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Journal of Zhejiang University SCIENCE C

ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly

2018 Vol.19 No.3 P.309-470

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Special Feature on 5G Wireless Communication Systems and Technologies

Guest Editor-in-Chief: Prof. Ping ZHANG, BUPT

Special Feature on 5G Wireless Communication Systems and Technologies

Review: A tutorial on 5G and the progress in China

Shan-zhi Chen, Shao-li Kang

DOI: 10.1631/FITEE.1800070 Downloaded: 2580 Clicked: 6669 Cited: 0 Commented: 0(p.309-321) <Full Text><PPT> 1530

Chinese summary   <41>  5G综述及中国的进展

概要：5G技术、标准和产业化从2012年开始高速发展，是全球经济新的驱动力。本文全面介绍了5G，包括愿景、要求、演进、关键技术、标准化、频谱分配、技术试验、产业化进展和5G主要贡献者。同时指出，中国企业作为5G主要技术和标准的贡献者，正处于"5G引领"过程中。最后介绍了5G最新进展和作者关于5G的再思考。

关键词组：5G；IMT-2020；关键技术；标准；现场试验

Review: Embracing non-orthogonal multiple access in future wireless networks

Zhi-guo Ding, Mai Xu, Yan Chen, Mu-gen Peng, H. Vincent Poor

DOI: 10.1631/FITEE.1800051 Downloaded: 2256 Clicked: 6320 Cited: 0 Commented: 0(p.322-339) <Full Text>

Chinese summary   <37>  未来无线网络的非正交多址接入技术

概要：本文就新兴通信技术--非正交多址接入（non-orthogonal multiple access, NOMA）—对未来无线网络的影响进行了全面综述。具体地，介绍了NOMA原理对下一代多址接入技术设计的影响。讨论了NOMA在其他先进通信技术上的应用，包括无线缓存、多入多出技术、毫米波通信以及协同中继。阐述了NOMA对蜂窝网络之外通信系统的影响，例如数字电视、卫星通信、车联网及可见光通信。最后，讨论并总结了NOMA的主要研究挑战及未来发展方向。

Enhanced uplink non-orthogonal multiple access for 5G and beyond systems

Wen-jia Liu, Xiao-lin Hou, Lan Chen

DOI: 10.1631/FITEE.1700842 Downloaded: 3619 Clicked: 6743 Cited: 0 Commented: 0(p.340-356) <Full Text><PPT> 1826

Chinese summary   <32>  面向5G及未来系统的增强上行非正交多址技术研究

概要：上行非正交多址（NOMA）是一项满足第五代（5G）及未来系统需求的有前景的技术。学术界和工业界提出了各种各样的NOMA方案，然而大部分方案均假设相等平均接收功率，该假设会限制性能。为满足5G系统海量连接与高可靠性需求，本文将不等接收功率看作多址签名的一部分，为上行NOMA系统提出3项增强方案。首先，提出将不等平均接收功率时满足generalized Welch界等式（GWBE）的最优序列，用于上行NOMA。其次，为了在接收端获得更好的串行干扰删除（SIC）性能，提出基于多级平均接收功率的用户分组。最后，为减少组内和组间干扰，提出基于序列互相关性能的序列分组。仿真结果表明，在400%超载因子、固定签名分配的上行NOMA系统中，在0.1块差错率（BLER）时，与现有NOMA方案和正交多址（OMA）相比，结合多级平均接收功率和序列分组的现有NOMA方案可以分别获得3 dB和10 dB的信噪比（SNR）增益；在0.01块差错率时，现有NOMA方案存在错误平台，无法达到该需求，而增强方案可以达到。在随机选择多址签名条件下，多级功率会减小碰撞概率进而提升性能。此外，GWBE序列可以达到比现有序列更低的BLER，且SNR增益在低BLER需求时更加明显。以上结果表明提出的增强方案可以支持更大连接数，达到更高可靠性。

Non-ideal space division multiple access and its application

Ji-ying Xiang

DOI: 10.1631/FITEE.1700827 Downloaded: 2116 Clicked: 6448 Cited: 0 Commented: 0(p.357-366) <Full Text><PPT> 1493

