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2020年 第42卷 第6期
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2020, 42(6): 1303-1312.
doi: 10.11999/JEIT190852
摘要:
分子數(shù)據(jù)存儲作為一種穩(wěn)定性強、存儲密度高的數(shù)據(jù)存儲方式，表現(xiàn)出巨大的潛力。它有望解決當今日益增長的巨大信息量與存儲能力之間差距不斷擴大的問題。作為一種典型的分子數(shù)據(jù)存儲方式，DNA數(shù)據(jù)存儲可以作為一種替代性、變革性的存儲介質，用于突破現(xiàn)用存儲方式的物理極限，滿足不斷增加的數(shù)據(jù)存儲需求。該綜述將對DNA數(shù)據(jù)存儲的歷史、工作流程、及當前的發(fā)展狀態(tài)進行概述，同時討論現(xiàn)今DNA數(shù)據(jù)存儲存在的問題、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。
分子數(shù)據(jù)存儲作為一種穩(wěn)定性強、存儲密度高的數(shù)據(jù)存儲方式，表現(xiàn)出巨大的潛力。它有望解決當今日益增長的巨大信息量與存儲能力之間差距不斷擴大的問題。作為一種典型的分子數(shù)據(jù)存儲方式，DNA數(shù)據(jù)存儲可以作為一種替代性、變革性的存儲介質，用于突破現(xiàn)用存儲方式的物理極限，滿足不斷增加的數(shù)據(jù)存儲需求。該綜述將對DNA數(shù)據(jù)存儲的歷史、工作流程、及當前的發(fā)展狀態(tài)進行概述，同時討論現(xiàn)今DNA數(shù)據(jù)存儲存在的問題、挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。
2020, 42(6): 1313-1325.
doi: 10.11999/JEIT190826
摘要:
隨著后摩爾時代的到來，傳統(tǒng)硅基計算機的發(fā)展已經(jīng)瀕臨極限，人們迫切需要發(fā)展新的計算技術滿足科技與生活的需要。由于具有超強的并行運算能力和杰出的數(shù)據(jù)存儲能力，DNA計算成為新型計算機技術的一個重要分支和熱門研究對象。蓬勃發(fā)展的DNA納米技術為DNA計算提供了新的發(fā)展平臺。該文首先對DNA納米技術進行簡要介紹，然后按照DNA邏輯門、DNA級聯(lián)邏輯回路、智能DNA分子機器的順序對DNA計算的發(fā)展進行論述和展望。
隨著后摩爾時代的到來，傳統(tǒng)硅基計算機的發(fā)展已經(jīng)瀕臨極限，人們迫切需要發(fā)展新的計算技術滿足科技與生活的需要。由于具有超強的并行運算能力和杰出的數(shù)據(jù)存儲能力，DNA計算成為新型計算機技術的一個重要分支和熱門研究對象。蓬勃發(fā)展的DNA納米技術為DNA計算提供了新的發(fā)展平臺。該文首先對DNA納米技術進行簡要介紹，然后按照DNA邏輯門、DNA級聯(lián)邏輯回路、智能DNA分子機器的順序對DNA計算的發(fā)展進行論述和展望。
2020, 42(6): 1326-1331.
doi: 10.11999/JEIT190863
摘要:
DNA存儲是一種以生物大分子DNA作為信息載體的一種新的存儲技術。與傳統(tǒng)的電子信息存儲相比，DNA存儲具有容量大、密度高、低能耗等優(yōu)點。隨著DNA合成、測序技術的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)存儲需求的指數(shù)增長，近年來DNA存儲在存儲容量、密度以及可靠性等方面都取得了巨大的進展。該文主要介紹了DNA存儲的發(fā)展歷史、DNA存儲的基本流程、DNA存儲在數(shù)據(jù)庫、文檔存儲以及體內存儲的研究進展。最后，總結了DNA存儲未來面臨的挑戰(zhàn)以及發(fā)展方向。
DNA存儲是一種以生物大分子DNA作為信息載體的一種新的存儲技術。與傳統(tǒng)的電子信息存儲相比，DNA存儲具有容量大、密度高、低能耗等優(yōu)點。隨著DNA合成、測序技術的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)存儲需求的指數(shù)增長，近年來DNA存儲在存儲容量、密度以及可靠性等方面都取得了巨大的進展。該文主要介紹了DNA存儲的發(fā)展歷史、DNA存儲的基本流程、DNA存儲在數(shù)據(jù)庫、文檔存儲以及體內存儲的研究進展。最后，總結了DNA存儲未來面臨的挑戰(zhàn)以及發(fā)展方向。
2020, 42(6): 1332-1339.
