主要學術(shù)成績、創(chuàng)新點及其科學意義
1、近年所從事學術(shù)研究工作的背景：
復雜性科學，或稱復雜系統(tǒng)理論與方法，被稱為二十一世紀的科學。籠統(tǒng)地說，它包括現(xiàn)代系統(tǒng)理論、非線性理論以及人工生命方法，如下圖所示。
圖1 復雜性科學理論框架
復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)的研究是復雜性科學的一個重要分支。1998年，Watts和Strogatz在Nature上發(fā)表文章《“小世界”網(wǎng)絡的群體動力行為》，揭示了復雜網(wǎng)絡的小世界特性，建立了小世界網(wǎng)絡模型。1999年Albert和Barabasi在Sciece上發(fā)表文章《隨機網(wǎng)絡中標度的涌現(xiàn)》，揭示了復雜網(wǎng)絡的無標度性質(zhì)，建立了無標度網(wǎng)絡模型。自此，復雜網(wǎng)絡理論研究不再局限于數(shù)學的范疇，而是進入了物理學、生物學、社會學以及互聯(lián)網(wǎng)領域，受到科學、管理、工程技術(shù)等眾多學科的廣泛關(guān)注。
2、主要學術(shù)業(yè)績與創(chuàng)新點：
自1999年開始，發(fā)起組建清華大學電子工程系復雜工程系統(tǒng)實驗室（CESL），并擔任主任，開設《復雜系統(tǒng)分析導論》研究生課程，致力于復雜性科學以及將復雜系統(tǒng)理論與方法應用到信息網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)的仿真、分析與控制研究。目前CESL實驗室有教師10人，其中3名教授。
先后完成國家自然科學基金3項（含兩項重大研究計劃面上項目）、985基礎研究基金3項（含1項重點項目）、航天科技創(chuàng)新基金1項、航天支撐技術(shù)基金1項以及大型網(wǎng)絡設計與建設工程項目；正在承擔國家自然科學基金1項（共享信息網(wǎng)絡新結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究）、973項目子課題1項（一體化網(wǎng)絡與普適服務體系下的移動性和傳感網(wǎng)絡機理與理論）、國家部委項目1項（涉密），以及面向網(wǎng)絡信息共享的橫向科研開發(fā)項目。取得了大量原創(chuàng)性研究成果，逐漸形成了基于復雜系統(tǒng)理論與方法的網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)研究體系（如圖2所示），并不斷完善和擴充。
圖2 基于復雜系統(tǒng)理論與方法的網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)研究體系
3、主要學術(shù)成績和創(chuàng)新點（以下文章引用信息截止至2007年3月）
1、復雜計算機網(wǎng)絡的行為、機理及控制方法研究，取得突破性進展
在互聯(lián)網(wǎng)研究領域有兩個公認的“缺乏”：第一，作為信息系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)研究缺乏理論支撐；第二，作為分布式控制系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)缺乏可觀可控的狀態(tài)變量。盡管有人把排隊（Queuing）論作為互聯(lián)網(wǎng)研究的理論基礎，但由于網(wǎng)絡流量的自相似性，使得以往用泊松過程刻畫的業(yè)務以及基于馬爾科夫分析的一些基本方法，在基于包交換的排隊系統(tǒng)中不再適用；況且，面向連接的傳統(tǒng)電信網(wǎng)的排隊分析方法，是穩(wěn)態(tài)（t→∞）時的結(jié)論，不完全適合于無聯(lián)接的動態(tài)可丟失包交換網(wǎng)絡。有一些稱為“網(wǎng)絡信息論”的研究，其主要內(nèi)容是討論在一定規(guī)模的網(wǎng)絡下進行數(shù)據(jù)包存儲轉(zhuǎn)發(fā)的通信容量極限問題。隨機圖是一種用于網(wǎng)絡分析與網(wǎng)絡現(xiàn)象理解的數(shù)學工具，有一些研究試圖將隨機分析引入網(wǎng)絡，在模型抽象和協(xié)議概念化等問題上至今難以找到契合點。
