CN106301600B - 一种分子通信中的解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分子通信中的解调方法，假设发方采用时隙开关键控OOK(On‑Off Keying)方法表示数字信号，在解调过程中，判断在某个时隙内收到的分子浓度是否有明显的上升过程，若有明显的上升过程则解调为信息比特“1”，否则解调为信息比特“0”。本申请克服了通过检验分子浓度实现解调带来的不可靠的缺点；而且本申请只需要在每个时隙开始后的一段时间内对分子浓度进行采样，而不是整个时隙，因此减轻了解调算法的计算负担。同时，本申请技术方案的实现是基于分子浓度的变化率，有效地减轻了由于分子堆积问题造成的码间串扰对解调结果的影响，提高了解调算法的可靠性，普遍适用于基于扩散方式的分子通信中对信息的解调。

Description

一种分子通信中的解调方法

技术领域

本发明属于分子通信领域，具体涉及分子通信过程中调制方式为时隙开关键控和基于分子浓度变化率的解调算法。

背景技术

分子通信是近年来新兴的交叉学科的技术，主要研究通过纳米尺寸的分子作为信息载体，实现细胞间信息传递的技术。目前，在分子通信中实现接收信息的解调算法主要是基于分子的浓度。即在某个时隙内，发方通过发送一定浓度的分子来表示“1”信号，而对于“0”信号则不发送分子；接收方只有当接收到的分子浓度达到某个门限值后才将信息解调为比特“1”，否则的话解调为比特“0”。整个通信过程是基于时隙来实现的。这种基于分子浓度的分子通信解调算法实现起来非常简单，但由于分子的随机扩散特性，以及介质中的残留分子堆积造成的码间串扰问题非常严重，这无形中就为门限值的选取增加了很大难度，信号判别的误码率较高，分子通信过程的可靠性受到了较大影响。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种分子通信中的解调方法，基于分子浓度的变化率，有效地减轻了由于分子堆积问题造成的码间串扰对解调结果的影响，提高了解调算法的可靠性。

本发明采用的技术方案是：一种分子通信中的解调方法，发方采用时隙开关键控方法表示数字信号，即发方通过在某时隙内发送一定浓度的分子来表示“1”信号；在对应时隙内不发送任何分子来表示“0”信号，通过在解调过程中，判断某个时刻内收到的分子浓度上升值是否大于0，若是则解调为信息比特“1”，否则解调为信息比特“0”。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1、将计数器的数值清零，生成空的解调状态列表，从时隙的开始位置进行采样，并开始读取分子浓度；

S2、获取两个间隔为T1的分子浓度值进行做差运算，并记下运算的结果；

S3、若做差运算结果大于0，则计数器的数值加1，否则计数器的数值不变；

S4、判断当前采样次数是否等于采样次数上限，若是则执行步骤S5；否则将采样窗口沿时间轴向后移动T2距离，执行步骤S2，直到达到采样持续时间的末端；

S5、判断计数器的当前数值是否大于门限值，若是，则向状态列表中添加比特“1”的字符信息，否则的话向状态列表中添加比特“0”的字符信息，解调过程结束。

进一步地，所述步骤S1之前还包括：S0、初始化采样次数上限以及采样窗口的大小。

进一步地，步骤S2所述T1的大小等于采样窗口的大小。

进一步地，步骤S2所述获取两个间隔T1的分子浓度值进行做差运算，具体为：按照T1的间隔选取两个分子浓度值，其中，前面的分子浓度值充当减数，后面的分子浓度值充当被减数，进行做差运算。

进一步地，步骤S4所述采样持续时间的确定过程为：在已知该系统的发送端与接收端之间的距离以及时间周期下，进行单个信息比特“1”的传输实验，对从发送端开始传输比特“1”到分子浓度值下降到其所能达到的峰值的一半时所需要的时间进行统计，共进行N次统计实验，得到N个时间值，通过对N个时间值进行取均值得到采样持续时间。

更进一步地，所述N的取值范围为5-10。

进一步地，步骤S5中所述的门限值的确定过程为：在采样次数上限和采样窗口大小已经确定的情况下，发送端持续发送信息比特“0”，在每个时隙内进行若干次采样，得到若干对两个间隔T1的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E个时隙时，则每次统计得到E个次数值，对E个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M次统计实验，则得到M个统计值，选择M个统计值中的最大值作为门限值的下限；

然后发送端持续发送信息比特“1”，在每个时隙内进行若干次采样，得到若干对两个间隔T1的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E’个时隙时，则每次统计得到E’个次数值，对E’个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M’次统计实验，得到M’个值，选择M’个值中的最小值作为门限值的上限；

