[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

说明书

一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，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的假设检测信道模型，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。本发明在时变信道中建立相应的能量消耗模型，通过参数的设置设计高能效数据传递方案，达到较少的能量消耗和较高的平均吞吐量性能，并最终实现最优的能量效率，从而展示了移动的纳米机器之间以高能效的方式进行通信的方案。

技术领域

本发明涉及生物技术、纳米技术、通信技术，是一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法。

背景技术

在移动分子通信中，纳米机器均处于移动的状态，这在很多实际应用(例如人体内药物投送、健康监测、目标检测等)中更为常见。因此，移动分子通信是纳米网络中最重要最为实用的分子通信方式。不同于静态扩散的分子通信系统，在移动分子通信模型中，发送方纳米机器和接收方纳米机器均处移动的状态，它们的位置变化呈现随机性。因此，移动分子通信系统中，纳米机器的移动性导致纳米机器之间的距离随时间变化而变化，导致了扩散信道的信道脉冲响应也随距离和时间发生变化，这为移动分子通信的研究带来巨大的挑战。

然而，移动分子通信系统的吞吐量性能和能量消耗与纳米机器的移动性息息相关。因此，移动分子通信系统每单位能耗的平均吞吐量即能量效率的研究由于纳米机器的移动性变得尤为复杂。目前为止，还没有移动分子通信能量模型的建立和能量效率优化的相关研究。在端到端纳米网络拓扑结构下，如何研究纳米机器的移动性对能量消耗和吞吐量的影响，在时变信道中建立相应的能量消耗模型，设计高能效数据传递方案，达到较少的能量消耗和较高的平均吞吐量性能，并最终实现最优的能量效率，从而展示移动的纳米机器之间以高能效的方式进行通信是本发明研究的重要问题。

发明内容

为了克服现有纳米机器分子通信系统的能量效率较低的不足，为了研究纳米机器的移动性对能量消耗和吞吐量的影响，本发明提供一种能量效率较高的两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法。

为了解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：

一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，所述能量效率优化方法包括以下步骤：

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；

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