Chinese summary   <32>  非理想条件下空分复用研究与应用

概要：对空分复用技术中的非理想因素进行了理论分析，并探讨了在上述非理想工程条件下空分复用的应用，给出了实测数据。对于信道条件非理想的场景，即多通道之间相关性高，条件数大，导致高层间干扰，需要通过最优化用户匹配和降维达到最优容量。对于信道测量非理想的场景，深入分析了反馈式和非反馈式的优劣，并指出即使信道不满足互易性条件，非反馈式也是优选方法。针对上述问题，进行了理论分析和外场实测。

A projected gradient based game theoretic approach for multi-user power control in cognitive radio network

Yun-zheng Tao, Chun-yan Wu, Yu-zhen Huang, Ping Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.1700067 Downloaded: 2525 Clicked: 8120 Cited: 0 Commented: 0(p.367-378) <Full Text><PPT> 2109

Chinese summary   <35>  认知无线网络中一种基于投影梯度的多用户功率控制方法

概要：5G网络被认为能够支持未来爆炸性增长的数据需求，这主要得益于不断增长的高速移动用户数量以及人与物之间的交互预期。认知无线电（cognitive radio, CR）是提高频谱利用率的有效技术之一，可适应日益增长的数据流量和稀缺的频谱资源。本文研究了基于衬垫式频谱共享的认知无线网络中的次用户功率控制问题。与现有文献大多通过假设单一主用户或者单一信道来简化问题不同，本文研究了多主用户多次用户多信道这一更符合实际的场景。我们将功率控制问题描述为一个具有耦合约束的非合作博弈，其帕累托最优性和最大次网络吞吐量可通过纳什均衡解得。为得到该纳什均衡解，首先提出一种基于投影梯度的动态模型，证明该模型的平衡点等价于原博弈的纳什均衡，并提出一种集中式算法求解该平衡点。仿真结果验证了所提出算法的收敛性、有效性和优势，并且在网络规模增大的情况下验证了算法的鲁棒性。

Hybrid full-/half-duplex cellular networks:user admission and power control

Lu Chen, Ding-zhu Wen, Cai-jun Zhong, Guan-ding Yu

DOI: 10.1631/FITEE.1700027 Downloaded: 2187 Clicked: 7191 Cited: 0 Commented: 0(p.379-387) <Full Text><PPT> 1548

Chinese summary   <34>  全/半双工混合蜂窝网络：用户准入和功率控制

概要：考虑一个具有混合全/半双工基站的单小区蜂窝网络。对于有N条信道、K个上行用户和M个下行用户（max{K+M}≤N≤K+M）的实际场景，解决了用户准入和功率控制问题，在保证用户服务质量（QoS）的同时，最大化用户准入数量并最小化总发射功率。对于联合用户准入和功率分配问题，将该问题建模成一个0-1整数规划问题。由于寻找该问题最优解是一个NP-hard问题，通过引入"虚拟用户"的新概念，提出一种低复杂度算法。仿真结果表明，该算法和分支界定法性能相似，并且明显优于随机匹配算法的性能。

Standard-independent I/Q imbalance estimation and compensation scheme in OFDM direct-conversion transceivers

Fang-lin Gu, Shan Wang, Wen-wu Wang

DOI: 10.1631/FITEE.1700003 Downloaded: 3006 Clicked: 6702 Cited: 0 Commented: 0(p.388-397) <Full Text><PPT> 1641

Chinese summary   <30>  OFDM直接变频接收机中通用的I/Q不平衡估计与补偿方法

概要：直接变频接收机由于具有低功耗的特点，受到广泛关注，但是它存在较严重的同相/正交（I/Q）分量不平衡问题：I/Q不平衡会恶化接收信号的信噪比，进而影响系统的传输容量和能够支持的调制方式。本文首先分析了I/Q不平衡对OFDM接收机接收信号的影响，在此基础上，定义了一个统计量用于刻画OFDM系统的I/Q不平衡特性，并提出一种实现I/Q不平衡参数估计与补偿的方法。特别地，进一步证明该统计量不受传输信道影响，因而该方法适用于高斯白噪声和多径衰落信道等不同场景。仿真结果表明，该方法可以实现对OFDM系统I/Q不平衡的准确估计与补偿，使补偿后系统的误比特率性能接近于不存在I/Q不平衡的情形。更重要的是，由于该方法不依赖于导频信号，因而可以应用于采用不同标准的OFDM系统。

