[发明专利]一种基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法

说明书

一种基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法，包括以下步骤：第一步，利用泊松分布逼近二项分布得到当前时隙RN收到分子的个数；第二步，建立基于扩散的分子通信模型的假设检测信道模型；第三步，利用Skellam分布得到了最优决策阈值的数学表达式，从而得到最优决策阈值θ；第四步，在最优决策阈值θ基础上，获得最优的信道容量的值。本发明提供一种有效提升信道容量的基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法。

技术领域

本发明涉及生物技术、纳米技术、通信技术，是一种基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法。

背景技术

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。分子通信属于生物技术、纳米技术、通信技术多学科交叉的前沿领域，是实现纳米网络的重要基础，在学术界普遍认为分子通信是实现纳米网络最可行的通信技术之一。分子通信技术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。

在基于扩散的分子通信模型中，发送方纳米机器TN(Transmitter Nanomachine)和接收方纳米机器RN(Receiver Nanomachine)分别表示该模型中的发送方和接收方。由信息的发送方纳米机器生成能被接收方纳米机器识别接收的信息分子，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)介质被传输到接收方纳米机器后，由接收方纳米机器接收并以特定的方式解码信息。对于二进制扩散的分子通信模型，信息传输过程描述如下：待发送的二进制比特信息即输入信息被编码在分子上，分子作为信息传输的载体，发送方纳米机器通过释放一定数量的分子到生物环境中，分子在传输信道中通过布朗运动扩散，并最终随机到达接收方纳米机器，接收方纳米机器通过某种检测方法确定输出为二进制比特1或0。

在扩散的分子通信模型中，由于分子遵循布朗运动规则，前面所有时隙对接收方纳米机器在当前时隙的码间干扰是不可避免存在的。因此，基于扩散的分子通信模型的研究也面临较多的挑战，其中之一是考虑码间干扰情况下，如何提高扩散的分子通信模型的信道容量。

发明内容

为了克服已有扩散的分子通信模型的信道容量较低的不足，本发明提供一种有效提升信道容量的基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法。

为了解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：

一种基于扩散的分子通信模型的信道容量优化方法，所述信道容量优化方法包括如下过程：

第一步，利用泊松分布逼近二项分布得到当前时隙RN收到分子个数；

在二进制扩散的分子通信模型中，输入输出均为二进制信息比特1或0，并采用OOK(On-Off Keying)作为调制技术，发送方纳米机器TN通过释放一定数量的分子表示发送比特1，不释放任何分子表示发送比特0；分子一旦被释放在生物环境中，这些分子自由扩散，当被接收方纳米机器RN接收后会被立即被吸收，不再存在生物环境中，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为发送方纳米机器与接收方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即为一个分子被RN在t时间内接收到的概率，用P(d,t)表示如下：

考虑分时隙的扩散分子通信模型，假设所有分子被接收的事件发生在离散时间点1信息传输时间被划分为大小相等的时隙间隔，记为T＝nT_s，其中，T为信息传输的时间，T_s为每个时隙持续时间，n为所划分的时隙的个数；