doi: 10.11999/JEIT190846
摘要:
由于DNA分子具有特異性、高并行性、微小性等天然特性，在信息處理過程中展現(xiàn)出了強大的并行計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力。該文研究將具有特異性識別功能的限制性核酸內切酶引入DNA鏈置換反應中，作為DNA電路的輸入，通過控制立足點的生成和移除設計了是門、非門和與門3種基本邏輯門。采用Visual DSD對邏輯模型進行模擬仿真，并通過凝膠電泳實驗驗證設計。與以往的分子邏輯門比較，該設計反應迅速，操作簡便，具有良好的擴展性，為大規(guī)模電路的設計提供了可能性。
由于DNA分子具有特異性、高并行性、微小性等天然特性，在信息處理過程中展現(xiàn)出了強大的并行計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力。該文研究將具有特異性識別功能的限制性核酸內切酶引入DNA鏈置換反應中，作為DNA電路的輸入，通過控制立足點的生成和移除設計了是門、非門和與門3種基本邏輯門。采用Visual DSD對邏輯模型進行模擬仿真，并通過凝膠電泳實驗驗證設計。與以往的分子邏輯門比較，該設計反應迅速，操作簡便，具有良好的擴展性，為大規(guī)模電路的設計提供了可能性。
2020, 42(6): 1340-1347.
doi: 10.11999/JEIT190837
摘要:
基于個性化標志物的藥物推薦研究，有助于實現(xiàn)個性化用藥及推動精準醫(yī)療的發(fā)展。該文利用基因表達譜數(shù)據(jù)及蛋白質網(wǎng)絡信息，基于基因2維高斯分布方法篩選出個性化網(wǎng)絡標志物。進而綜合考慮靶基因的重要性和藥物的副作用，提出了一種計算藥物對個性化標志物影響權重的方法。將該方法應用于肺腺癌、腎透明細胞癌和子宮內膜癌數(shù)據(jù)集，通過啟發(fā)式搜索方法，得到每個疾病樣本重要藥物推薦列表。結果表明，推薦的藥物列表在同種癌癥不同樣本中既存在一致性，也表現(xiàn)出很大的差異性，如藥物種類及藥物排序差異，這說明個性化藥物在疾病治療中的重要性及必要性。通過從藥物數(shù)據(jù)庫中搜索藥物組合對疾病治療的影響作用表明，該文方法篩選得到的許多藥物組合對具體疾病治療具有積極影響，這進一步證明該文基于個性化網(wǎng)絡標志物的藥物推薦方法的準確性。該文的研究將有效促進精準化醫(yī)療的發(fā)展。
基于個性化標志物的藥物推薦研究，有助于實現(xiàn)個性化用藥及推動精準醫(yī)療的發(fā)展。該文利用基因表達譜數(shù)據(jù)及蛋白質網(wǎng)絡信息，基于基因2維高斯分布方法篩選出個性化網(wǎng)絡標志物。進而綜合考慮靶基因的重要性和藥物的副作用，提出了一種計算藥物對個性化標志物影響權重的方法。將該方法應用于肺腺癌、腎透明細胞癌和子宮內膜癌數(shù)據(jù)集，通過啟發(fā)式搜索方法，得到每個疾病樣本重要藥物推薦列表。結果表明，推薦的藥物列表在同種癌癥不同樣本中既存在一致性，也表現(xiàn)出很大的差異性，如藥物種類及藥物排序差異，這說明個性化藥物在疾病治療中的重要性及必要性。通過從藥物數(shù)據(jù)庫中搜索藥物組合對疾病治療的影響作用表明，該文方法篩選得到的許多藥物組合對具體疾病治療具有積極影響，這進一步證明該文基于個性化網(wǎng)絡標志物的藥物推薦方法的準確性。該文的研究將有效促進精準化醫(yī)療的發(fā)展。
2020, 42(6): 1348-1354.
doi: 10.11999/JEIT190871
摘要:
可變剪接與多種復雜疾病的發(fā)生、發(fā)展存在密切的聯(lián)系，包括腫瘤在內的多種疾病的產生往往伴隨著可變剪接的紊亂發(fā)生?，F(xiàn)有的乳腺癌亞型分析主要是基于單個剪接異構體出發(fā)，缺少考慮亞型之間由于可變剪接紊亂造成剪接異構體在整體分布上的差異。因此該文提出了基于可變剪接紊亂的乳腺癌亞型預測方法，主要使用Jensen-Shannon(JS)散度來找尋亞型之間的可變剪接紊亂差異較大的基因，并構建反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡模型對乳腺癌亞型進行分類。結果表明，該方法不僅能有效發(fā)現(xiàn)腫瘤異質性分子，在乳腺癌亞型分類方面也有較好的識別結果，其平均F1值達到0.89，且能為患者提供個性化乳腺癌亞型藥物推薦。該文的研究將有效促進基于可變剪接紊亂的乳腺癌亞型研究的發(fā)展。
可變剪接與多種復雜疾病的發(fā)生、發(fā)展存在密切的聯(lián)系，包括腫瘤在內的多種疾病的產生往往伴隨著可變剪接的紊亂發(fā)生?，F(xiàn)有的乳腺癌亞型分析主要是基于單個剪接異構體出發(fā)，缺少考慮亞型之間由于可變剪接紊亂造成剪接異構體在整體分布上的差異。因此該文提出了基于可變剪接紊亂的乳腺癌亞型預測方法，主要使用Jensen-Shannon(JS)散度來找尋亞型之間的可變剪接紊亂差異較大的基因，并構建反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡模型對乳腺癌亞型進行分類。結果表明，該方法不僅能有效發(fā)現(xiàn)腫瘤異質性分子，在乳腺癌亞型分類方面也有較好的識別結果，其平均F1值達到0.89，且能為患者提供個性化乳腺癌亞型藥物推薦。該文的研究將有效促進基于可變剪接紊亂的乳腺癌亞型研究的發(fā)展。
2020, 42(6): 1355-1364.
