Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2023 Vol.24 No.7 P.935-1092

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review Articles

Review Article: Satellite Internet of Things: challenges, solutions, and development trends

Xiaoming CHEN, Zhaobin XU, Lin SHANG

DOI: 10.1631/FITEE.2200648 Downloaded: 1560 Clicked: 943 Cited: 0 Commented: 0(p.935-944) <Full Text> <PPT> 256

Chinese summary <11> 衛星物(wù)聯網：挑戰、方案和發展趨勢

陳曉明¹，徐兆斌²，尚琳^3,4
¹浙江大(dà)學信息與電子工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州市，310027
²浙江大(dà)學先進技術研究院，中(zhōng)國杭州市，310027
³中(zhōng)國科學院微小(xiǎo)衛星創新研究院，中(zhōng)國上海市，201210
⁴上海垣信衛星科技有限公司，中(zhōng)國上海市，201612
摘要：衛星物(wù)聯網是一(yī)種有潛力的技術，爲分(fēn)布在全球各地的大(dà)規模設備提供無縫覆蓋，特别是在沒有蜂窩網絡覆蓋的偏遠地區，例如森(sēn)林、海洋、山區和沙漠。一(yī)般而言，衛星物(wù)聯網采用近地軌道衛星作爲無線接入點，可以解決廣覆蓋問題，但也帶來許多挑戰。本文首先概述了衛星物(wù)聯網的基本情況，重點介紹物(wù)聯網的業務特點。然後，詳細分(fēn)析衛星物(wù)聯網面臨的海量連接、廣覆蓋、高移動、低功耗和小(xiǎo)時延等挑戰。進而對這些挑戰給出可行的解決方案。具體(tǐ)而言，針對衛星物(wù)聯網的特點和需求，設計了新的大(dà)規模接入協議和技術。最後，本文探讨了衛星物(wù)聯網的發展趨勢，以鼓勵廣大(dà)學者對這一(yī)領域開(kāi)展進一(yī)步研究。

關鍵詞組：物(wù)聯網；衛星通信；低軌衛星；海量連接；随機接入

Review Article: Rational design of semiconductor metal oxide nanomaterials for gas sensing by template-assisted synthesis: a survey

Yuanyang XUN, Siqi LI, Feiyu ZHANG, Yan HONG, Ke XU, Ligang CHEN, Song LIU, Bin LI

DOI: 10.1631/FITEE.2200552 Downloaded: 1268 Clicked: 699 Cited: 0 Commented: 0(p.945-963) <Full Text> <PPT> 243

Chinese summary <8> 模闆輔助合成半導體(tǐ)金屬氧化物(wù)氣敏納米材料的合理設計：綜述

荀遠陽，李思琦，張飛宇，洪岩，許可，陳立剛，劉松，李斌
東北(běi)林業大(dà)學化學化工(gōng)與資(zī)源利用學院森(sēn)林植物(wù)生(shēng)态學教育部重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱市，150040
摘要：由于城市化和工(gōng)業化的快速建設所帶來的氣體(tǐ)污染，氣體(tǐ)傳感器受到廣泛關注。基于半導體(tǐ)金屬氧化物(wù)（SMO）的氣體(tǐ)傳感器具有響應高、重複性好、穩定性好、性價比高等優點，已成爲氣體(tǐ)傳感器領域極其重要的元器件。通常，具有規則結構和可控形态的材料表現出更穩定且可重複的性能。然而，由于微觀世界的不可控性，在材料合成過程中(zhōng)納米材料往往表現出不規則、不均勻等缺點。因此，具有規整結構的一(yī)維（1D）結構、二維（2D）結構和三維（3D）結構的氣敏材料的合成受到廣泛關注。爲了定向獲得具有理想形貌和尺寸的結構規整的納米材料，低成本且操作簡潔可控的模闆輔助合成法是一(yī)種非常有效的策略。本文介紹了一(yī)維、二維和三維結構的SMO傳感器的形貌和性能，讨論了各種形貌對氣體(tǐ)傳感器性能（響應和穩定性）的影響，爲結構穩定、性能優異的氣敏材料的合成提供了新的思路。

關鍵詞組：氣體(tǐ)傳感器；化學式電阻器；模闆法；納米結構；維度

Regular Papers

Regular Paper: A disk failure prediction model for multiple issues

Yunchuan GUAN, Yu LIU, Ke ZHOU, Qiang LI, Tuanjie WANG, Hui LI

DOI: 10.1631/FITEE.2200488 Downloaded: 736 Clicked: 615 Cited: 0 Commented: 0(p.964-979) <Full Text> <PPT> 241

