一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法技术

本发明专利技术公开一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，应用于分子通信领域，针对现有技术中存在的纳米机无法定位的问题；本发明专利技术通过在液体环境中均匀部署信标形成稳定的信标坐标系，待定位纳米机则可以通过判断自身与信标的距离以及该信标的位置，得到自身在该坐标系中的坐标位置；本发明专利技术的方法通过引入信标坐标系这一参考系，解决了在微观环境中纳米机不能有效确定自身位置的问题，同时本发明专利技术的实现基于微生物的趋化效应，具有良好的生物相容性以及低能耗的特点。以及低能耗的特点。以及低能耗的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法


[0001]本专利技术属于分子通信领域，特别涉及一种纳米机定位技术。

技术介绍

[0002]分子通信是近年来兴起的交叉学科的微观环境下的通信技术，主要研究通过纳米级的分子作为信息载体，实现细胞或纳米机之间通信的技术。分子通信不使用传统的电磁场技术，而是利用生物体内的化学物质和运输机构作为传输介质，实现生物细胞间分子的发送和接收。由于不受收发器件尺寸体积和能耗等因素的制约，适合在几纳米到几米数量级的距离间通信。分子通信在许多领域有极大的潜在应用价值。从长远来看，分子通信在生物医药、健康医疗、环境监测、军事以及物联网领域都具有广阔的应用前景。未来的纳米物联网可以将人体内的纳米网络与外界的互联网连接起来，被认为是今后物联网发展的一个新方向。最新研究表明，人类已经可以对自然界的细胞进行改造，或者直接利用微型器件组装出分子纳米机器(以下简称为纳米机)。2017年9月21日《Nature》发表了曼彻斯特大学的科学家们制造的能通过搬运其他分子，完成指令任务的“分子机器人”。标志着世界上首款“分子机器人”问世，也预示着分子通信朝实际应用迈出了实质性的一步。纳米机的一般结构包含收发控制器，信息处理器，分子储藏舱室，存储单元，调制解调器，鞭毛，化学受体等，其能够执行一些简单的任务，如计算，数据存储，传感或驱动，根据需求的不同，人们可以赋予纳米机各种针对性的功能，但是单个纳米机的能力是有限的，其必须协同工作才能发挥最大作用。
[0003]目前对分子通信的相关理论研究已经涉及到各个方面，包括:各种信道建模、分子信息的编解码与调制解调、纳米网络架构及路由技术，纳米机的运动建模等等。分子信道是其中研究的重点，典型的分子通信信道模型如基本扩散信道、神经元传导信道、血管信道等都已经比较成熟，但存在的问题依然有待解决。比如在扩散信道中，分子遵循随机布朗运动规则，因此会带来分子运动无目的性、传输时延长、可靠性低等问题，其通信速率远远低于电磁通信。还有就是部分分子会滞留在信道中，造成码间干扰严重等问题依然没有很好解决。分子定向通信技术被认为是解决这些问题的关键。定向通信控制对纳米机处理能力和通信能力要求较高，而目前的纳米机还处于研究阶段，纳米机的计算和控制能力还未可知，因此难度很大。目前已有的研究都是基于利用生物分子固有特性(如趋化效应)所带来的定向移动效果，做一些定性的分析，但都没有提出具体的控制策略。目前，由于体内等微观环境中没有任何的参考系，在分子通信中还没有一种切实可行的为纳米机提供定位从而定向控制纳米机的方式，即纳米机并不能知道自身在环境中的位置，也不能告知其他纳米机自身的位置。在某些场景中，纳米机需要协同通信及移动来高效定向地向目的地移动，就涉及到需要定位自身的坐标并分享给其他纳米机。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，
通过部署纳米信标来自定义搭建一个可行的局部坐标系，能有效覆盖目标区域，并为在区域中活动的纳米机提供定位功能并给出坐标值。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，包括：
[0006]S1、通过均匀部署带编号的纳米信标，形成信标坐标系；
[0007]S2、信标释放与其编号对应种类的化学分子；
[0008]S3、待定位的纳米机通过识别到化学分子种类确定所识别的信标，并根据化学分子浓度得到待定位纳米机与该信标的距离；
[0009]S4、待定位纳米机根据距离其所识别到的各信标的距离，得到其在信标坐标系中的位置。