根据门限的上限以及下限所确定的取值范围，以该取值范围的中间值作为门限值。

更进一步地，所述E或E’取值大于或等于10。

本发明的有益效果：本发明通过在解调过程中，只需要判断在某个时隙内收到的分子浓度是否有明显的上升过程即可实现解调，若有明显的上升过程则解调为信息比特“1”，否则解调为信息比特“0”，本申请克服了通过检验分子浓度来实现解调而带来的不可靠的缺点，而且本申请只需要在从每个时隙开始的前一段时间内对分子浓度进行采样，而不是整个时隙，因此减轻了解调算法的计算负担；同时本申请技术方案的实现基于分子浓度的变化率，有效地减轻了由于分子堆积问题造成的码间串扰对解调结果的影响，提高了解调算法的可靠性，普遍适用于宏观上模拟分子通信过程的仿真系统。

附图说明

图1为本发明提供的算法流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的技术方案为：一种分子通信中的解调方法，发方采用时隙开关键控OOK(On-Off Keying)方法表示数字信号，即发方通过在某时隙内发送一定浓度的分子来表示“1”信号；在对应时隙内不发送任何分子来表示“0”信号。通过在解调过程中，判断某个时刻内收到的分子浓度上升值是否大于0，若是则解调为信息比特“1”，否则解调为信息比特“0”。本申请只需要在从每个时隙开始的前一段时间内对分子浓度值进行采样，而不是整个时隙，减轻了解调算法的计算负担。

如图1所示为本发明的方案流程图，具体包括以下步骤：

S1、将计数器的数值清零，生成空的解调状态列表，并开始读取分子浓度；这里的分子浓度是连续时间的分子浓度。

步骤S1之前还包括初始化采样次数上限、采样窗口的大小。初始化时会给定一个预设的值，但也可以根据后续实验结果，比如可能受到环境等各种因素的影响会有变化，来进行调整。

S2、从时隙的开始位置进行采样，获取两个间隔为T1的分子浓度值进行做差运算，并记下运算的结果；每次采样时，从时隙的开始位置进行采样。这里T1的大小相当于采样窗口的大小。

其中，获取两个间隔为T1的分子浓度值进行做差运算，具体为：按照T1的间隔选取两个分子浓度值，其中，前面的分子浓度值充当减数，后面的分子浓度值充当被减数，进行做差运算。本发明基于分子浓度的变化率实现解调，有效地减轻了由于分子堆积问题造成的码间串扰对解调结果的影响，提高了解调算法的可靠性。

S3、若做差运算结果大于0，则计数器的数值加1，否则计数器的数值不变；

S4、判断当前采样次数是否等于采样次数上限，若是则执行步骤S5；否则将采样窗口沿时间轴向后移动T2距离，执行步骤S2，直到达到采样持续时间的末端；每次采样通过将采样窗口向后移动T2距离进行均匀采样。

采样次数上限跟每个时隙内能够得到的该时刻分子浓度的个数相关，在保证解调正确率的同时，尽可能地减小算法的计算负担。比如实验中在每个时隙中的采样持续时间内能够得到1000个时刻对应的分子浓度大小时，通常取采样次数上限为100；当然采样次数上限取值为120次也相差不大，但不可过小或是过大。

采样持续时间的确定过程为：在已知该系统的发送端与接收端之间的距离以及时间周期下，进行单个信息比特“1”的传输实验，对从发送端开始传输比特“1”到分子浓度值下降到其所能达到的峰值的一半时所需要的时间进行统计，共进行N次统计实验，得到N个时间值，通过对N个时间值进行取均值得到采样持续时间，该采样持续时间为适合该系统的在每一个时隙内对分子浓度值进行采样操作的采样持续时间。一般统计实验中N的取值为5-10次。

采样窗口每次移动的距离T2的确定过程为：T2的具体取值与每个时隙内能够得到的该时刻的分子浓度的个数相关，例如在每个时隙的采样持续时间内能够得到1000个时刻对应的分子浓度，取采样次数上限为100，则采样窗口需要移动99次，即采样结束后采样窗口每次向后移动的距离T2为10个时刻。且T2的取值不可过大或过小。若T2的取值过大，极端情况下即不移动采样窗口，这样便只进行一次采样操作；采样窗口只移动一次的话，即在采样持续时间内的开始和结束进行采样，即采样操作进行两次，但这样得到的误差较大，严重影响了解调过程的可靠性。若T2的取值过小，如从采样持续时间内得到的第一个时刻对应的分子浓度移动到第二个时刻对应的分子浓度数值，这样采样的过程便没有了意义，而且解调程序的计算负担很大。故T2一般需要根据分子通信系统自身的不同和经验值来确定。

采样窗口的大小同样没有固定的、一般性的数值，需要根据分子通信系统自身的情况来确定，但只要保证每次采样操作得到的两个分子浓度之间有一定的时间间隔供二者产生差异即可，同时需要充分利用到每个时隙中采样持续时间内得到的分子浓度数值。而具体数值的选取可以结合T2的来确定。例如在每个时隙的采样持续时间内能够得到1000个时刻对应的分子浓度，取采样次数上限为100，则采样窗口需要移动99次，即采样结束后每次向后移动的距离T2为10个时刻。为了充分利用采样持续时间内得到的分子浓度数值，采样窗口的大小可取为10个时刻，当然选为9个时刻或8个时刻也未尝不可，但不可大于10个时刻，这是因为前面条件中提到的1000时刻对应的分子浓度的限制。若将采样窗口的大小设为11个时刻，则在第100次采样操作进行时需要用到第1001时刻对应的分子浓度数值，这是不可取的。