doi: 10.11999/JEIT190825
摘要:
與非門(NAND)的本質是與門(AND)和非門(NOT)的疊加，先進行與運算，再進行非運算，它是建立DNA計算機的基礎。為了實現(xiàn)與非門的計算，該文在DNA折紙基底上建立了一個與非門計算模型，邏輯值的輸入是通過在DNA折紙基底上發(fā)生有向的雜交鏈式反應(HCR)來完成的，輸入鏈先經(jīng)過與門區(qū)域再經(jīng)過非門區(qū)域，最后通過DNA折紙基底上是否還保留納米金顆粒來顯示計算結果的真假。利用Visual DSD對該計算模型進行仿真模擬，顯示該計算模型具有較好的可行性。
與非門(NAND)的本質是與門(AND)和非門(NOT)的疊加，先進行與運算，再進行非運算，它是建立DNA計算機的基礎。為了實現(xiàn)與非門的計算，該文在DNA折紙基底上建立了一個與非門計算模型，邏輯值的輸入是通過在DNA折紙基底上發(fā)生有向的雜交鏈式反應(HCR)來完成的，輸入鏈先經(jīng)過與門區(qū)域再經(jīng)過非門區(qū)域，最后通過DNA折紙基底上是否還保留納米金顆粒來顯示計算結果的真假。利用Visual DSD對該計算模型進行仿真模擬，顯示該計算模型具有較好的可行性。
2020, 42(6): 1365-1373.
doi: 10.11999/JEIT190869
摘要:
設計高質量的核酸分子集合能有效提高DNA計算的可靠性、有效性和可求解問題的規(guī)模。DNA分子需要滿足熱力學約束、相似度約束、GC含量約束等多個相互沖突的目標函數(shù)，是典型的多目標優(yōu)化問題。該文提出一種多目標進化策略(MOES)算法求解DNA分子序列設計問題，算法設計了隨機堿基變異算子實現(xiàn)高效的局部搜索和全局搜索。改進的評價函數(shù)綜合考慮了候選解的支配關系和沖突目標的平衡程度，選取符合DNA編碼約束的核酸序列。實驗結果證明，該文提出的算法具有高效的搜索效率和快速收斂能力，可以產生高質量的DNA序列集合，優(yōu)于其他對比算法產生的DNA分子序列集合。
設計高質量的核酸分子集合能有效提高DNA計算的可靠性、有效性和可求解問題的規(guī)模。DNA分子需要滿足熱力學約束、相似度約束、GC含量約束等多個相互沖突的目標函數(shù)，是典型的多目標優(yōu)化問題。該文提出一種多目標進化策略(MOES)算法求解DNA分子序列設計問題，算法設計了隨機堿基變異算子實現(xiàn)高效的局部搜索和全局搜索。改進的評價函數(shù)綜合考慮了候選解的支配關系和沖突目標的平衡程度，選取符合DNA編碼約束的核酸序列。實驗結果證明，該文提出的算法具有高效的搜索效率和快速收斂能力，可以產生高質量的DNA序列集合，優(yōu)于其他對比算法產生的DNA分子序列集合。
2020, 42(6): 1374-1382.
doi: 10.11999/JEIT190860
摘要:
近年來，隨著DNA納米技術的飛速發(fā)展，基于DNA作為適配體的熒光生物傳感器不斷被大量學者研究和構建，以實現(xiàn)對靶標物質的靈敏快速檢測。作為DNA納米技術的新興方向，基于DNA適配體的熒光生物傳感器具有巨大的應用潛力。該文對近年來基于DNA適配體所構建的熒光生物傳感器進行了總結。包括熒光信號的實現(xiàn)：熒光染料標記；非熒光染料標記。熒光檢測信號的提升：酶介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略；鏈置換反應介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略；基于鏈置換反應和酶介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略。在此基礎上對基于DNA適配體的熒光生物傳感器進行展望并提出建議。
近年來，隨著DNA納米技術的飛速發(fā)展，基于DNA作為適配體的熒光生物傳感器不斷被大量學者研究和構建，以實現(xiàn)對靶標物質的靈敏快速檢測。作為DNA納米技術的新興方向，基于DNA適配體的熒光生物傳感器具有巨大的應用潛力。該文對近年來基于DNA適配體所構建的熒光生物傳感器進行了總結。包括熒光信號的實現(xiàn)：熒光染料標記；非熒光染料標記。熒光檢測信號的提升：酶介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略；鏈置換反應介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略；基于鏈置換反應和酶介導的靶標循環(huán)和信號擴增策略。在此基礎上對基于DNA適配體的熒光生物傳感器進行展望并提出建議。
2020, 42(6): 1383-1391.
