CN109586829A - 基于端对端的分子通信的时间同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于端对端的分子通信的时间同步方法及系统，其中，该方法包括：S1，纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将发送端计时器置0，开始计时；S2，接收端接收到时间同步比特后，接收端向发送端发送成功接收反馈比特，将接收端计时器置0，开始计时，以及将接收端计数器加1，判断接收端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步完成，反之，则继续S3；S3，发送端在第一预设时间内收到接收端发送的成功接收反馈比特，将发送端计数器加1，判断发送端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步完成，反之，则转入S1。该方法提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

Description

基于端对端的分子通信的时间同步方法及系统

技术领域

本发明涉及生物纳米通信技术领域，特别涉及一种基于端对端的分子通信的时间同步方法及系统。

背景技术

传统的通信技术由于受到收发器体积和能耗等因素的制约而无法直接应用于纳米级环境。受自然界的启发，使用化学信号作为信息载体的分子通信(MolecularCommunication，简称MC)成为一个可能解决问题的办法。分子通信中生物纳米机器能够通过传递信息分子的方式实现信息交换，合作组成稳定高效的生物纳米通信网络。但是，构建生物纳米通信网络的重要前提是纳米机器间能够建立有效的时间同步。

时间同步对于通信而言至关重要。在无线通信中，发送端可以将时间信息通过电磁波直接发送给接收端，接收端通过接收到的时间信息更新本身的时钟。但是，由于传播延迟引起的误差，时间同步往往不够准确。此外，在分子通信中分子的运动速度比电磁波慢的多，因此传播延迟所导致的时间同步误差将更加严重。相关技术中许多关于分子通信的研究工作都假设纳米机器之间的时钟是完美同步。基于这个假设，建立了物理端到端模型或信道模型，或估计信道参数。但是，在真正的分子通信系统中，纳米级设备基于它们自己的时钟上运行并且不会自动同步。此外，由于纳米机器的物理限制，相对复杂时间同步模式也较难实现。

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，本发明的一个目的在于提出一种基于端对端的分子通信的时间同步方法，该方法提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

本发明的另一个目的在于提出一种基于端对端的分子通信的时间同步系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于端对端的分子通信的时间同步方法，包括以下步骤：S1，纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将纳米机器发送端计时器置0，并开始计时；S2，所述纳米机器接收端接收到所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特后，所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特，将纳米机器接收端计时器置0，并开始计时，以及将纳米机器接收端计数器加1，判断所述纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则继续S3；S3，所述纳米机器发送端在第一预设时间内收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特，将纳米机器发送端计数器加1，并判断所述纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则转入S1。

本发明实施例的基于端对端的分子通信的时间同步方法，通过在纳米机器发送端发送的时间同步比特以及纳米机器接收端发送成功接收反馈比特，依靠各自的计时器和计数器实现两端的时间同步，填补了实际扩散分子通信系统中的时间同步的空白，为扩散的端对端的分子通信提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

另外，根据本发明上述实施例的基于端对端的分子通信的时间同步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，步骤S2进一步包括：S201，若所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器发送端发送的下一个所述时间同步比特，则时间同步过程失败，将所述纳米机器接收端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S3进一步包括：S301，若所述纳米机器发送端向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特，则时间同步过程失败，将所述纳米机器发送端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

其中，所述第一预设时间为2(T1+Ts)，所述第二预设时间为T1+Ts，其中，T1为一个比特间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理所需要的时间。所述预设值为所述纳米机器发送端和所述纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为大于等于2小于等于4。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于端对端的分子通信的时间同步系统，包括：发送模块，用于纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将所述纳米机器发送端计时器置0，开始计时；

第一判断模块，用于在所述纳米机器接收端接收到所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特后，所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特，将所述纳米机器接收端计时器置0，开始计时，，将所述纳米机器接收端计数器加1，判断所述纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值；第一同步模块，用于在所述纳米机器接收端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程；第二判断模块，用于在所述纳米机器发送端在第一预设时间内收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特后，将纳米机器发送端计数器加1，判断所述纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值；第二同步模块，用于在所述纳米机器发送端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程。

本发明实施例的基于端对端的分子通信的时间同步系统，通过在纳米机器发送端发送的时间同步比特以及纳米机器接收端发送成功接收反馈比特，依靠各自的计时器和计数器实现两端的时间同步，填补了实际扩散分子通信系统中的时间同步的空白，为扩散的端对端的分子通信提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