Chinese summary <8> 一(yī)個針對多種問題的磁盤故障預測模型

關雲川¹，劉渝²，周可¹，李強³，王團結³，李輝³
¹華中(zhōng)科技大(dà)學武漢光電國家研究中(zhōng)心，中(zhōng)國武漢市，430074
²華中(zhōng)科技大(dà)學計算機科學與技術學院，中(zhōng)國武漢市，430074
³浪潮電子信息産業股份有限公司，中(zhōng)國北(běi)京市，250000
摘要：磁盤故障預測方法在單一(yī)問題上的解決方案十分(fēn)成熟，例如磁盤異構問題、模型老化問題和小(xiǎo)樣本問題。然而，由于這些問題經常同時存在，隻能處理其中(zhōng)一(yī)個問題的模型在實際預測中(zhōng)存在偏差。目前針對不同問題的解決方案經常相互沖突，然而現有磁盤故障預測方法通常簡單地融合各種模型，缺乏在面對多個問題時對訓練數據準備和學習模式的讨論。爲此，提出一(yī)種多屬性數據劃分(fēn)方法（MDP），來探索針對多個問題的訓練數據準備。引入與模型無關的元學習算法（MAML），對被劃分(fēn)的多個數據子集進行多任務學習。基于這些改進，提出一(yī)種名爲MDP-MAML的磁盤故障預測模型。MDP解決了數據不均勻劃分(fēn)和按時間劃分(fēn)的挑戰，而MAML解決了針對多個問題小(xiǎo)樣本學習的問題。此外(wài)，MDP-MAML能夠适應新出現的問題并進行學習和預測。在兩個實際數據中(zhōng)心的數據集上，與最先進方法相比，MDP-MAML将曲線下(xià)面積（AUC）從0.85提升至0.89，将誤檢率（FDR）從0.85提升至0.91，将誤報率（FAR）從4.88%降低至2.85%。

關鍵詞組：存儲系統可靠性；磁盤故障預測；自我(wǒ)監測、分(fēn)析及報告技術（SMART）；機器學習

Regular Paper: MyWAL: performance optimization by removing redundant input/output stack in key-value store

Xiao ZHANG, Mengyu LI, Michael NGULUBE, Yonghao CHEN, Yiping ZHAO

DOI: 10.1631/FITEE.2200496 Downloaded: 692 Clicked: 695 Cited: 0 Commented: 0(p.980-993) <Full Text> <PPT> 278

Chinese summary <7> MyWAL：一(yī)種基于精簡輸入輸出堆棧的鍵值存儲系統性能優化方案

張曉^1,2,3，黎夢钰^2,4，Michael NGULUBE^1,2，陳泳豪^1,2，趙一(yī)平¹
¹西北(běi)工(gōng)業大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國西安市，710072
²西北(běi)工(gōng)業大(dà)學大(dà)數據存儲與管理工(gōng)信部重點實驗室，中(zhōng)國西安市，710072
³西北(běi)工(gōng)業大(dà)學空天地海一(yī)體(tǐ)化大(dà)數據應用技術國家工(gōng)程實驗室，中(zhōng)國西安市，710072
⁴西北(běi)工(gōng)業大(dà)學軟件學院，中(zhōng)國西安市，710072
摘要：基于日志(zhì)結構合并（LSM）樹(shù)的鍵值（KV）存儲系統可優化随機寫入性能，并提高讀取性能，因此被廣泛應用于電子商(shāng)務、在線分(fēn)析和實時通信等現代數據存儲系統。日志(zhì)結構合并樹(shù)将變更的KV數據存在内存中(zhōng)，批量刷新至内存，優化了随機寫入效率，但是在系統意外(wài)崩潰時會有數據丢失。爲了避免内存中(zhōng)的數據丢失，RocksDB在更新内存之前，會将數據寫入寫前日志(zhì)（WAL）中(zhōng)。但是開(kāi)啓同步WAL後系統的寫入性能會受到較大(dà)的影響。在本文中(zhōng)，我(wǒ)們分(fēn)析了利用本地文件系統保存WAL的一(yī)些缺陷，在此基礎上提出了一(yī)種新的WAL機制，該機制根據WAL文件的特性直接管理原始設備（或分(fēn)區），避免了無用的元數據更新，同時保證了數據順序寫入磁盤。實驗結果表明，對于固态硬盤（SSD）SSD上的小(xiǎo)KV數據，MyWAL可以将RocksDB的數據寫入性能提高5到8倍。在NVMe SSD和非易失性存儲器（NVM）上，MyWAL可以将數據寫入性能提高10%-30%。此外(wài)，YCSB的結果表明，與SpanDB相比，寫入延遲降低了50%。

