一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法技术

一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法，包括以下步骤：第一步，基于AF和ANC策略，根据节点移动模型，计算源节点S

【技术实现步骤摘要】
一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法
本专利技术涉及纳米技术、分子通信技术，是一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法。
技术介绍
移动分子通信是实现纳米网络最可行的通信技术之一，它在工业、环境、生物医学等领域将有广阔的应用前景，例如：人体内药物投送、健康监测等。因此，移动分子通信技术不仅具有重要的理论研究意义，而且从长远看还具有广泛的实际应用价值，是一个亟待探索的新兴研究领域。在移动分子通信中，纳米机器的随机移动性导致纳米机器之间的实时距离随着时间变化而变化，从而导致扩散时变信道的信道脉冲响应随着实时距离和时间发生变化，纳米机器之间信息的干扰也因此动态发生变化，从而导致了移动的纳米机器之间的协作通信变得尤为复杂，这为移动分子通信的研究带来巨大的挑战。移动分子通信双向网络中，两个移动的源纳米机器(简称为节点)借助一个移动的中继纳米机器(简称为节点)进行双向信息交换。在三个节点移动的场景下，如何分析分子通信双向网络的性能，包括降低该网络的平均错误率和提高该网络的平均互信息是本专利技术深入研究的关键问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，为了研究移动分子通信双向网络的性能，本专利技术提供一种基于放大转发(Amplify-and-forward,AF)和模拟网络编码(Analognetworkcoding)策略的移动分子通信双向网络性能分析方法。为了解决上述技术问题本专利技术采用如下技术方案：一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法，所述性能分析方法包括以下步骤：第一步，基于AF和ANC策略，根据节点移动模型，计算源节点S1和源节点S2处在第(j+1)个时隙收到的A类型或B类型的分子数；第二步，在源节点S1和S2处建立假设检测信道模型以及最优检测规则，得到源节点S1和S2处的最优检测阈值；第三步，基于耗尽分子键控(Depletedmoleculeshiftkeying,D-MoSK)调制方式得到移动分子通信双向网络的平均错误率和平均互信息的计算方法。进一步，所述第一步中，当节点S1和节点R都是移动的，假设它们执行独立的随机运动的移动模型，在这种情况下，在时间t＝0时节点S1发送的一个信息分子在时间t＞0时在接收节点R的体积内被观测到的概率表示为其中，是中继节点R的体积，rR是节点R的半径，D1＝Dp+DR，Dp和DR分别为信息分子和节点R的扩散系数，为节点S1释放分子时与节点R接收分子时两个节点之间的实时距离，τs表示节点R处的信息分子相对于时间t的观测时间；假设这些节点的运动是独立的随机运动，运动轨迹由一系列随机步组成，在n步之后，源节点或中继节点的坐标被标记为这里，l表示源节点S1和节点S2以及中继节点R；假设节点l在x轴、y轴和z轴上彼此独立地以等概率增加或减少一个固定值，分别表示±Δxl，±Δyl和±Δzl，节点S1和节点R的初始距离为三个节点的移动分子通信双向网络中，在中继节点R处采用半双工传输，源节点S1和S2之间通过中继节点R的传输由AF和ANC策略实现，分两步完成：步骤1.1，在第j个时隙结束时，中继节点R收到源节点S1和S2在第个j时隙开始时同时发送的信号，并且将两个信号简单叠加；步骤1.2，在第(j+1)个时隙的开始时，中继节点R将组合信号放大并广播到源节点S1和S2，由于接收节点S1和S2产生自干扰(Self-interference，SI)分子，因此它们使用ANC策略从收到的组合信号中减去SI分子数来获得最终信号；表示节点S1在第i个时隙开始时释放的A类型或B类型分子的数量，是节点S1在第个i时隙开始时传输的比特，节点S1在当前时隙i释放并在当前时隙i接收的分子数由以下公式计算：其中，W是采样的个数，tw＝w×(Ts/W)是第w个采样时间且w∈{1,2,...,W}，Ts为每个时隙持续的时间，为节点S1在时隙m发送的比特信息，在当前时隙i，来自前面(i-1)个时隙的符号内部干扰(Inter-symbolinterference，ISI)分子数表示为表示为节点R在第i个时隙收到来自节点S1释放的分子数，计算为其中，为链路S1→R的独立噪声且服从高斯分布其均值为方差依赖于节点R接收到的分子数的期望值；由公式(3)-(5)可知，的计算公式为服从以下正态分布其中，a＝0或1分别表示第i个时隙对应传输的比特为0或1，和分别为(7)式中正态分布在对应传输比特为0或1的情况下的均值和方差，表示节点S1在第m个时隙传输比特1时的概率，因此，当a＝0时，公式(7)中正态分布的参数计算公式为其中，通过的计算得到，为h(t，τs)的方差，计算公式如下：其中，p＝D1τ+2D2t,q＝D1τ+D2t，这里和DR为节点S1和节点R的扩散系数，当a＝1时，公式(7)中正态分布的参数计算公式为为节点R收到节点S2在第i个时隙释放的类型A或类型B分子数，表示为其中，和分别跟和计算方法一样，服从以下的正态分布其中，和分别为上式中正态分布的均值和方差；节点R在第i个时隙收到的分子数为由于两个正态分布的和服从正态分布，则(13)式中的服从以下的正态分布：其中，和分别为上式中正态分布的均值和方差，则有在第(j+1)个时隙开始时，节点R放大在先前时隙中收到的符号，并将信息广播到节点S1和S2，此外，不同类型的分子不会相互干扰，根据ANC方案，节点S1在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数为其中，k[i+1]为节点R在第(i+1)个时隙的放大因子，是链路R到S1产生的噪声，是节点S1处的自干扰SI分子数，计算公式为其中，和分别表示(17)式中的均值和方差，得节点S2在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数用表示，计算公式为其中，和分别定义为节点S2处的SI分子数和噪声大小；在AF-No-ANC策略中，考虑了采用DoMK调制的半双工中继的单向两跳传输，节点S1首先借助节点R将其信息发送给节点S2，节点S1收到信息之后，节点S2以相同的方式将其信息发送给节点S1，对于两跳的传输，节点S2没有释放分子，因此节点S2没有SI分子；对于两跳传输，节点S1释放和接收分子的事件不在连续时隙中，则不考虑节点S1处的SI，节点S2在第2j个时隙结束时收到的分子数和节点S1在第(2j+2)个时隙结束时收到的分子数分别表示为再进一步，所述第二步中，假设节点S2在当前时隙发送0和1即在H0和H1的情况下，考虑以随机变量为观测值的二元假设检验问题：其中，为节点S2在第j个时隙开始时发送的信息比特，在H0和H1两种情况下均服从正态分布，即满足：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：/n第一步，基于AF和ANC策略，根据节点移动模型，计算源节点S

