CN104393949A - 一种基于二进制分子通信模型的通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二进制分子通信模型的通信方法，包括以下步骤：第一步，建立基于二进制分子通信模型，发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)，该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)；第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制，在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表比特1或0的传输；第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。本发明提供一种具有较高的吞吐量、通信效率高的基于二进制分子通信模型的通信方法。

Description

一种基于二进制分子通信模型的通信方法

技术领域

本发明涉及通信方法，尤其是一种基于二进制分子通信模型的通信方法，该方案基于二进制分子通信模型的特点及设计的分子通信传输机制。

背景技术

纳米网络概念由美国科学家Akyildiz等人于2008年正式提出，它是一个正在兴起的崭新交叉科学研究领域，覆盖了纳米技术、信息处理、通信技术等领域。目前，对纳米网络的科学研究尚处于初期阶段，它的许多相关技术(如纳米机器架构、信息感知、数据融合、通信技术等)都有待开展深入研究。几类用于纳米网络可行的数据通信方式包含：通过纳米机器之间的机械式接触过程来传递信息，简称纳米机械式通信(Nanomechanical communication)；把待传递的信息编码在声波里，然后通过把声波发给接收者来传递信息，简称声波通信(Acoustic communication)；通过发送调制了待发送信息的电磁波来传递信息，简称电磁通信(Electromagnetic communication)；非接触地发送分子给接收者，通过调制发送分子的密度、个数等指标来传递信息，简称分子通信(Molecular communication)。分子通信由于不受收发器的体积和能耗等因素的制约，并且适用于许多特定的应用环境中(例如人体内)，因此学术界普遍认为基于生物启发的分子通信是实现纳米网络最可行的通信技术之一。

分子通信是纳米机器之间一种新型的通信方式，是一种以生物化学分子作为信息载体，通过分子在生物环境中扩散进行相互通信，用于纳米机器以组成分布式纳米网络的通信技术。分子通信的基本通信过程包括信息的编码，发送，传输，接收和解码五个步骤。在分子通信系统中，由信息的发送方纳米机器生成能够被接收方纳米机器识别并接收的信息分子，并基于信息分子的物理或化学特性编码信息。发送方纳米机器释放的信息分子通过流体(液体或气体)介质被传输到收方纳米机器后，由接收方纳米机器接收并以特定的方式解码信息。

分子通信具有广阔的应用前景，主要包括生物医学、工业、环境、军事四大领域。在生物医学方面，精确的分子传输机制有助于协调和控制药物的释放时间与剂量，实现嵌入人体的智能药物容器与特定细胞之间的定向药物投送，能够为治疗代谢疾病或缓解神经变性疾病提供有效的帮助。在工业领域中，分子通信能够被应用于食品质量和水质的监控过程；在环境领域中，分子通信可用于生物降解、环境监控，污染控制等。

发明内容

为了克服已有分子通信方式的吞吐量较低、效率较低的不足，本发明提供一种具有较高的吞吐量、通信效率高的基于二进制分子通信模型的通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于二进制分子通信模型的通信方法，所述通信方法包括以下步骤：

第一步，建立基于二进制分子通信模型

发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：

$f\left(t\right)=\frac{d}{\sqrt{4\mathrm{\πD}{t}^3}}{e}^{-\frac{d^2}{4\mathrm{Dt}}},t>0$

其中，d为纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数；

该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)为：

$F\left(t\right)=1-\mathrm{Erf}\left(\frac{d}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right),t>0;$

第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制

在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表1或0的传输，将传输时间T分成n个time slot，T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间，当发送方纳米机器传输1时，在当前time slot内发送N个代表1的分子，接收方纳米机器收到M个分子代表成功收到1，收到少于M个分子表示收到1失败，收到超过M个的分子会继续扩散到后面的time slot；当发送方纳米机器传输0时，在当前time slot内不发送任何分子，接收方纳米机器在每个当前timeslot收到发送方纳米机器在前面time slot发送的代表1的分子的事件是相互独立的；

第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。

进一步，所述第三步中，吞吐量μ是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子的数量，效率η是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子数量与发送方纳米机器发送的分子数量的比值，建立在单链路拓扑结构中吞吐量μ与效率η的计算公式μ＝μ(v,β_i,d,D)，η＝η(v,β_i,d,D)；其中，v为发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率，即为单位时间内发送分子个数N的大小，β_i为发送方纳米机器在第i个time slot发送1的概率，d为发送方纳米机器和接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境的扩散系数。

