第1期 封面 目录

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述

陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 唐华, 何杰, 刘克, 郝跃
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15

摘要 集成电路是信息时代重要的技术基础,也是国家战略竞争力的重要标志.在全球范围内,集成电路技术正处于快速变革与创新的新时期.面向集成电路未来发展,需要针对先进器件及集成工艺、模拟与混合电路、电路设计方法、新型计算架构等方面开展前沿研究,加强规划布局,完善创新系统,推动我国集成电路产业在未来发展中占得先机.基于第347期“双清论坛(青年)”,本文总结了我国集成电路科学研究及产业发展面临的国家重大需求,研判分析了集成电路领域国内外的发展态势和关键问题,展望了该领域重大的前沿发展趋势,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略,以期助推我国集成电路技术高质量发展.

关键词 集成电路; 先进集成封装工艺; 模拟与射频电路; 电子设计自动化; 新型体系架构; integrated circuit; advanced integration and packaging; analog and radio-frequency circuit; electronic design automation; novel computer architecture

引用格式 陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 等. 集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356
Yunji CHEN, Yimao CAI, Yu WANG, et al. Integrated circuit technology: future development and key issues—review of the 347th "Shuangqing Forum (Youth)". Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

存算一体芯片发展现状、趋势与挑战

康旺, 寇竞, 赵巍胜
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24

摘要 冯·诺依曼计算架构本质上面临“存储墙”和“功耗墙”瓶颈,近年来摩尔定律的放缓进一步加剧了上述瓶颈.新型存算一体芯片技术通过器件–架构–电路–工艺的协同创新,将数据存储与计算融合一体化,大幅降低数据搬运及其开销,被视为后摩尔时代突破冯·诺依曼架构瓶颈的重要技术方向之一.同时,存算一体芯片通过大规模并行运算方式实现高算力,在一定程度上可以缓解工艺微缩压力,对我国在新一轮人工智能革命中突破算力困境,具有重要的战略意义与应用价值.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”,本文介绍存算一体芯片领域当前的研究现状,分析了存算一体芯片技术对我国的重要战略意义,展望了未来亟待解决的关键科学问题与技术挑战,并进一步给出了该领域的发展趋势和建议.

关键词 存内计算; 近存计算; 异构集成; 异构架构; in-memory computing; near-memory computing; heterogeneous integration; heterogeneous architecture

引用格式 康旺, 寇竞, 赵巍胜. 存算一体芯片发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311
Wang KANG, Jing KOU, Weisheng ZHAO. In-memory computing technology: development status, trends and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战

叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 武蒙, 黄如
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33

摘要 人工智能时代对计算芯片的算力和能效都提出了极高要求.存算一体芯片技术被认为是有望解决处理器芯片“存储墙”瓶颈,大幅提升人工智能算力能效和算力密度的关键技术和重要解决方案.SRAM存算一体芯片技术由于其在兼容性、鲁棒性、灵活性等方面的优势,已经得到多个旗舰公司的认可和相关领域的产业布局.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的讨论内容,回顾SRAM存算一体芯片领域近年来的研究现状和发展趋势,分析并总结了该领域未来的研究需求,凝练关键科学问题并进一步探讨前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 人工智能; 存算一体; SRAM存算; 科学问题; artificial intelligence; compute-in-memory; SRAM-based CIM; scientific topics

引用格式 叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 等. SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320
Le YE, Tianyu JIA, Peiyu CHEN, et al. SRAM-based compute-in-memory: status and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望

刘伟强, 陈珂, 吴比, 邓尔雅, 王佑, 龚宇, 崔益军, 王成华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47

摘要 智能信息化社会对算力的需求日益增长,高能效和高安全性的计算芯片已经成为支撑科技创新和社会进步不可或缺的基础设施.新兴计算范式作为提升算力的创新技术,近年来在理论和技术方面取得了重要突破,引起了学术界和工业界广泛关注.本文从电路设计方法、新型芯片架构以及脑启发算法等多个角度介绍和分析了新兴计算芯片的相关前沿技术,同时讨论了各项技术的阶段性特征以及所面临的设计挑战和安全可信挑战,最后展望了新兴计算芯片技术的未来发展,并阐述了其发展的重点方向.

关键词 新兴计算范式; 安全可信; 近似计算; 随机计算; 存内计算; 脑启发式计算; emerging computing paradigm; secure and trust; approximate computing; stochastic computing; in-memory computing; brain-inspired computing

引用格式 刘伟强, 陈珂, 吴比, 等. 高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316
Weiqiang LIU, Ke CHEN, Bi WU, et al. High-efficiency and high-security emerging computing chips: development, challenges, and prospects. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能模数转换器技术挑战与发展趋势

朱樟明, 刘术彬
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57

摘要 高性能模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)是电子信息系统的核心器件,是集成电路设计领域的研究热点与难点,是最复杂、难度最大的模拟集成电路.本文阐述了集成电路工艺演进给高性能模拟电路设计带来的共性挑战,并分别从纳米工艺下高速高精度、超高速低精度和高精度低延时等模数转换器系统架构与设计技术方面分析了高性能模数转换器面临的技术挑战与重要发展趋势.

关键词 模拟集成电路; 模数转换器; 高速高精度; 低延时; analog integrated circuit; analog-to-digital converter; high-speed-high-precision; low latency

引用格式 朱樟明, 刘术彬. 高性能模数转换器技术挑战与发展趋势. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310
Zhangming ZHU, Shubin LIU. Challenge and trend of high-performance analog-to-digital converters. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战

路延, 屈万园
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67

摘要 随着人工智能对算力(电力)需求的指数增长,高性能计算芯片对供电效率、密度提出了严苛的要求,高密度电源管理芯片成为制约算力发展的显著瓶颈,是高性能计算芯片的重要共性支撑.面对高算力芯片的供电功率、密度与效率的综合性巨大挑战,以及集成芯片系统的新供电场景,传统的分立供电架构、控制技术等亟待突破.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”关于集成电路未来发展及关键问题的广泛讨论,本文总结了电源管理芯片方向发展上的关键问题与挑战.本文从目前主流处理器的前沿供电技术的发展现状出发,讨论了高性能处理器供电技术的长期发展趋势,并给出未来关键技术的发展预测,从电源管理系统架构、控制技术、无源器件集成、封装形态等方面提出研究建议,为我国集成芯片高密度供电技术的发展提供重要的理论支撑.

关键词 电源管理芯片; DC-DC; 混合架构; 稳压电源; 3D集成芯片供电; power management IC; hybrid topology; voltage regulator; 3D power delivery for integrated chips

引用格式 路延, 屈万园. 高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338
Yan LU, Wanyuan QU. Development and challenges of high-efficiency highly-integrated power management integrated circuits. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战

张净植, 余益明, 吴韵秋, 赵晨曦, 张青风, 康凯
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87

摘要 毫米波相控阵系统因其大带宽、高速率和多波束的优点,在移动通信和雷达感知系统中得到了广泛的应用.硅基毫米波集成电路设计是其中的关键核心技术.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的研讨成果,根据毫米波集成电路与集成系统研究方面的重大需求,针对硅基毫米波集成电路设计的关键挑战和科学问题,按照相控阵架构、关键电路和器件模型3个层级,总结梳理了国内外硅基毫米波集成电路设计领域近年来所取得的主要进展和成就,凝炼了该领域未来5~10年的重大关键科学问题,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 毫米波; 相控阵; 集成电路; 移动通信; 雷达感知; mm-Wave; phased array; integrated circuit; communication; radar

引用格式 张净植, 余益明, 吴韵秋, 等. 硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334
Jingzhi ZHANG, Yiming YU, Yunqiu WU, et al. Developments and challenges of mm-Wave integrated circuits on silicon. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战

程然, 李博, 王宗巍, 张结印, 单伟伟, 张建军, 蔡一茂, 韩根全
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101

摘要 过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必然路径.低温芯片技术,利用晶体管低温下电学性能的提升,可以进一步提高逻辑芯片的算力并降低动态和静态功耗,由于和现有集成电路技术兼容性较高,是低成本实现更高性能计算的理想技术路线之一.此外,随着量子计算技术的发展,可扩展的大规模量子芯片需要和极低温互补金属氧化物半导体CMOS电路以及存储芯片实现片上集成,进而实现更高效的数据处理.本文面向高性能计算应用,从器件表征、模型、仿真和设计、应用等多个层面,分析并总结了低温芯片技术领域的发展历程、理论基础和技术挑战,并给出针对性的解决方案和建议,有助于推动我国在低温芯片技术领域的持续发展.

关键词 低温芯片; 低温电子学; 低温PDK; 高性能计算; 量子计算; low-temperature CMOS circuit; low-temperature electronics; low-temperature PDK; high-performance computing; quantum computing

引用格式 程然, 李博, 王宗巍, 等. 面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347
Ran CHENG, Bo LI, Zongwei WANG, et al. Low-temperature CMOS technology for high-performance computing: development and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar PDF

集成电路未来发展及关键问题观点专题

半导体量子计算芯片

张建军, 李海欧, 郭国平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109

摘要 近年来,量子计算受到国内外越来越广泛的关注,美国、欧洲、日本和澳大利亚等国都投入了大量资金,量子计算应用研究成果开始涌现.在众多的量子计算物理系统中,半导体量子计算因具有与现有集成电路工艺兼容及可扩展、可集成的优点而备受重视.本文在介绍国内外半导体量子计算研究进展的基础上,探讨半导体量子计算发展中面临的关键科学技术难题,以及未来半导体量子计算规模化、集成化、产线化的发展趋势.

关键词 硅; 锗; 量子点; 量子比特; 量子计算; silicon; germanium; quantum dot; quantum bit; quantum computing

引用格式 张建军, 李海欧, 郭国平. 半导体量子计算芯片. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333
Jian-Jun ZHANG, Hai-Ou LI, Guo-Ping GUO. Semiconductor quantum computing. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能芯片物理实现的关键因素

樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 刘海銮, 马香媛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120

摘要 影响高性能芯片的物理设计涉及多个关键因素,文章分析了其中主要的5个因素:标准单元库、核心IP库、布局布线、制造工艺、物理设计与EDA工具/Foundry的协作优化.通过对基本情况介绍,当前行业情况分析等,剖析了影响高性能芯片设计及制造的核心因素,对高性能芯片未来需要重点发展的方向提出了一些探讨思路.

关键词 高性能芯片; 物理设计; 集成电路IP核; EDA; 布局布线; high-performance chips; physical design; intellectual property core; place and route

引用格式 樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 等. 高性能芯片物理实现的关键因素. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330
Lingyan FAN, Cankun HUANG, Zhiwei ZHU, et al. Key factors in the physical design of high-performance chips. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战

梁云, 卓成, 李永福
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129

摘要 左移(shift-left)融合是电子设计自动化(electronic design automation, EDA)的一种新设计范式,旨在通过融合和并行解决传统瀑布式设计范式的问题.传统EDA流程分为多个串行设计阶段,导致设计周期长、设计冗余大.通过相邻设计阶段的融合与并行,可以有效缩短设计周期、提升设计优化效率.左移融合通常涉及在不同设计阶段之间共享数据模型,并采用新的抽象方法,可以应用到包括高层次综合、逻辑综合、布局布线、签核验证、工艺优化等EDA流程的各个阶段.此外,借助早期的数据分析与评估,可以有效应对后期可能出现的问题,从而降低开发成本.综上,鉴于左移融合对于提高EDA流程的效率和质量具有重要意义,本文将介绍左移融合的发展现状和关键科学问题,并展望未来发展路线.

关键词 电子设计自动化; 左移; 融合; 并行; 效率; EDA; shift-left; fusion; parallel; efficiency

引用格式 梁云, 卓成, 李永福. EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314
Yun LIANG, Cheng ZHUO, Yongfu LI. The shift-left design paradigm of EDA: progress and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314

信息器件 光电子 论文 Website Google Scholar PDF

集成电路未来发展及关键问题观点专题

集成电路装备光刻机发展前沿与未来挑战

胡楚雄, 周冉, 付宏, 张鸣, 朱煜
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 130-143

摘要 光刻机是集成电路制造中最为核心的高端装备,在60余年的发展历程中不断挑战人类超精密制造装备的极限,推动着摩尔定律的持续向前和信息时代的飞速发展,对于科技进步、国民经济、国家安全具有极为重要的战略意义.本文阐述了光刻机在集成电路制造装备中的核心地位,介绍了光刻的基本原理,梳理了国际上光刻机从20世纪60年代至今的发展脉络,围绕光刻机三大核心部件分析了光刻机中的关键技术及面临的极限技术挑战.在此基础上,本文展望了未来光刻机的发展趋势和未来方向.

