基于纳米孔的 DNA 存储可达速率研究

本文研究当使用不依赖碱基识别算法的易处理信道模型解码纳米孔信号时，基于纳米孔的 DNA 存储的可达速率。具体而言，采用 Scrappie 纳米孔模型的含噪纳米孔信道（NNC）通过独立同分布的几何样本重复，并受独立同分布高斯噪声破坏，生成平均输出电平（NNC-Scrappie）。本文推导了简化的消息传递算法，用于利用 NNC-Scrappie 对纳米孔信号进行高效软解码。此前，由于缺乏包含纳米孔信号的 DNA 存储数据集，对该信道模型的评估受到限制。本文通过推导基于动态时间规整（DTW）算法的可达速率解决了这一问题，该算法可应用于受约束的基因组测序数据集，使所得速率适用于 DNA 存储。利用来自 Oxford Nanopore Technologies（ONT）的公开数据集，我们证明：对长度为 100 个碱基的多条 DNA 链进行编码，并使用 NNC-Scrappie 解码器解码，根据每次信道使用在测序设备中所选纳米孔的信道质量，可达速率至少为每碱基 0.64–1.18 比特；假设均匀选择纳米孔，平均可达速率为每碱基 0.96 比特。这些速率是保守估计，因为它们仅适用于单次读取，且未包含针对特定纳米孔的孔模型校准。