doi: 10.11999/JEIT190849
摘要:
數(shù)字圖像傳輸和存儲的安全問題已成為信息安全研究的熱點。該文提出一種基于變步長約瑟夫遍歷和DNA動態(tài)編碼的圖像加密方法。首先將混沌映射產生的隨機序列作為約瑟夫遍歷的變步長，改進約瑟夫遍歷問題，并采用改進的約瑟夫遍歷對圖像像素位置進行置亂；其次，動態(tài)選擇DNA編碼規(guī)則，對圖像像素進行DNA編碼，并與給定的DNA序列進行堿基運算；DNA編碼規(guī)則的動態(tài)選擇，很好地解決了DNA編碼規(guī)則少所帶來的安全隱患，提高了算法的安全性。最后通過密文反饋和混沌系統(tǒng)迭代來進一步增強算法的混淆和擴散特性。實驗和安全性分析結果表明，該算法不僅對密鑰的敏感性強，而且能有效抵御統(tǒng)計性分析和窮舉分析等攻擊操作。
數(shù)字圖像傳輸和存儲的安全問題已成為信息安全研究的熱點。該文提出一種基于變步長約瑟夫遍歷和DNA動態(tài)編碼的圖像加密方法。首先將混沌映射產生的隨機序列作為約瑟夫遍歷的變步長，改進約瑟夫遍歷問題，并采用改進的約瑟夫遍歷對圖像像素位置進行置亂；其次，動態(tài)選擇DNA編碼規(guī)則，對圖像像素進行DNA編碼，并與給定的DNA序列進行堿基運算；DNA編碼規(guī)則的動態(tài)選擇，很好地解決了DNA編碼規(guī)則少所帶來的安全隱患，提高了算法的安全性。最后通過密文反饋和混沌系統(tǒng)迭代來進一步增強算法的混淆和擴散特性。實驗和安全性分析結果表明，該算法不僅對密鑰的敏感性強，而且能有效抵御統(tǒng)計性分析和窮舉分析等攻擊操作。
2020, 42(6): 1392-1400.
doi: 10.11999/JEIT190941
摘要:
可變剪接是一種廣泛存在于生物體中造成蛋白質多樣性的重要機制，它對細胞的增殖、分化、發(fā)育、凋亡等一系列重要的生物過程具有重要精細調控的作用。近年來，人們發(fā)現(xiàn)多種復雜疾病的產生往往伴隨著剪接異構體的紊亂表達。為了研究剪接異構體在整體分布上的差異，該文提出一種基于中值的JS散度可變剪接(AS)差異分析方法。結果表明，該文的方法能夠發(fā)現(xiàn)大量在剪接異構體整體分布上具有顯著差異的基因。這些基因不僅富集在一些癌癥密切相關的通路，而且也富集在一些基于可變剪接調控的信號通路、細胞分裂過程和蛋白質功能等通路。此外，與基因層次的差異分析相比，可變剪接顯著差異的基因在生存分析方面也具有更好的性能?？傊?，該文提出基于中值的JS散度可變剪接差異分析方法，將為進一步揭示可變剪接在癌癥中的機制奠定基礎。
可變剪接是一種廣泛存在于生物體中造成蛋白質多樣性的重要機制，它對細胞的增殖、分化、發(fā)育、凋亡等一系列重要的生物過程具有重要精細調控的作用。近年來，人們發(fā)現(xiàn)多種復雜疾病的產生往往伴隨著剪接異構體的紊亂表達。為了研究剪接異構體在整體分布上的差異，該文提出一種基于中值的JS散度可變剪接(AS)差異分析方法。結果表明，該文的方法能夠發(fā)現(xiàn)大量在剪接異構體整體分布上具有顯著差異的基因。這些基因不僅富集在一些癌癥密切相關的通路，而且也富集在一些基于可變剪接調控的信號通路、細胞分裂過程和蛋白質功能等通路。此外，與基因層次的差異分析相比，可變剪接顯著差異的基因在生存分析方面也具有更好的性能?？傊?，該文提出基于中值的JS散度可變剪接差異分析方法，將為進一步揭示可變剪接在癌癥中的機制奠定基礎。
2020, 42(6): 1401-1409.
doi: 10.11999/JEIT190847
摘要:
DNA計算研究內容繁多復雜，DNA復雜邏輯電路的搭建屬于DNA計算的一個重要研究分支，其中邏輯門的構建屬于DNA復雜邏輯電路搭建的基礎研究，設計出更為簡單的邏輯門可以為研究者搭建復雜電路提供參考，節(jié)省基礎研究的寶貴時間。針對上述問題，該文利用使能控制端思想，采用DNA鏈置換技術，設計了與或、與非或非和異或同或3種DNA組合邏輯門。結果顯示，設計的3種組合邏輯門可實現(xiàn)6種邏輯運算功能，并利用所構建的組合邏輯門成功構造了多級聯(lián)組合分子邏輯電路，為DNA計算提供了更多的解決方案，促進了DNA計算機的發(fā)展。
DNA計算研究內容繁多復雜，DNA復雜邏輯電路的搭建屬于DNA計算的一個重要研究分支，其中邏輯門的構建屬于DNA復雜邏輯電路搭建的基礎研究，設計出更為簡單的邏輯門可以為研究者搭建復雜電路提供參考，節(jié)省基礎研究的寶貴時間。針對上述問題，該文利用使能控制端思想，采用DNA鏈置換技術，設計了與或、與非或非和異或同或3種DNA組合邏輯門。結果顯示，設計的3種組合邏輯門可實現(xiàn)6種邏輯運算功能，并利用所構建的組合邏輯門成功構造了多級聯(lián)組合分子邏輯電路，為DNA計算提供了更多的解決方案，促進了DNA計算機的發(fā)展。
2020, 42(6): 1410-1419.
