[发明专利]一种基于二进制分子通信模型的通信方法

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。

主权项

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：f(t)=d4πDt3e-d24Dt,t>0]]>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：F(t)=1-Erf(d2Dt),t>0;]]>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，将传输时间T分成n个time slot，T＝nτ，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1时，在当前time slot内发送N个代表1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；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,βi,d,D)，η＝η(v,βi,d,D)；其中，v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，βi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；βn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(1‑βn)；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，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，其中，j＝k,k+1,...,n‑1，则其取值情况为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的联合事件；P(Bi)=P(Πj=kn-1Bjk)=Πj=kn-1P(Bjk),Bjk∈{Ajk,Ajk‾},j=k,k+1,...,n-1]]>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n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：P(Ank)=βkP(AnkB)=βkΣi=12n-kP(Ank|Bi)P(Bi)]]>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，其中，i＝0,1,…,n；k＝0,1,…,n，则pi的计算公式为：pi=ΣK∈SiΠk∈KP(Ank)Πj∈Kc(1-P(Anj))]]>由pi的计算公式，吞吐量μ的计算公式为：μ=Σk=1nΣi=0niM*P(Yk=iM)]]>对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以βk的概率传输N个代表1的分子，以(1‑βk)的概率不发送任何分子代表发送0，则在第k个time slot发送方纳米机器发送的平均分子数为Nβk，在T时间内平均发送的分子数为N(β1+β2+…+βn)，η的表达式为：η=μN(β1+β2+...+βn).]]>