CN109474323B - 分子通信编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分子通信编码方法、装置及中继纳米机器，其中，该方法包括以下步骤：接收发送端发送的四进制编码的传送信息；根据预设的解码规则对四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息；根据预设的发送规则发送解码信息至接收端，使得接收端根据预设的解码规则对解码信息进行再次解码。该方法通过结合分子通信过程中发送方纳米机器发射分子的数目会影响码间干扰的强度的特点，使得降低了分子通信时码间干扰和分子数目的使用数量，将检测难度降低。

Description

分子通信编码方法及装置

技术领域

本发明涉及分子通信技术领域，特别涉及一种分子通信编码方法、装置及中继纳米机器。

背景技术

生物技术和纳米技术的快速发展为纳米机器的制造铺平了道路。纳米机器被认为是纳米尺度上最基本的功能设备。纳米机器在医学和工业领域有较好的应用前景。然而，纳米机器在这些领域中应用的实现很容易受到纳米机器自身特点的约束，比如纳米机器较小的尺寸和未知的物理性质而导致纳米机器在应用中的不可控制性，不稳定性。这些问题可以通过纳米机器之间纳米级通信的协调来解决，从而形成了纳米机器之间的网络称为纳米网络。纳米网络能协调不同的纳米机器通过合作的方式信息共享，从而能够在更大的范围内完成复杂的任务。

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。信息的载体分子被称为信息分子。分子通信的基本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)介质被传输到接收方纳米机器后，由接收方纳米机器接收并以特定的方式解码信息。

分子通信具有诸多良好特性，比如特定类型的信息分子可以承载大量信息，可使纳米机器能够直接与生物系统中的各种原生组件进行相互作用，具有生物兼容性；此外，分子通信系统还可以从环境中的化学反应中获取充足的能量，以支持信息传输。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。

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数目。即在某个时隙内，发送方纳米机器通过发送一定数目的分子来表示1信号，而对于0信号则不发送分子；接收方纳米机器只有当接收到的分子数目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。这种基于分子数目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干扰问题非常严重，使得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。同时由于分子的数目与传输距离的平方成反比，因此，随着传输距离的增大，分子数目衰减严重，使得检测难度增大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种分子通信编码方法，该方法降低了分子通信时码间干扰和分子数目的使用数量，将检测难度降低。

本发明的第二个目的在于提出一种分子通信编码装置。

本发明的第三个目的在于提出一种中继纳米机器。

为达到上述目的，本发明第一方面提出了分子通信编码方法，包括以下步骤：S1，接收发送端发送的四进制编码的传送信息；S2，根据预设的解码规则对所述四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息；S3，根据预设的发送规则发送所述解码信息至接收端，使得所述接收端根据所述预设的解码规则对所述解码信息进行再次解码。

本发明实施例的分子通信编码方法，通过结合分子通信过程中发送方纳米机器发射分子的数目会影响码间干扰的强度的特点，开发了降低码间干扰影响的通信编码方式，使得降低了分子通信时码间干扰和分子数目的使用数量，将检测难度降低。

另外，根据本发明上述实施例的分子通信编码方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分子通信编码方法基于扩散的分子通信中继系统上，所述发送端与所述接收端的连线位置设置中继节点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1进一步包括：S101，将待传送的信息转变为四进制编码；S102，将所述四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上；S103，发送数据头信息，并在预设时隙内发射比特信息；S104，所述发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10时，释放固定数目的B分子；当信息为11 时，同时释放固定数量的A和B分子；S105，当所述信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发送端纳米机器采用开关键控与分子类型相结合的编码方式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

为达到上述目的，本发明第二方面提出了一种分子通信编码装置，包括：接收模块用于接收发送端发送的四进制编码的传送信息；解析模块用于根据预设的解码规则对所述四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息；综合模块用于根据预设的发送规则发送所述解码信息至接收端，使得所述接收端根据所述预设的解码规则对所述解码信息进行再次解码。

本发明实施例的分子通信编码装置，通过结合分子通信过程中发送方纳米机器发射分子的数目会影响码间干扰的强度的特点，开发了降低码间干扰影响的通信编码方式，使得降低了分子通信时码间干扰和分子数目的使用数量，将检测难度降低。

另外，根据本发明上述实施例的分子通信编码装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述分子通信编码装置基于扩散的分子通信中继系统上，所述发送端与所述接收端的连线位置设置中继节点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收模块进一步包括：转换单元，用于将待传送的信息转变为四进制编码；存储单元，用于将所述四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上；第一发射单元，用于发送数据头信息，并在预设时隙内发射比特信息；读取单元，用于所述发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10 时，释放固定数目的B分子；当信息为11时，同时释放固定数量的A和B分子；第二发射单元，用于当所述信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述解析模块采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