關鍵詞組：鍵值（KV）存儲；日志(zhì)結構合并（LSM）樹(shù)；非易失性存儲器（NVM）；NVMe SSD；寫前日志(zhì)（WAL）

Regular Paper: A perceptual and predictive batch-processing memory scheduling strategy for a CPU-GPU heterogeneous system

Juan FANG, Sheng LIN, Huijing YANG, Yixiang XU, Xing SU

DOI: 10.1631/FITEE.2200449 Downloaded: 1015 Clicked: 971 Cited: 0 Commented: 0(p.994-1006) <Full Text> <PPT> 206

Chinese summary <8> CPU-GPU異構系統感知(zhī)和預測的批處理内存調度策略

方娟，林勝，楊會靜，徐藝翔，蘇醒
北(běi)京工(gōng)業大(dà)學信息學部，中(zhōng)國北(běi)京市，100124
摘要：當多個處理器（CPU）核心和集成圖形處理器（GPU）共享片外(wài)主存時，CPU和GPU應用程序會競争關鍵内存資(zī)源，導緻嚴重的資(zī)源競争，并對系統整體(tǐ)性能産生(shēng)負面影響。本文描述了CPU-GPU異構多核架構下(xià)共享内存資(zī)源的競争情況，提出一(yī)種基于感知(zhī)和預測的批處理共享内存請求調度策略。該策略通過感知(zhī)請求緩沖區中(zhōng)CPU和GPU内存請求情況，估計GPU延遲容忍度，并通過批量處理CPU或GPU内存請求減少CPU和GPU之間的相互幹擾。實驗結果表明，CPU性能提升8.53%，相互幹擾降低10.38%，該調度策略具有較低硬件複雜(zá)度。

關鍵詞組：CPU-GPU異構；多核；共享内存；訪存調度

Regular Paper: Explainable data transformation recommendation for automatic visualization

Ziliang WU, Wei CHEN, Yuxin MA, Tong XU, Fan YAN, Lei LV, Zhonghao QIAN, Jiazhi XIA

DOI: 10.1631/FITEE.2200409 Downloaded: 803 Clicked: 677 Cited: 0 Commented: 0(p.1007-1027) <Full Text> <PPT> 242

Chinese summary <8> 面向自動可視化的可解釋數據變換推薦

吳子梁¹，陳爲¹，馬昱欣²，徐彤¹，嚴凡¹，呂檑¹，錢中(zhōng)昊¹，夏佳志(zhì)³
¹浙江大(dà)學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310058
²南(nán)方科技大(dà)學計算機科學與工(gōng)程系，中(zhōng)國深圳市，518055
³中(zhōng)南(nán)大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國長沙市，410083
摘要：自動可視化技術能夠爲不熟悉可視化設計的用戶生(shēng)成有意義的可視化，以支持他們的數據分(fēn)析和模式發現需求。當前，主流的自動可視化方法采用聚合與過濾從原始數據抽取模式信息。然而，這些有限的數據變換并不能捕獲聚類、關聯等複雜(zá)的模式。盡管特征工(gōng)程領域的最新進展爲更加廣泛的自動數據變換提供了可能，其結果卻缺少可解釋性，導緻變換後的模式無法與原始數據特征建立聯系。爲應對上述挑戰，我(wǒ)們面向自動可視化中(zhōng)廣泛的數據變換類型，提出一(yī)種創新的可解釋推薦方法。我(wǒ)們通過回顧既往文獻總結可行的數據變換空間，通過開(kāi)展預實驗總結變換可解釋性的度量。我(wǒ)們的推薦算法能夠計算最優的數據變換，這種變換能夠在維持可解釋性的同時揭示數據的模式信息。真實場景下(xià)的使用案例與用戶實驗驗證了我(wǒ)們方法的有效性。

關鍵詞組：數據變換；數據變換推薦；自動可視化；可解釋性

Regular Paper: Filter-cluster attention based recursive network for low-light enhancement