再进一步，所述第三步中，β_n表示发送方纳米机器在第n个timeslot发送1的概率，则发送0的概率为(1-β_n)。在第n个time slot，发送方纳米机器发送1，同时接收方纳米机器成功收到1的概率为接收方纳米机器未成功收到1的概率为 ${\mathrm{\&beta;}}_n\underset{i=1,I<M}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_N^{i}F{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^i{(1-F\left(\mathrm{\&tau;}\right))}^{N-i};$

A_nk表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件，表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子未被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件。B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第j个time slot收到或未收到的事件，则其取值情况为 $B_{\mathrm{jk}}\&Element;\{A_{\mathrm{jk}},{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\},j=k,k+1,...,n-1.$ B_i表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收情况B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)的联合事件；

$P\left(B_i\right)=P\left({\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}{B}_{\mathrm{jk}}\right)={\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}P\left(B_{\mathrm{jk}}\right),B_{\mathrm{jk}}\&Element;\left\{A_{\mathrm{jk}}{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\right\},j=k,k+1,...,n-1$

B表示所有B_i事件的集合。可以看出，事件A_nk是在事件B_i发生的可能性下发生的。同时考虑发送方纳米机器在第k个time slot释放的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收的情况对被第n个time slot接收概率的影响。因此，P(A_nk)可通过全概率公式计算，如下式所示：

$P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{k}P\left(A_{\mathrm{nk}}B\right)={\mathrm{\&beta;}}_k\underset{i=1}{\overset{2^{n-k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right|B_i)P\left(B_i\right)$

接收方纳米机器在第k个time slot收到的分子数量有可能为0，M，2M，…，nM，对应的概率可以表示为P(Y_k＝iM)＝p_i(i＝0,1,…,n；k＝0,1,…,n)，则p_i的计算公式为：

$p_i=\underset{{K\&Element;S}_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Pi;}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)\underset{{j\&Element;K}^c}{\mathrm{\&Pi;}}(1-P\left(A_{\mathrm{nj}}\right))$

由p_i的计算公式，吞吐量μ的计算公式为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{iM}*P(Y_k=\mathrm{iM})$

对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以β_k的概率传输N个代表1的分子，以(1-β_k)的概率不发送任何分子代表发送0，则在第k个time slot发送方纳米机器发送的平均分子数为Nβ_k，在T时间内平均发送的分子数为N(β₁+β₂+…+β_n，η的表达式为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{N({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+...+{\mathrm{\&beta;}}_n)}.$

更进一步，所述通信方法还包括以下步骤：第四步，性能评估：基于二进制分子通信模型，根据第二步得到的吞吐量和效率的解析表达式，分析出吞吐量和效率的随着参数：发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率(v)，发送方纳米机器在第i个time slot发送0或1的概率(β_i)，纳米机器之间的距离(d)，生物环境扩散系数(D)，发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数(N)，time slot的个数(n)，每个time slot持续的时间(τ)的变化所呈现出的变化趋势。

本发明的技术构思为：在分子通信过程中，如果发送方纳米机器发送分子过快(在单位时间内发送分子数过多)，在生物环境中的分子数量越来越多，而对于接收分子能力有限的纳米机器，那些分子保持在生物环境中最终衰退从而导致分子的流失；如果发送方纳米机器发送分子过慢(在单位时间内发送分子数过少)，而接收方纳米机器接收分子能力较强，也会降低分子通信过程中分子的传输效率。

本发明充分结合分子通信的生物兼容性，低速率，传输范围有限性，较高的丢失率等特点，主要开发一种可用于纳米网络的基于二进制分子通信模型的高吞吐量和高效率通信技术。

本发明的有益效果主要表现在：(1)本发明充分结合了分子通信过程中发送方纳米机器发送分子的快慢会影响接收方纳米机器接收分子多少的特点，开发了提高二进制分子通信模型的吞吐量和效率的通信技术。

(2)建立提高二进制分子通信模型的吞吐量和效率的通信机制，给出了吞吐量和效率的计算公式。通过控制参数的值使得释放的分子在流体介质中传输并能较快被接收方纳米机器接收，从而接收方纳米机器在有效的时间内收到的分子数达到最多，效率最高，大大减少释放分子的衰退及流失。

(3)基于二进制分子通信模型，根据吞吐量和效率的解析表达式，分析出吞吐量和效率随着参数包括发送方纳米机器发送分子的速率，发送方纳米机器在每个time slot发送1的概率，纳米机器之间的距离，生物环境扩散系数，发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数的变化所呈现出的变化趋势。