关键词 集成电路; 光刻机; 关键技术; 发展前沿; 未来挑战; integrated circuit; IC; lithography machine; key technology; development frontier; future challenge

引用格式 胡楚雄, 周冉, 付宏, 等. 集成电路装备光刻机发展前沿与未来挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 130-143, doi: 10.1360/SSI-2023-0378
Chuxiong HU, Ran ZHOU, Hong FU, et al. Development frontier and future challenges of lithography machines for integrated circuit manufacturing. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 130-143, doi: 10.1360/SSI-2023-0378

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF

面向标签噪声的联合训练框架

魏琦, 孙皓亮, 马玉玲, 尹义龙
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 144-158

摘要 当前面向标签噪声的鲁棒性学习通常依赖样本选择和标签修正两种策略,但是这两类方法均存在缺陷.基于样本选择的方法忽略了被过滤掉的样本中的有效信息,进而降低了模型的性能.基于标签修正的方法常使用自标签技术而引起模型的错误积累问题.对此,本文提出了一个集成样本选择、标签修正的联合训练框架.针对样本选择模块,本文设计了一种新的选择标准,通过在线选择的方法对所挑选的样本集合进行更新.相较于现有选择标准,本文提出的标准可保留更多边界样本,提升了模型对决策边界的学习性能,增强了模型的泛化性能.针对标签修正模块,本文提出了一种联合标签修正策略.相比于传统的自标签修正技术,该模块通过联合特征空间视角,对噪声样本进行多视角的标签修正,解决了传统自标签技术的错误累积问题.此外,本文引入对比学习正则化项,提升了标签修正效果和模型表征学习能力.本文方法在4个测试基准上取得了当前最好分类效果,验证了所提训练框架的有效性.

关键词 标签噪声学习; 样本选择; 标签修正; 对比学习; learning with noisy labels; sample selection; label correction; contrastive learning

引用格式 魏琦, 孙皓亮, 马玉玲, 等. 面向标签噪声的联合训练框架. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 144-158, doi: 10.1360/SSI-2022-0395
Qi WEI, Haoliang SUN, Yuling MA, et al. A joint training framework for learning with noisy labels. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 144-158, doi: 10.1360/SSI-2022-0395

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF

缓解随机一致性的基尼指数与决策树方法

王婕婷, 李飞江, 李珏, 钱宇华, 梁吉业
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 159-190

摘要 决策树模型具有较强的可解释性,是随机森林、深度森林等机器学习方法的基础.如何选择节点的分割属性与分割值是决策树算法的关键问题,对树的泛化能力、深度、平衡程度等重要性能产生影响.传统属性选择准则的定义大多基于凹函数,使得决策树算法存在多值偏向问题,即倾向于选择取值种类多的属性作为节点分割属性.已有研究表明缓解随机一致性的评价准则能够降低分类偏差与类簇个数偏向.本文将基于标准化框架缓解基尼指数的随机一致性,以此缓解其多值偏向问题.通过人造数据集验证,标准基尼指数能够缓解基尼指数的多值偏向问题,并且选择出具有决策信息的属性.通过12个基准数据集与两个图像数据集的实验验证,基于标准基尼指数的决策树算法比现有缓解多值偏向的决策树算法具有较高的泛化性能.

关键词 基尼指数; 多值偏向; 决策树; 随机一致性; Gini index; bias to multi-value; decision tree; random consistency

引用格式 王婕婷, 李飞江, 李珏, 等. 缓解随机一致性的基尼指数与决策树方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 159-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0337
Jieting WANG, Feijiang LI, Jue LI, et al. Gini index and decision tree method with mitigating random consistency. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 159-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0337

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF

单样本学习下时序约束稀疏表示的物体识别方法

童小宝, 熊鹏文, 宋爱国, 刘小平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 191-209

摘要 非接触式传感器相比接触式触觉传感器可以避免与物体直接接触过程中产生的噪声,因而能够获取更有价值的原始数据表征物体内在属性;然而针对非接触式传感器感知的物体属性数据而言,现有算法难以实现单样本学习下的物体准确识别.为解决这一问题,本文提出一种新颖的单样本学习下时序约束稀疏表示方法 (one-shot learning with temporally constrained sparse representation, OSL-TCSR)用于识别5种不同材料下的50个物体类别.首先将两种原始数据(Lumini光谱和SCiO光谱)并行投影至共享子空间,并且使用聚类典型关联分析法(cluster canonical correlation analysis, C-CCA)计算两种原始数据的聚类相关性特征;其次通过稀疏表示分别计算得到聚类相关性特征数据以及原始数据的编码向量,并利用原始数据的编码向量对相关性特征数据的编码向量进行二次投影映射;然后将两次映射后的原始数据和相关性特征数据进行重构,以充分耦合化两种光谱数据,解决了单样本学习下的数据稀缺问题;进一步地,设计新颖的时序约束稀疏表示方法计算重构后的原始数据和相关性特征数据,以充分考虑每个光谱序列的时序特征;最后与最新的物体识别方法进行实验对比,结果表明提出的OSL-TCSR方法提高了单样本学习情况下的物体识别结果.此外, OSL-TCSR还可灵活迁移至多种应用场景,比如材料识别或纹理识别等.

关键词 物体识别; 聚类相关性特征; 单样本学习; 时序约束正则化; object recognition; clustering correlation characteristics; one-shot learning; temporally constrained regularization

引用格式 童小宝, 熊鹏文, 宋爱国, 等. 单样本学习下时序约束稀疏表示的物体识别方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 191-209, doi: 10.1360/SSI-2022-0256
Xiaobao TONG, Pengwen XIONG, Aiguo SONG, et al. Object recognition based on one-shot learning with temporally constrained sparse representation. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 191-209, doi: 10.1360/SSI-2022-0256

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF

基于前景理论的行为安全博弈

路石, 杨浩, 姜斌
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 210-226

摘要 本文基于前景理论在博弈的框架下研究了行为感知概率对网络化系统中攻防资源配置的影响.首先,在理性决策情形下,通过融合物理系统、执行器攻击和资源分配模型,构建了一个新的安全博弈框架.其次,针对决策者依靠感知概率而非真实概率进行主观决策的情形,基于前景理论构造了行为安全博弈模型.然后,建立了安全博弈和行为安全博弈下期望收益函数关于攻防资源凹凸性的充要条件,并深入分析和比较了安全博弈和行为安全博弈下攻防资源最优配置的存在性和唯一性以及行为概率对安全博弈的影响.最后以无人机群为例进行了仿真,验证了所提方法的有效性.

关键词 执行器攻击; 前景理论; 资源分配; 安全博弈; 行为安全博弈; actuator attacks; prospect theory; resource allocation; security game; behavioral security game

引用格式 路石, 杨浩, 姜斌. 基于前景理论的行为安全博弈. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 210-226, doi: 10.1360/SSI-2023-0002
Shi LU, Hao YANG, Bin JIANG. Prospect theory-based behavioral security game. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 210-226, doi: 10.1360/SSI-2023-0002

第2期 封面 目录

通信 光通信 评述 Website Google Scholar PDF

涉水光学

李学龙
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 227-280

摘要 涉水光学(water-related optics)主要研究光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理,解决与涉水光学数据智能获取、信息传输及智能信号处理有关的各种问题,探索光学在涉水领域中应用的科学,是临地安防(vicinagearth security, VS)体系中水下安防的重要学科支撑.近年来,随着光学技术和智能科学的快速发展,光学在水体中的应用日渐突出,涌现出大量的涉水光学新理论、新技术,同时面临着新的机遇与挑战,对我国领水的防卫、防护、生产、安全、救援等具有重要的意义.本文系统介绍了光学技术在涉水领域中的数据获取、信息传输及智能信号处理,包括涉水光学中的传感、测量、成像、探测、通信、智能信号处理等研究方向.本文对现有涉水光学理论和技术进行了深入的思考,针对现有的科学技术现状,分析了涉水光学当前所面临的挑战,并展望了涉水光学的未来发展趋势.

关键词 光与水相互作用; 智能科学; 海洋光学; 水下光学; 认知计算; 水下安防; 临地安防; light-water interaction; artificial intelligence; ocean optics; underwater optics; cognitive computing; underwater security; vicinagearth security

引用格式 李学龙. 涉水光学. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 227-280, doi: 10.1360/SSI-2022-0398
Xuelong LI. Water-related optics. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 227-280, doi: 10.1360/SSI-2022-0398

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF

城区场景建筑物单体分割与结构重建耦合研究

董梦成, 谢科, 黄惠
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 281-300

摘要 随着无人机以及激光雷达在测绘领域的大规模应用,大量的城市场景稠密三维网格模型被生产出来,对其进行建筑物单体分割与结构化重建是计算机图形学领域极具挑战性的研究问题.本文对此提出了一种城区场景建筑物单体分割与结构化重建耦合处理的方法.首先,本文基于马尔可夫(Markov)随机场从场景中提取建筑物轮廓;然后,基于提取出的建筑物轮廓以及人造建筑竖直方向的规则性,引入了一种新的建筑物结构化模型——多层轮廓模型;最后,设计了一个自顶向下的城区场景建筑物单体分割与结构化重建耦合处理的并行系统,该系统能够高效地处理大规模城区场景.实验结果表明,本文方法生成的结构化模型最高实现了厘米级的精度.

关键词 建筑物单体分割; 结构重建; 耦合处理; 城市场景理解; 马尔可夫随机场; building instance segmentation; structural reconstruction; coupled processing; urban scene understanding; Markov random field

引用格式 董梦成, 谢科, 黄惠. 城区场景建筑物单体分割与结构重建耦合研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 281-300, doi: 10.1360/SSI-2023-0221
Mengcheng DONG, Ke XIE, Hui HUANG. Coupled study on instance segmentation and structural reconstruction of buildings in 3D urban scenes. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 281-300, doi: 10.1360/SSI-2023-0221

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF

基于薄板样条插值的弯曲笔触神经绘画与风格化方法

唐波昊, 胡腾, 杜瑜桢, 易冉, 马利庄
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 301-315

摘要 近年来,图像生成技术取得了令人瞩目的发展,目前的图像生成方法大多以像素填充的方式生成图像,缺乏艺术家逐笔绘制的过程,使其在局部笔触细节与纹理上与真实艺术作品有所不同.神经绘画致力于模仿人类艺术家以画笔为单位,逐笔绘制的作画过程.现有的神经绘画方法大多使用贝塞尔曲线或者笔触模板进行仿射变换来模拟真实笔触.然而,贝塞尔曲线纹理的缺乏以及仿射变换的线性性质,导致生成的笔触在纹理或者形状上存在较大的限制.为了更好地模拟真实笔触的纹理与形状,本文提出了新的基于薄板样条插值的弯曲笔触参数模型,通过对真实笔触模板先后进行弯曲与仿射变换,可以生成更加真实、多样的笔触图像.此外,本文提出了层次化的笔触优化方法,将整幅图像分解为由大到小的多个笔触,能够有效提升模型对图像整体架构与局部细节的绘画能力.最后,本文将提出的方法拓展至风格迁移中,实现了较好的风格迁移效果.定性与定量的实验表明,本文所提出的新的笔触模型与优化方法在神经绘画及风格化任务中都超越了已有的最佳模型.

关键词 神经绘画; 薄板样条插值; 弯曲笔触; 层次优化; 风格迁移; neural painting; thin plate spline; curved stroke; layer optimization; style transfer

引用格式 唐波昊, 胡腾, 杜瑜桢, 等. 基于薄板样条插值的弯曲笔触神经绘画与风格化方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 301-315, doi: 10.1360/SSI-2023-0194
Bohao TANG, Teng HU, Yuzhen DU, et al. Curved-stroke-based neural painting and stylization through thin plate spline interpolation. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 301-315, doi: 10.1360/SSI-2023-0194

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF

基于区块链构建安全去中心化的联邦学习方案

王恺祺, 洪睿琦, 毛云龙, 仲盛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 316-334

摘要 联邦学习甫一问世便得到了广泛的关注,被认为是一种具有广阔前景的分布式机器学习范式.然而,传统联邦学习方案基于中央服务器的集中式设计,在效率和可扩展性上存在不足.此外,集中式设计需要有可信的中央节点协调参与者完成训练,可能导致信任和可靠性的问题,例如中央服务器被操控或是出现单点故障.为了解决上述问题,相关领域的研究人员提出了基于区块链的去中心化联邦学习方案.去中心化联邦学习修补了传统集中式联邦学习的缺陷,但与此同时也引入了全新的攻击面.具体而言,由于区块链将网络中节点发起的全部事务保存在一个公开共享的数字账本,所有区块链节点都可以获取联邦学习参与者每轮的本地训练模型副本.这一现象严重地侵害了参与者的数据隐私和自身利益.在上述困境的驱动下,本文提出了一种安全去中心化联邦学习的可行方案,能够同时解决联邦学习参与者的数据机密性问题和学习公平性问题.区别于此前的研究工作,还提出了一种基于区块链的联邦学习的生产–消费模型,用于在模型安全聚合过程中审查参与者的本地行为,防止出现参与者不劳而获或是虚假训练的情况,在此基础上本文提出APoS共识机制,提供一种激励与审查机制,确保参与者在联邦学习的过程中倾向于选择诚实的训练.

