CN110730094A - 一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法 - Google Patents

一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法 Download PDF

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CN110730094A CN201910889726.8A CN201910889726A CN110730094A CN 110730094 A CN110730094 A CN 110730094A CN 201910889726 A CN201910889726 A CN 201910889726A CN 110730094 A CN110730094 A CN 110730094A
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Abstract

一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，包括以下步骤：第一步，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；第二步，建立单跳移动的分子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；第三步，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题。本发明在时变信道中建立相应的能量消耗模型，通过参数的设置设计高能效数据传递方案，达到较少的能量消耗和较高的平均吞吐量性能，并最终实现最优的能量效率，从而展示了移动的纳米机器之间以高能效的方式进行通信的方案。

Description

一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法
技术领域
本发明涉及生物技术、纳米技术、通信技术，是一种两跳移动的分子通信系 统的能量效率优化方法。
背景技术
在移动分子通信中，纳米机器均处于移动的状态，这在很多实际应用(例如人 体内药物投送、健康监测、目标检测等)中更为常见。因此，移动分子通信是纳米 网络中最重要最为实用的分子通信方式。不同于静态扩散的分子通信系统，在移 动分子通信模型中，发送方纳米机器和接收方纳米机器均处移动的状态，它们的 位置变化呈现随机性。因此，移动分子通信系统中，纳米机器的移动性导致纳米 机器之间的距离随时间变化而变化，导致了扩散信道的信道脉冲响应也随距离和 时间发生变化，这为移动分子通信的研究带来巨大的挑战。
然而，移动分子通信系统的吞吐量性能和能量消耗与纳米机器的移动性息息 相关。因此，移动分子通信系统每单位能耗的平均吞吐量即能量效率的研究由于 纳米机器的移动性变得尤为复杂。目前为止，还没有移动分子通信能量模型的建 立和能量效率优化的相关研究。在端到端纳米网络拓扑结构下，如何研究纳米机 器的移动性对能量消耗和吞吐量的影响，在时变信道中建立相应的能量消耗模型， 设计高能效数据传递方案，达到较少的能量消耗和较高的平均吞吐量性能，并最 终实现最优的能量效率，从而展示移动的纳米机器之间以高能效的方式进行通信 是本发明研究的重要问题。
发明内容
为了克服现有纳米机器分子通信系统的能量效率较低的不足，为了研究纳米 机器的移动性对能量消耗和吞吐量的影响，本发明提供一种能量效率较高的两跳 移动的分子通信系统的能量效率优化方法。
为了解决上述技术问题本发明采用如下技术方案：
一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，所述能量效率优化方法 包括以下步骤：
第一步，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子 通信系统的能量消耗的数学表达式；
两跳移动的分子通信系统由一个发送方纳米机器，一个中继纳米机器，一个 接收方纳米机器构成，发送方纳米机器，中继纳米机器和接收方纳米机器分别用 节点S，节点R和节点D表示；
在两跳移动的分子通信系统信息传输过程中，传输一个比特所消耗的能量由 两部分构成：(1)分子和囊泡的合成所消耗的能量；(2)节点移动性所消耗的能量；
当节点S和节点R在第k个时隙传输比特1时，释放的分子数分别用
Figure BDA0002208342470000021
和
Figure BDA0002208342470000022
表 示，当传输比特0时，
Figure BDA0002208342470000023
和分别为0，用和
Figure BDA0002208342470000026
分别表示节点S和节点R在第k 个时隙传输比特1的概率，则节点S和节点R需要传输的分子数分别表示为
Figure BDA0002208342470000027
和假设节点S和节点R分别释放A，B类型的分子，且假设A类型分子由nA个氨基酸组成，B类型分子由nB个氨基酸组成，那么节点S和节点R释放A，B类型 的分子所消耗总的能量表示为
假设节点S和节点R分别含有nSv和nRv个囊泡，囊泡、节点S和节点R的半径分别 为rv，rS和rR，则合成节点S和节点R中的囊泡所需要的能量为(nSv+nRv)(83×5(4rv 2))； 而(nSv+nRv)个囊泡传输到细胞膜所消耗的能量为
Figure BDA00022083424700000210
释放 一个囊泡到介质中的能量为83×10zJ，则释放(nSv+nRv)个囊泡的能量消耗为(nSv+nRv)×83×10，因此，所有囊泡的产生、传输和释放所消耗的能量表示为
将节点S，节点R和节点D每移动单位距离所消耗的能量分别用ES，ER和ED表 示，则传输一个比特在节点移动性上所耗费的能量消耗Emobility表示如下：
Figure BDA0002208342470000032
其中，