Zhixiong HUANG, Jinjiang LI, Zhen HUA, Linwei FAN

DOI: 10.1631/FITEE.2200344 Downloaded: 2422 Clicked: 1028 Cited: 0 Commented: 0(p.1028-1044) <Full Text> <PPT> 216

Chinese summary <7> 基于過濾-群聚注意力的低光增強遞歸網絡

黃志(zhì)雄^1,3，李晉江^2,3，華臻^1,3，範琳偉⁴
¹山東工(gōng)商(shāng)學院信息與電子工(gōng)程學院，中(zhōng)國煙台市，264005
²山東工(gōng)商(shāng)學院計算機科學與技術學院，中(zhōng)國煙台市，264005
³山東工(gōng)商(shāng)學院山東省高等學校未來智能計算協同創新中(zhōng)心，中(zhōng)國煙台市，264005
⁴山東财經大(dà)學計算機科學與技術學院，中(zhōng)國濟南(nán)市，250014
摘要：在低光環境下(xià)拍攝的圖像質量不佳，影響其進一(yī)步應用。爲提升低光圖像可視性，提出一(yī)種基于過濾-群聚注意力（FCA）的遞歸網絡，其中(zhōng)主體(tǐ)由3個單元組成：差異關注、門控遞歸以及叠代殘差。該網絡對低光圖像進行多階段遞歸學習，進而提取更深層次特征信息。爲算得更加精确的相關性，設計了一(yī)種關注特征通道突出性的FCA。FCA與自注意力被用以突出特征的低光區域與重要通道。此外(wài)，設計了密集連接金字塔（DenCP）來提取低光反轉圖的色彩特征，使圖像的色彩信息損失得以補償。在6種公開(kāi)數據集上的實驗結果表明，本文方法在視覺和指标上有着突出表現。

關鍵詞組：低光增強；過濾-群聚注意力；密集連接金字塔；遞歸網絡

Regular Paper: A novel hybrid cryptosystem based on DQFrFT watermarking and 3D-CLM encryption for healthcare services

Fatma KHALLAF, Walid EL-SHAFAI, El-Sayed M. EL-RABAIE, Naglaa F. SOLIMAN, Fathi E. Abd EL-SAMIE

DOI: 10.1631/FITEE.2200372 Downloaded: 1826 Clicked: 1182 Cited: 0 Commented: 0(p.1045-1061) <Full Text> <PPT> 249

Chinese summary <7> 一(yī)種基于DQFrFT水印和3D-CLM加密的醫療服務混合密碼系統

Fatma KHALLAF^1,2, Walid EL-SHAFAI^1,3, El-Sayed M. EL-RABAIE¹,Naglaa F. SOLIMAN⁴, Fathi E. Abd EL-SAMIE⁴
¹姆努菲亞大(dà)學電子工(gōng)程學院電子和電氣通信工(gōng)程系，埃及姆努夫省，32952
²阿赫拉姆加拿大(dà)大(dà)學工(gōng)學院電機工(gōng)程系，埃及吉薩省十月六日城，12451
³蘇丹王子大(dà)學計算機科學系安全工(gōng)程實驗室，沙特阿拉伯利雅得市，11586
⁴諾拉·賓特·阿蔔杜勒拉赫曼公主大(dà)學計算機與信息科學學院信息技術系，沙特阿拉伯利雅得市，11671
摘要：四元數代數已被應用于分(fēn)數階傅裏葉變換（FrFT），形成了一(yī)種彩色圖像處理的常用方法。然而，具有充分(fēn)基本随機性的離(lí)散分(fēn)數階随機變換（DFRNT）仍有待研究。本文提出一(yī)種基于離(lí)散四元數分(fēn)數階傅裏葉變換（DQFrFT）水印和三維混沌邏輯映射（3D-CLM）加密的彩色醫學圖像多級隐私系統。首先，描述了四元數DFRNT（QDFRNT），其将DFRNT推廣用于四元數信号的有效處理，然後将QDFRNT應用于彩色醫學圖像自适應水印。爲有效評估QDFRNT，本文推導了QDFRNT四元數信号與DFRNT信号4個分(fēn)量之間的關系。利用人眼視覺系統（HVS）對彩色宿主圖像邊緣、紋理和色調的即時掩蔽性，以及QDFRNT彩色醫學圖像自适應水印和支持向量機（SVM）技術，自适應調整每個塊的水印強度。此外(wài)，讨論了水印嵌入的約束條件，保持水印能量。其次，采用3D-CLM加密提高系統安全性和效率，使其可以作爲多級隐私系統。仿真結果表明，所提出的安全系統能有效抵禦多種類型的信道噪聲攻擊。