关键词 联邦学习安全; 去中心化网络; 区块链; 数据消费; 激励机制; secure federated learning; decentralized network; blockchain; data consumption; incentives

引用格式 王恺祺, 洪睿琦, 毛云龙, 等. 基于区块链构建安全去中心化的联邦学习方案. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 316-334, doi: 10.1360/SSI-2023-0083
Kaiqi WANG, Ruiqi HONG, Yunlong MAO, et al. Secure solution for decentralized federated learning with blockchain. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 316-334, doi: 10.1360/SSI-2023-0083

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF

分组密码FBC的差分分析

刘端, 罗毅博, 贾珂婷, 张国艳, 邹光南, 尤启迪, 陈颖
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 335-353

摘要 FBC是一种轻量级分组密码算法,由于结构简单、软硬件实现灵活等优点成为2018年中国密码学会(CACR)举办的全国密码算法设计竞赛中晋级到第2轮的10个算法之一.FBC密码包含3个版本支持128和256两种比特长度的明文分组以及128和256两种比特长度的密钥,本文主要对分组长度128位的两个版本进行分析.我们基于SAT (Boolean satisfiability problem)模型对FBC的差分特征进行自动化搜索,得到了新的14轮差分路线,概率为2~(-102.25).基于此路线我们给出了18轮FBC128-128和20轮FBC128-256差分分析,并且在分析过程中给出了复杂度估计.对于18轮FBC128-128差分分析,时间复杂度和存储复杂度分别为2~(101.5)和2~(52).对于20轮FBC128-256差分分析时间复杂度和存储复杂度分别为2~(184)和2~(96).

关键词 分组密码; 差分分析; FBC 算法; 布尔可满足性问题; block cipher; differential cryptanalysis; FBC; Boolean satisfiability problem

引用格式 刘端, 罗毅博, 贾珂婷, 等. 分组密码FBC的差分分析. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 335-353, doi: 10.1360/SSI-2023-0189
Duan LIU, Yibo LUO, Keting JIA, et al. Differential analysis of block cipher FBC. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 335-353, doi: 10.1360/SSI-2023-0189

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF

基于异构图注意力的工业设备故障诊断知识图谱补全方法

马亚杰, 刘洋, 姜斌, 冒泽慧, 刘剑慰, 刘文静
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 354-372

摘要 针对工业设备故障诊断知识图谱故障实体属性残缺、故障关系链接缺失的问题,本文提出了一种基于知识图谱异构图注意力网络(knowledge graph heterogeneous graph attention network, KGHAN)模型的工业设备故障诊断知识图谱补全方法,通过对故障实体概念补全和故障关系链接补全完善了工业设备故障诊断知识图谱.所提KGHAN模型在异构图注意力网络模型的基础上,融合了故障知识结构信息和故障图结构信息,有效地表征了故障实体和故障关系的嵌入表示,提高了故障实体概念补全任务的准确率和故障关系链接补全任务的命中率.将所提工业设备故障诊断知识图谱补全方法应用在国内某企业的工业设备故障运维数据上,结果表明,故障实体概念补全任务的准确率提高了约10%,故障关系链接补全任务的命中率提高了约37%,验证了方法的有效性.

关键词 知识图谱补全; 知识图谱; 图神经网络; 故障诊断; 工业设备; knowledge graph completion; knowledge graph; graph neural network; fault diagnosis; industrial equipment

引用格式 马亚杰, 刘洋, 姜斌, 等. 基于异构图注意力的工业设备故障诊断知识图谱补全方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 354-372, doi: 10.1360/SSI-2022-0440
Yajie MA, Yang LIU, Bin JIANG, et al. Knowledge graph completion method for industrial equipment fault diagnosis based on heterogeneous graph attention. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 354-372, doi: 10.1360/SSI-2022-0440

控制 随机系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF

随机复杂系统设计方案排序问题的动态计量预算分配策略

肖辉, 魏志宏, 寇纲, 顾先明
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 373-393

摘要 仿真技术已被广泛地用于评估与优化随机复杂系统,例如生产制造、网络通信、医疗健康等信息物理融合系统.然而,将仿真优化方法用于方案排序问题的研究甚少.本文考虑只能通过系统仿真才能获取性能表现的k个备选方案排序问题,在贝叶斯(Bayes)框架下,构建以寻求最大化后验方案正确排序概率为目标的动态仿真预算优化分配模型.通过将仿真预算分配决策过程表述成一个随机动态规划问题,推导出一种动态计量预算分配策略,并证明了该分配策略的渐进最优性.数值实验以及案例分析的结果表明,本文提出的算法显著地提高了方案排序问题的仿真优化效率.

关键词 仿真优化; 排序选优; 信息物理融合系统; 马尔科夫决策过程; 贝叶斯估计; simulation optimization; ranking and selection; cyber-physical system; Markov decision process; Bayesian estimation

引用格式 肖辉, 魏志宏, 寇纲, 等. 随机复杂系统设计方案排序问题的动态计量预算分配策略. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 373-393, doi: 10.1360/SSI-2022-0451
Hui XIAO, Zhihong WEI, Gang KOU, et al. Dynamic computing budget allocation for design ranking in stochastic complex systems. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 373-393, doi: 10.1360/SSI-2022-0451

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF

自动驾驶车辆道路跟驰与状态一致性控制

郭胜辉, 罗世坚, 黄大荣, 宋家锋
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 394-412

摘要 针对含有未知输入和外部干扰的非线性自动驾驶车辆时变跟驰队列系统,研究系统部分状态可测情况下的车辆道路跟驰和状态一致性控制问题.基于车辆跟驰和二自由度动力学模型,得到含有外部干扰和未知输入的离散化状态方程,利用前导跟驰特性,得到自动驾驶车辆跟驰队列系统;利用比例积分状态观测器解决系统部分状态不可测问题,提出一种基于观测器实现含有未知输入和外部干扰的自动驾驶车辆状态一致性控制协议;将观测器估计效果和一致性控制问题转化为误差系统的稳定性问题,由此构造Lyapunov-Krasovkii函数,利用离散系统稳定性理论推导出一个充分条件;通过求解线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)得到跟驰系统的增益矩阵和参数矩阵,利用H_∞性能指标分析系统鲁棒性.仿真结果表明:所设计观测器能够估计未知输入、外部干扰和系统状态,并且基于观测器设计能够使自动驾驶车辆道路跟驰和状态达到一致.

关键词 智慧交通; 自动驾驶车辆; 道路跟驰; 多智能体系统; 一致性控制; 外部干扰; intelligent transportation; autonomous vehicle system; path following; multiagent system; consistency control; external disturbance

引用格式 郭胜辉, 罗世坚, 黄大荣, 等. 自动驾驶车辆道路跟驰与状态一致性控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 394-412, doi: 10.1360/SSI-2022-0424
Shenghui GUO, Shijian LUO, Darong HUANG, et al. Path following and status consistency control of autonomous vehicles. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 394-412, doi: 10.1360/SSI-2022-0424

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF

邻域感知的分布式智能边缘计算卸载和资源分配算法

李云, 张剑鑫, 姚枝秀, 夏士超
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 413-429

摘要 随着大量计算密集型和时延敏感型任务的出现,利用移动边缘计算(mobile edge computing,MEC)来提高用户体验并降低系统能耗已成为研究热点.然而,在密集部署的MEC网络场景下,无线网络状态复杂的空间相关性和动态性给卸载方案的制定带来了严峻挑战.本文针对多基站多用户MEC网络场景,研究了一种智能协作的计算卸载和资源分配算法.首先,提出了卸载决策、信道分配、传输功率分配和计算资源分配的联合优化问题,旨在用户时延约束下最小化系统的能耗.其次,由于该问题是一个混合整数非线性规划问题,本文提出了一种基于图注意力网络的混合动作多智能体强化学习算法(graph attention network-based hybrid-action multi-agent reinforcement learning, Gat-HMARL),将基站作为智能体并配置该算法. Gat-HMARL算法通过图注意力网络捕捉无线网络状态之间潜在的空间相关性,使基站有选择性地关注邻域中其他基站的无线网络状态信息,从而学习更优的计算卸载和资源分配策略.最后,仿真结果表明Gat-HMARL与基准算法相比在性能上有明显提升.

关键词 移动边缘计算; 计算卸载; 资源分配; 多智能体强化学习; 图注意力网络; mobile edge computing; computing offloading; resource allocation; multi-agent reinforcement learning; graph attention network

引用格式 李云, 张剑鑫, 姚枝秀, 等. 邻域感知的分布式智能边缘计算卸载和资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 413-429, doi: 10.1360/SSI-2023-0177
Yun LI, Jianxin ZHANG, Zhixiu YAO, et al. Neighborhood-aware distributed intelligent computing offloading and resource allocation for edge computing. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 413-429, doi: 10.1360/SSI-2023-0177

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar PDF

大尺度类周期阵列结构快速电磁仿真方法

徐延林, 刘晨曦, 毋召锋, 虎宁, 刘继斌, 刘培国
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 430-448

摘要 类周期结构具有独特的电磁波调控特性,在天线、雷达探测、目标隐身等领域具有重要研究价值,而针对大尺度类周期阵列的高效精确电磁仿真一直是电磁计算领域的重难点问题.本文从类周期阵列几何相似性出发,提出了一种具有函数复用机制的并行综合函数法(parallel synthetic basis functions method, p-SBFM),首次实现并验证了p-SBFM在多构型类周期阵列分析中的有效性.相比传统电磁数值算法, p-SBFM在大尺度类周期阵列分析中,能够在一定程度上克服精度、效率、内存消耗三方面指标难以兼顾的难题,为类周期结构的工程应用提供理论分析和仿真手段.

关键词 类周期结构; 综合函数; 并行计算; 矩量法; 电磁仿真; quasi-periodic structures; synthetic functions; parallel computing; method of moment; electromagnetic simulation

引用格式 徐延林, 刘晨曦, 毋召锋, 等. 大尺度类周期阵列结构快速电磁仿真方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 430-448, doi: 10.1360/SSI-2023-0139
Yanlin XU, Chenxi LIU, Zhaofeng WU, et al. Fast electromagnetic simulation method for large-scale quasi-periodic arrays. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 430-448, doi: 10.1360/SSI-2023-0139

第3期 封面 目录

计算机 软件 评述 Website Google Scholar PDF

泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

我国巨型星座操作系统发展研究

于登云, 李宗凌, 宋桂萍, 汪路元
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 449-460

摘要 巨型星座是未来天基系统的一个重要发展方向.本文基于巨型星座核心共性需求以及对桌面、物联网、车联网、卫星等典型应用场景操作系统发展历程的研判,分析了应用场景需求与操作系统间的演化规律,提出了我国发展完全自主可控星云操作系统的构想和技术途径,包括架构定义、硬件载体、内核设计、安全可信,以及生态建设等方面,以满足巨型星座复杂应用场景的需求.

关键词 巨型星座; 星云操作系统; 共性需求; 应用场景; 发展思路; mega-constellation; China satellite cloud operating system; common requirements; application scenario; development research

引用格式 于登云, 李宗凌, 宋桂萍, 等. 我国巨型星座操作系统发展研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 449-460, doi: 10.1360/SSI-2022-0426
Dengyun YU, Zongling LI, Guiping SONG, et al. Development research of operating system for mega-constellation in China. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 449-460, doi: 10.1360/SSI-2022-0426

计算机 软件 评述 Website Google Scholar PDF

泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

面向泛在操作系统的结构化存储

范晓鹏, 阎松, 翁楚良
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 461-490

摘要 人机物融合泛在计算的新场景和新模式,需要新型的操作系统,即泛在操作系统.存储管理作为泛在操作系统的一项核心功能,设计轻量化、高性能和动态可适配的存储系统是推进泛在操作系统发展的必要举措.然而,对于“端(终端设备)–边(边缘端)–云(云端)”泛在场景中普遍存在的结构化数据,传统存储解决方案存在I/O放大严重、系统体量过大和软件栈冗余等问题,难以满足泛在应用的需求.为此,本文从系统全栈的角度进行原创性探索,提出原生表存储系统.本文首先回顾了计算机系统的发展历史;之后分析泛在计算时代的新需求,总结出泛在操作系统的基本形态,并介绍最新研究成果;然后剖析了现有结构化存储方案在“端–边–云”场景下面临的挑战;进一步提出面向泛在操作系统的原生表存储系统,并从端侧和边/云侧两个场景深入分析其架构优势.最后,总结全文并展望未来发展趋势.

