[发明专利]一种多跳移动分子通信网络的比特错误率和互信息确定方法

权利要求书

1.一种多跳移动分子通信网络的比特错误率和互信息确定方法，其特征在于，所述确定方法包括以下步骤：

第一步，建立多跳移动分子通信网络模型，在此基础上得到两跳移动分子通信网络在DTM情况下中继节点和目的节点处收到分子数的数学表达式；

第二步，在目的节点处建立假设检验模型，利用最大后验概率MAP检测方法得到在DTM情况下目的节点处的检测阈值，并得到多跳移动分子通信网络的比特错误率和互信息的数学表达式；

第三步，建立两跳移动分子通信网络在STM情况下的比特错误率和互信息确定方法；

第四步，建立多跳移动分子通信网络在DTM和STM情况下的比特错误率和互信息确定方法。

2.如权利要求1所述的一种多跳移动分子通信网络的比特错误率和互信息确定方法，其特征在于：所述第一步中，建立一个三维环境下的移动多跳分子通信网络模型，该网络由一个发送方纳米机器、一个接收纳米机器和若干个中继纳米机器组成，发送方纳米机器为节点S，接收纳米机器为节点D，中继纳米机器为节点R_q，q＝1,2,...,Q，所有的节点都可以在温度和粘度恒定的非束缚流体环境中移动；假设节点S、节点R_q和节点D的初始坐标分别为和节点S、节点R_q和节点D是具有半径r_S,和r_D的透明球体，中继节点在节点S和节点D之间等间距离分布，假设节点R_q和D是被动观察者，这意味着节点R_q和D可以分别计算其观察体积内的分子数量，但这种感知行为不会阻碍分子的扩散；

在节点S和节点D之间传输的信息被编码为二进制序列，当节点S要在第一个时隙开始时向中继节点R₁发送比特信息1时，节点S会立即释放一定数量的信息分子，而传输比特0时，节点S不会释放任何分子，这种调制方法称为开/关键控OOK，另外，在每个中继节点采用全双工传输，采用AF中继协作协议，假设所有节点在时间上完全同步；

在传输过程中，在中继节点采用AF中继协议的情况下，当信号到达中继节点时，中继节点会放大信号并将其转发；对于DTM方案，每个中继节点R_q(q＝1,2,...,Q)可以检测到前一个中继节点释放的A_q型分子，然后释放A_q+1类型分子并将检测到的信息转发给节点R_q+1，A_q型分子的数量可以通过放大从中继节点R_q-1(R₀表示节点S)接收的分子数来获得，节点D检测最后一个中继节点发送的A_Q+1型分子；对于STM方案，中继节点R_q(q＝1,2,...,Q)从包括节点S和中继节点R_v(v＝1,2,...,q)在内的所有先前节点接收A₁型分子，当v＝q时，中继节点R_q可以接收来自节点R_q本身的分子，这是由自干扰SI效应引起的，中继节点释放相同类型的分子到下一个中继节点R_q+1，中继节点R_q释放的分子数可以通过放大从所有先前节点接收到的分子数得到；

在通信过程中，节点S和中继节点R_q释放分子到信道中，这些分子通过自由扩散传播，最终一些分子可以到达接收方R_q，基于菲克第二扩散定律的扩散方程为

其中，c(t)是分子相对于时间t的浓度，表示拉普拉斯运算符，D_p是信息分子的扩散系数；

对于从节点S到节点D单链路的静态分子通信网络，两个节点边缘之间的距离是一个常数d，通过求解(1)得到信道脉冲响应CIR，即一个分子在从t＝0开始至t时刻之前到达节点R₁的概率为

其中，是中继节点R₁的体积，是节点R₁的半径，d是节点S和节点R₁之间的固定距离，当节点S和节点R₁都是可移动的时，它们利用节点移动模型形成独立的随机运动，移动情况下的CIR为

其中，d(t)是节点S释放分子的位置与节点R₁接收分子时移动接收节点之间的动态距离，表示节点R₁的扩散系数，是分子和接收节点之间的有效扩散系数，t∈(0,∞)是节点S发送分子的时间，τ∈(0,∞)是释放的分子到达接收器节点所需的时间，h(t,τ)是t和τ的函数，则从节点S到节点R₁链路的h(t,τ)的均值μ_h(t,τ)表示为

其中，是节点S和节点R₁之间的有效扩散系数，D_S表示节点S的扩散系数，是节点S和节点R₁之间的初始距离，并且公式由下式给出

h(t,τ)的方差计算为

其中，l和n定义为l＝D₁τ+D₂t,n＝D₁τ+2D₂t；

在每个时隙中，在分子在固定时间τ_s内从发送方S释放之后，接收方节点统计其体积内收到的分子的数，并且将该分子数与该接收器节点处的检测阈值进行比较，用和W_S[i]分别表示节点S释放的A₁型分子数和节点S在第i个时隙之初传输的比特信息，在当前时隙i中，由节点S释放的并被节点R₁接收的分子数用表示，计算公式为

其中，T_s是每个时隙的持续时间，在当前时隙i，是来自所有先前(i-1)个时隙的符号内部干扰ISI分子数表示为

其中，和W_S[m]分别表示节点S释放的A₁型分子数和节点S在第m个时隙开始时传输的比特信息，表示节点S在第i个时隙释放并被节点R₁接收的分子数，表示为

其中，将视为链路S→R₁的信号相关噪声，将其假设服从高斯分布其均值和方差取决于中继节点R₁接收到的预期分子数；

把(7)和(8)代入(9)，得到

节点R₁在第i个时隙接收的来自节点S释放的分子数近似为高斯分布，服从下列正态分布

其中，的均值和方差表示如下：

其中，μ_h(mT_s,(i-m)T_s+τ_s)通过式(4)计算，β_S[m]是节点S在第m个时隙中传输比特1的概率，E[·]和D[·]分别表示随机变量的期望值和方差；

在DTM情况下的两跳移动分子通信网络中，节点S释放具有扩散系数的A₁型分子，可被中继节点R₁检测到；中继节点R₁释放具有扩散系数的A₂型分子，并将检测到的信息转发给节点D，在第i个时隙末，中继节点R₁接收的分子数用表示，在第(i+1)个时隙之初，中继节点R₁释放个分子到信道中，并且通过放大在前一个时隙中接收到的分子数计算，则有

其中，k[i+1]是第(i+1)个时隙中继节点R₁处的放大因子，是的均值，使用平均值来近似节点S在时隙i中释放的被节点R₁接收的分子数，因此节点D接收到的分子数为则