[发明专利]一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法

权利要求书

1.一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

第一步，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；

第二步，建立单跳移动的分子通信系统的假设检测模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；

第三步，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题；

所述第一步中，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；

两跳移动的分子通信系统由一个发送方纳米机器，一个中继纳米机器，一个接收方纳米机器构成，发送方纳米机器，中继纳米机器和接收方纳米机器分别用节点S，节点R和节点D表示；

在两跳移动的分子通信系统信息传输过程中，传输一个比特所消耗的能量由两部分构成：(1)分子和囊泡的合成所消耗的能量；(2)节点移动性所消耗的能量；

当节点S和节点R在第k个时隙传输比特1时，释放的分子数分别用和表示，当传输比特0时，和分别为0，用和分别表示节点S和节点R在第k个时隙传输比特1的概率，则节点S和节点R需要传输的分子数分别表示为和假设节点S和节点R分别释放A，B类型的分子，且假设A类型分子由n_A个氨基酸组成，B类型分子由n_B个氨基酸组成，那么节点S和节点R释放A，B类型的分子所消耗总的能量表示为

假设节点S和节点R分别含有n_Sv和n_Rv个囊泡，囊泡、节点S和节点R的半径分别为r_v，r_S和r_R，则合成节点S和节点R中的囊泡所需要的能量为(n_Sv+n_Rv)(83×5(4r_v²))；而(n_Sv+n_Rv)个囊泡传输到细胞膜所消耗的能量为释放一个囊泡到介质中的能量为83×10zJ，则释放(n_Sv+n_Rv)个囊泡的能量消耗为(n_Sv+n_Rv)×83×10，因此，所有囊泡的产生、传输和释放所消耗的能量表示为

将节点S，节点R和节点D每移动单位距离所消耗的能量分别用E_S，E_R和E_D表示，则传输一个比特在节点移动性上所耗费的能量消耗E_mobility表示如下：

其中，和分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度，且包含速度的方向，T_S为每个时隙持续的时间，n为时隙的个数，由公式(1)-(3)，从节点S到节点D，传输一个比特的总能量消耗用E_total表示，即为

E_total＝E_molecules+E_vesicles+E_mobility. (4)；

所述第二步中，建立单跳移动的分子通信系统的假设检测模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；

在一维扩散信道中，假定节点S到节点R的位置固定，它们之间的距离不随时间变化，并且不考虑分子间的碰撞效应，那么描述任意一个分子从节点S到节点R的关于时间t的概率密度函数f(t)表示为：

其中，为节点S和节点R之间的距离，D_A表示信息分子在流体环境中的扩散系数；

假设节点S到节点R的运动相互独立，并且它们无法穿过彼此，k个时隙后，信息分子首次进入节点R检测范围的时间满足的概率密度分布函数如下：

其中，D_tot＝D_S+D_R,D_p,eff＝D_R+D_A，f(t)为公式(5)所定义的概率密度分布函数，为节点S和节点R之间的距离，erf(x)是标准的误差函数，即用于描述一个分子在从t＝0开始至t时刻之前到从节点S到达节点R的概率，1≤k≤n，即：

其中，T_s为每个时隙的大小；

用表示节点S在时隙n开始时释放的分子数，节点S在时隙n开始时释放的分子数在当前时隙n被节点R收到的分子数用表示，则服从如下二项分布

当分子数足够大且的值属于[0.08，0.12]，(8)中的二项分布用泊松分布来逼近，表示如下：

考虑节点S到节点R之间的传输，节点R收到节点S前面(n-1)个时隙的剩余分子，这些分子引起了ISI类型的干扰，因此，在当前时隙n，节点R处收到的ISI分子数用表示，它服从以下泊松分布：

因此，由(9)和(10)可知，节点R在第n个时隙收到的分子数N_(S,R)[n]由和

用H₀和H₁分别表示假设节点S当前时隙n发送0和1的事件，用和表示在H₀和H₁情况下节点R在当前第n个时隙收到的分子个数，它们分别服从下面的泊松分布：

针对节点S到R的单跳传输，用Z表示节点R在当前第n个时隙收到的分子数，在假设节点S在当前时隙发送0和1即在H₀和H₁的情况下，考虑一个以随机变量Z为观测值的二元假设检验问题：

其中，(14)式中的泊松参数可通过(12)和(13)式得到，表示如下：

通过比较节点R在第n个时隙收到的分子数N_(S,R)[n]与节点R处的最优检测阈值，从而得到节点R在第n个时隙的观测值，在假设检测模型下，通过最小误差准则得到最优检测阈值，节点R在第n个时隙的观测值可通过下述表达式得到，表示如下：

其中，为节点R在第n个时隙的观测值，节点R在第(n+1)个时隙开始时转发给节点D，并将该值记为x_R[n+1]，根据假设检测模型，采用最小误差准则求得最佳的检测方案：

其中，表示节点S发送比特1的概率，代表节点S发送比特0的概率，P(z|H₁)和P(z|H₀)则分别对应这两个事件下节点R收到z个分子的概率，用Λ(z)表示似然比，则似然比计算公式为：

其中，和分别为在假设条件H₀和H₁情况下，节点R收到z个分子所服从的泊松分布的概率密度函数，表示如下：

因此，(19)式的解即为MAP最优检测阈值θ_R，求解结果如下：

根据(24)式中MAP最优检测阈值θ_R，在节点S传输比特0的情况下，节点R在第n个时隙收到1的比特错误率表示如下：

其中，w表示一个整数，且它的范围为w∈[0,θ_R]，x_S[n]为节点R传输的第n个比特，(22)中的通过(15)计算得到，在节点S传输比特1的情况下，节点R在第n个时隙收到0的比特错误率表示如下：

其中，(23)中的可通过(16)计算得到，由公式(22)和(23)可知，传输单跳移动的分子通信的第n个比特的错误率通过下式计算：

从节点S到节点R第n个比特传输的吞吐量定义为1-Pe_R[n]；

所述第三步中，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题；

从节点R到节点D，传输第(n+1)个比特的错误率的计算公式表示如下：

其中，x_R[n+1]表示节点R在第(n+1)个时隙传输的比特，N_(R,D)[n]表示节点D在第(n)个时隙收到来自节点R释放的分子数，表示节点D在第(n+1)个时隙检测到的比特，θ_D表示节点D处的最优检测阈值，和分别计算如下：

因此，两跳移动的分子通信系统第n个比特的错误率表示为

其中，和可从下式得到

从节点S到节点D第n个比特传输的吞吐量定义为1-Pe_D[n]，将能量效率η定义为第n个比特传输过程中，每单位能量可达的吞吐量的最大值，最优化问题表示如下：

2.如权利要求1所述的一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

第四步，通过实验仿真展示了不同的参数对两跳移动的分子通信能量效率的影响。