关键词 泛在计算; 泛在操作系统; 原生表存储; 软件栈; 端-边-云; ubiquitous computing; ubiquitous operating system; native table storage; software stack; end-edge-cloud

引用格式 范晓鹏, 阎松, 翁楚良. 面向泛在操作系统的结构化存储. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 461-490, doi: 10.1360/SSI-2022-0415
Xiaopeng FAN, Song YAN, Chuliang WENG. Structured storage for ubiquitous operating systems. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 461-490, doi: 10.1360/SSI-2022-0415

计算机 软件 论文 Website Google Scholar PDF

泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

BrickOS: 面向异构硬件资源的积木式内核

古金宇, 李浩, 夏虞斌, 管海兵, 丁佐华, 赵永望, 陈海波
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 491-513

摘要 人机物融合的新兴领域需要新型操作系统内核以支持泛在计算,对下管控海量异构硬件,对上服务动态多变应用场景.本文提出一种积木式内核架构BrickOS,可以根据使用场景灵活选择要加入内核的系统组件,同时可以选择将系统组件运行在用户态以提供较好的安全性,或者运行在共享地址空间的内核态中以提升性能.为了保障运行在相同地址空间中的系统组件的安全性, BrickOS为底层硬件的内存保护机制提供了统一的抽象,并将其用于单地址空间的内存隔离.测试结果表明BrickOS可以根据不同场景生成定制化内核,并拥有较低的进程间通信(inter-process call, IPC)开销,整体性能良好.

关键词 操作系统内核; 组件编排; 进程间通信; 内存隔离; operating system kernel; components arrangement; inter-process communication; memory isolation

引用格式 古金宇, 李浩, 夏虞斌, 等. BrickOS: 面向异构硬件资源的积木式内核. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 491-513, doi: 10.1360/SSI-2022-0413
Jinyu GU, Hao LI, Yubin XIA, et al. BrickOS: specialized kernels for heterogeneous hardware resources. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 491-513, doi: 10.1360/SSI-2022-0413

计算机 信息安全 评述 Website Google Scholar PDF

面向外包服务的可验证技术研究进展

孙奕, 杨帆, 陈性元, 杜学绘, 林玮
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 514-565

摘要 随着数字经济时代的到来,数据已成为重要生产要素,将数据外包给第三方存储、管理、分析、计算等应用越来越广泛,随之而来的外包数据、外包计算等外包服务的可信性问题也日益突出,可验证技术被视为判定外包服务可信的一种有效且具有广泛应用前景的技术.该技术发展迅速、研究内容丰富、技术多样、种类繁多,且随着区块链、人工智能、隐私计算等新型外包服务需求的出现,为可验证技术带来了新的挑战和发展契机.本文对面向外包服务的可验证技术研究进展进行了梳理与总结.首先梳理总结给出了面向外包服务的可验证技术框架、分类方法、安全目标与评价体系.接着从外包数据和外包计算两个角度给出可验证技术的形式化定义,并分别论述其典型的可验证方案.然后从外包数据的角度,以验证数据类型为主线结合实现的功能和方法分别详细论述了不同数据类型、不同场景、不同实现方式的外包数据持有性验证和完整性验证技术;从外包计算的角度,根据外包计算类型的不同,总结归纳了5种典型外包计算的可验证技术特点及研究进展,并基于提出的评价体系对典型方案进行了详细的对比分析.最后结合新兴技术和应用热点,展望了可验证技术在前沿方向上的发展趋势、应用前景及其面临的挑战.

关键词 外包服务; 外包数据验证; 可验证计算; 可认证数据结构; 动态可验证结构; outsourcing services; outsourcing data verification; verifiable computation; authenticated data structures; dynamic verifiable structures

引用格式 孙奕, 杨帆, 陈性元, 等. 面向外包服务的可验证技术研究进展. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 514-565, doi: 10.1360/SSI-2022-0360
Yi SUN, Fan YANG, Xingyuan CHEN, et al. Research progress of verifiable technologies for outsourcing services. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 514-565, doi: 10.1360/SSI-2022-0360

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF

联邦学习在高度数据异构场景下的泛化鲁棒性增强

万伟, 胡胜山, 陆建荣, 李明慧, 周子淇, 金海
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 566-581

摘要 联邦学习(federated learning, FL)是一种以保护客户隐私数据为中心的分布式处理网络,为解决隐私泄露问题提供了前景良好的解决方案.然而, FL的一个主要困境是高度非独立同分布(nonindependent and identically distributed, non-IID)的数据会导致全局模型性能很差.尽管相关研究已经探讨了这个问题,但本文发现当面对non-IID数据、不稳定的客户端参与以及深度模型时,现有方案和标准基线FedAvg相比,只有微弱的优势或甚至更差,因此严重阻碍了FL的隐私保护应用价值.为解决这个问题,本文提出了一种对non-IID数据鲁棒的优化方案:FedUp.该方案在保留FL隐私保护特点的前提下,进一步提升了全局模型的泛化鲁棒性. FedUp的核心思路是最小化全局经验损失函数的上限来保证模型具有低的泛化误差.大量仿真实验表明, FedUp显著优于现有方案,并对高度non-IID数据以及不稳定和大规模客户端的参与具有鲁棒性.

关键词 分布式网络; 联邦学习; 异构优化; 泛化性; 鲁棒性; 隐私保护; distributed network; federated learning; heterogeneous optimization; generalization; robustness; privacy protection

引用格式 万伟, 胡胜山, 陆建荣, 等. 联邦学习在高度数据异构场景下的泛化鲁棒性增强. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 566-581, doi: 10.1360/SSI-2023-0107
Wei WAN, Shengshan HU, Jianrong LU, et al. Enhancing generalization robustness of federated learning in highly heterogeneous environments. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 566-581, doi: 10.1360/SSI-2023-0107

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF

一种基于动态可寻址会话的服务器无感知计算

李子俊, 赵一龙, 陈全, 过敏意
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 582-602

摘要 服务器无感知计算作为云原生范式中快速发展的新兴技术,因其按需付费、自动资源伸缩和底层环境屏蔽等特点而受到越来越多的开发人员欢迎. FaaS (函数即服务)作为Serverless架构的主要实现方式,以函数粒度对应用进行解耦和执行.大多数云服务提供商也为应用开发人员提供了基于Serverless架构的应用搭建服务,这些服务允许开发人员以函数的形式部署代码,并根据实际的请求量进行自动扩缩容.然而,在部署有状态函数时,由于Serverless架构的无状态特性,管理其中的有状态数据变得复杂,往往无法满足Serverless中函数对有状态数据的访问性能要求.因此,本文提出了一种基于有状态和动态可寻址会话机制的服务器无感知计算系统XFaaS,实现了低开销的有状态数据访问和更高的应用吞吐.实验结果表明,通过采用XFaaS系统部署有状态函数的方式,可以降低有状态数据访问时延3个数量级,并提高2倍以上的函数最大吞吐量.

关键词 服务器无感知计算; 函数即服务; 有状态函数; 粘滞会话; 容器; Serverless computing; function-as-a-service; stateful function; sticky Session; container

引用格式 李子俊, 赵一龙, 陈全, 等. 一种基于动态可寻址会话的服务器无感知计算. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 582-602, doi: 10.1360/SSI-2023-0155
Zijun LI, Yilong ZHAO, Quan CHEN, et al. Serverless computing based on dynamic-addressable session. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 582-602, doi: 10.1360/SSI-2023-0155

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF

基于混合比例估计的标签噪声学习方法

郑庆华, 曹书植, 阮建飞, 赵锐, 董博
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 603-622

摘要 近年来,人工智能蓬勃发展,伴随着计算硬件算力的提升,深度学习已成为了人工智能算法的新范式.然而深度学习依赖大量精确标注的数据,在现实的多类别分类场景中,受限于标注成本和隐私数据保护等因素,大量精准标注的数据往往难以获得.近些年,移动众包和网络爬虫这类经济廉价的数据收集方法被广泛采用,但他们不可避免地引入了错误标注,即标签噪声.鉴于深度神经网络强大的数据拟合能力,标签噪声的存在将造成算法的过拟合,严重制约了深度学习方法的泛化能力.针对标签噪声问题,现有研究大多显式或隐式地依赖锚点(明确属于某一类别的样本),然而在现实场景中锚点难以获取,这使得现有解决方案不再适用.为解决这一问题,本文创造性地将多类别标签噪声学习问题转化为混合比例估计(mixture proportion estimation, MPE)问题,构建了一种不依赖锚点的满足统计一致性的学习算法.本文的主要贡献包括:(1)对现有的仅适用于二组成物MPE场景的R-MPE(regrouping-MPE)方法进行推广,提出了多组成物场景下不依赖不可约假设的MPE方法 MR-MPE(multi-component oriented R-MPE);(2)理论上证明了多类别分类场景下标签噪声学习算法锚点假设和MPE问题不可约假设的等价性,并基于所提出的MR-MPE方法构建了不依赖锚点的满足统计一致性的算法.本文在合成噪声数据集和真实噪声数据集上分别与现有算法进行了对比实验,结果显示本文所提算法在多个数据集上均展现出了最优的性能;同时,在移除锚点的情况下,本文对算法的鲁棒性进行了测试,验证了所提算法不依赖锚点的特性.

关键词 混合比例估计; 多类别分类; 标签噪声学习; 锚点; 不可约假设; 统计一致性; mixture proportion estimation; multi-class classification; label-noise learning; anchor point; irreducible assumption; statistical consistency

引用格式 郑庆华, 曹书植, 阮建飞, 等. 基于混合比例估计的标签噪声学习方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 603-622, doi: 10.1360/SSI-2023-0126
Qinghua ZHENG, Shuzhi CAO, Jianfei RUAN, et al. Label-noise learning via mixture proportion estimation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 603-622, doi: 10.1360/SSI-2023-0126

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稳健选择伪标注的混合式半监督学习

郭兰哲, 李宇峰
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 623-637

摘要 半监督学习旨在数据标注缺乏的情形下利用无标注数据提升学习性能,是重要的机器学习范式.尽管不少研究报道表明半监督学习取得了优异的性能表现,然而其在面临诸多实践任务时仍存在伪标注质量判断困难、超参数选择敏感、理论指导缺乏等瓶颈.针对上述挑战,本文提出一种稳健选择伪标注的混合式半监督学习方法,通过综合利用模型预测结果之间的分歧自适应地判断伪标注质量,无需预设超参数,显著提升了半监督学习的稳健性.本文在理论上证明了新方法的错误率随训练轮数的增加而显著下降.实验验证了本文方法较主流技术取得了明显的性能提升,例如,相较于在CIFAR-10数据集中表现最优的半监督学习技术FixMatch,新方法的分类错误率下降了11%以上,在更具挑战的STL-10数据集中分类错误率下降了18.8%.

关键词 机器学习; 深度学习; 半监督学习; 伪标注; 稳健性; machine learning; deep learning; semi-supervised learning; pseudo-label; robust

引用格式 郭兰哲, 李宇峰. 稳健选择伪标注的混合式半监督学习. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 623-637, doi: 10.1360/SSI-2022-0421
Lanzhe GUO, Yufeng LI. Robust pseudo-label selection for holistic semi-supervised learning. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 623-637, doi: 10.1360/SSI-2022-0421

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深度ReLU神经网络的万有一致性

刘霞, 王迪
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 638-652

摘要 随着数据量爆炸式增长、计算资源愈加丰富,浅层神经网络并不总能满足时代需求,从而导致深度神经网络的出现.深度神经网络的迅猛发展主要体现在应用领域,其理论研究相对匮乏.基于此,本文聚焦研究深度ReLU神经网络的万有一致性,具体内容包括:首先,是否存在一个具有统一结构的深度神经网络(即深度、宽度、激活函数等均已确定)使得该深度神经网络可以学习更多特征,并具有万有逼近性;其次,针对已确定的深度神经网络模型,证明其是强万有一致的;最后,从实验的角度验证理论结果的合理性.