附图说明

图1是分子通信特点的示意图。

图2是单链路的拓扑结构。其中，TN为发送方纳米机器，RN为接收方纳米机器。

图3为设计的可用于提高二进制分子通信模型的吞吐量和效率的通信方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于二进制分子通信模型的通信方法，所述通信方法包括以下步骤：

第一步，建立基于二进制分子通信模型

发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：

$f\left(t\right)=\frac{d}{\sqrt{4\mathrm{\&pi;}{\mathrm{Dt}}^3}}{e}^{-\frac{d^2}{4\mathrm{Dt}}},t>0$

其中，d为纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数；

该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)为：

$F\left(t\right)=1-\mathrm{Erf}\left(\frac{d}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right),t>0;$

第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制

在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表1或0的传输，将传输时间T分成n个time slot，T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间，当发送方纳米机器传输1时，在当前time slot内发送N个代表1的分子，接收方纳米机器收到M个分子代表成功收到1，收到少于M个分子表示收到1失败，收到超过M个的分子会继续扩散到后面的time slot；当发送方纳米机器传输0时，在当前time slot内不发送任何分子，接收方纳米机器在每个当前timeslot收到发送方纳米机器在前面time slot发送的代表1的分子的事件是相互独立的；

第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。

进一步，所述通信方法还包括：第四步，性能评估，通过建立新的基于二进制分子通信模型的通信机制和吞吐量及效率的计算公式，通过实验仿真，可知提高发送方纳米机器在每个time slot发送1的概率，减小发送方纳米机器和接收方纳米机器之间的距离，增大生物环境的扩散系数，通过控制这些参数，使得释放的分子在流体介质中传输并能较快被接收方纳米机器接收，从而接收方纳米机器在有效的时间内收到的分子数达到最多，效率最高，大大减少释放分子的衰退及流失。

所述第三步中，吞吐量μ是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子的数量，效率η是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子数量与发送方纳米机器发送的分子数量的比值，建立在单链路拓扑结构中吞吐量μ与效率η的计算公式μ＝μ(v,β_i,d,D)，η＝η(v,β_i,d,D)；其中，v为发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率，即为单位时间内发送分子个数N的大小，β_i为发送方纳米机器在第i个time slot发送1的概率，d为发送方纳米机器和接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境的扩散系数。

所述第三步中，β_n表示发送方纳米机器在第n个time slot发送1的概率，则发送0的概率为(1-β_n)。在第n个time slot，发送方纳米机器发送1，同时接收方纳米机器成功收到1的概率为接收方纳米机器未成功收到1的概率为 ${\mathrm{\&beta;}}_n\underset{i=1,I<M}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_N^{i}F{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^i{(1-F\left(\mathrm{\&tau;}\right))}^{N-i};$

A_nk表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件，表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子未被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件。B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第j个time slot收到或未收到的事件，则其取值情况为 $B_{\mathrm{jk}}\&Element;\{A_{\mathrm{jk}},{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\},j=k,k+1,...,n-1.$ B_i表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收情况B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)的联合事件；

$P\left(B_i\right)=P\left({\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}{B}_{\mathrm{jk}}\right)={\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}P\left(B_{\mathrm{jk}}\right),B_{\mathrm{jk}}\&Element;\left\{A_{\mathrm{jk}}{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\right\},j=k,k+1,...,n-1$

B表示所有B_i事件的集合。可以看出，事件A_nk是在事件B_i发生的可能性下发生的。同时考虑发送方纳米机器在第k个time slot释放的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收的情况对被第n个time slot接收概率的影响。因此，P(A_nk)可通过全概率公式计算，如下式所示：

$P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{k}P\left(A_{\mathrm{nk}}B\right)={\mathrm{\&beta;}}_k\underset{i=1}{\overset{2^{n-k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right|B_i)P\left(B_i\right)$

接收方纳米机器在第k个time slot收到的分子数量有可能为0，M，2M，…，nM，对应的概率可以表示为P(Y_k＝iM)＝p_i(i＝0,1,…,n；k＝0,1,…,n)，则p_i的计算公式为：

$p_i=\underset{{K\&Element;S}_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Pi;}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)\underset{{j\&Element;K}^c}{\mathrm{\&Pi;}}(1-P\left(A_{\mathrm{nj}}\right))$

由p_i的计算公式，吞吐量μ的计算公式为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{iM}*P(Y_k=\mathrm{iM})$

对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以β_k的概率传输N个代表1的分子，以(1-β_k)的概率不发送任何分子代表发送0，则在第k个time slot发送方纳米机器发送的平均分子数为Nβ_k，在T时间内平均发送的分子数为N(β₁+β₂+…+β_n)，η的表达式为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{N({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+...+{\mathrm{\&beta;}}_n)}.$

