: 0 Commented: 0(p.481-508) <Full Text> <PPT> 342

Chinese summary <36> 物联网隐私与安全联合参考架构

Musab KAMAL¹, Imran RASHID¹, Waseem IQBAL¹, Muhammad Haroon SIDDIQUI¹,
Sohaib KHAN¹, Ijaz AHMAD²
¹国立科技大学信息安全系，巴基斯坦伊斯兰堡，44000
²马甲大学学院信息技术系，阿曼马斯喀特，112
摘要：各种物体正以惊人速度连接到互联网，使物联网概念成为现实。物联网生态系统正以智能家居、医疗保健系统、可穿戴设备、联网车辆和多种产业形式普及，由此增加了与系统隐私和安全相关的风险。架构缺陷带来的物联网设备安全问题和网络攻击可能阻碍物联网产品的发展。解决这些问题，需在物联网构建块中设置隐私和安全权限。多年来，物联网架构不断演变，通过可测量性、管理、互操作性和可扩展性等新方案改进了架构。为此，亟需结合隐私和安全考量，对物联网参考架构进行标准化和有效管理。本文检查了12个现有物联网参考架构，对照标准中的要求，分析各自不足之处。基于此，提出一种新的架构，即结合隐私的物联网安全参考架构（PF-IoT-SRA），其诠释了物联网通信环境中所有隐私指标，可以对抗主要威胁和攻击。这是朝着领域架构标准化迈出的一步。我们使用架构权衡分析法（ATAM）--一种行业认可的基于场景的方法--验证了所提参考架构的有效性。

关键词组：架构上重要的需求（ASR）；架构权衡分析法（ATAM）；互联网架构板；物联网；隐私增强技术；隐私验证链

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: 2447 Clicked: 2140 Cited: 0 Commented: 0(p.509-520) <Full Text> <PPT> 383

Chinese summary <32> 以Matrix-3000为例研究面向裸金属加速器的异构多线程编程模型

方建滨¹，张鹏¹，黄春¹，唐滔¹，卢凯¹，王睿伯¹，王峥²
¹国防科技大学计算机学院，中国长沙市，410073
²利兹大学计算学院，英国利兹市，LS2 9JT
摘要：随着处理器设计转向使用专门的异构多核以避免功耗墙的影响，软件开发人员发现很难处理这些处理器系统的复杂性。以Matrix-3000为代表的新型处理器具有复杂的内存层次结构和处理器组织，是为下一代E级超级计算机设计的高性能处理器。本文分享了我们为Matrix-3000开发的并行编程模型及其支持编译器和库的经验。为了帮助软件开发，我们从头开始开发了一个针对Matrix-3000的软件栈，包括一个低层次的编程接口和一个高层次的OpenCL编译器。该低层次编程模型为使用Matrix-3000的裸金属加速器提供了原生编程支持，而高层次模型允许程序员使用OpenCL并行编程标准。我们详细介绍了该软件栈的设计选择，并强调了从开发系统软件中学到的经验教训，以实现裸金属加速器的高效程序编写和性能解锁。我们的编程模型已经被部署到一个E级原型系统的生产环境中。

关键词组：异构计算；并行编程模型；可编程性；编译器；运行时系统

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: 4446 Clicked: 1970 Cited: 0 Commented: 0(p.521-535) <Full Text> <PPT> 463