doi: 10.11999/JEIT190872
摘要:
作為20世紀末誕生的新型學科，生物計算現(xiàn)已成為前沿科學研究的熱點。與電子計算機相似，生物計算機的構建需要多種分子邏輯門，而將氧化石墨烯(GO)、重金屬離子等具有生化特性的物質引入分子邏輯門的設計中，有望為研究提出新思路。此外，分子邏輯門最終應在生物實驗層面上實現(xiàn)，這就需要對生物實驗各個條件的可控性及可控范圍進行研究?；谶@樣的想法，該文以氧化石墨烯和金屬離子為基礎設計了多個邏輯門，通過仿真實驗、電泳實驗、正交實驗、熒光實驗等驗證可行性的同時，對實驗的可控性及可控范圍有進一步研究，一方面證明了所設計邏輯門可行性，另一方面也發(fā)現(xiàn)其有運用于實際樣品檢測的能力。
作為20世紀末誕生的新型學科，生物計算現(xiàn)已成為前沿科學研究的熱點。與電子計算機相似，生物計算機的構建需要多種分子邏輯門，而將氧化石墨烯(GO)、重金屬離子等具有生化特性的物質引入分子邏輯門的設計中，有望為研究提出新思路。此外，分子邏輯門最終應在生物實驗層面上實現(xiàn)，這就需要對生物實驗各個條件的可控性及可控范圍進行研究?；谶@樣的想法，該文以氧化石墨烯和金屬離子為基礎設計了多個邏輯門，通過仿真實驗、電泳實驗、正交實驗、熒光實驗等驗證可行性的同時，對實驗的可控性及可控范圍有進一步研究，一方面證明了所設計邏輯門可行性，另一方面也發(fā)現(xiàn)其有運用于實際樣品檢測的能力。
2020, 42(6): 1420-1427.
doi: 10.11999/JEIT190867
摘要:
藥物的協(xié)同與拮抗關系預測，有助于藥物的使用安全及組合用藥的發(fā)展。該文從藥物互作網(wǎng)絡(DDINet)出發(fā)，基于網(wǎng)絡拓撲結構構造分類特征，提出一種預測藥物協(xié)同和拮抗關系的方法。從特征選擇結果可知，根據(jù)藥物與其公共鄰居節(jié)點關系構造的特征表現(xiàn)出了明顯的正負樣本分布差距，能有效地反映出藥物的協(xié)同或拮抗關系。在使用不同特征分類器的分類結果中，最優(yōu)AUC和分類精度值分別達到了0.9687和0.9187。而在協(xié)同與拮抗關系預測結果中，其預測精度值達到了0.45和0.75以上。這說明基于網(wǎng)絡拓撲結構的方法能有效對藥物協(xié)同和拮抗關系進行分類和預測。與傳統(tǒng)基于藥物功能、結構、靶基因等相似性特征的方法相比，該方法計算簡單高效，將會有效促進組合用藥的發(fā)展。
藥物的協(xié)同與拮抗關系預測，有助于藥物的使用安全及組合用藥的發(fā)展。該文從藥物互作網(wǎng)絡(DDINet)出發(fā)，基于網(wǎng)絡拓撲結構構造分類特征，提出一種預測藥物協(xié)同和拮抗關系的方法。從特征選擇結果可知，根據(jù)藥物與其公共鄰居節(jié)點關系構造的特征表現(xiàn)出了明顯的正負樣本分布差距，能有效地反映出藥物的協(xié)同或拮抗關系。在使用不同特征分類器的分類結果中，最優(yōu)AUC和分類精度值分別達到了0.9687和0.9187。而在協(xié)同與拮抗關系預測結果中，其預測精度值達到了0.45和0.75以上。這說明基于網(wǎng)絡拓撲結構的方法能有效對藥物協(xié)同和拮抗關系進行分類和預測。與傳統(tǒng)基于藥物功能、結構、靶基因等相似性特征的方法相比，該方法計算簡單高效，將會有效促進組合用藥的發(fā)展。
2020, 42(6): 1428-1435.
doi: 10.11999/JEIT190499
摘要:
針對面向混合能源供應的 5G 異構云無線接入網(wǎng)(H-CRANs)網(wǎng)絡架構下的動態(tài)資源分配和能源管理問題，該文提出一種基于深度強化學習的動態(tài)網(wǎng)絡資源分配及能源管理算法。首先，由于可再生能源到達的波動性及用戶數(shù)據(jù)業(yè)務到達的隨機性，同時考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能源的可持續(xù)性以及用戶的服務質量(QoS)需求，將H-CRANs網(wǎng)絡下的資源分配以及能源管理問題建立為一個以最大化服務提供商平均凈收益為目標的受限無窮時間馬爾科夫決策過程(CMDP)。然后，使用拉格朗日乘子法將所提CMDP問題轉換為一個非受限的馬爾科夫決策過程(MDP)問題。最后，因為行為空間與狀態(tài)空間都是連續(xù)值集合，因此該文利用深度強化學習解決上述MDP問題。仿真結果表明，該文所提算法可有效保證用戶QoS及能量可持續(xù)性的同時，提升了服務提供商的平均凈收益，降低了能耗。
2020, 42(6): 1436-1443.