另外，根据本发明上述实施例的基于端对端的分子通信的时间同步系统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，所述第一判断模块进一步用于，在所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器发送端发送的下一个所述时间同步比特时，将所述纳米机器接收端计数器置0，所述纳米机器接收端在第二预设时间后重新开始接收所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二判断模块进一步用于，在所述纳米机器发送端向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特时，将所述纳米机器发送端计数器置0，所述纳米机器发送端在第二预设时间后重新向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特。

其中，所述第一预设时间为2(T1+Ts)，所述第二预设时间为T1+Ts，其中，T1为一个比特间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理所需要的时间。所述预设值为所述纳米机器发送端和所述纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为大于等于2小于等于4。

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基于端对端的分子通信的时间同步方法流程图；

图2为根据本发明具体实施例的纳米机器接收端时间同步操作步骤流程图；

图3为根据本发明具体实施例的纳米机器发送端时间同步操作步骤流程图；

图4为根据本发明具体实施例的基于端对端的分子通信的时间同步方法过程图；

图5为根据本发明具体实施例的基于端对端的分子通信的时间同步方法操作步骤流程图；

图6为根据本发明一个实施例的基于端对端的分子通信的时间同步系统结构示意图。

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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于端对端的分子通信的时间同步方法及系统。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于端对端的分子通信的时间同步方法。

图1为根据本发明一个实施例的基于端对端的分子通信的时间同步方法流程图。

如图1所示，该基于端对端的分子通信的时间同步方法包括以下步骤：

在步骤S1中，纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将纳米机器发送端计时器置0，并开始计时。

可以理解的是，纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特比如“1”后，纳米机器发送端处于反馈等待状态，反馈等待状态是指纳米机器发送端在发送一个时间同步比特“1”之后准备在第一预设时间内接收来自纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特“1”的状态。

其中，第一预设时间可以为2(T1+Ts)，T1为一个比特间隔，即纳米机器连续发送比特信息时，两个比特信息发送行为的时间间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理如解码等所需的时间。

具体地，本发明实施例中纳米机器之间使用二进制浓度移位键控进行通信，即纳米机器通过发送特定数目N的信息分子来表示时间同步比特“1”，不发送任何信息分子表示比特“0”，N表示在发送比特“1”时，纳米机器发送的信息分子的数目。

在步骤S2中，纳米机器接收端接收到纳米机器发送端发送的时间同步比特后，纳米机器接收端向纳米机器发送端发送成功接收反馈比特，将纳米机器接收端计时器置0，并开始计时，以及将纳米机器接收端计数器加1，判断纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则继续S3；

在本发明的一个实施例中，步骤S2还可以包括：S201，若纳米机器接收端向纳米机器发送端发送成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到纳米机器发送端发送的下一个时间同步比特，则时间同步过程失败，将纳米机器接收端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

其中，第二预设时间可以为T1+Ts，计数器的值表示纳米机器发送端与纳米机器接收端需要进行接收及确认的次数，通过设定合适的值可以降低产生错误的风险。预设值S为纳米机器发送端和纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为2、3或者4。

具体地，如图2所示，计数器的值决定纳米机器的状态，如若接收端计数器的值等于设定的值S，则表示纳米机器接收端已经成功接收到S个纳米机器发送端发送的时间同步比特“1”，即纳米机器接收端时间同步过程已经完成，如果接收端计数器的值小于设定的值S，则纳米机器接收端所属状态不变，继续进行时间同步过程。

需要说明的是，纳米机器接收端在未完成时间同步的过程时，一直处于接收时间同步比特的准备状态，接收时间同步比特的准备状态就是纳米机器接收端准备接收纳米机器发送端在任何时候发送的时间同步比特“1”的状态。

可以理解的是，在纳米机器接收端处于接收时间同步比特的准备状态，在发送成功接收反馈比特“1”之后的2(T1+Ts)的时间内未收到下一个时间同步比特“1”，则此次时间同步失败，接收端计数器置0。

纳米机器接收端在2(T1+Ts)的时间内未收到下一个时间同步比特，则在之后的T1+Ts时间内纳米机器接收端处于静默状态，静默状态指的是纳米机器不接收也不发送任何比特信息。在T1+Ts的时间过后，纳米机器接收端进入接收时间同步比特的准备状态。

在步骤S3中，纳米机器发送端在第一预设时间内收到纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特，将纳米机器发送端计数器加1，并判断纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则转入S1。