Chinese summary <31> 一种新型变尺寸多移动机器人的运动协同方法

邢子超，汪星恺，王硕，吴维敏，胡瑞芬
浙江大学智能系统与控制研究所，工业控制技术国家重点实验室，中国杭州市，310027
摘要：多移动机器人系统（MMRS）广泛用于制造业和仓储等工业场景的运输。在MMRS中，碰撞和死锁可能导致财产损失或系统停滞，因此运动协同十分重要。然而，在一些场景中，机器人尺寸在载货和未载货时是不同的，即机器人尺寸是变化的，这使得运动协同更具挑战性。基于区域控制的方法首先需要将环境划分为不相交区域，然后通过区域的分配静态或动态地进行运动协同。但是，这种基于区域控制的方法对于变尺寸机器人不够精确，降低系统效率。因此，提出一种基于粘连节点的运动协调方法，可基于路线图和机器人实时路径动态避免碰撞和死锁。粘连节点的动态特性使该方法不必对环境分区即可适用于各种场景。所提方法已应用于多个工业项目，本文基于一些制造业项目进行实验。理论分析和实验结果表明所提算法是有效和高效的。

关键词组：多移动机器人系统；碰撞避免；死锁避免；粘连节点；运动协同

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: 3840 Clicked: 1878 Cited: 0 Commented: 0(p.536-552) <Full Text> <PPT> 402

Chinese summary <35> 一种满足末端姿态约束的工业机械臂分布式变密度路径搜索与简化方法

王进^1,2，厉圣杰^1,2，张海运³，陆国栋^1,2，冯奕畅^1,2，王鹏^1,2，李基拓^1,2
¹浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州市，310027
²浙江大学机械工程学院设计工程及数字孪生浙江省工程研究中心，中国杭州市，310027
³宁波工程学院机器人学院，中国宁波市，315211
摘要：在许多机器人操作场景中，末端执行器的运动姿态约束是机器人完成焊接、喷涂、搬运、码垛等常见任务必不可少的。同时，姿态约束下的路径规划过程中涉及到逆运动学、碰撞检测和空间搜索等关键问题，在实际应用中难以兼顾令人满意的效率和约束效果。针对这些问题，提出一种带末端约束的工业机器人分布式变密度路径规划方法（DVDP-AC）。首先，针对运动学逆解提出位置-姿态约束重构（PACR）方法。然后，设计了具有单步安全球（SSS）的分布式有向距离场（DSDF）模型，以提高碰撞检测的效率。在此基础上，在笛卡尔空间中采用变密度路径搜索方法，并进一步提出一种考虑路径可达性的前向路径简化方法（FSPS），以自适应地快速消除冗余的路径点。最后，实验结果验证了所提出的DVDP-AC方法在末端执行器姿态约束下的性能和有效性，并与目前主流路径规划方法进行比较，说明了该方法的特点和优势。

关键词组：路径规划；工业机器人；分布式有向距离场；姿态约束；路径简化

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: 8597 Clicked: 2985 Cited: 0 Commented: 47(p.553-566) <Full Text> <PPT> 375

Chinese summary <30> 基于非脆弱采样数据控制的非线性多智能体系统同步控制及其在电路系统中的应用

Stephen AROCKIA SAMY¹，Raja RAMACHANDRAN²，Pratap ANBALAGAN³，曹阳⁴
¹Alagappa大学数学系，印度泰米尔纳德邦，Karaikudi 630 003
²Alagappa大学高等数学Ramanujan中心，印度泰米尔纳德邦，Karaikudi 630 003
³国立Kunsan大学风能系统研究中心，韩国群山市，573-701
⁴东南大学网络空间安全学院，中国南京市，210096
摘要：设计了一个非脆弱采样数据控制方案，用于互连耦合电路系统（多智能体系统）的渐近同步标准。该方案对所考虑的多智能体系统在时变延迟情况下作同步分析。通过构建合适的李亚普诺夫函数，得出线性矩阵不等式成立的充分条件，确保多智能体领导者和跟随者系统之间的同步。最后，给出两个数值案例，展示了该控制方案的有效性和所提李亚普诺夫函数的较低保守性。

关键词组：多智能体系统；非脆弱采样数据控制；时变延迟；线性矩阵不等式；渐近同步

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: 7279 Clicked: 1800 Cited: 0 Commented: 0(p.567-581) <Full Text> <PPT> 393