关键词 深度神经网络; 万有一致性; 深度学习; ReLU 函数; 逼近性; deep neural networks; universal consistency; deep learning; ReLU function; approximation

引用格式 刘霞, 王迪. 深度ReLU神经网络的万有一致性. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 638-652, doi: 10.1360/SSI-2022-0401
Xia LIU, Di WANG. Universal consistency of deep ReLU neural networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 638-652, doi: 10.1360/SSI-2022-0401

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分心感知的伪装物体分割

梅海洋, 杨鑫, 周运铎, 季葛鹏, 魏小鹏, 范登平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 653-673

摘要 本文致力于设计一个有效且高效的伪装物体分割(camouflaged object segmentation, COS)模型.为此,本文开发了一个生物启发的框架,称为金字塔定位和聚焦网络(pyramid positioning and focus network, PFNet+),其模仿了自然界中的捕食过程.具体地,本文的PFNet+包含3个关键模块,即上下文增强模块(context enrichment, CEn)、金字塔定位模块(pyramid positioning module, PPM)和聚焦模块(focus module, FM). CEn通过整合上下文信息来增强骨干特征的表征能力,从而提供更有辨别性的骨干特征. PPM模仿捕食中的检测过程,以金字塔的方式从全局的角度定位潜在的目标物体.然后FM执行捕食中的识别过程,通过在歧义区域的聚焦逐步细化初始的预测结果.值得注意的是,在FM中,本文开发了一个新颖的分心挖掘策略,用于分心区域的发现和去除,以提高预测的性能.大量的实验证明本文的PFNet+能够实时运行(56 fps),在4个标准度量指标下, PFNet+在3个具有挑战性的数据集上都显著优于现有的20个最新模型,在其他视觉任务(如息肉分割)上的实验进一步证明了PFNet+的泛化能力.

关键词 伪装物体; 分心; 上下文增强; 上下文探索; 金字塔; 分割; camouflaged object; distraction; context enrichment; context exploration; pyramid; segmentation

引用格式 梅海洋, 杨鑫, 周运铎, 等. 分心感知的伪装物体分割. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 653-673, doi: 10.1360/SSI-2022-0138
Haiyang MEI, Xin YANG, Yunduo ZHOU, et al. Distraction-aware camouflaged object segmentation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 653-673, doi: 10.1360/SSI-2022-0138

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基于时空层级查询的指代视频目标分割

兰猛, 张乐飞, 杜博, 张良培
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 674-691

摘要 本文针对当前指代视频目标分割方法缺乏目标时空一致性建模和目标时空表征学习不足等问题,进行了深入的研究,提出了基于时空层级查询的指代视频目标分割方法 (STHQ).本文将指代视频目标分割看作基于查询的序列预测问题,并提出两级查询机制进行目标的时空一致性建模和时空特征学习.在第1阶段,本文提出了帧级空间信息提取模块,该模块使用语言特征作为查询独立地和视频序列中的每一帧在空间维度进行信息交互,生成包含目标空间信息的实例嵌入;在第2阶段,本文提出时空信息聚合模块,该模块使用视频级的可学习查询嵌入和第1阶段生成的实例嵌入在时空维度进行信息交互,生成具有时空表征信息的视频级实例嵌入;最后,视频级实例嵌入线性变换为条件卷积参数,并和视频序列中的每一帧进行卷积操作,生成目标的掩码预测序列.在该领域的3个基准数据集上的实验结果表明,本文提出的STHQ方法超越了现有的方法,实现了最佳的性能.

关键词 指代视频目标分割; 时空一致性建模; 时空特征学习; 跨模态特征交互; Transformer; referring video object segmentation; spatio-temporal consistency modeling; spatio-temporal feature learning; cross-modal feature interaction

引用格式 兰猛, 张乐飞, 杜博, 等. 基于时空层级查询的指代视频目标分割. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 674-691, doi: 10.1360/SSI-2023-0030
Meng LAN, Lefei ZHANG, Bo DU, et al. Spatio-temporal hierarchical query for referring video object segmentation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 674-691, doi: 10.1360/SSI-2023-0030

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF

具有非协同步长的噪声鲁棒分布式资源分配算法

吴温文, 朱善迎, 刘帅, 关新平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 692-707

摘要 针对通信噪声干扰下的资源分配问题,本文提出了基于对偶梯度追踪的分布式算法以实现资源的最优配置.通过设计新的噪声追踪策略与引入抑制系数,本文算法对噪声干扰具有更好的鲁棒性,并且支持各节点使用非协同步长进行迭代更新.理论分析证明了对于非Lipschitz光滑甚至不可微的强凸目标函数,算法在噪声干扰下仍能收敛到最优解邻域并且具有O(1/k)收敛速率.最后,在IEEE14母线和IEEE 118母线系统上验证了本文所提出分布式算法的有效性和可拓展性.

关键词 分布式优化; 对偶问题; 噪声抑制; 资源分配; 非协同步长; distributed optimization; dual problem; noise suppression; resource allocation; uncoordinated stepsizes

引用格式 吴温文, 朱善迎, 刘帅, 等. 具有非协同步长的噪声鲁棒分布式资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 692-707, doi: 10.1360/SSI-2023-0022
Wenwen WU, Shanying ZHU, Shuai LIU, et al. Noise-robust distributed resource allocation with uncoordinated step-sizes. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 692-707, doi: 10.1360/SSI-2023-0022

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF

高阶网络牵制控制中单纯形的选择

周进, 李博, 陆君安, 史定华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 708-718

摘要 随着网络科学的发展,普通网络无法描述多个个体间的交互作用,这就有必要引入高阶网络.高阶网络能够刻画普通网络无法描述的网络特征,其中单纯形(2阶以上)扮演着关键角色.牵制控制具有“四两拨千斤”的作用,在高阶网络中只需牵制一部分单纯形就能达到同步.但如何选取合适的单纯形进行牵制控制,是一个充满挑战而又全新的课题.本文给出高阶网络达到同步的自适应牵制控制律,并提出如何选择合适的单纯形进行牵制,选择方式由高阶网络广义Laplacian矩阵次小特征值对应的单位特征向量分量决定.数值仿真结果表明该方法简单有效,牵制控制效果与单纯形选择方式一致.

关键词 复杂网络; 高阶网络; 牵制控制; 同步; 单纯形; complex networks; higher-order networks; pinning control; synchronization; simplexes

引用格式 周进, 李博, 陆君安, 等. 高阶网络牵制控制中单纯形的选择. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 708-718, doi: 10.1360/SSI-2023-0142
Jin ZHOU, Bo LI, Jun-An LU, et al. Selection of simplexes in pinning control of higher-order networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 708-718, doi: 10.1360/SSI-2023-0142

第4期 封面 目录

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

编者按

李建东, 朱近康, 易芝玲, 卢建民, 张朝阳
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 719-720
引用格式 李建东, 朱近康, 易芝玲, 等. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 719-720, doi: 10.1360/SSI-2024-0084

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

面向"双碳"目标的未来绿色移动通信技术

李建东, 张夏雨, 刘俊宇, 赵晨曦, 盛敏, 朱江
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 721-744

摘要 由我国首次提出的“双碳”目标(即“碳达峰”与“碳中和”),是“十四五”规划中的重要布局,也是未来移动通信网络实现绿色、可持续发展的关键目标,更是奠定我国国际碳资产定价权与世界碳交易平台的基础.其中,实现绿色通信的难点在于保持业务量增长的同时,降低网络能耗及碳排放.本文从移动通信网络侧节能减排的角度和通信网与多能能源网融合架构的角度对绿色通信技术展开研究.研究结果表明,实现绿色通信技术的关键在于进行网络资源、能量资源与业务分布的相互匹配,而现有技术仅能实现网络资源与业务分布的单向匹配,或能量资源与业务分布的单向匹配.基于此,本文提出一种通信、感知和能量融合的原生绿色网络架构,该架构具备能量感知与业务感知能力,支持网络资源、能量资源与业务分布双向匹配方法,通过消除业务分布与能量分布的随机性与突发性,实现业务量持续增长的同时,显著降低移动通信网络侧耗能及碳排放.

关键词 双碳; 绿色通信; 双网融合; 绿色网络架构; 节能减排; carbon peaking; carbon neutrality; green communication; integration of communication network and energy network; green network architecture; energy saving and emission reducing

引用格式 李建东, 张夏雨, 刘俊宇, 等. 面向"双碳"目标的未来绿色移动通信技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 721-744, doi: 10.1360/SSI-2023-0287
Jiandong LI, Xiayu ZHANG, Junyu LIU, et al. Overview of future green mobile communication technologies oriented to the "carbon peaking" and "carbon neutrality" target. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 721-744, doi: 10.1360/SSI-2023-0287

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能量信息深度融合的移动网络架构及其技术挑战

周盛, 孙宇璇, 姜之源, 龚杰, 常征, 牛志升
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 745-757

摘要 5G的大规模部署伴随着网络能耗呈指数级增长,与此同时,国家提出了“碳达峰”与“碳中和”的“双碳”目标,因此移动网络的节能减排已刻不容缓.然而,一方面随着人工智能等技术的发展,未来6G网络中计算类业务预期将迎来大幅增长;另一方面,实现绿色低碳需要提升可再生能源的利用率,但绿色新能源供能不稳难以保证服务质量.为应对以上挑战,本文提出一种能量与信息服务深度融合的低碳网络架构,通过构建一个协调异质资源的智能控制面,充分利用并调度移动网络中泛在的算力、通信和储能,在保证6G个性化业务服务质量要求的同时,以期大幅降低网络能耗与碳排放.本文同时还讨论了该架构下的调度机制设计以及可能的未来研究方向.

关键词 6G; 低碳; 节能; 通信计算融合; 绿色能源; low carbon; energy saving; communications and computing integration; green energy

引用格式 周盛, 孙宇璇, 姜之源, 等. 能量信息深度融合的移动网络架构及其技术挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 745-757, doi: 10.1360/SSI-2023-0290
Sheng ZHOU, Yuxuan SUN, Zhiyuan JIANG, et al. Deep integration of the energy and information: network architecture and technology challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 745-757, doi: 10.1360/SSI-2023-0290

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面向语义通信网络的能效跨层优化

余开文, 樊仁和, 苟文龙, 俞传航, 武刚
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 758-776

摘要 语义通信关注传输信息的内在含义,通过语义提取可显著减少需要传输的数据量,提高通信效率,在未来智能设备通信场景中展现出巨大的潜力.然而,深度学习使能的语义编解码进一步加剧传统通信的能量消耗.针对该问题,本文提出一种联合跨层优化框架,并设计了一种语义能效指标来评估用户的体验质量和全局系统的能量损耗.将该优化过程建模为部分可观测的马尔可夫过程,联合优化物理层中的功率控制和语义层中的语义压缩配置:功率分配用于消除小区间干扰,语义压缩等级配置用于优化语义传输效率.仿真结果表明,所提框架和算法能够有效解决语义层和物理层的联合优化问题.

关键词 资源分配; 语义通信; 语义感知网络; 能量效率; 多智能体强化学习; resource allocation; semantic communications; semantic-aware network; energy efficiency; multiagent reinforcement learning

引用格式 余开文, 樊仁和, 苟文龙, 等. 面向语义通信网络的能效跨层优化. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 758-776, doi: 10.1360/SSI-2023-0283
Kaiwen YU, Renhe FAN, Wenlong GOU, et al. Cross-layer energy efficiency optimization for semantic communication networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 758-776, doi: 10.1360/SSI-2023-0283

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移动通信使能其他行业碳减排的定量评估:指标、方法和案例

张四海, 崔婵, 孙宏宇, 曾勇梅, 朱江, 朱近康
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 777-787

摘要 随着新一代信息通信技术(information and communication technologies, ICT)的高速发展以及新基建的部署,移动通信系统的能耗和碳排放出现较快增长的趋势. ICT行业在自身节能减排之外,使能其他行业节能减排,可有效降低其他行业的碳排放,是未来理论研究行业应用的重要领域.本文基于ICT使能碳减排评估框架,提出两个定量衡量使能效果的指标,使能减碳比(enable carbon reduction ratio, ECRR)和使能低碳系数(enable carbon reduction coefficient, ECRC)以及相应的定量分析方法,用于评估被使能企业的实际碳减排效果.本文研究可保护数据隐私的多方数据共享,基于安全多方计算(secure multi-party computation, SMPC)框架,提出保护各方数据隐私的使能碳减排评估方法.本文通过实际案例,完成数据采集、分析验证,对所提指标和方法论证其有效性和实用性.