關鍵詞組：彩色醫學圖像；四元數；自适應水印；加密；分(fēn)數階變換；三維混沌邏輯映射（3D-CLM）

Regular Paper: Spatiotemporal distance embedded hybrid ant colony algorithm for a kind of vehicle routing problem with constraints

Zhenhui FENG, Renbin XIAO

DOI: 10.1631/FITEE.2200585 Downloaded: 1736 Clicked: 786 Cited: 0 Commented: 0(p.1062-1079) <Full Text> <PPT> 255

Chinese summary <7> 采用嵌入時空距離(lí)的混合蟻群算法求解一(yī)類受限車(chē)輛路徑問題

馮振輝^1,2，肖人彬^1,3
¹華中(zhōng)科技大(dà)學人工(gōng)智能與自動化學院，中(zhōng)國武漢市，430074
²華中(zhōng)科技大(dà)學人工(gōng)智能研究院，中(zhōng)國武漢市，430074
³華中(zhōng)科技大(dà)學圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室，中(zhōng)國武漢市，430074
摘要：本文研究了共享出行背景下(xià)一(yī)類受限車(chē)輛路徑問題，該問題以用戶訂單爲核心，每個訂單具有預約時間限制以及起始點、目的地兩個位置點轉換，是典型的具有時間、空間雙重約束的擴展車(chē)輛路徑問題。根據該問題特征，我(wǒ)們建立了以運營成本最低和用戶體(tǐ)驗度最高爲目标的路徑規劃模型。爲更精确地求解模型，根據用戶的時間和空間屬性定義了時空距離(lí)表示函數，進而提出一(yī)種嵌入時空距離(lí)的混合蟻群算法。該算法可分(fēn)爲兩個階段，首先通過時空聚類，以用戶之間時空距離(lí)爲主要衡量指标對用戶進行分(fēn)類，爲問題求解提供啓發式信息；其次結合勞動分(fēn)工(gōng)策略和時空距離(lí)函數，提出一(yī)種改進蟻群算法進行優化求解，以得到最終調度路線。基于現有數據集和實際城市環境的仿真案例進行數值實驗。與其他啓發式算法相比，該算法将基準實例中(zhōng)求得的最短路徑長度降低2%-14%；與其他現存路徑規劃算法相比，該算法在測試實例上求得的綜合成本更有競争力。最後，利用兩個實際的城市環境仿真案例進一(yī)步驗證了所提算法的有效性。

關鍵詞組：受限車(chē)輛路徑問題；時空距離(lí)函數；勞動分(fēn)工(gōng)策略；蟻群算法

Regular Paper: Electronically enhancing the long-range nanopositioning accuracy of a Lorentz force actuator

Bimal Jeet GOTEEA, Qianjun ZHANG, Wei DONG

DOI: 10.1631/FITEE.2200255 Downloaded: 1361 Clicked: 969 Cited: 0 Commented: 0(p.1080-1092) <Full Text>

Chinese summary <7> 以電子方式提升洛倫茲力驅動器的大(dà)行程納米定位精度

Bimal Jeet GOTEEA，張前軍，董爲
哈爾濱工(gōng)業大(dà)學機器人技術與系統國家重點實驗室，中(zhōng)國哈爾濱市，150001
摘要：本文展現了一(yī)種基于洛倫茲力驅動器和柔順導向的精密厘米級定位器。通過使用一(yī)個額外(wài)的數模轉換器（DAC）和運算放(fàng)大(dà)器（opamp）電路，以及合适的控制器将定位精度提高到納米級。首先，基于柔順導向模型的剛度爲驅動器設計了恰當的線圈。然後通過有限元分(fēn)析（FEA）驗證了柔順機構和驅動器的性能。基于此，提出一(yī)種通過電子方式提升定位性能的方法及控制方案。最後，構建了原理樣機并對其性能進行評估。該定位器的特色在于其在10mm行程内實現10 nm分(fēn)辨率。所提出的方案可以拓展适用于其他同類型系統。

關鍵詞組：納米定位；柔順導向；大(dà)行程；音圈電機；洛倫茲力驅動器