Chinese summary <30> 一种应用于目标检测和跟踪的和差波束扫描的双周期漏波天线阵列

黄棉烽^1,2，刘菊华^1,2
¹中山大学电子与信息工程学院，中国广州市，510006
²中山大学广东省光电信息处理芯片与系统重点实验室，中国广州市，510006
摘要：本文提出一种两个基片集成波导（SIW）周期性漏波天线（LWA）组成的天线阵列，该阵列具有和差波束扫描功能，可应用于目标检测和跟踪。阵列由两个具有不同周期的漏波天线组成，其中每个漏波天线通过n=-1空间谐波辐射产生窄波束。这两个漏波天线因为具有不同的周期所以可产生两个不同方向的波束。当对阵列进行同相馈电时，这两个波束将组合成和波束；当对阵列进行反相馈电时，两个波束则组合成差波束。我们设计了集成180°混合网络的阵列，并对其加工与实测。实测结果显示阵列的和波束增益最高可达15.9 dBi，和波束扫描范围为-33.4°至20.8°。在扫描范围内，差波束中的零点方向与和波束的辐射方向角一致，最低的零点深度为-40.8 dB。实测结果表明该天线阵列具有优异的性能，能够为目标检测和跟踪应用提供一种低复杂度和低成本的替代解决方案。

关键词组：天线；漏波天线（LWA）；基片集成波导（SIW）；和差波束；目标检测和跟踪

Dynamic power-gating for leakage power reduction in FPGAs

Hadi JAHANIRAD

DOI: 10.1631/FITEE.2200084 Downloaded: 4930 Clicked: 3757 Cited: 0 Commented: 0(p.582-598) <Full Text> <PPT> 329

Chinese summary <31> 在现场可编程门阵列中用于降低泄漏功率的动态电源门控

Hadi JAHANIRAD
库尔德斯坦大学电子与通信工程系，伊朗萨南达季市，66177-15175
摘要：现场可编程门阵列（FPGA）器件由于其低设计成本和可重构性，在电子系统中得到广泛应用。在手持电子系统等电池受限的应用中，低功耗FGPA的需求很大。在现代集成电路技术中，泄漏功率几乎相当于动态功率，因此降低泄漏功率可以显著节省能耗。我们提出一种基于静态随机存取存储器（SRAM）的FPGA高效架构，其中每个模块定义了两种模式（活动模式和休眠模式）。在休眠模式下，模块消耗超低泄漏功率。当模块输出对新输入向量的评估时，模块模式由休眠模式动态改变为活动模式。在产生正确的输出后，该模块返回到休眠模式。所提电路设计在活动模式和休眠模式下都降低了泄漏功耗。通过在FPGA-SPICE软件上实现北卡罗来纳州微电子中心（MCNC）基准电路，将所提出的低泄漏FPGA体系结构与最先进的体系结构进行比较。仿真结果表明，休眠模式下泄漏功耗降低约95%。此外，与以往的最佳设计相比，总功耗（泄漏功耗+动态功耗）降低15%以上。平均面积开销（4.26%）小于其他电源门控设计。

关键词组：现场可编程门阵列（FPGA）；泄漏功率；电源门控；晶体管级电路设计

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: 2136 Clicked: 2145 Cited: 0 Commented: 0(p.599-616) <Full Text> <PPT> 357