关键词 ICT使能; 碳减排量化评估; 隐私保护; 全生命周期碳足迹; 使能低碳系数; ICT enablement; quantitative evaluation of carbon reduction; privacy protection; life cycle assessment of carbon reduction; enable carbon reduction coefficient

引用格式 张四海, 崔婵, 孙宏宇, 等. 移动通信使能其他行业碳减排的定量评估:指标、方法和案例. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 777-787, doi: 10.1360/SSI-2023-0295
Sihai ZHANG, Chan CUI, Hongyu SUN, et al. Quantitative evaluation of carbon reduction enabled by mobile communication in other industries: indicators, methods, and cases. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 777-787, doi: 10.1360/SSI-2023-0295

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基于随机几何分布的新能源蜂窝网碳排放优化研究

李嘉宸, 李昆, 艾小猛, 钟祎, 葛晓虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 788-802

摘要 随着无线通信系统中用户数量和通信数据量的不断增加,通信系统所消耗的能源量也在急剧增长,为了实现可持续发展并达成绿色通信目标,将可再生能源与电网能源相结合,并采用多源供电方式为蜂窝通信系统供电,成为一种具有前景的解决方案.本论文旨在针对实际场景下的太阳能生产情况,基于随机几何理论,建立精确的基站能耗模型以及新能源捕获模型.进一步,提出了一种基于非平衡最优传输的启发式基站间新能源调度算法,以达到提高新能源利用率,降低网络碳排放率的效果.该算法有效降低了通信系统对电网能源的依赖,为新能源移动通信基站的节能减排探索提供了有益的参考.

关键词 蜂窝网络; 可再生能源; 随机过程; 非平衡最优运输; 能源共享; cellular networks; renewable energy sources; stochastic processes; unbalanced optimal transport; cooperative energy sharing

引用格式 李嘉宸, 李昆, 艾小猛, 等. 基于随机几何分布的新能源蜂窝网碳排放优化研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 788-802, doi: 10.1360/SSI-2023-0291
Jiachen LI, Kun LI, Miaomeng AI, et al. Carbon emission optimization in renewable powered cellular networks based on stochastic geometric distribution. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 788-802, doi: 10.1360/SSI-2023-0291

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

面向无线网-能源互联网双网融合系统的碳效用评估指标

黄朋博, 余涛, 郑嘉怡, 张舜卿, 陈小静
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 803-816

摘要 随着国家“双碳战略”的稳步推进,无线通信领域缺少合理评估碳效用的相关指标,而传统的碳效用评估指标无法满足变化愈加剧烈的网络流量和网络部署、运维的特点.针对上述问题以及无线通信网–能源互联网双网融合的新趋势,本文提出了面向双网融合系统的集成相对碳效用指标(integrated relative carbon efficiency, IRCE).该指标不仅可以反映无线通信网络的容量和流量在时空上的动态变化,而且能够准确反映能源互联网的各个单元对双网融合系统的碳效用的影响.实验证明,所提出的集成相对碳效用指标不仅可以评估双网融合系统的碳效用水平,还可以反映能源供给侧不同的电能调度方式对碳效用的影响.

关键词 碳效用评估; 无线网络; 能源互联网; 双网融合; 虚拟电厂; carbon efficiency evaluation; wireless network; energy Internet; joint dual network; virtual power plant

引用格式 黄朋博, 余涛, 郑嘉怡, 等. 面向无线网-能源互联网双网融合系统的碳效用评估指标. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 803-816, doi: 10.1360/SSI-2023-0255
Pengbo HUANG, Tao YU, Jiayi ZHENG, et al. Novel carbon efficiency metric for integrated wireless and energy network system. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 803-816, doi: 10.1360/SSI-2023-0255

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虚实融合网络空间安全综述

赵沁平, 周忠, 梁晓辉, 李帅, 汪淼, 王焱
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 817-852

摘要 在计算机与网络基础设施不断发展的推动下,越来越多的人类活动从物理世界向数字世界迁移,产生了构建新型虚实融合网络空间的动因和思想,增强现实、数字孪生、元宇宙等相继成为国际关注热点.虚实融合网络以互联网、物联网为基础,进一步将具有独立身份的计算机、各种物理对象及其数字孪生,以及计算机生成的数字原生对象进行互联,将物理世界和人类世界与数字世界贯通,成为“泛联网”,形成人、机、物泛联互通的虚实融合网络空间,带来全新的大众体验、社交形态、生产模式和数字经济发展路径.这种新型网络空间极大地拓展了互联网、物联网的空间边界和应用领域,同时也带来了新的安全与隐私保护问题.本文首先介绍了泛联网与虚实融合网络空间的概念及架构,分析其存在的安全与隐私风险,然后从用户认证与权限控制、数据安全、隐私保护、感知与交互安全、关键基础设施与软硬件安全、应用安全与网络空间治理等方面的国际研究现状和发展趋势进行综述,最后给出需要解决的十个问题.

关键词 虚实融合网络空间; 泛联网; 数字孪生; 安全; 隐私; virtual-real mixing cyberspace; Pervasive Internet; digital twins; security; privacy

引用格式 赵沁平, 周忠, 梁晓辉, 等. 虚实融合网络空间安全综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 817-852, doi: 10.1360/SSI-2023-0188
Qinping ZHAO, Zhong ZHOU, Xiaohui LIANG, et al. Security in virtual-real mixing cyberspaces: a survey. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 817-852, doi: 10.1360/SSI-2023-0188

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面向大规模数据的高效超图神经网络

吉书仪, 魏宇轩, 戴琼海, 高跃
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 853-871

摘要 高阶关联广泛存在于现实世界中,如社交网络、生物网络、交通网络等,建模及优化高阶关联对于网络属性研究和演化趋势预测具有重要意义.超图是一种灵活的数据结构,能够自然地建模高阶关联.近年来,随着深度学习的发展,基于超图建模的超图神经网络被广泛应用于面向高阶关联的表示学习.然而,现有的超图神经网络均基于直推学习范式,虽然在小规模超图数据集上取得了不错的效果,但难以应用到大规模数据上,限制了其应用范围.本文首先分析了现有超图神经网络方法在大规模数据上应用的挑战,然后针对该问题提出了面向大规模数据的高效超图神经网络方法 (efficient hypergraph neural network, EHGNN).针对现有方法空间、时间复杂度过高的问题, EHGNN分别设计了超图采样模块和基于单阶段超图卷积的计算加速模块,同时降低了超图神经网络的空间开销和时间开销,使得超图神经网络适用于大规模超图数据,显著增强了可扩展性.在4个真实超图数据集上的实验结果验证了EHGNN的有效性和高效性.

关键词 超图计算; 超图神经网络; 高阶关联; 大规模数据; 节点分类; hypergraph computation; hypergraph neural network; high-order correlation; large-scale data; vertex classification

引用格式 吉书仪, 魏宇轩, 戴琼海, 等. 面向大规模数据的高效超图神经网络. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 853-871, doi: 10.1360/SSI-2022-0379
Shuyi JI, Yuxuan WEI, Qionghai DAI, et al. Efficient hypergraph neural network on million-level data. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 853-871, doi: 10.1360/SSI-2022-0379

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多模可信交互:从多模态信息融合到人-机器人-数字人三位一体式交互模型

王国庆, 裴云强, 杨阳, 徐行, 汪政, 申恒涛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 872-892

摘要 信任在人–机器人–数字人协作中扮演着关键角色,因为它不仅影响了人–机器人–数字人的效率,同时也存在风险和益处.然而,当前的人–机器人–数字人信任研究存在“失衡”现象,即大部分研究集中于“以人为中心”的信任关系而忽略了智能体(机器人和数字人)对人的信任.为了填补人–机器人–数字人信任研究领域的这一空白,在使用多模态信号来建立人–机器人–数字人交互中的适度单向信任基础上,构建跨虚实世界的“三位一体”经历交融共享生态.本文旨在探讨多模态线索和增强现实在建立人–机器人–数字人之间可信关系方面的现有研究、可行性和未来发展方向.最后,本文展望了该模式在社会组织形态及社会事件态势感知和管控中的应用前景,并指出了未来需要解决的问题.本文的研究有助于理解多模态线索和增强现实在人–机器人–数字人交互中的作用,并为“三位一体”趋势的实现提供思路和解决方案.

关键词 增强现实; 多模态交互; 人-机器人-数字人交互; 信任; augmented reality; multimodal interaction; human-robot-digital human interaction; trust

引用格式 王国庆, 裴云强, 杨阳, 等. 多模可信交互:从多模态信息融合到人-机器人-数字人三位一体式交互模型. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 872-892, doi: 10.1360/SSI-2023-0133
Guoqing WANG, Yunqiang PEI, Yang YANG, et al. Multimodal trustworthy interaction: from multimodal information fusion to a trinitarian human-robot-digital human interaction model. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 872-892, doi: 10.1360/SSI-2023-0133

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF

面向连续手语识别的自适应关键帧选择

闵越聪, 陈熙霖
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 893-910

摘要 基于视觉的连续手语识别旨在从图像序列中识别出对应的手语词序列,可以为手语使用者提供一种便利的辅助工具.现有的连续手语识别方法大多需要从图像序列中,逐帧提取视觉和时序特征,而相邻帧中存在的相似视觉信息带来了大量的冗余计算.本文通过分析帧率对连续手语识别算法的影响,发现降低帧率可以显著地提升计算效率,但也会带来一定的性能损失.为了在降低帧率的同时保留更多手语关键信息,本文提出了自适应动态池化层(adaptive dynamic temporal pooling, ADTP),ADTP基于序列特征的自相似性对序列进行动态下采样.在此基础上,本文进一步提出了一种两阶段的训练方式,以更充分地利用原始帧率中的时空信息.具体而言,该训练方式在第一阶段只训练基于原始帧率的手语识别模型,并以此模型为教师网络,通过知识蒸馏的方式引导第二阶段含ADTP模块的模型训练.实验结果表明,本文所提的方法在损失少量性能的情况下,可以大幅度减少识别所需的计算量.此外,本文所提出的ADTP也可用于手语视频结构分析,生成简略直观的手语视频摘要.

关键词 连续手语识别; 时间序列分析; 视觉语言; 知识蒸馏; 计算效率; continuous sign language recognition; time series analysis; visual languages; knowledge distillation; computational efficiency

引用格式 闵越聪, 陈熙霖. 面向连续手语识别的自适应关键帧选择. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 893-910, doi: 10.1360/SSI-2022-0467
Yuecong MIN, Xilin CHEN. Adaptive keyframe selection for continuous sign language recognition. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 893-910, doi: 10.1360/SSI-2022-0467

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF

扰动线性多智能体系统的分布式资源分配算法

时侠圣, 孙长银, 穆朝絮
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 911-926

摘要 针对一般异构线性多智能体系统的分布式资源分配问题,结合智能体动力学特性设计一类分布式优化算法,旨在实现扰动抑制的同时完成资源的最优分配.面对扰动模型已知干扰信号,本文利用智能体状态信息设计一种自适应分布式优化算法,其中拉格朗日(Lagrange)乘子对偶变量控制参数自动增加,直至拉格朗日乘子对偶变量达到一致.当智能体状态信息不可测时,本文将上述算法修改为基于输出反馈的分布式优化算法.当全局成本函数强凸时,借助拉萨尔(LaSalle)不变性引理证明上述所提算法渐近收敛到全局最优解.面对未知扰动信号,本文利用扩张状态观测器技术设计一种分布式优化算法.当未知扰动信号为常数或其微分趋于零时,利用李雅普诺夫(Lyapunov)理论证明上述算法渐近收敛至全局最优解.最后利用数值仿真验证上述算法有效.

关键词 异构多智能体系统; 资源分配; 自适应通信权重; 状态反馈; 输出反馈; 未知扰动; heterogeneous multi-agent systems; resource allocation; adaptive communication weight; state feedback; output feedback; unknown disturbance

引用格式 时侠圣, 孙长银, 穆朝絮. 扰动线性多智能体系统的分布式资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 911-926, doi: 10.1360/SSI-2023-0093
Xiasheng SHI, Changyin SUN, Chaoxu MU. Distributed resource allocation algorithms for linear multi-agent systems with disturbances. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 911-926, doi: 10.1360/SSI-2023-0093

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF

隐私保护下的多智能体系统弹性一致性控制

张冲, 伍益明, 徐明, 郑宁
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 927-943

摘要 针对多智能体系统通信网络遭受欺骗攻击与隐私窃取问题,本文提出了一种新的具备隐私保护能力的多智能体系统弹性一致性算法.首先考虑到多智能体系统在信息传输环节直接将真实状态信息暴露给外界的问题,设计了一种基于状态分配思想的节点状态信息处理机制,来保证系统中节点状态信息隐私的安全性.其次考虑到外部攻击者对系统收敛的影响,在状态分配机制上进一步引入了检测环节,从而保证系统安全收敛.然后通过数学理论分析证明了算法能够有效保护节点初始状态信息隐私的同时能够保证系统实现弹性一致性收敛.最后通过数值仿真实验与对比实验,进一步验证了本文算法的有效性.