doi: 10.11999/JEIT190520
摘要:
無損數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)在通信傳輸過程中容易出現(xiàn)錯誤，會導致碼表和重構數(shù)據(jù)出錯并引發(fā)誤碼擴散，影響其在文件系統(tǒng)和無線通信中的應用。針對在通用編碼領域廣泛使用的無損數(shù)據(jù)壓縮算法LZW，該文分析并利用LZW壓縮數(shù)據(jù)的冗余，通過選取部分編碼碼字并動態(tài)調整其對應的被壓縮符號串的長度來攜帶校驗碼，提出了具有誤碼糾正能力的無損數(shù)據(jù)壓縮方法CLZW。該方法不用額外添加數(shù)據(jù)，也不改變數(shù)據(jù)規(guī)格和編碼規(guī)則，與標準LZW算法兼容。實驗結果表明，用該方法壓縮的文件仍然能用標準LZW解碼器解壓，且該方法可以對LZW壓縮數(shù)據(jù)的誤碼進行有效糾正。
2020, 42(6): 1444-1451.
doi: 10.11999/JEIT190571
摘要:
由于車載應用的普及和車輛數(shù)量的增加，路邊基礎設施的物理資源有限，當大量車輛接入車聯(lián)網(wǎng)時能耗與時延同時增加，通過整合內容分發(fā)網(wǎng)絡(CDN)和移動邊緣計算(MEC)的框架可以降低時延與能耗。在車聯(lián)網(wǎng)中，車輛移動性對云服務的連續(xù)性提出了重大挑戰(zhàn)。因此，該文提出了移動性管理(MM)來處理該問題。采用開銷選擇的動態(tài)信道分配(ODCA)算法避免乒乓效應且減少車輛在小區(qū)間的切換時間。采用基于路邊單元(RSU)調度的合作博弈算法進行虛擬機遷移并開發(fā)基于學習的價格控制機制，以有效地處理MEC的計算資源。仿真結果表明，所提算法相比于現(xiàn)有的算法能夠提高資源利用率且減少開銷。
2020, 42(6): 1452-1459.
doi: 10.11999/JEIT190552
摘要:
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展引起流數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型兩方面不斷增長。由于實時處理場景的不斷增加和基于經(jīng)驗知識的配置策略存在缺陷，流處理檢查點配置策略面臨著巨大的挑戰(zhàn)，如費事費力，易導致系統(tǒng)異常等。為解決這些挑戰(zhàn)，該文提出基于回歸算法的檢查點性能預測方法。該方法首先分析了影響檢查點性能的6種特征，然后將訓練集的特征向量輸入到隨機森林回歸算法中進行訓練，最后，使用訓練好的算法對測試數(shù)據(jù)集進行預測。實驗結果表明，與其它機器學習算法相比，隨機森林回歸算法在CPU密集型基準測試，內存密集型基準測試和網(wǎng)絡密集型基準測試上針對檢查點性能的預測具有誤差低，準確率高和運行高效的優(yōu)點。
2020, 42(6): 1460-1467.
doi: 10.11999/JEIT190531
摘要:
在虛擬化網(wǎng)絡切片場景中，底層物理網(wǎng)絡中一個物理節(jié)點(PN)或一條物理鏈路(PL)的異常會造成多個網(wǎng)絡切片的性能退化。因網(wǎng)絡中每個時刻都會產生新的測量數(shù)據(jù)，該文設計了兩種在線異常檢測算法實時監(jiān)督物理網(wǎng)絡的工作狀態(tài)。首先，該文提出了一種基于在線一類支持向量機(OCSVM)的PN異常檢測算法，該算法可根據(jù)每個時刻虛擬節(jié)點(VNs)的新測量數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)的更新而不需要任何標簽數(shù)據(jù)；其次，基于虛擬鏈路兩端點間測量數(shù)據(jù)的自然相關性，該文提出基于在線典型相關分析(CCA)的PL異常檢測算法，該算法只需要少量標簽數(shù)據(jù)就可以準確分析出PL的異常情況。仿真結果驗證了該文所提在線異常檢測算法的有效性和魯棒性。
2020, 42(6): 1468-1477.
