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专利号: 2018102074671
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种扩散的多播分子通信网络的比特错误率确定方法,其特征在于:所述确定方法包括以下步骤:第一步,建立扩散的多播分子通信模型,并分析一跳链路中的比特错误率;

第二步,研究每个纳米机器采用不同类型的分子的中继策略下多播分子通信网络的比特错误率;

第三步,分析每个纳米机器采用相同类型的分子的中继策略下多播分子通信网络的比特错误率,并提出调整阈值的方式有效减少并行中继纳米机器间发送相同类型分子时的干扰。

2.如权利要求1所述的一种扩散的多播分子通信网络的比特错误率确定方法,其特征在于:所述第一步中,在二进制分子通信模型中,用发送方纳米机器是否释放分子来代表比特信息的发送,当前发送的比特为1时,会释放规定类型的分子到生物环境中,分子在介质中以布朗形式运动,传递比特0时则不释放分子;基于一维环境中的分子扩散,在分子传输及扩散过程中,描述任一个分子从发送方纳米机器n到达接收方纳米机器q的时间t的概率密度函数为:其中,dnq表示两个纳米机器n、q间的距离,D是生物环境的扩散系数,若环境中的分子类型改变时其扩散系数也相应改变,因此,fnq(t)的累积分布函数Fnq(t)用于描述一个分子在从t=0开始至t时刻之前到达接收方纳米机器的概率,表示如下:在信息接收阶段,将接收方纳米机器q接收一个比特的时间T划分为M等份,将划分后相邻的时间间隔t0称为样本时间,即有t0=TM

用tm表示一个比特间隙中的第m个样本时间,即有

tm=mt0

则纳米机器q接收第j个比特时的第m个样本时间t(j,m)表示为:t(j,m)=(j-1)T+tm

将接收方纳米机器q在第j个比特间隙的第m个样本时间中接收到来自发送方纳米机器n在当前比特间隙之初发送的分子数记为N(n,q)(t(j,m)),由于每个样本中的分子遵循布朗运动规则,它们之间是相互独立的,同时,每个分子在接收方纳米机器处只有成功接收和未被成功接收两种,则N(n,q)(t(j,m))服从二项分布,此外,当每个样本中分子的数量较大且一个分子成功到达接收方纳米机器的概率较小时,用泊松分布逼近二项分布,因此N(n,q)(t(j,m))服从泊松分布,其均值记为 那么,对于在第j个比特间隙中,所有样本时间内收到的分子总数N(n,q)[j]表示如下:由于多个泊松随机变量的和仍然服从泊松分布,由上式知,N(n,q)[j]为一个泊松随机变量,其均值记为 则在纳米机器n发送的比特序列已知的前提下,N(n,q)[j]的累积分布函数为:其中,ξq是纳米机器q的检测阈值, 表示发送方纳米机器n发送的比特序列;

此外,在扩散的分子通信模型中,由于分子被发送方纳米机器n释放在生物环境后会自由扩散,这些分子有的在当前的比特间隙到达接收方纳米机器,有的会在之后的比特间隙到达,因此纳米机器n在之前的比特间隙发送的比特序列会对当前比特间隙的比特序列的接收产生影响,因此,在第j个比特间隙中,纳米机器q收到的分子数N(n,q)[j]的均值的计算公式为:其中, 表示发送方纳米机器n在第i个比特间隙发送的分子于第j个比特间隙的第m个样本时间内到达纳米机器q的数量,其计算表达式如下:其中,Nr表示纳米机器n发送的分子数,Wn[i]表示发送方纳米机器n发送的第i个比特;

在信息解码阶段,对于纳米机器q而言,在其接收第j个比特的二进制信息时,将一个比特间隙T中每个样本时间内收到的分子数相加后与纳米机器q处的检测阈值相比,若M个样本中收到的分子数量之和大于等于检测阈值,则纳米机器q在第j个比特间隙收到的二进制比特信息为1,反之为0,纳米机器q接收到的第j个比特用 表示,则有:其中,当所有样本时间中收到的分子总数N(n,q)[j]小于ξq时,纳米机器q解码得到二进制比特为0,反之,纳米机器q接收到的二进制比特信息为1;

在已知纳米机器n发送的比特序列 的情况下,纳米机器q收到第j个比特发生错误的情况有两种,(1)纳米机器n发送比特1,但纳米机器q检测为0,该事件的概率用表示;(2)纳米机器n发送比特0,但纳米机器q检测为1,该事件的概率用 表示,当给定纳米机器n发送的第j个比特为1