在本发明的一个实施例中，步骤S3还可以包括：S301，若纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特后的第一预设时间内未收到纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特，则时间同步过程失败，将纳米机器发送端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

可以理解的是，如图3所示，纳米机器发送端在发送一个时间同步比特“1”之后的2(T1+Ts)时间内，接收到一个纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特“1”，则将发送端计数器加1，表示纳米机器发送端成功发送一个时间同步比特“1”，若此时发送端计数器的值等于设定的值S，则表示纳米机器发送端成功发送S个时间同步比特“1”，即纳米机器发送端时间同步过程已经完成，如果发送端计数器的值小于设定的值S，则进入步骤S1。

如果纳米机器发送端在发送一个时间同步比特“1”之后的2(T1+Ts)时间内，未接收到一个纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特“1”，则纳米机器此次时间同步失败，发送端计数器置0，在T1+Ts的时间内，纳米机器发送端处于静默状态，在T1+Ts的时间过后，纳米机器发送端重新开始进行时间同步，进入步骤S1，直至时间同步过程完成。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，纳米机器发送端发送一个时间同步比特“1”之后，在第一预设时间2(T1+Ts)内等待纳米机器接收端发送过来的成功接收反馈比特“1”，纳米机器接收端接收到发送端发送一个时间同步比特“1”之后，纳米机器接收端计数器的值加1，并向纳米机器发送端发送成功接收反馈比特“1”，纳米机器发送端接收到成功接收反馈比特“1”后，纳米机器发送端计数器值加1，同时判断纳米机器接收端计数器和纳米机器发送端的值与预设值S的值是否相等，若相等，则时间同步过程完成，若小于预设值，则再进行上述过程，直至时间同步过程完成。

需要说明是，若纳米机器接收端在第一预设时间2(T1+Ts)内没有收到纳米机器发送端发送来的时间同步比特“1”，将纳米机器接收端计数器置0；纳米机器发送端在第一预设时间2(T1+Ts)内没有收到纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特“1”，将纳米机器发送端计数器置0，则本次时间同步过程失败，,静默第二预设时间T1+Ts后再重新进行时间同步过程。

如图5所示，根据本发明实施例提出的基于端对端的分子通信的时间同步方法，通过纳米机器发送端发送一个时间同步比特“1”，重置发送端计时器为0，开始计时，纳米机器接收端接收到一个时间同步比特“1”之后，向纳米机器发送端发送一个成功接收反馈比特“1”，并将接收端计时器重置为0，开始计时，同时将接收端计数器加1，并根据接收端计数器的值确定纳米机器接收端的状态，纳米机器发送端在发送一个时间同步比特“1”之后的2(T1+Ts)时间内，接收到一个纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特“1”，则将发送端计数器加1，并根据发送端计数器的值确定纳米机器发送端的状态，最终完成时间同步过程。该方法在纳米机器发送端发送的时间同步比特以及纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特没有任何时间信息，依靠各自的计时器和计数器实现两端的时间同步，填补了实际扩散分子通信系统中的时间同步的空白，为扩散的端对端的分子通信提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于端对端的分子通信的时间同步系统。

图6为根据本发明一个实施例的基于端对端的分子通信的时间同步系统结构示意图。

如图6所示，该基于端对端的分子通信的时间同步系统10包括：发送模块100、第一判断模块200、第一同步模块300、第二判断模块400和第二同步模块500。

其中，发送模块100用于纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将纳米机器发送端计时器置0，开始计时。

第一判断模块200用于在纳米机器接收端接收到纳米机器发送端发送的时间同步比特后，纳米机器接收端向纳米机器发送端发送成功接收反馈比特，将纳米机器接收端计时器置0，开始计时，将纳米机器接收端计数器加1，判断纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值。

第一同步模块300用于在纳米机器接收端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程。第二判断模块400用于在纳米机器发送端在第一预设时间内收到纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特后，将纳米机器发送端计数器加1，判断纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值。

第二同步模块500用于在纳米机器发送端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程。该同步系统10填补了实际扩散分子通信系统中的时间同步的空白，提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一判断模块200还可以用于，在纳米机器接收端向纳米机器发送端发送成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到纳米机器发送端发送的下一个时间同步比特时，将纳米机器接收端计数器置0，纳米机器接收端在第二预设时间后重新开始准备接收纳米机器发送端发送时间同步比特。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二判断模块400还可以用于，在纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特后的第一预设时间内未收到纳米机器接收端发送的成功接收反馈比特时，将纳米机器发送端计数器置0，纳米机器发送端在第二预设时间后重新向纳米机器接收端发送时间同步比特。