doi: 10.11999/JEIT190511
摘要:
為了滿足無線數(shù)據(jù)流量大幅增長的需求，異構云無線接入網(wǎng)(H-CRAN)的資源優(yōu)化仍然是亟待解決的重要問題。該文在H-CRAN下行鏈路場景下，提出一種基于深度強化學習(DRL)的無線資源分配算法。首先，該算法以隊列穩(wěn)定為約束，聯(lián)合優(yōu)化擁塞控制、用戶關聯(lián)、子載波分配和功率分配，并建立網(wǎng)絡總吞吐量最大化的隨機優(yōu)化模型。其次，考慮到調度問題的復雜性，DRL算法利用神經(jīng)網(wǎng)絡作為非線性近似函數(shù)，高效地解決維度災問題。最后，針對無線網(wǎng)絡環(huán)境的復雜性和動態(tài)多變性，引入遷移學習(TL)算法，利用TL的小樣本學習特性，使得DRL算法在少量樣本的情況下也能獲得最優(yōu)的資源分配策略。此外，TL通過遷移DRL模型的權重參數(shù)，進一步地加快了DRL算法的收斂速度。仿真結果表明，該文所提算法可以有效地增加網(wǎng)絡吞吐量，提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。
2020, 42(6): 1478-1485.
doi: 10.11999/JEIT190500
摘要:
針對傳統(tǒng)網(wǎng)絡切片映射方法資源利用率低且可靠性差的問題，該文提出了可靠性感知的網(wǎng)絡切片(NS)重構及映射策略(RNSRE)。首先，建立了面向可靠性和資源的網(wǎng)絡切片可靠映射效用函數(shù)。其次，綜合考慮虛擬網(wǎng)絡功能(VNF)的資源需求和位置約束，提出了一種VNF可靠性需求的度量方法。在此基礎上，以最大化VNF可靠部署收益的同時最小化鏈路帶寬資源開銷為目標，建立了切片可靠映射整數(shù)線性規(guī)劃模型。最后，針對不同的網(wǎng)絡切片類型，提出了基于鄰域搜索的網(wǎng)絡切片映射算法和關鍵VNF備份的網(wǎng)絡切片重構映射算法。仿真結果表明，所提算法在滿足VNF可靠性需求的同時，提高了資源利用率，降低了映射的開銷。
2020, 42(6): 1486-1493.
doi: 10.11999/JEIT190606
摘要:
遮擋是行人檢測任務中導致漏檢發(fā)生的主要原因之一，對檢測器性能造成了不利影響。為了增強檢測器對于遮擋行人目標的檢測能力，該文提出一種基于特征引導注意機制的單級行人檢測方法。首先，設計一種特征引導注意模塊，在保持特征通道間的關聯(lián)性的同時保留了特征圖的空間信息，引導模型關注遮擋目標可視區(qū)域；然后，通過注意模塊融合淺層和深層特征，從而提取到行人的高層語義特征；最后，將行人檢測作為一種高層語義特征檢測問題，通過激活圖的形式預測得到行人位置和尺度，并生成最終的預測邊界框，避免了基于先驗框的預測方式所帶來的額外參數(shù)設置。所提方法在CityPersons數(shù)據(jù)集上進行了測試，并在Caltech數(shù)據(jù)集上進行了跨數(shù)據(jù)集實驗。結果表明該方法對于遮擋目標檢測準確度優(yōu)于其他對比算法。同時該方法實現(xiàn)了較快的檢測速度，取得了檢測準確度和速度的平衡。
2020, 42(6): 1494-1501.
doi: 10.11999/JEIT190501
摘要:
Hilbert曲線是高維降到1維的重要方法，具有較好的空間聚集和空間連續(xù)性，在地理信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)庫、信息檢索等方面有廣泛的應用?，F(xiàn)有Hilbert編碼或解碼算法未考慮輸入數(shù)據(jù)對編碼或解碼效率的影響，因此將不同輸入數(shù)據(jù)同等對待。為此，該文通過設計高效的狀態(tài)視圖并結合快速置位檢測算法提出高效的免計前0的Hilbert編碼算法(FZF-HE)和免計前0的Hilbert解碼算法(FZF-HD)，可快速識別輸入數(shù)據(jù)前部為0而無需迭代計算的部分，從而降低迭代查詢次數(shù)及算法復雜度，提高編解碼效率。實驗結果表明，F(xiàn)ZF-HE算法和FZF-HD算法在數(shù)據(jù)均勻分布時效率稍高于現(xiàn)有算法，而在數(shù)據(jù)偏斜分布時效率遠高于現(xiàn)有算法。
2020, 42(6): 1502-1509.
doi: 10.11999/JEIT190854
摘要:
現(xiàn)代建筑設計趨于多樣化，內部結構和功能越來越復雜，而傳統(tǒng)疏散系統(tǒng)逃生指示方向固定、人員疏散時間較長，火災發(fā)生時，不能夠及時改變指示方向，易將逃生人員導向危險區(qū)域，威脅被困人員生命安全。該文提出了一種Dijkstra-ACO混合路徑動態(tài)規(guī)劃算法，在Dijkstra算法獲得全局最優(yōu)路徑的基礎上再采用蟻群優(yōu)化(ACO)算法對每個節(jié)點進一步優(yōu)化以獲取最優(yōu)路徑，并節(jié)省算法運行時間。通過實驗仿真驗證了混合算法的有效性，能夠根據(jù)起火點動態(tài)規(guī)劃疏散路徑，及時調整疏散指示方向，為火場中人員疏散逃生贏得寶貴時間。
2020, 42(6): 1510-1518.