【技术特征摘要】
1.一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
第一步，基于AF和ANC策略，根据节点移动模型，计算源节点S1和源节点S2处在第(j+1)个时隙收到的A类型或B类型的分子数；
第二步，在源节点S1和S2处建立假设检测信道模型以及最优检测规则，得到源节点S1和S2处的最优检测阈值；
第三步，基于D-MoSK调制方式得到移动分子通信双向网络的平均错误率和平均互信息的计算方法。


2.如权利要求1所述的一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法，其特征在于：所述第一步中，当节点S1和节点R都是移动的，假设它们执行独立的随机运动的移动模型，在这种情况下，在时间t＝0时节点S1发送的一个信息分子在时间t＞0时在接收节点R的体积内被观测到的概率表示为



其中，是中继节点R的体积，rR是节点R的半径，D1＝Dp+DR，Dp和DR分别为信息分子和节点R的扩散系数，为节点S1释放分子时与节点R接收分子时两个节点之间的实时距离，τs表示节点R处的信息分子相对于时间t的观测时间；假设这些节点的运动是独立的随机运动，运动轨迹由一系列随机步组成，在n步之后，源节点或中继节点的坐标被标记为这里，l表示源节点S1和节点S2以及中继节点R；假设节点l在x轴、y轴和z轴上彼此独立地以等概率增加或减少一个固定值，分别表示±Δxl，±Δyl和±Δzl，节点S1和节点R的初始距离为



三个节点的移动分子通信双向网络中，在中继节点R处采用半双工传输，源节点S1和S2之间通过中继节点R的传输由AF和ANC策略实现，分两步完成：
步骤1.1，在第j个时隙结束时，中继节点R收到源节点S1和S2在第个j时隙开始时同时发送的信号，并且将两个信号简单叠加；
步骤1.2，在第(j+1)个时隙的开始时，中继节点R将组合信号放大并广播到源节点S1和S2，由于接收节点S1和S2产生自干扰分子，因此它们使用ANC策略从收到的组合信号中减去SI分子数来获得最终信号；

表示节点S1在第i个时隙开始时释放的A类型或B类型分子的数量，是节点S1在第个i时隙开始时传输的比特，节点S1在当前时隙i释放并在当前时隙i接收的分子数由以下公式计算：



其中，W是采样的个数，tw＝w×(Ts/W)是第w个采样时间且w∈{1,2,...,W}，Ts为每个时隙持续的时间，为节点S1在时隙m发送的比特信息，在当前时隙i，来自前面(i-1)个时隙的符号内部干扰(Inter-symbolinterference，ISI)分子数表示为




表示为节点R在第i个时隙收到来自节点S1释放的分子数，计算为



其中，为链路S1→R的独立噪声且服从高斯分布其均值为方差依赖于节点R接收到的分子数的期望值；
由公式(3)-(5)可知，的计算公式为




服从以下正态分布



其中，a＝0或1分别表示第i个时隙对应传输的比特为0或1，和分别为(7)式中正态分布在对应传输比特为0或1的情况下的均值和方差，表示节点S1在第m个时隙传输比特1时的概率，因此，当a＝0时，公式(7)中正态分布的参数计算公式为



其中，通过的计算得到，为h(t，τs)的方差，计算公式如下：



其中，p＝D1τ+2D2t,q＝D1τ+D2t，这里和DR为节点S1和节点R的扩散系数，当a＝1时，公式(7)中正态分布的参数计算公式为




为节点R收到节点S2在第i个时隙释放的类型A或类型B分子数，表示为



其中，和分别跟和计算方法一样，服从以下的正态分布



其中，和分别为上式中正态分布的均值和方差；节点R在第i个时隙收到的分子数为



由于两个正态分布的和服从正态分布，则(13)式中的服从以下的正态分布：



其中，和分别为上式中正态分布的均值和方差，则有



在第(j+1)个时隙开始时，节点R放大在先前时隙中收到的符号，并将信息广播到节点S1和S2，此外，不同类型的分子不会相互干扰，根据ANC方案，节点S1在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数为



其中，k[i+1]为节点R在第(i+1)个时隙的扩增因子，是链路R到S1产生的噪声，是节点S1处的自干扰SI分子数，计算公式为



其中，和分别表示(17)式中的均值和方差，得



节点S2在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数用表示，计算公式为



其中，和分别定义为节点S2处的SI分子数和噪声大小；
在AF-No-ANC策略中，考虑了采用DoMK调制的半双工中继的单向两跳传输，节点S1首先借助节点R将其信息发送给节点S2，节点S1收...

【专利技术属性】
技术研发人员：程珍，闫俊，涂宇淳，雷艳静，池凯凯，夏明，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33