关键词 多智能体系统; 弹性一致性; 欺骗攻击; 隐私保护; 网络安全; multi-agent systems; resilient consensus; deception attack; privacy-preserving; cyber security

引用格式 张冲, 伍益明, 徐明, 等. 隐私保护下的多智能体系统弹性一致性控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 927-943, doi: 10.1360/SSI-2023-0124
Chong ZHANG, Yiming WU, Ming XU, et al. Resilient consensus control of multi-agent systems under privacy protection. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 927-943, doi: 10.1360/SSI-2023-0124

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF

基于多阶邻居传播度量和拓扑特征的高影响力节点识别

罗余, 王建波, 李平, 杜占玮, 许小可
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 944-959

摘要 如何定量评估复杂网络中节点的影响力是一个重要的研究课题,因为它有助于深入理解网络的结构和功能.现有的多数方法主要基于网络固有拓扑的分析建立,缺少对多阶邻居节点的传播性质和拓扑信息的综合利用,然而它们对影响力节点识别有重要影响.为此,本文提出了一种综合多阶邻居传播度量和拓扑特征(multi-order neighbor propagation metrics and topological features, MNPMTF)的算法来有效识别复杂网络中的影响力节点.首先,该算法结合传播模型和最短路径来刻画邻居节点的传播概率,从而量化节点之间信息传播的可能性.其次,考虑多阶邻居中的邻居重叠比形成邻居重叠度,进而量化信息在邻居网络中的传播路径.再次,利用节点的k壳、h指数和聚类系数构成新指标KHC系数,以此来描述节点的拓扑特征.最后,算法综合3阶邻居范围内的传播概率、邻居重叠度和拓扑特征以评估节点的影响力.在9个真实网络上的大量实验表明,所提算法在排序准确性、有效性和区分能力等多方面均优于7种具有代表性的方法,为复杂网络中节点影响力评估提供了一种新的思路.

关键词 传播概率; 邻居重叠度; KHC系数; 影响力节点; 复杂网络; propagation probability; neighbor overlap; KHC coefficient; influential nodes; complex networks

引用格式 罗余, 王建波, 李平, 等. 基于多阶邻居传播度量和拓扑特征的高影响力节点识别. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 944-959, doi: 10.1360/SSI-2023-0201
Yu LUO, Jianbo WANG, Ping LI, et al. Identification of high-influential nodes based on multi-order neighbor propagation metrics and topological features. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 944-959, doi: 10.1360/SSI-2023-0201

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF

数据驱动的冗余机器人双层运动规划

刘梅, 尚明生
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 960-975

摘要 冗余机器人在智能制造、救灾抢险与太空探索等领域扮演着重要角色.然而,对结构信息不准确或未知的冗余机器人进行运动规划是一个棘手的问题.此外,若不考虑冗余机器人末端执行器的姿态约束,可能会因姿态的不可控性导致任务失败.为解决该问题,在考虑末端姿态保持和多层关节物理限制的基础上,本文针对模型未知的冗余机器人提出了一种基于数据驱动技术的双层运动规划方案.该方案在关节角加速度层求解的同时能实现最小化关节角速度范数的要求.进而,构建一个离散神经动力学求解器以在线求解该方案.理论分析、仿真和物理实验验证了所提数据驱动的冗余机器人双层运动规划方案的可行性和有效性.

关键词 冗余机器人; 姿态保持; 数据驱动; 神经动力学; 非线性优化; redundant robots; orientation maintaining; data-driven; neural dynamics; nonlinear optimization

引用格式 刘梅, 尚明生. 数据驱动的冗余机器人双层运动规划. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 960-975, doi: 10.1360/SSI-2023-0100
Mei LIU, Mingsheng SHANG. Data-driven double-level motion planning for redundant robots. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 960-975, doi: 10.1360/SSI-2023-0100

通信 光通信 进展 Website Google Scholar PDF

国家自然科学基金视角下我国光纤材料与器件领域的分析和展望

唐华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 976-987

摘要 光纤作为开启信息时代的关键技术之一,自诞生以来引领了信息、物理等众多相关领域的飞速发展.伴随着光纤材料与器件研究的深入和多元化,其应用领域不断扩展,在多个行业中发挥了不可替代的重要作用.本文从国家自然科学基金的视角,结合2018~2022年国家自然科学基金中人才项目、重点项目、重大项目、国家重大科研仪器研制项目、面上项目和地区科学基金项目的资助情况,对各立项项目的题目和关键词进行了热词分析,梳理了我国光纤材料与器件领域的研究现状与挑战,在此基础上分析展望了需进一步深入研究和探讨的方向与内容.

关键词 光纤材料与器件; 国家自然科学基金; 热词分析; 前沿热点; 研究展望; optical fiber materials and devices; National Natural Science Foundation of China; hot word analysis; frontier hot spots; research prospect

引用格式 唐华. 国家自然科学基金视角下我国光纤材料与器件领域的分析和展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 976-987, doi: 10.1360/SSI-2023-0381
Hua TANG. Analysis and prospects of the field of optical fiber materials and devices in China from the perspective of National Natural Science Foundation of China. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 976-987, doi: 10.1360/SSI-2023-0381

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar PDF

随机系统分析与控制专题简介

张维海, 解学军
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 988-988

摘要 随机控制理论在处理控制系统噪声、优化系统性能和增强鲁棒性等方面发挥关键作用,是现代控制理论中的重要研究领域之一.近年来,随机控制理论和应用虽有显著进步,但依然面临众多新的、具有挑战性的问题.这些问题包括高阶和低阶非线性特性、输出约束的随机系统的稳定化问题、平均场随机系统最优策略的部分无模型或完全无模型的智能算法设计问题,以及针对道路交通拥堵的随机网络控制策略问题等.为了展示这些问题的最新研究进展, SCIENCE CHINA Information Sciences在2024年67卷第4期组织并出版了“随机系统分析与控制专题”(Special Topic:Analysis and Control of Stochastic Systems),深入地探讨了随机系统基础理论与应用领域的研究现状及其创新成果.

引用格式 张维海, 解学军. 随机系统分析与控制专题简介. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 988-988, doi: 10.1360/SSI-2024-0104

第5期 封面 目录

通信 无线通信 编者按 Website Google Scholar PDF

6G专项研究进展专刊

6G专项研究进展专刊序

尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 989-990
引用格式 尤肖虎. 6G专项研究进展专刊序. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 989-990, doi: 10.1360/SSI-2024-0139

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6G专项研究进展专刊

6G智能业务网络:愿景、架构与关键技术

廖建新, 戚琦, 王敬宇, 王晶, 庄子睿
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 991-1024

摘要 移动通信业务网络负责基础网络与业务应用之间的适配. 5G以前的业务网络是在建好基础网络以后,通过叠加逻辑网络方式构建. 6G时代,“场景驱动”将成为移动通信发展的主要演进范式,业务网络的重要性更加突出. 6G业务网络应与基础网络同步规划和建设,由6G全场景驱动设计,实现全场景全域按需服务.传统业务网络仅从独立视角设计安全认证、网络控制和能力开放等机制,难以实现细粒度、动态资源管控,无法高效适配6G全场景业务应用.为此,本文基于国家首批6G重点研发计划专项“全场景按需服务关键技术”项目成果与当前学术研究进展,梳理和总结了6G网络按需服务的挑战、6G智能业务网络的愿景和总体架构设计,设计了涵盖资源接入、能力开放与场景解析3个层次以及安全内生、智能内生和协作共享3个关键管控平面的6G智能业务网络,实现对全域资源的细粒度智能管控.最后结合大模型、元宇宙、绿色节能等技术与通信网络深度融合的趋势,展望了6G智能业务网络更加广阔的应用发展空间.

关键词 业务网络; 按需服务; 全场景; 智能内生; 协作共享; 大模型; 6G; service network; on-demand services; full-scenario; native intelligence; collaboration and sharing; large foundation model

引用格式 廖建新, 戚琦, 王敬宇, 等. 6G智能业务网络:愿景、架构与关键技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 991-1024, doi: 10.1360/SSI-2023-0328
Jianxin LIAO, Qi QI, Jingyu WANG, et al. 6G intelligent service networking: vision, architecture, and key technologies. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 991-1024, doi: 10.1360/SSI-2023-0328

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6G专项研究进展专刊

6G全场景按需服务:愿景、技术与展望

承楠, 陈芳炯, 陈文, 程志密, 杨清海, 李长乐, 沈学民
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1025-1054

摘要 6G移动通信系统面临着复杂动态的网络,其多样化的场景和个性化的需求为网络服务的提供和价值的实现带来了极大挑战.因此, 6G网络应转向“以服务为中心”的新范式,综合运用先进网络技术和多维网络资源在全域全场景实现按需服务.本文对6G全场景按需服务研究展开综述,首先对按需服务的必要性进行说明,梳理了全场景按需服务的研究价值;然后对其内涵、挑战和机遇进行了阐述;接着对于6G全场景按需服务的架构和关键技术进行了分析;最后展望了6G全场景按需服务的前景和潜在研究方向.

关键词 6G; 全场景按需服务; 知识; 意图驱动网络; 人工智能; omni-scenario on-demand service provision; knowledge; intent-driven networks; AI

引用格式 承楠, 陈芳炯, 陈文, 等. 6G全场景按需服务:愿景、技术与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1025-1054, doi: 10.1360/SSI-2023-0323
Nan CHENG, Fangjiong CHEN, Wen CHEN, et al. 6G omni-scenario on-demand services provisioning: vision, technology and prospect. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1025-1054, doi: 10.1360/SSI-2023-0323

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6G专项研究进展专刊

面向超可靠低时延通信的有限块长MIMO传输理论与技术

沈弘, 朱鹏程, 刘平川, 孙羿, 李至诚, 张睿, 许威, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1055-1077

摘要 超可靠低时延通信是5G及未来6G无线通信系统的重要组成部分.针对该类通信场景,如何从MIMO传输的角度实现时延和可靠性的最佳折中,是近年来备受关注的一项研究课题.由于现有基于长包假设的经典MIMO传输体系难以满足系统对于时延和可靠性的严苛要求,亟需研究更具挑战性的有限块长MIMO传输理论和技术.本文围绕有限块长MIMO信息论、发射机以及接收机设计的已有研究工作进行全面总结,并重点介绍二维空时信道编码以及MIMO一体化接收机等新型技术,为显著提升超可靠低时延通信的性能提供指导.另外,本文简要介绍了作者所在课题组搭建的MIMO超可靠低时延试验验证平台,为后续相关理论与算法的验证奠定试验基础.

关键词 超可靠低时延通信; 有限块长; MIMO传输; 二维空时信道编码; MIMO一体化接收机; ultra-reliable and low-latency communication; URLLC; finite blocklength; MIMO transmission; 2D space-time channel coding; integrated MIMO receiver; MIMO

引用格式 沈弘, 朱鹏程, 刘平川, 等. 面向超可靠低时延通信的有限块长MIMO传输理论与技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1055-1077, doi: 10.1360/SSI-2023-0324
Hong SHEN, Pengcheng ZHU, Pingchuan LIU, et al. Finite blocklength MIMO transmission for URLLC: theory and technique. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1055-1077, doi: 10.1360/SSI-2023-0324

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6G专项研究进展专刊

6G无线空口传输技术研究进展与展望

杨刚华, 何高宁, 陈睿荣, 张朝阳, 杨照辉, 刘荣科, 杨涛, 陈达, 苏昕, 孙韶辉, 宋令阳, 曾书豪, 马啸, 蔡穗华, 王千帆, 白宝明, 李南希, 江甲沫
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1078-1113

摘要 自20世纪80年代以来,移动通信已彻底改变世界,对人们的生活产生了深远影响.在5G成功商用的今天,人们又开始思考6G会是什么样子.作为下一代移动通信系统, 6G不仅在频谱效率、时延、可靠性等通信KPI指标上提出了更高的要求,其内涵也将涉及人工智能、感知等新元素,远超传统意义上移动通信的范畴.为了实现6G愿景,迫切需要业界研究与之相适应的先进无线技术方案.本文重点介绍了6G无线空口多个研究方向的技术趋势和进展,包括信道编码技术、多址和波形技术、智能超表面技术、智能MIMO (multiple input multiple output)技术等,提出并初步验证了一系列创新技术点,如便车码、格码多址等.这些创新技术的提出,对6G愿景和KPI指标的实现起到有力的支撑作用.