doi: 10.11999/JEIT190364
摘要:
節(jié)點位置保護對于海洋無線傳感器網(wǎng)絡(MWSNs)至關重要，尤其是對于無人值守的環(huán)境。然而，由于大多數(shù)靜態(tài)部署，傳感器的能量、存儲和通信能力的限制，MWSNs容易受到各種位置(和衍生)攻擊的影響。該文從攻擊和防御兩個方面研究節(jié)點位置隱私保護問題。首先，針對兩種重要節(jié)點(包括基站和源節(jié)點)提出了一種新的二相定位攻擊，它可以在少量的本地無線傳輸監(jiān)視中找到基站節(jié)點，反向跟蹤源節(jié)點的位置。與現(xiàn)有方法不同，提出的攻擊根據(jù)傳輸方向確定節(jié)點位置，從而突破現(xiàn)有的防御。然后，為了抵御這種攻擊，該文設計了一種基于Hilbert填充曲線的傳感器網(wǎng)絡路由節(jié)點位置隱私保護方法(HLPS)。攻防理論分析與對抗實驗表明，該方法能夠保護目標節(jié)點的位置隱私，具有較小的通信和計算開銷。
2020, 42(6): 1519-1525.
doi: 10.11999/JEIT190506
摘要:
基于代換–置換網(wǎng)絡結構的輕量級分組密碼算法PUFFIN在資源受限的硬件環(huán)境中使用較廣泛，差分故障攻擊是針對硬件密碼算法較為有效的攻擊手段。該文針對PUFFIN算法，改進多比特故障模型，通過構建輸出差分和可能輸入值之間的關系，注入5次故障即可確定單個S盒唯一輸入值；在最后一輪加密過程中注入10次故障，成功恢復輪密鑰的概率為78.64%，進而可恢復初始密鑰。
2020, 42(6): 1526-1533.
doi: 10.11999/JEIT190434
摘要:
為進一步提高聚合位向量(ABV)算法分類數(shù)據(jù)包的速度，該文提出一種面向連接的改進ABV(IABV)算法。該算法利用同一連接包分類查找規(guī)則相對一致的特點，建立哈希表-規(guī)則庫兩級優(yōu)化查找結構，首先通過哈希表查找包分類規(guī)則，若未命中繼續(xù)從規(guī)則庫中查找。利用連接時效性特點設計哈希表沖突處理機制，根據(jù)表項最近命中時間判斷是否進行覆寫更新，避免規(guī)則累積導致查找時間增加；其次對ABV算法各維度進行等分處理，為各等分區(qū)間建立數(shù)組索引，從而快速縮小向量查找范圍，加快查找規(guī)則庫速度；最后，將規(guī)則中前綴轉化為范圍降低輔助查找結構復雜度，以減少內存空間占用量并加快規(guī)則查找速度。實驗結果表明，將規(guī)則中前綴轉化為范圍后能夠有效提升算法性能，相同條件下IABV算法相比ABV算法時間性能有顯著提高。
2020, 42(6): 1534-1541.
doi: 10.11999/JEIT190468
摘要:
針對云平臺上共享數(shù)據(jù)的完整性驗證問題，該文提出一種多方參與高效撤銷組成員的共享數(shù)據(jù)審計方案(SDRM)。首先，通過Shamir秘密共享方法，使多個組成員共同參與撤銷非法組成員，保證了組成員間的權限平等。然后，結合代數(shù)簽名技術，用文件標識符標識數(shù)據(jù)擁有者的上傳數(shù)據(jù)記錄和普通組成員的訪問記錄，使數(shù)據(jù)擁有者能夠高效更新其所有數(shù)據(jù)。最后對方案的正確性、安全性和有效性進行理論分析和實驗驗證，結果表明，該文方案的計算復雜度與被撤銷組成員簽名的文件塊數(shù)之間相互獨立，達到了高效撤銷組成員的目的。并且，隨數(shù)據(jù)擁有者數(shù)量增加，該方案更新數(shù)據(jù)效率較NPP明顯提升。
2020, 42(6): 1542-1548.
doi: 10.11999/JEIT190672
摘要:
對運動目標進行SAR成像時，參數(shù)估計是必不可少的?，F(xiàn)有算法主要針對運動目標的徑向速度和方位向速度進行估計，而對3維運動目標的法向速度無法估計。該文利用L型基線的機載多通道SAR系統(tǒng)，提出一種方位向速度和法向速度的聯(lián)合估計算法。該算法在距離-多普勒域提取運動目標信號，并利用多幅SAR圖像之間的相位差進行方位向速度和法向速度的聯(lián)合估計。該算法不依賴圖像配準，不需要解多普勒模糊，因此具有較高的估計精度和魯棒性，有較強的實際意義和應用價值。
2020, 42(6): 1549-1556.
doi: 10.11999/JEIT190507
摘要:
針對風云三號衛(wèi)星微波濕溫度計，該文建立了全功率式微波輻射計系統(tǒng)的仿真模型，重點對熱輻射噪聲源、混頻器、低噪放、濾波器與檢波器等關鍵性器件進行了參數(shù)化建模。從信號處理的角度對全功率式微波輻射計的工作過程進行了模擬，并對仿真系統(tǒng)的輸出功率、靈敏度和線性度進行評估與分析。通過與實際儀器的測試結果對比，驗證了所提仿真模型的正確性。