为达到上述目的，本发明第三方面提出了一种中继纳米机器，如所述分子通信编码装置的任意一项。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的中继通信系统模型图；

图2为根据本发明一个实施例的中继编解码流程图；

图3为根据本发明一个实施例的分子通信编码方法中发送端编码流程图；

图4为根据本发明一个实施例的中继纳米机器编解码过程图；

图5为根据本发明一个实施例的分子通信编码方法解码流程图；

图6为根据本发明一个实施例的分子通信编码装置结构示意图；

图7为根据本发明一个实施例的分子通信编码装置中接收模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

首先，本发明实施例的技术构思为：在分子通信过程中，如果发送方纳米机器发送分子数目过多，对于接收部分的纳米机器造成的码间干扰影响较大，使得通信过程信道性能下降，误码率提升；并且扩散数目与传输距离的平方成反比，随着传输距离的增大，分子衰减严重，使得接收方接收到的信息较弱，影响信息传输的可靠性。

故本发明实施例充分结合分子通信的生物兼容性，传输范围有限性，较高的码间干扰等特点，主要开发一种可用于纳米网络的基于扩散分子通信系统一种解码转发中继的编码调制方法。

下面参照附图描述对本发明实施例提出的分子通信编码方法、装置及中继纳米机器，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的分子通信编码方法。

如图1所示，分子通信编码方法基于扩散的分子通信中继系统，发送端与接收端的连线位置设置中继节点，即在发送节点和接收节点上添加一个中继节点。

图2是本发明一个实施例的中继编解码流程图。

如图2所示，该分子通信编码方法包括以下步骤：

在步骤S1中，接收发送端发送的四进制编码的传送信息。

也就是说，发送端将编码的四进制信息按照解码规则发送。

具体而言，如图3所示，步骤S1进一步包括：

S101，将待传送的信息转变为四进制编码；

S102，将四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上；

S103，发送数据头信息，并在预设时隙内发射比特信息；

其中，预设时隙T的长度一般为30至50ms。

S104，发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10时，释放固定数目的B分子；当信息为11时，同时释放固定数量的A和B分子；

S105，当信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束。

其中，发送端纳米机器采用开关键控与分子类型相结合的编码方式。

在步骤S2中，根据预设的解码规则对四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息。

换言之，如图4所示，中继纳米机器的接收模块接收来自于发送端的信息，按照解码规则进行解码。

进一步地，步骤S2采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

具体而言，如图5所示，步骤S2进一步包括：

S201，初始化采样次数上限以及采样窗口的大小。

其中，在本发明实施例中采样次数设定为3～5次。

S202，将计数器A和B的数值分别清零，生成空的解码状态列表；

S203，从时隙的开始进行采样，将接收到信号与预设的数据头信号进行对比，若一致，表示发送端开始发送信息，接收端由等待状态转为接收状态，开始统计分子数目，转到步骤204；否则，接收端继续处于等待状态进行采样，直到接收到数据头信息；

S204，分别获取时隙间隔为T的时间内的A和B分子数目，时隙长度T为采样窗口的大小；

同样的，时隙间隔T为30～50ms；

S205，判断当前采样次数是否等于采样次数的上限，若是，则执行步骤206；否则将采样窗口沿时间轴向后移动τ距离，执行步骤204，直到达到采样时序时间的末端；

进一步地，τ为时隙间隔与采样总次数的比值；

S206，分别判断计数器A和B的当前数值是否大于阈值，若计数器A和B中的当前数值均小于阈值，则向状态列表中添加四进制字符信息00；若计数器A中的当前数值大于阈值，而计数器B中的当前数值小于阈值，则向状态列表中添加四进制字符信息01；若计数器A中的当前数值小于阈值，而计数器B中的当前数值大于阈值，则向状态列表中添加四进制字符信息10；若计数器A和B中的当前数值均大于阈值，则向状态列表中添加四进制字符信息11。

S207，当接收端接收到连续的两组00信息后，表示信息解码完毕。

在步骤S3中，根据预设的发送规则发送解码信息至接收端，使得接收端根据预设的解码规则对解码信息进行再次解码。

具体而言，中继纳米机器将接收端解码的信息转送至发送端，中继纳米机器发送端按照步骤S1进行信息转发，接收端接收来自于中继节点的信息，按照步骤S2进行解码。

综上所述，本发明实施例采用的技术方案为：扩散分子通信是一种基于分子自由扩散的通信技术，发送方纳米机器采用时隙开关键控方法表示数字信号，即发送方纳米机器通过在某时隙内发送一定数目的分子来表示1信号；在对应时隙内不发送任何分子来表示0 信号。同时，利用A、B两种分子来表示四进制信息。即同一时隙内，A、B分子均不发射，表示00；当发射A分子，不发射B分子时，表示01；当发射B分子，不发射A分子时，表示10；当A、B分子均发射时，则表示11。解调过程中，判断某个时隙内收到的两种类型的分子数目，与阈值进行对比，对其进行解码，其满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