所述第四步，基于二进制分子通信模型，根据第二步得到的吞吐量和效率的解析表达式，分析出吞吐量和效率的随着参数：发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率(v)，发送方纳米机器在第i个timeslot发送0或1的概率(β_i)，纳米机器之间的距离(d)，生物环境扩散系数(D)，发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数(N)，time slot的个数(n)，每个time slot持续的时间(τ)的变化所呈现出的变化趋势。

本实施例中，为了分析基于二进制分子通信模型的吞吐量和效率的通信机制，建立单链路的研究场景。本发明充分结合分子通信的特点，如图1所示，主要包括随机性，生物兼容性，低速率，高能效，传输距离短，信息承载量大。

图2是单链路的拓扑结构。其中，TN为发送方纳米机器，RN为接收方纳米机器。

对于单链路的两个纳米机器之间的传输，β_n表示发送方纳米机器在第n个time slot发送1的概率，则发送0的概率为(1-β_n)。在第n个time slot，发送方纳米机器发送1，同时接收方纳米机器成功收到1的概率为接收方纳米机器未成功收到1的概率为 ${\mathrm{\&beta;}}_n\underset{i=1,I<M}{\overset{I}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_N^{i}F{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^i{(1-F\left(\mathrm{\&tau;}\right))}^{N-i}.$

图3是设计的用于提高二进制分子通信模型的吞吐量和效率的通信方案。

A_nk表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件，表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子未被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件。B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第j个time slot收到或未收到的事件，则其取值情况为 $B_{\mathrm{jk}}\&Element;\{A_{\mathrm{jk}},{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\},j=k,k+1,...,n-1.$ B_i表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收情况B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)的联合事件。

$P\left(B_i\right)=P\left({\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}{B}_{\mathrm{jk}}\right)={\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}P\left(B_{\mathrm{jk}}\right),B_{\mathrm{jk}}\&Element;\left\{A_{\mathrm{jk}}{\stackrel{\&OverBar;}{A}}_{\mathrm{jk}}\right\},j=k,k+1,...,n-1$

B表示所有B_i事件的集合。可以看出，事件A_nk是在事件B_i发生的可能性下发生的。同时考虑发送方纳米机器在第k个time slot释放的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收的情况对被第n个time slot接收概率的影响。因此，P(A_nk)可通过全概率公式计算，如下式所示： $P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{k}P\left(A_{\mathrm{nk}}B\right)={\mathrm{\&beta;}}_k\underset{i=1}{\overset{2^{n-k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right|B_i)P\left(B_i\right)$

接收方纳米机器在第k个time slot收到的分子数量有可能为0，M，2M，…，nM，对应的概率可以表示为P(Y_k＝iM)＝p_i(i＝0,1,…,n；k＝0,1,…,n)，则p_i的计算公式为：

$p_i=\underset{{K\&Element;S}_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Pi;}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)\underset{{j\&Element;K}^c}{\mathrm{\&Pi;}}(1-P\left(A_{\mathrm{nj}}\right))$

根据吞吐量μ的定义，即为t时间内接收方纳米机器收到的分子数量。由p_i的计算公式，则吞吐量μ的计算公式为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{iM}*P(Y_k=\mathrm{iM})$

对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以β_k的概率传输N个代表1的分子，以(1-β_k)的概率不发送任何分子代表发送0，则在第k个time slot发送方纳米机器发送的平均分子数为Nβ_k，在T时间内平均发送的分子数为N(β₁+β₂+…+β_n)。即根据效率η的定义，η的表达式为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{N({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+...+{\mathrm{\&beta;}}_n)}.$

Claims (4)

1.一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所述通信方法包括以下步骤：

第一步，建立基于二进制分子通信模型

发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：

$f\left(t\right)=\frac{d}{\sqrt{4\mathrm{\&pi;D}{t}^3}}{e}^{-\frac{d^2}{4\mathrm{Dt}}},t>0$

其中，d为纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数；

该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)为：

$F\left(t\right)=1-\mathrm{Erf}\left(\frac{d}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right),t>0;$

第二步，设计发送方和接收方纳米机器之间的传输机制

在二进制分子通信模型中，用发送不同的分子类型来代表比特1或0的传输，将传输时间T分成n个time slot，T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间，当发送方纳米机器传输1时，在当前time slot内发送N个代表1的分子，接收方纳米机器收到M个分子代表成功收到1，收到少于M个分子表示收到1失败，收到超过M个的分子会继续扩散到后面的time slot；当发送方纳米机器传输0时，在当前time slot内不发送任何分子，接收方纳米机器在每个当前time slot收到发送方纳米机器在前面time slot发送的代表1的分子的事件是相互独立的；