Resource allocation for physical-layer security in OFDMA downlink with imperfect CSI

Wei Yang, Jing Mao, Chen Chen, Xiang Cheng, Liu-qing Yang, Hai-ge Xiang

DOI: 10.1631/FITEE.1700026 Downloaded: 2742 Clicked: 7328 Cited: 0 Commented: 0(p.398-408) <Full Text><PPT> 1936

Chinese summary   <34>  基于非完美信道状态的下行OFDMA系统中优化物理层安全问题的资源分配算法研究

概要：介绍了一种基于正交频分多址（OFDMA）技术的下行通信系统中优化物理层安全问题的资源分配方案。假设系统中存在多名合法用户和一名采取"被动窃听"方式的非法入侵者，同时考虑基站端收到合法用户和窃听者的信道状态信息均含有误差。讨论了3种非完美信道状态信息情况，分别是：（1）信道信息存在估计误差；（2）信道信息反馈存在时延，需要通过预测估计当前信道状态；（3）反馈信道容量受限，导致量化误差，运用率失真理论可以推导出反馈信道容量的下界。我们把优化问题建模成一个功率和子载波的联合分配问题，优化目标为最大化用户最小的遍历安全容量。该优化问题是一个混合整数非线性规划问题，最优解计算复杂度较高。为降低求解复杂度，提出一种两步次优算法，分别进行子载波分配和功率分配。在给定某种子载波分配方案时，可以通过一种多项式复杂度算法，得出最优功率分配方案。仿真结果证明我们提出的算法在性能上可以逼近最优解。

关键词组：资源分配；正交频分多址（OFDMA）；非完美信道状态信息；物理层安全

Secure connectivity analysis in unmanned aerial vehicle networks

Xin Yuan, Zhi-yong Feng, Wen-jun Xu, Zhi-qing Wei, Ren-ping Liu

DOI: 10.1631/FITEE.1700032 Downloaded: 2750 Clicked: 7434 Cited: 0 Commented: 0(p.409-422) <Full Text><PPT> 1862

Chinese summary   <33>  无人机网络中的安全连通性分析

概要：无人机网络的独特特征包括高动态网络拓扑、高移动性以及野外无线环境可能使得无人机网络容易受到攻击和威胁。本文基于无人机行为、运动模式和无人机之间的信道特征，为无人机网络提出一种新颖的信任模型。该信任模型由直接信任、间接信任、信任集成和信任更新4部分组成。基于信任模型，提出一种无人机网络中安全链路的概念，该概念仅在两个无人机之间既有物理链路又有信任链路时存在。此外，利用两架无人机之间的物理连通概率和安全连通概率，分析无人机网络的连通性。通过随机几何方法，推导得到考虑和不考虑多普勒频偏情况下的物理连通概率和安全连通概率的解析表达式。仿真结果表明，与具有和不具有恶意攻击的物理连接概率相比，提出的信任模型可以保证无人机之间的安全通信和可靠连接，并在无人机网络面临恶意攻击和其他安全隐患时提高网络性能。

关键词组：无人机网络；信任模型；安全连接；多普勒频移

Regular Papers

Review: Electroencephalogram-based brain-computer interface for the Chinese spelling system:a survey

Ming-hui Shi, Chang-le Zhou, Jun Xie, Shao-zi Li, Qing-yang Hong, Min Jiang, Fei Chao, Wei-feng Ren, Xiang-qian Liu, Da-jun Zhou, Tian-yu Yang

DOI: 10.1631/FITEE.1601509 Downloaded: 2937 Clicked: 8459 Cited: 0 Commented: 0(p.423-436) <Full Text><PPT> 1873

