一种基于二进制分子通信模型的通信方法
【专利摘要】一种基于二进制分子通信模型的通信方法，包括以下步骤：第一步，建立基于二进制分子通信模型，发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)，该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)；第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制，在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表比特1或0的传输；第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。本发明提供一种具有较高的吞吐量、通信效率高的基于二进制分子通信模型的通信方法。
【专利说明】一种基于二进制分子通信模型的通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信方法，尤其是一种基于二进制分子通信模型的通信方法，该方案 基于二进制分子通信模型的特点及设计的分子通信传输机制。
【背景技术】
[0002] 纳米网络概念由美国科学家Akyildiz等人于2008年正式提出，它是一个正在 兴起的崭新交叉科学研究领域，覆盖了纳米技术、信息处理、通信技术等领域。目前，对纳 米网络的科学研究尚处于初期阶段，它的许多相关技术（如纳米机器架构、信息感知、数据 融合、通信技术等）都有待开展深入研究。几类用于纳米网络可行的数据通信方式包含： 通过纳米机器之间的机械式接触过程来传递信息，简称纳米机械式通信（Nanomechanical communication);把待传递的信息编码在声波里，然后通过把声波发给接收者来传递信 息，简称声波通信（Acoustic communication);通过发送调制了待发送信息的电磁波 来传递信息，简称电磁通信（Electromagnetic communication);非接触地发送分子给 接收者，通过调制发送分子的密度、个数等指标来传递信息，简称分子通信（Molecular communication)。分子通信由于不受收发器的体积和能耗等因素的制约，并且适用于许多 特定的应用环境中（例如人体内），因此学术界普遍认为基于生物启发的分子通信是实现 纳米网络最可行的通信技术之一。
[0003] 分子通信是纳米机器之间一种新型的通信方式，是一种以生物化学分子作为信息 载体，通过分子在生物环境中扩散进行相互通信，用于纳米机器以组成分布式纳米网络的 通信技术。分子通信的基本通信过程包括信息的编码，发送，传输，接收和解码五个步骤。在 分子通信系统中，由信息的发送方纳米机器生成能够被接收方纳米机器识别并接收的信息 分子，并基于信息分子的物理或化学特性编码信息。发送方纳米机器释放的信息分子通过 流体（液体或气体）介质被传输到收方纳米机器后，由接收方纳米机器接收并以特定的方 式解码息。
[0004] 分子通信具有广阔的应用前景，主要包括生物医学、工业、环境、军事四大领域。在 生物医学方面，精确的分子传输机制有助于协调和控制药物的释放时间与剂量，实现嵌入 人体的智能药物容器与特定细胞之间的定向药物投送，能够为治疗代谢疾病或缓解神经变 性疾病提供有效的帮助。在工业领域中，分子通信能够被应用于食品质量和水质的监控过 程；在环境领域中，分子通信可用于生物降解、环境监控，污染控制等。
【发明内容】
[0005] 为了克服已有分子通信方式的吞吐量较低、效率较低的不足，本发明提供一种具 有较高的吞吐量、通信效率高的基于二进制分子通信模型的通信方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种基于二进制分子通信模型的通信方法，所述通信方法包括以下步骤：
[0008] 第一步，建立基于二进制分子通信模型
[0009] 发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方 纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：
【权利要求】
1. 一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所述通信方法包括以下步 骤： 第一步，建立基于二进制分子通信模型 发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米 机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：
其中，d为纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数； 该概率密度分布函数对应的累积分布函数F (t)为：
第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制 在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表比特1或〇的传输，将传输时 间T分成η个time slot，T = η τ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时 间，当发送方纳米机器传输I时，在当前time slot内发送N个代表I的分子，接收方纳米 机器收到M个分子代表成功收到1，收到少于M个分子表示收到1失败，收到超过M个的分 子会继续扩散到后面的time slot ;当发送方纳米机器传输0时，在当前time slot内不发 送任何分子，接收方纳米机器在每个当前time slot收到发送方纳米机器在前面time slot 发送的代表1的分子的事件是相互独立的； 第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。
2. 如权利要求1所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所 述第三步中，吞吐量μ是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子的数量，效率η是指 在T时刻内接收方纳米机器收到的分子数量与发送方纳米机器发送的分子数量的比值， 建立在单链路拓扑结构中吞吐量μ与效率η的计算公式μ = μ (V，Ppd, D), n = η (v，;其中，ν为发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率，即为单位时间内发 送分子个数N的大小，β i为发送方纳米机器在第i个time slot发送1的概率，d为发送 方纳米机器和接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境的扩散系数。
3. 如权利要求2所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于： 所述第三步中，βη表示发送方纳米机器在第n个slot发送1的概率，则发送0的概 率为（l-β n);在第n个time slot,发送方纳米机器发送1，同时接收方纳米机器成 功收到1的概率为凡'1/，接收方纳米机器未成功收到1的概率为
Ank表示发送方纳米机器在第k个slot发送1的分子被接收方纳米机器在第n个slot 收到的事件，4*表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子未被接收方纳米 机器在第n个time slot收到的事件，Bjk(j = k, k+1,. . .，n-Ι)表示发送方纳米机器在第 k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第j个slot收到或未收到的事件，贝Ij 其取值情况为e {J#, JyvJ, j = k, k+1,. . .，n-1，Bi表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器从第k到第（n-1)个time slot接收情况Bjk(j = k, k+1,. . .，n-1)的联合事件；
B表示所有Bi事件的集合，事件Ank是在事件Bi发生的可能性下发生的；同时考虑发送 方纳米机器在第k个time slot释放的分子被接收方纳米机器从第k到第（n-1)个slot 接收的情况对被第η个time slot接收概率的影响，因此，P(Ank)通过全概率公式计算，如 下式所示：
接收方纳米机器在第k个time slot收到的分子数量有可能为0, M，2M，…，nM，对应 的概率表示为P (Yk = iM) = Pi (i = 0, 1，…，n ;k = 0, 1，…，η)，则Pi的计算公式为：
由Pi的计算公式，吞吐量μ的计算公式为：
对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以i3k的概率传输N个代表1的分子，以 (I-Pk)的概率不发送任何分子代表发送〇,则在第k个time slot发送方纳米机器发送的 平均分子数为Ni3k，在T时间内平均发送的分子数为Να^?^+··· + ^，η的表达式为：
4.如权利要求1?3之一所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在 于：所述通信方法还包括以下步骤：第四步，性能评估：基于二进制分子通信模型，根据第 二步得到的吞吐量和效率的解析表达式，分析出吞吐量和效率的随着参数：发送方纳米机 器在传输1时发送分子的速率（V)，发送方纳米机器在第i个slot发送0或1的概率（β J， 纳米机器之间的距离（d)，生物环境扩散系数（D)，发送方纳米机器在每个time slot释放 分子的个数（N) ,time slot的个数（η),每个time slot持续的时间（τ)的变化所呈现出 的变化趋势。
【文档编号】H04L1/00GK104393949SQ201410556946
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】程珍, 池凯凯, 朱艺华, 李燕君, 田贤忠 申请人:浙江工业大学