的概率Pr(Wn[j]=1)=P1时,纳米机器q接收到的第j个比特发生错误的概率记为表示如下:由于第j个比特的比特错误率受到发送方纳米机器n发送的前(j-1)个比特的影响,对于(j-1)位的比特序列而言有2(j-1)种不同的情况,考虑所有情况下的平均比特错误率,用表示:其中,W表示所有 序列的集合,该集合中包含2(j-1)个不同的序列, 是纳米机器n发送W集合中某个特定序列时的概率。

3.如权利要求1或2所述的一种扩散的多播分子通信网络的比特错误率确定方法,其特征在于:所述第二步中,由纳米机器S,R1,R2,D1组成的链路看成并行的两条两跳的链路,考虑之前的比特序列对当前比特间隙收到的分子的影响,假设已知纳米机器S前(j-1)位的比特序列 的情况下,当WS[j]取值分别为1和0时,发送方纳米机器为S与接收方纳米机器为D1的并行链路发生错误的概率分别用 和表示如下:

其中, 和 分别表示纳米机器R1收到第1到第j个的比特序列和纳米机器R2收到第1到第j个的比特序列;

假设已知纳米机器S发送的二进制序列为 在中继纳米机器收到信息至发送信息的过程不发生错误的前提下,得:用抛硬币的方式随机获取一个 或 序列降低计算复杂性,用 举例,纳米机器R1检测到的比特 其中i∈{1,2,...,j-1},用 来模拟,λ∈{0,1}来源于抛硬币的结果,λ取1和0的概率分别为:

该多播分子通信网络有两个接收方纳米机器D1和D2,则该多播分子通信网络的比特错误率 的计算公式如下:其中, 是接收方纳米机器为D1的链路的平均比特错误率, 是接收方纳米机器为D2的链路的平均比特错误率。

4.如权利要求1或2所述的一种扩散的多播分子通信网络的比特错误率确定方法,其特征在于:所述第三步中,在中继纳米机器处采用调整阈值的方式,中继纳米机器将会根据发送方纳米机器和其他并行的中继纳米机器之前发送的所有比特序列来调整当前这个比特间隙的检测阈值,中继纳米机器R1在第j个比特间隙的调整阈值 由两个部分组成,表示如下:其中,ξ是根据发送方纳米机器S发送的分子到达中继纳米机器R1得到的阈值部分,是基于其余并行中继纳米机器收到的前(j-1)个比特到达中继纳米机器R1得到的阈值部分,给定R2、R3、R4接收到的(j-1)位的比特序列,到达R1的分子中来源于Rx(x∈{2,

3,4})释放的分子数的均值为:

其中, 表示纳米机器Rx在第i个比特间隙发送的分子于第j个比特间隙的第m个样本时间内到达纳米机器R1的数量,其计算表达式如下:其中,Nr表示纳米机器Rx发送的分子数, 表示纳米机器Rx接收到的第i个比特;

由于中继纳米机器R1上阈值的变化部分就是从R2、R3、R4扩散而来的分子数,因此得:已知中继纳米机器R1收到的分子源于纳米机器S、R2、R3、R4,则R1在第j个比特间隙收到的分子总数 为:纳米机器R1在第j个比特间隙收到源于R2、R3、R4的分子数量是均值为 的泊松随机变量,同时 也是均值为

的泊松随机变量,因此, 也是一个泊松随机变量,其均值为四个泊松随机变量 的均值之和,即:类似地,R2在第j个比特间隙收到的分子总数的均值 为:

将计算 和 公式中的

分别用 替换,代入计算 的公式得出

在特定序列下接收方纳米机器为D1的并行链路发生错误的概率,在计算出接收方纳米机器为D1和D2的链路的比特错误率后得出平均比特错误率;

对于纳米机器R1检测到的比特序列 中的每个 其中i∈{1,2,...,j-1},用来表示,α∈{0,1}来源于抛硬币的结果,α取1和0时的概率分别为:同样地,纳米机器R2检测到的比特序列 中的每个 其中i∈{1,2,...,j-1},用来表示,β∈{0,1},β取1和0时的概率分别为:其中,公式中的 是将计算 公式中的N(n,q)[j]和ξq分别用和 替代而获得;公式中的 是将计算 公式中

的N(n,q)[j]和ξq分别用 和 替代而得到,最后,使用计算 的公式获得多播分子通信网络的比特错误率。