其中，第一预设时间可以为2(T1+Ts)，第二预设时间可以为T1+Ts，其中，T1为一个比特间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理所需要的时间。预设值为纳米机器发送端和纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为大于等于2小于等于4。

需要说明的是，前述对基于端对端的分子通信的时间同步方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于端对端的分子通信的时间同步系统，通过在纳米机器发送端发送的时间同步比特以及纳米机器接收端发送成功接收反馈比特，依靠各自的计时器和计数器实现两端的时间同步，填补了实际扩散分子通信系统中的时间同步的空白，为扩散的端对端的分子通信提供了一种较为简单对设备复杂度要求较低且有效的时间同步方法。

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 (10)

1.一种基于端对端的分子通信的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将纳米机器发送端计时器置0，并开始计时；

S2，所述纳米机器接收端接收到所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特后，所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特，将纳米机器接收端计时器置0，并开始计时，以及将纳米机器接收端计数器加1，判断所述纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则继续S3；

S3，所述纳米机器发送端在第一预设时间内收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特，将纳米机器发送端计数器加1，并判断所述纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值，如果是，则时间同步过程完成，反之，则转入S1。

2.根据权利要求1所述的基于端对端的分子通信的时间同步方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：

S201，若所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器发送端发送的下一个所述时间同步比特，则时间同步过程失败，将所述纳米机器接收端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

3.根据权利要求1所述的基于端对端的分子通信的时间同步方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S301，若所述纳米机器发送端向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特，则时间同步过程失败，将所述纳米机器发送端计数器置0，在第二预设时间后转入S1。

4.根据权利要求2所述的基于端对端的分子通信的时间同步方法，其特征在于，

所述第一预设时间为2(T1+Ts)，所述第二预设时间为T1+Ts，其中，T1为一个比特间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理所需要的时间。

5.根据权利要求1所述的基于端对端的分子通信的时间同步方法，其特征在于，

所述预设值为所述纳米机器发送端和所述纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为大于等于2小于等于4。

6.一种基于端对端的分子通信的时间同步系统，其特征在于，包括：

发送模块，用于纳米机器发送端向纳米机器接收端发送时间同步比特，将所述纳米机器发送端计时器置0，开始计时；

第一判断模块，用于在所述纳米机器接收端接收到所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特后，所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特，将所述纳米机器接收端计时器置0，开始计时，将所述纳米机器接收端计数器加1，判断所述纳米机器接收端计数器的计数值是否等于预设值；

第一同步模块，用于在所述纳米机器接收端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程；

第二判断模块，用于在所述纳米机器发送端在第一预设时间内收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特后，将纳米机器发送端计数器加1，判断所述纳米机器发送端计数器的计数值是否等于预设值；

第二同步模块，用于在所述纳米机器发送端计数器的计数值等于预设值时完成时间同步过程。

7.根据权利要求6所述的基于端对端的分子通信的时间同步系统，其特征在于，所述第一判断模块进一步用于，

在所述纳米机器接收端向所述纳米机器发送端发送所述成功接收反馈比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器发送端发送的下一个所述时间同步比特时，将所述纳米机器接收端计数器置0，所述纳米机器接收端在第二预设时间后重新开始接收所述纳米机器发送端发送的所述时间同步比特。

8.根据权利要求6所述的基于端对端的分子通信的时间同步系统，其特征在于，所述第二判断模块进一步用于，

在所述纳米机器发送端向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特后的第一预设时间内未收到所述纳米机器接收端发送的所述成功接收反馈比特时，将所述纳米机器发送端计数器置0，所述纳米机器发送端在第二预设时间后重新向所述纳米机器接收端发送所述时间同步比特。

9.根据权利要求7所述的基于端对端的分子通信的时间同步系统，其特征在于，

所述第一预设时间为2(T1+Ts)，所述第二预设时间为T1+Ts，其中，T1为一个比特间隔，Ts为纳米机器在接收到一个化学信号后处理所需要的时间。

10.根据权利要求6所述的基于端对端的分子通信的时间同步系统，其特征在于，

所述预设值为所述纳米机器发送端和所述纳米机器接收端完成时间同步过程所需要进行比特信息收发确认的次数，取值范围为大于等于2小于等于4。