Chinese summary <29> 基于特定最低有效位动态阈值碳纳米管场效应晶体管的高效优化近似栅极扩散输入全加器

Ayoub SADEGHI¹，Razieh GHASEMI²，Hossein GHASEMIAN³，Nabiollah SHIRI¹
¹伊斯兰阿扎德大学设拉子分校电气工程系，伊朗设拉子，7198774731
²伊朗科技大学电气工程学院，伊朗德黑兰，1684613114
³设拉子技术大学电气与电子工程系，伊朗设拉子，7155713876
摘要：碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）可替代传统晶体管，尤其在基于近似计算的容错数字电路中。本文结合CNTFET技术和栅极扩散输入（GDI）技术，提出3种分别具有6、6和8个晶体管的基于近似计算的全加器。采用基于非支配排序的遗传算法II，将管数和手性向量作为变量，对所提单元进行性能寻优。结果表明，在电路面积有所增加的情况下，功耗延时积性能指标提升约50%。采用蒙特卡罗方法（MCM）和32 nm CNTFET技术，评估所提电路在制造过程中的工艺偏差和稳定性。与文献中的方法相比，所提电路具有更高稳定性。在电路晶体管中使用的动态阈值技术修正了可能出现的输出压降。所提电路出色的电路性能和差错率使其可以作为复杂算术电路（如乘法器）的最低有效位（LSB）部分。

关键词组：碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）；优化算法；基于非支配排序的遗传算法II（NSGA-II）；栅极扩散输入（GDI）；近似计算

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: 4387 Clicked: 1793 Cited: 0 Commented: 0(p.617-625) <Full Text> <PPT> 378

Chinese summary <28> 基于超表面实现波长选择性波前整形

蔡子信¹，何欣¹，刘鑫¹，涂世杰¹，孙昕婕¹，Paul BECKETT²，Aditya DUBEY³，Arnan MITCHELL³，任光辉³，刘旭¹，郝翔^1,4,5
¹浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室，中国杭州市，310027
²皇家墨尔本理工大学工程学院，澳大利亚墨尔本市，3000
³皇家墨尔本理工大学集成光子与应用中心，澳大利亚墨尔本市，3001
⁴浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，中国嘉兴市，314000
⁵嘉兴市光电传感与智能成像重点实验室，中国嘉兴市，314000
摘要：精确的、与波长相关的相位调制在许多领域中是必不可少的，比如超分辨成像、全彩色全息、微纳加工以及光通讯。这一要求很难通过单一的传统光学元件实现，一般需要使用多个光学元件组合完成。本文提出一种可以实现波长选择性波前整形的超表面设计方法。具体来说，本文设计了一种超表面，它能够对785 nm波长的光做涡旋相位调制，同时不影响590 nm波长的光保持原有相位分布。本文通过干涉仪以及对应点扩散函数的测量来验证不同波长下的波前分布。与已提出的空间复用方式以及色散工程的方法相比，我们提出的设计方法更加直接，优化难度小，适用于需要波长选择性编码的光学系统。本文所提平面光学器件对于需要波长选择性编码的光学系统具有重要应用意义。

关键词组：超表面；波长选择性；涡旋光；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: 2005 Clicked: 1726 Cited: 0 Commented: 0(p.626-632) <Full Text> <PPT> 373

Chinese summary <28> 基于太赫兹信道测量的频角二维反射系数建模

常钊玮¹，张建华¹，唐盼¹，田磊¹，于力¹，刘光毅²，夏亮²
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中国移动研究院，中国北京市，100053
摘要：太赫兹信道传播特性对太赫兹通信系统的设计、评估和优化至关重要。此外，反射在信道传播中起着重要作用。本文基于大量的信道测量工作，对太赫兹通道的反射系数进行研究。首先，建立从220 GHz到320 GHz的太赫兹信道测深平台，入射角范围从10°到80°。根据实测的传播损耗，分别计算玻璃、瓷砖、木板、石膏板和铝合金五种建筑材料的频率和入射角的反射系数。研究发现，由于缺乏与太赫兹相关的参数，导致非金属材料的菲涅耳模型无法成功地拟合实测数据。因此，通过改进菲涅耳模型与洛伦兹和德鲁德模型，提出一个频角二维反射系数模型。该模型表征了反射系数的频率和入射角，与实测数据的均方根误差较小。总的来说，这些结果对于太赫兹通道的建模做出贡献。

关键词组：太赫兹通信；反射系数建模；入射角；建筑材料；菲涅耳模型