[发明专利]一种低复杂度的浓度位移键控的星座设计方法

说明书

本发明公开了一种低复杂度的浓度位移键控的星座设计方法。本发明的设计方法考虑了信道在伴随符号间干扰和信号相关噪声的情况下，发射机端在平均能量的约束中随机产生星座点，通过计算经过信道衰落之后每个星座点相对应的理论阈值，然后利用经过衰落后的星座点和相应的阈值计算出误符号率，最后找到多个误符号率中最小的误符号率相对应的发射端星座点和阈值即为最优解。本发明的设计方法不仅实现了比传统的Uniform星座设计方法和Square‑root星座设计方法更好的误符号率性能，而且还可以适用于任何阶数的发射机端的星座点设计。

技术领域

本发明涉及分子通信领域，具体涉及一种低复杂度的浓度位移键控的星座设计方法。

背景技术

随着通信技术的快速发展，传统的有线和无线通信技术成为了人们日常生活中的主要通信手段，但是像5G等通信技术在一些特定情况下是不适合应用的，例如，在隧道、管道或不可预测的海洋等水下环境中，电磁波的通信信号会受到严重的衰减，此时使用电磁无线通信可能是非常低效的。另外，在极小的尺寸上，例如微纳米器件之间、人体体域内的通信等，电磁通信会受到诸如天线尺寸与电磁信号波长的比值等限制、声波通信会受到声能转换器的尺寸限制，使得它们都不适用于小尺度的场景，并且这些器件与人体的生物相容性也不是太好。

分子通信(MC)是一种以化学信号为信息载体的生物启发性通信技术。分子通信不仅可以实现短距离通信，如微纳米尺度的细胞间和细胞内的通信，还可以实现长距离通信，如群居昆虫、海洋中鲨鱼对血腥味的感知等。与电磁信号相比，分子通信的好处是具有低能耗特性，用很少的能量就可以实现信号的产生与传播，尽管分子通信不能实现无线通信系统的高数据速率，但它们传递的每个信息所消耗的能量要少得多，这使得它们适用于不需要高数据速率的超低功耗应用。除此之外，分子通信还具有良好的生物相容性。这些特性使得分子通信成为许多小众通信应用的理想选择。

分子通信在生物医学、工业、军事、环境等诸多领域中都具有广阔的应用前景。通信的主要目的是传输信息，而在此过程中，保证传递信息的正确性是根本任务。但是，实现应用过程中信息的正确传递的前提是必须提高分子通信系统的整体性能，降低通信过程中的误符号率，而在其中，调制技术是实现此目的的一个关键部分，它能将传输的信息转化为化学过程适合传输的形式。与传统的通信系统相比，MC的不足之处包括了严重的符号间干扰(ISI)和信号相关噪声，在此背景下，其先进的调制设计仍然是一个开放的问题。目前，MC的调制方法主要包括类别、浓度、类型、时间、空间调制和混合调制。与传统通信系统中的振幅转移键控类似，浓度位移键控(CSK)使用单一类型的信息分子的浓度水平在MC系统中传输信号，其中，二进制CSK的最简单形式被称为开关键控(OOK)。另外，分子位移键控(MoSK)使用多种类型的信使分子来传递信息，这不可避免地增加了MC系统的设计复杂性。在基于扩散的MC系统中，由于随机扩散过程引入了ISI和信号相关噪声，为解决这些问题，现有的技术包括了：在MC接收机上的信号处理技术采用基于模型的检测器、将接收信号的上升边缘作为微分度量来抑制干扰，响应来自MC原型的连续接收信号，实现无误差的性能，并且基于时域模型的检测器来消除ISI和信号相关噪声、将信号相关噪声转换为增强信噪比的有用信号，利用一种基于时域模型的非相干检测方法，提高系统误差性能、利用一种低复杂度的噪声计数抑制滤波器，其在误符号率性能方面优于传统的去噪算法。此外，还有研究者提出了频域均衡器，能同时显著降低ISI和信号相关噪声，与时域对应器相比，其计算的复杂度对ISI的长度不敏感。因此，在分子通信系统中，信号相关噪声主要影响接收端信号，为提高系统的误码率性能，研究者们主要集中在接收端设计新的指标，如分子类型的组合和排列，而没有考虑在接收端进行系统的星座设计，目前在发射机端进行星座设计的方法仍然用传统的Uniform星座设计方法和Square-root星座设计方法。

综上所述，在考虑信号相关噪声情况下，传统的分子通信系统中在接收机端进行设计的调制方式对于误符号率的提高仍有待改善，而且基于发送机端的Uniform星座设计方法和Square-root星座设计方法对于提高系统误符号率性能也不能够达到更优。

发明内容