关键词 第六代移动通信技术; 6G; 信道编码; 多址; 波形; 智能超表面; 智能MIMO; channel coding; multiple access; waveform; intelligent metasurface; intelligent MIMO

引用格式 杨刚华, 何高宁, 陈睿荣, 等. 6G无线空口传输技术研究进展与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1078-1113, doi: 10.1360/SSI-2023-0331
Ganghua YANG, Gaoning HE, Ruirong CHEN, et al. Progress and prospect of 6G wireless air-interface transmission technology research. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1078-1113, doi: 10.1360/SSI-2023-0331

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6G专项研究进展专刊

6G信道新特性与建模研究:挑战、进展与展望

张建华, 王珩, 张宇翔, 唐盼, 于力, 许慧鑫, 刘亚萌, 刘西曼, 巩汇文, 田磊
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1114-1143

摘要 随着第六代移动通信(the six generation, 6G)的前沿研究在全球范围内陆续开展,工业界和学术界提出了多种新技术、新频段和新应用,如通信感知一体化(integrated sensing and communication,ISAC)、超大规模多输入多输出天线阵列(extra-large-scale massive multiple-input multiple-output, XLMIMO)、多频段通信、可重构智能超表面(reconfigurable intelligent surface, RIS)和空–天–地–海通信等,旨在提供更高速率、更低时延、更广覆盖的高可靠移动通信服务.信道是移动通信系统收发端之间信号承载的媒介,其深入的传播特性发现与精确的建模对6G系统的研发、评估和优化至关重要.因此本文首先回顾了第一代到第五代移动通信的信道研究发展趋势,指出了多频段、多场景和多种新技术趋势下6G信道研究面临的挑战.随后,详细总结了6G信道新特性研究的最新进展,包括ISAC信道的共享性、XL-MIMO信道的近场和空间非平稳性、RIS信道的级联特性,以及多频段信道频率依赖性等.然后,本文提出了一种面向6G标准的扩展几何统计性信道模型,将所发现的信道新特性纳入统一建模框架,所提模型后向兼容主流的高精度5G标准模型,便于代际更迭的信道仿真器实现.最后,指出了面向6G演进的信道特性与建模方法研究有待深入的问题,并聚焦6G网络自治化的未来愿景,展望了一种基于环境感知重构和人工智能预测技术的信道数字孪生新范式.

关键词 6G; 信道测量; 信道特性; 信道建模; 人工智能; 数字孪生; 通信感知一体化; 超大规模MIMO; 可重构智能超表面; 空-天-地-海通信; channel measurement; channel characteristics; channel modeling; artificial intelligence; AI; digital twin; integrated sensing and communication; extra-large-scale massive MIMO; reconfigurable intelligent surface; space-air-ground-sea communication

引用格式 张建华, 王珩, 张宇翔, 等. 6G信道新特性与建模研究:挑战、进展与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1114-1143, doi: 10.1360/SSI-2023-0355
Jianhua ZHANG, Heng WANG, Yuxiang ZHANG, et al. Channel characteristics and modeling research for 6G: challenges, progress, and prospects. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1114-1143, doi: 10.1360/SSI-2023-0355

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6G专项研究进展专刊

6G无线覆盖扩展技术

许晓东, 韩书君, 赵芸, 王静贤, 何睿斯, 王德胜, 侯延昭, 费泽松, 张雪菲, 侯利明, 郭婧, 艾渤, 牛勇, 熊轲, 王方刚, 章嘉懿, 沈霞, 杜滢, 刘玲, 杜清河, 王碧舳, 孙梦颖, 张静璇, 谭力
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1144-1176

摘要 根据国际电信联盟关于IMT-2030愿景,第6代移动通信系统(the 6th generation mobile networks, 6G)的覆盖服务需求将从单场景覆盖向多场景覆盖扩展, 6G基础设施的部署也将逐步从2D覆盖向3D覆盖扩展、从局部覆盖向全球覆盖扩展、从中低频段融合使用向更高频段按需开启.上述需求使得6G在提升容量的同时,需要进一步考虑无线覆盖扩展需求.本文针对如何在6G网络结构时空尺度跨度大、全场景业务需求差异大、超密集覆盖能耗大等关键挑战下实现容量和能效约束下的覆盖能力扩展这一重大科学问题,首先提出了面向6G无线覆盖扩展的智能柔性组网架构;其次研究了面向6G无线覆盖扩展的关键技术,包括面向6G广域覆盖的多维立体空天地覆盖扩展技术、面向深度覆盖的超密集异构覆盖扩展技术和面向6G平滑度覆盖的超高速移动覆盖扩展技术;接着分析了基于语义通信的覆盖扩展技术;最后给出了6G全场景无线覆盖扩展仿真验证,通过定义6G无线覆盖扩展技术指标体系,进行了典型场景的覆盖性能仿真验证.

关键词 6G; 无线覆盖扩展; 组网架构; 关键技术; 指标体系; wireless coverage extension; networking architecture; key technologies; metrics

引用格式 许晓东, 韩书君, 赵芸, 等. 6G无线覆盖扩展技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1144-1176, doi: 10.1360/SSI-2023-0346
Xiaodong XU, Shujun HAN, Yun ZHAO, et al. 6G wireless coverage extension technologies. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1144-1176, doi: 10.1360/SSI-2023-0346

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6G专项研究进展专刊

6G星地融合移动通信关键技术

陈山枝, 孙韶辉, 康绍莉, 徐晖, 苏厉, 张晓燕, 胡博, 张伟, 虞志刚
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1177-1214

摘要 星地融合移动通信朝着“5G体制兼容、6G系统融合”的技术路径发展, 6G星地融合可以充分发挥卫星通信和地面移动通信各自的优势,极大地提高网络的覆盖能力和系统性价比,实现全球立体覆盖的目标.本文概述了星地融合移动通信发展背景与趋势,分析了6G星地融合移动通信需求与技术挑战,针对无线传输效率低、网络架构设计复杂、移动性管理难、网络质量保障难等系列问题,从无线传输、网络架构、资源管控和移动性管理、天基计算、频谱共享等多个方面开展6G星地融合移动通信关键技术研究.针对各关键技术,首先分析发展现状,然后提出创新技术,并开展相应的性能评估验证其有效性.

关键词 6G; 星地融合移动通信; 多波束协同; 弹性可重构网络架构; 频谱共享; 移动性管理; 天基计算; integrated satellite-terrestrial mobile communication; multi-beam coordination; flexible and configurable network architecture; frequency sharing; mobility management; space-based computing

引用格式 陈山枝, 孙韶辉, 康绍莉, 等. 6G星地融合移动通信关键技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1177-1214, doi: 10.1360/SSI-2023-0348
Shanzhi CHEN, Shaohui SUN, Shaoli KANG, et al. Key technologies for 6G integrated satellite-terrestrial mobile communication. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1177-1214, doi: 10.1360/SSI-2023-0348

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6G专项研究进展专刊

太赫兹通信感知一体化技术综述

陈智, 刘轲, 李玲香, 陈思思, 陈文荣, 王珍, 张波
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1215-1235

摘要 太赫兹通信具有频谱资源丰富、传输速率高、保密性强、易实现通信感知一体化等优势,在6G通信和空间通信等方面都具有重要的应用前景.然而,太赫兹频段的器件机理和传播特性迥异于微波频段:一是太赫兹波与现有器件材料的互作用效率较低,二是通信和感知的波形体制相互矛盾,三是太赫兹波传播的粒子效应突出.这些差异使得太赫兹通信感知一体化面临信号高效调控难、信号处理复杂度高、移动接入和覆盖受限3个难题.针对如何突破这些难题,本文将从系统架构、射频前端、波形产生、信号处理、组网的角度出发,介绍太赫兹通信感知一体化的背景、概念、特征、面临的挑战、需要解决的关键问题、一些研究进展,以及未来研究方向.

关键词 太赫兹通信; 通信感知一体化; 一体化架构; 一体化波形; 一体化组网; Terahertz communications; joint sensing and communications; integrated system architecture; integrated waveform; integrated networking

引用格式 陈智, 刘轲, 李玲香, 等. 太赫兹通信感知一体化技术综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1215-1235, doi: 10.1360/SSI-2023-0354
Zhi CHEN, Ke LIU, Lingxiang LI, et al. Survey of Terahertz integrated communication and sensing technology. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1215-1235, doi: 10.1360/SSI-2023-0354

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6G专项研究进展专刊

6G移动信息网络架构:从通信到一切皆服务的变迁

刘光毅, 张慧敏, 佟舟, 李娜, 陈天骄, 华美慧, 刘超, 彭程晖, 艾明, 崔琪楣, 潘志文
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1236-1266

摘要 5G与大数据、云计算和AI等技术的融合正在赋能千行百业的数字化转型,加速整个社会走向数字化和智慧化.面向2030年,社会发展的愿景将是“数字孪生、智慧泛在”,更加差异化和碎片化的业务场景将对移动通信网络提出全新的挑战,未来网络将从提供信息传输服务,拓展到信息感知、传输、存储、处理、利用等全过程服务,实现从传统通信网络向移动信息网络的重大转变.为了高效实现这一转变, 6G网络将通过通信、感知、大数据、计算、AI和安全等多领域技术的跨界融合,实现柔性、按需服务、至简、智慧内生、数字孪生和安全内生的网络设计,带来“按需服务”和“一切皆服务”的范式转变.本文从面向2030年的新应用需求、新技术趋势,以及5G网络面临的问题与挑战出发,分析6G网络发展的三大驱动力,提出6G网络架构的整体设计思路,并设计了“三层六面” 6G网络逻辑功能架构和实际部署架构,打造一站式提供通信、感知、计算、AI、大数据和安全等服务的全新能力,全面提升6G网络的业务和场景适应能力,实现面向全行业、全场景、全生态的按需服务,在有效解决5G网络面临的高成本、高功耗、操作和维护难等主要问题的同时,全面赋能“数字孪生、智慧泛在”社会发展愿景的实现.

关键词 6G; 网络架构; 柔性至简; 按需服务; 智慧内生; 数字孪生; 安全内生; network architecture; soft and lite network; on-demand service; native AI; digital twin; native security

引用格式 刘光毅, 张慧敏, 佟舟, 等. 6G移动信息网络架构:从通信到一切皆服务的变迁. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1236-1266, doi: 10.1360/SSI-2023-0339
Guangyi LIU, Huimin ZHANG, Zhou TONG, et al. 6G mobile information network architecture: migrate from communication to XaaS. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1236-1266, doi: 10.1360/SSI-2023-0339

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6G专项研究进展专刊

面向6G网络的高可靠低延时通信计算与控制

牛志升
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1267-1282

摘要 未来6G网络的业务主体将转变为赋能千行百业的智能物联网应用,因此在提供高可靠低延时通信(ultra-reliable and low-latency communications, u RLLComm)的同时,还要实现高可靠低延时的智能计算(uRLLComp)与智能控制(uRLLCtrl)(以下简称uRLLC3).这对于传输环境、业务需求与网络资源配置均高度动态变化的移动网络来讲是一个巨大挑战.本文面向6G时代的智慧网联与网联智能,从排队论中几个超越直觉的定理出发,尝试为u RLLC3的实现提供一些有益启示,并系统地给出实现高可靠低延时通信、计算与控制的理论与方法.同时,以未来智慧网联汽车的智能控制为例,在描述信息新鲜度的信息年龄(age-of-information, AoI)性能指标的基础上,提出一种新的信息时效性表征指标——信息紧迫度(urgency-of-information, UoI),并在此基础上给出几种UoI意义上最优的移动终端调度与控制算法,验证所提UoI指标的有效性.

关键词 移动通信; 6G; 高可靠低延时; 车联网; 信息年龄; 信息时效性; mobile communication; ultra-reliable and low-latency; vehicular network; age of information; information timeliness

引用格式 牛志升. 面向6G网络的高可靠低延时通信计算与控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1267-1282, doi: 10.1360/SSI-2023-0336
Zhisheng NIU. uRLLC3: ultra-reliable and low-latency communication, computing, and control for 6G networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1267-1282, doi: 10.1360/SSI-2023-0336