關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的控制，一方面，是通過網(wǎng)絡觀測實現(xiàn)集中控制或分布式控制，已經(jīng)取得一些規(guī)則網(wǎng)絡、無尺度網(wǎng)絡、隨機驅(qū)動下的動態(tài)網(wǎng)絡牽制控制研究成果。另一方面，是透過大時滯且不定時滯互聯(lián)網(wǎng)的控制問題。由于以計算機之間靠TCP/IP協(xié)議聯(lián)結(jié)的互聯(lián)網(wǎng)存在著諸多的不確定性，如拓撲結(jié)構(gòu)不確定（無統(tǒng)一規(guī)劃的生長型冪律度分布網(wǎng)絡）、傳輸路徑不確定（單徑、多徑、可變路由）、QoS要求不確定（不同連接、不同業(yè)務、不同度量參數(shù)）、業(yè)務到達不確定（到達時間、業(yè)務量、持續(xù)性）、節(jié)點狀態(tài)不確定（包處理延時、排隊長度、等效出口帶寬、吞吐量），使得系統(tǒng)的狀態(tài)向量難以定義，因而難從理論上建模、分析。
研究思路：首先，認識網(wǎng)絡自身所發(fā)生的各種復雜現(xiàn)象，即網(wǎng)絡行為研究；第二，揭示復雜網(wǎng)絡種種“表現(xiàn)”的原因，即機理研究；第三，針對具體應用場景，根據(jù)單項或集成目標，研究網(wǎng)絡局部指標或整體優(yōu)化控制，包括結(jié)構(gòu)、方法、算法等。
（1）全面分析驗證了網(wǎng)絡的冪律、自組織臨界、整體時空關(guān)聯(lián)行為
最先提出網(wǎng)絡中存在自組織臨界（SOC）現(xiàn)象與整體關(guān)聯(lián)行為。通過一維、二維元胞機仿真與實際網(wǎng)絡測量，驗證了網(wǎng)絡中普遍存在的冪律特性與無標度特性，分析了大規(guī)模網(wǎng)絡從輕載趨于臨界相變狀態(tài)的長相關(guān)增強和整體關(guān)聯(lián)演化過程，給出冪指數(shù)取值范圍，從而更加充分地認識了網(wǎng)絡中由于節(jié)點協(xié)議的非線性和終端用戶行為的突變性而產(chǎn)生種種復雜有趣現(xiàn)象的必然性。參見文章[4、14、54、74、75、76]，被引用33次，單篇最高被引用18次。
（2）提出自相似業(yè)務的產(chǎn)生與預測方法以及網(wǎng)絡流量的大時空關(guān)聯(lián)分析方法
第一，提出一種檢測序列是否為自相似性業(yè)務以及自相似參數(shù)估計方法，并驗證了網(wǎng)絡流量是Hurst指數(shù)約為0.8的自相似業(yè)務流，與解析結(jié)果一致。
第二，根據(jù)網(wǎng)絡流量中存在復雜的整體相關(guān)性，利用子波變換輸出在同一時間尺度下只具有短程相關(guān)的特性，找到了一種基于子波的間接網(wǎng)絡流量預測方法。通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)流量測量，驗證了該預測方法的有效性，并給出了最小方差迭代快速算法，一定程度地解決了長期以來普遍認為自相似業(yè)務無法預測的爭議。
第三，對局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)TCP流進行全局、局部縮放性質(zhì)研究，得到了驚人的發(fā)現(xiàn)：在大時間尺度上，以重尾分布網(wǎng)絡流量可以近似為分形高斯噪聲（fGn）；而在小時間尺度上，流量無法用fGn或MWM（多分形小波模型）近似。進一步分析表明，小于RTT時間尺度的流量建模仍然具有挑戰(zhàn)性。
第四，定義了一個加權(quán)向量，利用網(wǎng)絡的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，通過恰當選擇少數(shù)觀測點來準確估計全局流量信息，從而解決了大時空動態(tài)網(wǎng)絡的全局監(jiān)測難題。
以上研究成果發(fā)表于文章[5、29、78]，被引用7次。