Chinese summary   <34>  基于脑电图中文拼音输入系统的脑机接口综述

概要：基于脑电图（EEG）的脑机接口能够让用户通过脑电信号与外部环境通信，而不必依赖于肌肉等大脑信号的常规输出路径。基于EEG的拼写器是EEG的重要应用，可将脑电信号转换为拼写特定字符或词的意图，从而帮助重度残疾患者（如肌萎缩侧索硬化症患者，ALS患者）。近年来，基于EEG的英文拼写器（EEGES）已得到较广泛研究，而基于脑电的中文拼写器（EEGCS）则研究甚少。由于英文只包含26个字母，而中文包含11000多个图形字符，因此，EEGCS比EEGES更难开发。本文旨在对EEGCS系统的相关文献进行综述，首先，对当前EEGCS系统进行了系统地分类，为后续讨论奠定基础；然后，提出统一当前EEGCS和EEGES的通用系统架构，其中将基于EEG的选择作为核心部件；最后，对当前各种EEGCS系统进行综述和讨论，指出EEGCS研究的当前进展、存在的问题和未来方向。

关键词组：脑机接口（BCI）；脑电图（EEG）；中文拼写器；英文拼写器

Design of a fractional PIλDμ controller using the cohort intelligence method

Pritesh Shah, Sudhir Agashe, Anand J. Kulkarni

DOI: 10.1631/FITEE.1601495 Downloaded: 2365 Clicked: 6343 Cited: 0 Commented: 0(p.437-445) <Full Text><PPT> 1466

Chinese summary   <34>  基于队列智能方法的分数阶PID控制器设计

概要：近年来，队列智能方法逐步演变为一种基于人工智能的优化方法。本文首次采用队列智能方法对分数阶PID控制器的参数进行优化。验证了队列智能方法在分数阶PID控制器设计中的性能，并与其他方法如粒子群优化方法、遗传算法和改进的电磁算法等的性能进行比较。结果表明，与其它3种算法相比，队列智能方法在代价函数、计算时间和函数评估方面表现出更好性能。此外，队列智能方法对应的标准差表明，提出的方法在解决控制问题时具有鲁棒性。

关键词组：队列智能；分数阶微积分；分数阶PID控制器；调节

Tabu search based resource allocation in radiological examination process execution

Chun-hua He

DOI: 10.1631/FITEE.1601802 Downloaded: 2095 Clicked: 6163 Cited: 0 Commented: 0(p.446-458) <Full Text>

Chinese summary   <30>  放射检查流程执行中基于禁忌搜索的资源分配

概要：放射检查流程（radiological examination process，REP）执行中，为提高患者吞吐量和放射资源利用率，以及应对因临床需要而改变资源调度和分配决策时发生的突发事件，高效的资源调度和分配是关键。本文提出一种基于禁忌搜索的方法，用以解决REP执行中资源调度和分配问题。该方法主要目标是将平均检查流时间、资源平均空闲时间和延迟的加权总和最小化，同时还考虑突发事件的情形，即紧急或缺失的检查。对于特定参数组合，在考虑路由和资源约束等限制条件下，该方法能找到放射资源调度和分配的最优解。对应用案例进行了仿真，结果表明该方法能有效利用放射资源，提高REP执行中患者吞吐量。

关键词组：放射检查流程（REP）；资源调度和分配；禁忌搜索

Long-term prediction for hierarchical-B-picture-based coding of video with repeated shots

Xu-guang Zuo, Lu Yu

DOI: 10.1631/FITEE.1601552 Downloaded: 3450 Clicked: 7222 Cited: 0 Commented: 0(p.459-470) <Full Text><PPT> 1599

Chinese summary   <30>  重复镜头视频基于分级B帧结构的长期预测编码方案

概要：最新视频编码标准--高效视频编码（HEVC）—获得了远高于之前视频编码标准的编码效率。特别是，在使用分级B帧预测结构时，HEVC可显著去除临近图像间的时间冗余。实际中，消费者使用的视频--例如电视剧、电影和脱口秀等 —通常包含了很多重复镜头。据我们观察，这些视频在分级B帧结构下使用HEVC编码时，每个镜头的时域相关性可以得到很好利用。然而，重复镜头之间的长期相关性并未被使用。我们提出一种长期预测方案，以利用视频中重复镜头之间的长期时域相关性。首先，聚类源视频中的相似镜头并从中抽取代表性图像作为长期参考帧。然后，使用长期参考帧对分级B帧的编码结构进行调整，以实现长期时域预测。最后，为长期参考帧设计一种自适应量化方法，以提高整体的视频编码效率。实验表明，提出的新编码方案可获得高达22.86%的编码性能增益。

关键词组：高效视频编码（HEVC）；长期时域相关性；长期预测；分级B帧结构

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