S5、判断计数器的当前数值是否大于门限值，若是，则向状态列表中添加比特“1”的字符信息，否则的话向状态列表中添加比特“0”的字符信息，解调过程结束。

步骤S5中所述的门限值的确定过程为：在采样次数上限和采样窗口大小已经确定的情况下，发送端首先不进行任何操作，即发送端相当于持续发送信息比特“0”，在每个时隙内进行若干次采样，得到的若干对两个间隔T1距离的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E个时隙时，则每次统计得到E个次数值，对E个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M次统计实验，则得到M个统计值，门限值的下限大于或等于统计得到的最大值，这里选择M个统计值中的最大值作为门限值的下限；然后发送端持续发送信息比特“1”，在每个时隙内进行若干次采样，得到的若干对两个间隔T1距离的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E’个时隙时，则每次统计得到E’个次数值，对E’个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M’次统计实验，得到M’个值，计算M’个值的平均值并记下M’个值中的最小值，门限值的上限小于或等于统计得到的最小值，这里选择M’个值中的最小值作为门限值的上限，根据门限的上限以及下限所确定的取值范围，取该取值范围的中间值作为最后的门限值。统计时长E个时隙或者E’个时隙中的E或E’取值大于或等于10。

这里的若干次采样与采样次数上限的取值相似，都跟每个时隙内能够得到的该时刻分子浓度的个数相关，在保证解调正确率的同时，尽可能地减小算法的计算负担，比如实验中一个时隙内能够得到1000个时刻对应的分子浓度大小，便可取采样次数为100，当然120次也相差不大，但不可过小或是过大。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种分子通信中的解调方法，其特征在于，发方采用时隙开关键控方法表示数字信号，即发方通过在某时隙内发送一定浓度的分子来表示“1”信号；在对应时隙内不发送任何分子来表示“0”信号，通过在解调过程中，判断某个时刻内收到的分子浓度上升值是否大于0，若是则解调为信息比特“1”，否则解调为信息比特“0”；

具体包括以下步骤：

S1、将计数器的数值清零，生成空的解调状态列表，从时隙的开始位置进行采样，并开始读取分子浓度；

S2、获取两个间隔为T1的分子浓度值进行做差运算，并记下运算的结果；

S3、若做差运算结果大于0，则计数器的数值加1，否则计数器的数值不变；

S4、判断当前采样次数是否等于采样次数上限，若是则执行步骤S5；否则将采样窗口沿时间轴向后移动T2距离，执行步骤S2，直到达到采样持续时间的末端；

S5、判断计数器的当前数值是否大于门限值，若是，则向状态列表中添加比特“1”的字符信息，否则的话向状态列表中添加比特“0”的字符信息，该时隙的解调过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括：S0、初始化采样次数上限以及采样窗口的大小。

3.根据权利要求2所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，步骤S2所述T1的大小等于采样窗口的大小。

4.根据权利要求3所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，步骤S2所述获取两个间隔为T1的分子浓度值进行做差运算，具体为：按照T1的间隔选取两个分子浓度值，其中，前面的分子浓度值充当减数，后面的分子浓度值充当被减数，进行做差运算。

5.根据权利要求1所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，步骤S4所述采样持续时间的确定过程为：在已知发送端与接收端之间的距离以及时间周期下，进行单个信息比特“1”的传输实验，对从发送端开始传输比特“1”到分子浓度值下降到其所能达到的峰值的一半时所需要的时间进行统计，共进行N次统计实验，得到N个时间值，通过对N个时间值进行取均值得到采样持续时间。

6.根据权利要求5所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，所述N的取值范围为5-10。

7.根据权利要求1、3、4任一项所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，步骤S5中所述的门限值的确定过程为：在采样次数上限和采样窗口大小已经确定的情况下，发送端持续发送信息比特“0”，在每个时隙内进行若干次采样，得到若干对两个间隔为T1的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E个时隙时，则每次统计得到E个次数值，对E个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M次统计实验，则得到M个统计值，选择M个统计值中的最大值作为门限值的下限；

然后发送端持续发送信息比特“1”，在每个时隙内进行若干次采样，得到若干对两个间隔T1距离的分子浓度值做差的结果大于零的次数，每次统计时长为E’个时隙时，则每次统计得到E’个次数值，对E’个次数值进行取平均值作为该次统计值，一共进行M’次统计实验，得到M’个值，选择M’个值中的最小值作为门限值的上限；

根据门限的上限以及下限所确定的取值范围，以该取值范围的中间值作为门限值。

8.根据权利要求7所述的一种分子通信中的解调方法，其特征在于，所述E以及E’的取值大于或等于10。