（3）通過小世界網(wǎng)絡特征分析找到一種理想互聯(lián)網(wǎng)的設計途徑
本研究通過對不同網(wǎng)絡模型的小世界屬性分析，尋求網(wǎng)絡整體優(yōu)化設計方案。
針對規(guī)則的二維平面拓撲小世界網(wǎng)絡，首先，分析平均最短路徑路由的網(wǎng)絡性能，提出一種有效的混合路由策略，控制網(wǎng)絡的臨界相變點在惡意攻擊時后移，極大地提高了網(wǎng)絡抗毀能力。然后，對臨界狀態(tài)特征首次作了定量刻劃：在相變點附近，網(wǎng)絡負載變化的功率譜呈現(xiàn)1/f 2的特點，節(jié)點排隊長度的功率譜變化服從1/f a分布，其中a £ 2；a 的降低反映了網(wǎng)絡的整體關(guān)聯(lián)性趨于增強，說明網(wǎng)絡更加難于控制。
針對冪律度分布網(wǎng)絡，創(chuàng)造性地構(gòu)造了最短路徑長度分布P(l)公式，只含有冪指數(shù)，從而建立了度分布P(k)與P(l)之間的直接關(guān)系；該公式表明，參數(shù)代表了網(wǎng)絡節(jié)點連接方式，網(wǎng)絡的總邊數(shù)對l取值規(guī)律有直接的影響。換言之，只要掌握冪指數(shù)值，就可以直接計算相應網(wǎng)絡的平均最短路徑長度l。實測數(shù)據(jù)驗證了公式的有效性。該項工作的意義是，論證了冪指數(shù)對網(wǎng)絡設計的重要性以及對網(wǎng)絡路由特性的影響，使得未來網(wǎng)絡的控制與管理有了明確的指導方向，使得理想網(wǎng)絡的設計成為可能。
以上研究成果發(fā)表于文章[2、3、6]，被引用21次，單篇最高引用15次。
（4）提出了改善網(wǎng)絡性能的三種控制方法并充分驗證了其有效性
對網(wǎng)絡進行均衡化、智能化、多元化改進，主要是施以有效的控制。這些控制手段，主要體現(xiàn)在三個方面：①體現(xiàn)在協(xié)議或方法上，②作用在局部節(jié)點或自治域內(nèi)甚至延伸至全網(wǎng)，③基于現(xiàn)有網(wǎng)絡或填加新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
第一，提出一套基于信息素的改進人工生命路由算法，通過研究二維元胞機模型自組織路由動態(tài)建立過程，發(fā)現(xiàn)路由建立時間服從冪律分布，所提出算法的響應時間和負載均衡等動態(tài)指標，均優(yōu)于現(xiàn)行的路由算法，如OSPF。
第二，提出了一系列更具實效的隊列管理、流控與擁塞控制方法和算法，包括：①基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的魯棒主動隊列管理算法，極大地提高了AQM的適應性；②針對大時滯網(wǎng)絡TCP端到端擁塞控制的各種AQM算法都存在排隊震蕩的問題，提出了魯棒的延時補償算法DC-AQM，鏈路利用率是其它算法的3～4倍；③基于流體流理論建模分析的p-EFCI概率標識二進制流控算法，對于ABR業(yè)務流控的穩(wěn)定性和魯棒性均優(yōu)于流行的EFCI算法；④設計了顯式速率反饋（XRF）機制概率標識算法中用于擁塞判定概率實時調(diào)整的PID控制器及其參數(shù)整定方法，大幅度地抑制了排隊長度的振蕩，提高了鏈路利用率，減小了時延抖動。
第三，3G無線蜂窩系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)時缺乏流控機制，因而無法利用數(shù)據(jù)業(yè)務的彈性特點。對此，我們提出一種粗�；骺貦C制，避免了傳輸過程中的速率調(diào)整，有效地縮短了文件服務的平均響應時間。在這項研究中，將重尾大方差文件（如有界Pareto分布）的傳輸問題，轉(zhuǎn)化為有限忍耐度的M/G/c（Poisson達到/服務時間分布/并行服務進程數(shù)）排隊系統(tǒng)。采用長短流分解，借助伊滕積分，對非無窮方差的任意分布文件的更新過程到達進行擴散近似處理，解決了一直以來M/G/c排隊系統(tǒng)分析的難題，取得了重要理論突破。
以上研究成果發(fā)表于文章[1、16、18、21、24-28、34、37、38、41-43、61-72、78]，被引用109次，單篇最高引用15次。