第三步，按照第二步的二进制分子通信模型的传输机制，实现高吞吐量和高效率通信。

2.如权利要求1所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所述第三步中，吞吐量μ是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子的数量，效率η是指在T时刻内接收方纳米机器收到的分子数量与发送方纳米机器发送的分子数量的比值，建立在单链路拓扑结构中吞吐量μ与效率η的计算公式μ＝μ(v,β_i,d,D)，η＝η(v,β_i,d,D)；其中，v为发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率，即为单位时间内发送分子个数N的大小，β_i为发送方纳米机器在第i个time slot发送1的概率，d为发送方纳米机器和接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境的扩散系数。

3.如权利要求2所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所述第三步中，β_n表示发送方纳米机器在第n个slot发送1的概率，则发送0的概率为(1-β_n)；在第n个time slot，发送方纳米机器发送1，同时接收方纳米机器成功收到1的概率为接收方纳米机器未成功收到1的概率为 ${\mathrm{\&beta;}}_n{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1,I<M}^I{C}_N^{i}F{\left(\mathrm{\&tau;}\right)}^i{(1-F\left(\mathrm{\&tau;}\right))}^{N-i};$

A_nk表示发送方纳米机器在第k个slot发送1的分子被接收方纳米机器在第n个slot收到的事件，表示发送方纳米机器在第k个timeslot发送1的分子未被接收方纳米机器在第n个time slot收到的事件，B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器在第j个slot收到或未收到的事件，则其取值情况为j＝k,k+1,...,n-1，B_i表示发送方纳米机器在第k个time slot发送1的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个time slot接收情况B_jk(j＝k,k+1,...,n-1)的联合事件；

$P\left(B_i\right)=P\left({\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}{B}_{\mathrm{jk}}\right)={\mathrm{\&Pi;}}_{j=k}^{n-1}P\left(B_{\mathrm{jk}}\right),B_{\mathrm{ik}}\&Element;\{A_{\mathrm{jk}},\stackrel{\&OverBar;}{A_{\mathrm{jk}}}\},j=k,k+1,...,n-1$

B表示所有B_i事件的集合，事件A_nk是在事件B_i发生的可能性下发生的；同时考虑发送方纳米机器在第k个time slot释放的分子被接收方纳米机器从第k到第(n-1)个slot接收的情况对被第n个time slot接收概率的影响，因此，P(A_nk)通过全概率公式计算，如下式所示：

$P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)={\mathrm{\&beta;}}_{k}P\left(A_{\mathrm{nk}}B\right)={\mathrm{\&beta;}}_k\underset{i=1}{\overset{2^{n-k}}{\mathrm{\&Sigma;}}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right|B_i)P\left(B_i\right)$

接收方纳米机器在第k个time slot收到的分子数量有可能为0，M，2M，…，nM，对应的概率表示为P(Y_k＝iM)＝p_i(i＝0,1,…,n；k＝0,1,…,n)，则p_i的计算公式为：

$p_i=\underset{K\&Element;S_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Pi;}}P\left(A_{\mathrm{nk}}\right)\underset{j\&Element;K^c}{\mathrm{\&Pi;}}(1-P\left(A_{\mathrm{nj}}\right))$

由p_i的计算公式，吞吐量μ的计算公式为：

$\mathrm{\&mu;}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{iM}*P(Y_k=\mathrm{iM})$

对于第k个time slot，考虑发送方纳米机器以β_k的概率传输N个代表1的分子，以(1-β_k)的概率不发送任何分子代表发送0，则在第k个time slot发送方纳米机器发送的平均分子数为Nβ_k，在T时间内平均发送的分子数为N(β₁+β₂+…+β_n)，η的表达式为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{N({\mathrm{\&beta;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2+...+{\mathrm{\&beta;}}_n)}.$

4.如权利要求1～3之一所述的一种基于二进制分子通信模型的通信方法，其特征在于：所述通信方法还包括以下步骤：第四步，性能评估：基于二进制分子通信模型，根据第二步得到的吞吐量和效率的解析表达式，分析出吞吐量和效率的随着参数：发送方纳米机器在传输1时发送分子的速率(v)，发送方纳米机器在第i个slot发送0或1的概率(β_i)，纳米机器之间的距离(d)，生物环境扩散系数(D)，发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数(N)，time slot的个数(n)，每个time slot持续的时间(τ)的变化所呈现出的变化趋势。