[0010]本专利技术的有益效果：本专利技术提供一种全新的在微观环境中使用的定位技术，使得纳米机可以在执行任务中时刻获取自身的位置；具体通过部署纳米信标来自定义搭建一个可行的局部坐标系，能有效覆盖目标区域，并为在区域中活动的纳米机提供定位功能并给出坐标值。该坐标系可以被纳米机共享，能够以此为基础实现出更复杂的功能；
[0011]本专利技术的方法以趋化效应、微生物运动模型及分子的扩散和浓度及距离的估计为基础，首次提出并搭建了在微观环境中可供纳米机定位的坐标系统以及定位方法。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的具体实施例的算法流程图。
[0013]图2为本专利技术实施例提供的若干纳米信标的部署以及信标阵列的形成过程。
[0014]图3为本专利技术实施例提供的信标坐标系中的目标定位的示意图。
具体实施方式
[0015]为便于本领域技术人员理解本专利技术的
技术实现思路
，下面结合附图对本
技术实现思路
进一步阐释。
[0016]实施例1
[0017]本专利技术的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其原理为：在定位过程中，需要均匀部署带编号的纳米信标以形成信标坐标系，并使需要被定位的纳米机判断自己处于哪些编号的纳米信标的影响区域中，然后判断自身距离每个纳米信标的距离，最后将得到的所有距离值及对应的信标编号添加到坐标列表，作为自身在信标坐标系中的定位出的坐标位置。
[0018]如图1所示，本专利技术的方法包括以下步骤：
[0019]步骤1、在有需要纳米机执行任务的场景中部署纳米信标，随后使纳米信标释放自身携带的驱散剂(例如过氧化氢等)，根据反趋化效应相互排斥远离，形成均匀稳定的信标阵列；
[0020]本领域技术人员应知，纳米信标实质上也是纳米机，只是从功能上来讲扮演信标的角色。本专利技术中的纳米机主要来源于两种制造方式，一种由现存的细胞活着细菌经过基因改造，赋予所需要的功能，另一种则是利用纳米级的元器件直接组装而成，其一般尺寸在数百纳米左右。
[0021]另外，凡是能使纳米信标产生反趋化效应(自发远离该物质)的分子都是驱散剂，
反之为产生趋化效应的引诱剂(自发靠近该物质)。从生物上讲，过氧化氢或者天冬氨酸都可以作为驱散剂，葡萄糖，氨基酸等可作为引诱剂。
[0022]纳米机结构主要组成一般包括：收发控制器，信息处理器，分子储藏舱室，存储单元，调制解调器，鞭毛，化学受体等。
[0023]在工作中，纳米信标先发送驱散剂分子，待阵列形成(自身基于趋化效应已不再移动时)再释放其他分子。
[0024]纳米机通过发射通道释放分子到外部环境。具体可以通过囊泡包裹分子，再释放囊泡到外部环境，或者打开细胞表面的粒子通道直接释放分子。
[0025]步骤2、在信标阵列形成后，纳米信标释放各自的化学分子，在自身周围形成浓度梯度场，形成可正常工作的信标坐标系；
[0026]化学分子储藏在纳米机体内的专门的分子储藏舱室中。不同的分子有自己的储藏舱室。
[0027]本领域技术人员应知，本专利技术中的纳米信标将会部署到已知目标存在的大致区域，通过相互排斥而形成信标阵型。一般来讲，通过提前获取目标的大致位置，并部署足够多的信标，目标会存在于该坐标系中。本实施例中纳米信标只需要在目标环境区域提供坐标系导航以帮助纳米机执行任务。
[0028]纳米机会随机移动寻找目标，一旦目标被找本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，包括：S1、通过均匀部署带编号的纳米信标，形成信标坐标系；S2、信标释放与其编号对应种类的化学分子；S3、待定位的纳米机通过识别到化学分子种类确定所识别的信标，并根据化学分子浓度得到待定位纳米机与该信标的距离；S4、待定位纳米机根据距离其所识别到的各信标的距离，得到其在信标坐标系中的位置。2.根据权利要求1所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，步骤S1中的纳米信标通过释放自身携带的驱散剂，根据反趋化效应纳米信标相互排斥远离，形成均匀稳定的信标阵列，从而得到信标坐标系。3.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，判断信标坐标系稳定的方式为：在该信标阵型中，任意两...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，岳国栋，杨鲲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：