（5）P2P、HTTP等應用網(wǎng)絡對互聯(lián)網(wǎng)性能的影響及改善方法
通過網(wǎng)絡測量和理論分析，我們發(fā)現(xiàn)：Http業(yè)務與P2P等主流業(yè)務在空間分布上均呈冪次分布規(guī)律，與復雜網(wǎng)絡理論對邏輯連接的扁平網(wǎng)絡的傳統(tǒng)解釋有較大差異。由于實際的應用層行為具有更強的小集團群聚性，因此P2P業(yè)務的下行分組才能夠服從冪律分布，而對等（P2P）機制對于物理網(wǎng)絡的流量均衡則毫無作用。為此，我們提出了一種耦合物理網(wǎng)絡與應用層網(wǎng)絡行為的雙層模型，研究了虛擬網(wǎng)絡行為對物理網(wǎng)絡整體性能產(chǎn)生嚴重影響的客觀現(xiàn)象：①在虛擬網(wǎng)絡行為作用下，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)包排隊長度仍存在相變特性，但相變臨界點發(fā)生了明顯左移；②注入速率小于臨界速率時，與規(guī)則網(wǎng)絡結(jié)論一致；③在接近臨界速率處，節(jié)點數(shù)據(jù)包排隊長度呈長程相關(guān)特性，冪指數(shù)變大，網(wǎng)絡的長程相關(guān)性得到了增強；④注入速率大于或等于臨界速率時，虛擬網(wǎng)絡行為使網(wǎng)絡呈現(xiàn)出一致的長程相關(guān)性。
針對這種現(xiàn)象，我們提出了應用網(wǎng)絡與物理網(wǎng)絡之間跨層耦合的分布式鏡像方法，經(jīng)分布鏡像，物理網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)包的排隊長度、數(shù)據(jù)包駐留時間、鏈路吞吐量等表示網(wǎng)絡性能的指標參數(shù)，仍呈現(xiàn)明顯的相變特性，但臨界相變點產(chǎn)生了明顯的右移，而且可能發(fā)生二級相變，網(wǎng)絡性能得到相當大的改善。
以上研究部分成果發(fā)表于2007年1月《物理學報》，文章[11]；其余成果已投稿。
（6）Internet網(wǎng)絡安全性研究
我們用動力學方法研究了計算機網(wǎng)絡的網(wǎng)絡會議安全、病毒模型、病毒擴散監(jiān)測等問題，提出了蠕蟲病毒的早期發(fā)現(xiàn)方法。研究成果發(fā)表于文章[15、30、31、36]，被引用7次。
上述研究成果，發(fā)表高水平學術(shù)論文50余篇，累計被引用177次，單篇最高引用39次。
以這些研究為基礎，目前正在承擔基礎研究與工程應用兩個大型項目：（1）973計劃項目子課題“一體化網(wǎng)絡與普適服務體系下的移動性、傳感網(wǎng)絡機理與理論”，該課題在5個子課題中理論性最強，將產(chǎn)生大量理論性創(chuàng)新成果；（2）基于播存結(jié)構(gòu)的共享信息網(wǎng)絡原型系統(tǒng)，通過一種新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，驗證信息共享網(wǎng)絡的可行性。
2、攻克時空混沌方法重要難題，挖掘其在通信與信息系統(tǒng)中的應用
（1）提出混沌與時空混沌可靠同步理論與方法
全面分析了混沌系統(tǒng)的同步，深入研究了驅(qū)動序列對時空混沌同步性能的影響，針對一類時空混沌系統(tǒng)提出了一系列可靠同步方法——線性反饋同步定理、基于觀測器理論的同步以及滑模變結(jié)構(gòu)同步，從而徹底解決了時空混沌的驅(qū)動同步問題。參見文章[9、10、35、40、47、48、56、57、58]，被引用72次，單篇最高引用38次。
（2）時空混沌序列的產(chǎn)生及其特性分析
采用耦合映像格子時空混沌模型產(chǎn)生并行的二進制隨機序列，深入分析了時空混沌序列的相關(guān)特性及其在多址通信中的應用。參見文章[46、49、52、55、79]，被引用6次。
（3）時空混沌應用研究