根据本发明实施例提出的分子通信编码方法，通过加入中继节点使得扩散分子传输距离能够增加，同时信道性能得到提升，能够使分子通信组网得以实现，同时，采用将分子类型与OOK(on-off-keying)方式相结合进行编码调制，从而降低码间干扰和分子数目(相当于发射功率)的使用数量。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的分子通信编码装置。

图6是本发明一个实施例的分子通信编码装置结构示意图。

如图6所示，该分子通信编码装置10包括：接收模块100，解析模块200和综合模块300。

其中，接收模块100用于接收发送端发送的四进制编码的传送信息。解析模块200用于根据预设的解码规则对四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息。综合模块300 用于根据预设的发送规则发送解码信息至接收端，使得接收端根据预设的解码规则对解码信息进行再次解码。本发明实施例的分子通信编码装置10通过结合分子通信过程中发送方纳米机器发射分子的数目会影响码间干扰的强度的特点，开发了降低码间干扰影响的通信编码方式，使得降低了分子通信时码间干扰和分子数目的使用数量，将检测难度降低。

进一步地，在本发明的一个实施例中，分子通信编码装置基于扩散的分子通信中继系统上，发送端与接收端的连线位置设置中继节点。

其中，如图7所示，接收模块进一步包括：转换单元101用于将待传送的信息转变为四进制编码。存储单元102用于将四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上。第一发射单元103用于首先发送数据头信息，再固定的时隙内发射比特信息。读取单元104用于发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10时，释放固定数目的 B分子；当信息为11时，同时释放固定数量的A和B分子。第二发射单元105用于当信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束。

进一步地，接收模块采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

需要说明的是，前述对分子通信编码方法实施例的解释说明也适用于该装置以及中继纳米机器，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的分子通信编码装置，通过加入中继节点使得扩散分子传输距离能够增加，同时信道性能得到提升，能够使分子通信组网得以实现，同时，采用将分子类型与OOK方式相结合进行编码调制，从而降低码间干扰和分子数目的使用数量。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种分子通信编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，接收发送端发送的四进制编码的传送信息，其中，所述步骤S1进一步包括：

S101，将待传送的信息转变为四进制编码；

S102，将所述四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上；

S103，发送数据头信息，并在预设时隙内发射比特信息；

S104，所述发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10时，释放固定数目的B分子；当信息为11时，同时释放固定数量的A和B分子；

S105，当所述信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束；

S2，根据预设的解码规则对所述四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息；以及

S3，根据预设的发送规则发送所述解码信息至接收端，使得所述接收端根据所述预设的解码规则对所述解码信息进行再次解码。

2.根据权利要求1所述的分子通信编码方法，其特征在于，所述分子通信编码方法基于扩散的分子通信中继系统上，所述发送端与所述接收端的连线位置设置中继节点。

3.根据权利要求1所述的分子通信编码方法，其特征在于，所述发送端纳米机器采用开关键控与分子类型相结合的编码方式。

4.根据权利要求1所述的分子通信编码方法，其特征在于，所述步骤S2采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

5.一种分子通信编码装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收发送端发送的四进制编码的传送信息，其中，所述接收模块进一步包括：

转换单元，用于将待传送的信息转变为四进制编码；

存储单元，用于将所述四进制编码的信息储存于发送端纳米机器的信息列表上；

第一发射单元，用于发送数据头信息，并在预设时隙内发射比特信息；

读取单元，用于所述发送端纳米机器分别读取信息，根据信息选择释放分子的类型，当信息为00时，不释放任何分子；当信息为01时，释放固定数目的A分子；当信息为10时，释放固定数目的B分子；当信息为11时，同时释放固定数量的A和B分子；

第二发射单元，用于当所述信息列表读取结束后，发射两组00，表示信息发射结束；

解析模块，用于根据预设的解码规则对所述四进制编码的传送信息进行解析，以获取解码信息；以及

综合模块，用于根据预设的发送规则发送所述解码信息至接收端，使得所述接收端根据所述预设的解码规则对所述解码信息进行再次解码。

6.根据权利要求5所述的分子通信编码装置，其特征在于，所述分子通信编码装置基于扩散的分子通信中继系统上，所述发送端与所述接收端的连线位置设置中继节点。

7.根据权利要求5所述的分子通信编码装置，其特征在于，所述解析模块采用阈值检测算法，满足

其中，Thr表示中继节点接收模块与接收端设定的阈值。

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