提出了時空混沌二值化技術(shù)以及混沌參數(shù)調(diào)制解調(diào)方法，用變結(jié)構(gòu)控制解決了離散時空混沌實用化中的同步難題，將時空混沌用于SSMA系統(tǒng)、CDMA系統(tǒng)、流密碼通信系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了其在流媒體保密通信中的應用潛力。參見文章[7、12、50、51、55、56、59、73、80]，被引用6次。
上述研究成果，發(fā)表高水平學術(shù)論文30余篇，累計被引用80余次，單篇最高引用38次。
3、Mesh網(wǎng)絡移動交通信息采集系統(tǒng)，具有更加優(yōu)越的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與傳輸方式
目前，智能交通系統(tǒng)的研究如火如荼，其中及時準確的交通信息采集至關(guān)重要。
本項研究基于移動Mesh網(wǎng)絡，采用動態(tài)拓撲自組織的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)多跳傳送方式，屬于當前的熱門研究領域——DFT-MSN。
該系統(tǒng)與現(xiàn)有其它交通信息采集系統(tǒng)有兩點本質(zhì)差異：第一，采集點是車載移動終端，而不是位于路口和關(guān)鍵路段的攝象頭、測速儀或地埋線圈，因此大大地減少了采集終端數(shù)量；第二，采集到的實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過移動Ad hoc與Mesh網(wǎng)結(jié)合的方式上傳，而不是通過有線（如光纖）或基于蜂窩通信網(wǎng)的短信、GPRS、CDMA1X等技術(shù)上傳，因此運營成本低，實用化程度高。該成果的研究基礎發(fā)表于論文[8、17、18、22、24、32、33、44、45]，被引用13次。此外，申請發(fā)明專利兩項，參見專利[1、2]。
4、學術(shù)研究及成果的科學意義：
上述幾個方面的理論研究，豐富了復雜性科學體系和內(nèi)容，在加深了對其理論與方法深入理解的基礎上，為其增添了新的內(nèi)容與活力。上述幾方面的應用基礎研究，與其他同類研究相比，雖然應用背景與目標相同，但是研究視角與所依托的理論與方法完全不同，并且取得了可喜的成果。
這些成果拓寬了網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)研究空間，提高了信息科技領域的研究層次，使基礎理論在工程實際中應用的研究更加深入，更加廣泛。研究水平處于國內(nèi)領先地位。
進一步工作——復雜互聯(lián)網(wǎng)絡信息共享理論及應用
互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務流量內(nèi)容大致分為兩類：①共享信息/業(yè)務；②個性化信息/業(yè)務。
所謂共享信息，是指存于網(wǎng)站上、大量用戶需要獲取的信息；其主流業(yè)務是萬維網(wǎng)Http業(yè)務、無中心服務器P2P業(yè)務（如Maze、EMule/EDonkey、BT、PPLive）。
網(wǎng)絡仿真分析，特別是網(wǎng)絡實際測量分析表明，共享業(yè)務已成為主流。中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心（CNNIC）近期發(fā)布的第19次調(diào)查報告顯示，共享信息業(yè)務已超過總業(yè)務量的97%！電信部門一直為BT下載等業(yè)務過度侵占帶寬而大傷腦筋！如圖3所示。
經(jīng)分析我們發(fā)現(xiàn)，共享信息使得網(wǎng)絡上出現(xiàn)了大量的“無功流量”！
眾所周知，在兩個存儲節(jié)點之間，相同的內(nèi)容只需傳送一次，大于一次的傳輸則形成冗余的“無功流量”。冪律告訴我們，許多人在不同時刻享用同一內(nèi)容是一種大概率現(xiàn)象，因此“無功流量”是一種大概率事件，必須加以解決！
冪律帶來了帶寬的無尺度（scale free）匱乏，同時也導致帶寬的無尺度浪費。這是復雜網(wǎng)絡理論告訴我們的常識。然而，由于一直以來對網(wǎng)絡復雜性的研究和認識不足，使得共享信息需求對網(wǎng)絡造成了始料未及的嚴重壓力。
冪律終于使網(wǎng)絡設計者陷入了兩難：按少數(shù)網(wǎng)站的大度值設計，可以避免擁塞，但帶寬將大面積閑置；按低度值設計，服務質(zhì)量無法保證。
國內(nèi)上網(wǎng)計算機有5600萬臺，中國的網(wǎng)民1.37億人。顯然，要實現(xiàn)國家中長期發(fā)展規(guī)劃所提出的目標，讓互聯(lián)網(wǎng)上山下鄉(xiāng)，使農(nóng)村人口也能享受到進步的數(shù)字文化，是現(xiàn)行網(wǎng)絡與技術(shù)難以完成的艱巨任務。
本課題將從復雜系統(tǒng)的角度，采用復雜系統(tǒng)的研究方式，探索網(wǎng)絡信息共享的理論、方法與技術(shù)，具有極大的理論創(chuàng)新研究空間。同時，為實現(xiàn)全國人民的網(wǎng)絡信息共享服務，實現(xiàn)中國特色“低成本信息化”的長遠目標，奠定充分的理論基礎與實驗基礎。
學術(shù)論文：
4、論文被SCI、EI收錄與被其它論文引用情況
（1）被SCI、EI收錄總數(shù)：SCI收錄29篇，EI收錄37篇。
（2）SCI收錄文章引用情況：他人引用共185次，單篇引用次數(shù)最高38次。
代表性學術(shù)論文
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*[3] F.liu, X.M.Shan, Y.Ren.Phase transition and 1/f noise in a computer network model.Physica A 328, 2003, pp341-350 （影響因子1.332）
*[4] 劉鋒, 山秀明, 任勇.計算機網(wǎng)絡的長程相關(guān)特性.物理學報, 2004, Vol.53, No.2, pp373-378 （影響因子1.256）
*[5] X.Wang, Y.Ren, X.M.Shan.WDRLS：A Wavelet-Based On-Line Predictor for Network Traffic.IEEE GlobalCom 2003, Vol.7, 1-5, Dec, pp4034-4038
*[6] 劉鋒, 任勇, 山秀明.互聯(lián)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳輸?shù)囊环N簡單元胞自動機模型．物理學報, 2002, Vol.51, No.6, pp1175-1180 （影響因子1.256）
*[7] Y.Ren, H.Lin, Z.X.Ma, X.M.Shan.Performance Analysis In General Cyclic ADCs.International Journal of Bifurcation and Chaos, 2003, Vol.13, No.8, pp2369-2376 （影響因子1.144）
*[8] Y.K.Xiao, X.M.Shan, Y.Ren．Game theory models for IEEE 802.11 DCF in wireless ad hoc networks．IEEE Radio Communication, 2005, Vol,43, No.3, pp22-26 （影響因子1.946）
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其它論文:
[11] 王磊, 周淑華, 袁堅, 任勇.虛擬網(wǎng)絡行為對互聯(lián)網(wǎng)整體特性的影響.物理學報, 2007（1）, pp36-42（影響因子1.256）
[12] 張維, 周淑華, 任勇, 山秀明.Turbo譯碼算法的分岔與控制.物理學報, 2006, 55（2）：622-666（影響因子1.256）
[13] 王劍, 山秀明, 任勇.OFDM/CDMA峰值受限非線性的一種新處理方法.北京郵電大學學報, 2006, 29（5）：45-49
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創(chuàng)立了基于復雜系統(tǒng)理論與方法的網(wǎng)絡與通信系統(tǒng)研究體系。