Figure BDA0002208342470000033
和分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度，且包含速度的方向。TS为每个时隙持续的时间，n为时隙的个数，由公式(1)-(3)，从节点S到节点D， 传输一个比特的总能量消耗用Etotal表示，即为
Etotal＝Emolecules+Evesicles+Emobility. (4)；
第二步，建立单跳移动的分子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳 移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；
在一维扩散信道中，假定节点S到节点R的位置固定，它们之间的距离不随 时间变化，并且不考虑分子间的碰撞效应，那么描述任意一个分子从节点S到节 点R的关于时间t的概率密度函数f(t)表示为：
Figure BDA0002208342470000035
其中，
Figure BDA0002208342470000036
为节点S和节点R之间的距离，DA表示信息分子在流体环境中的扩散系数；
假设节点S到节点R的运动相互独立，并且它们无法穿过彼此，k个时隙后， 信息分子首次进入节点R检测范围的时间满足的概率密度分布函数如下：
Figure BDA0002208342470000037
其中，Dtot＝DS+DR,Dp,eff＝DR+DA，f(t)为公式(5)所定义的概率密度分布函数，
Figure BDA0002208342470000038
为节点S和节点R之间的距离，erf(x)是标准的误差函数，即
Figure BDA0002208342470000039
Figure BDA0002208342470000041
用于描述一个分子在从t＝0开始至t时刻之前到从节点S到达节点R的概率， 1≤k≤n，即：
Figure BDA0002208342470000042
其中，Ts为每个时隙的大小；
用
Figure BDA0002208342470000043
表示节点S在时隙n开始时释放的分子数，节点S在时隙n开始时释放的 分子数在当前时隙n被节点R收到的分子数用
Figure BDA0002208342470000044
表示，则
Figure BDA0002208342470000045
服从如下二项分 布
当分子数
Figure BDA0002208342470000047
足够大且的值属于[0.08，0.12]，(8)中的二项分布用泊松分 布来逼近，表示如下：
Figure BDA0002208342470000049
考虑节点S到节点R之间的传输，节点R收到节点S前面(n-1)个时隙的剩余分 子，这些分子引起了ISI类型的干扰，因此，在当前时隙n，节点R处收到的ISI分 子数用表示，它服从以下泊松分布：
因此，由(9)和(10)可知，节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]由
Figure BDA00022083424700000412
和
Figure BDA00022083424700000413
两部分构成，表示如下：
用H0和H1分别表示假设节点S当前时隙n发送0和1的事件，用
Figure BDA00022083424700000415
和
Figure BDA00022083424700000416
表示 在H0和H1情况下节点R在当前第n个时隙收到的分子个数，它们分别服从下面的泊 松分布：
Figure BDA00022083424700000417
Figure BDA0002208342470000051
针对节点S到R的单跳传输，用Z表示节点R在当前第n个时隙收到的分子 数，在假设节点S在当前时隙发送0和1即在H0和H1的情况下，考虑一个以随 机变量Z为观测值的二元假设检验问题：
Figure BDA0002208342470000052
其中，(14)式中的泊松参数可通过(12)和(13)式得到，表示如下：
Figure BDA0002208342470000053
通过比较节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]与节点R处的最优检测阈 值，从而得到节点R在第n个时隙的观测值，在上述检测模型下，通过最小误差准 则得到最优检测阈值，节点R在第n个时隙的观测值可通过下述表达式得到，表示 如下：
Figure BDA0002208342470000055
其中，
Figure BDA0002208342470000056
为节点R在第n个时隙的观测值，节点R在第(n+1)个时隙开始时转发
Figure BDA0002208342470000057
给节点D，并将该值记为xR[n+1]，根据上述的假设检验模型，采用最小误差 准则求得最佳的检测方案：
Figure BDA0002208342470000058
其中，
Figure RE-GDA0002284001020000059
表示节点S发送比特1的概率，
Figure RE-GDA00022840010200000510
代表节点S发送 比特0的概率，P(z|H1)和P(z|H0)则分别对应这两个事件下节点R收到z个分子的 概率，用Λ(z)表示似然比，则似然比计算公式为：
Figure BDA00022083424700000512
其中，
Figure BDA0002208342470000061
和
Figure BDA0002208342470000062
分别为在假设条件H0和H1情况下，节点R收到z个分子所 服从的泊松分布的概率密度函数，表示如下：
Figure BDA0002208342470000063
因此，(19)式的解即为MAP最优检测阈值θR，求解结果如下：
Figure BDA0002208342470000064
根据(24)式中MAP最优检测阈值θR，在节点S传输比特0的情况下，节点R在 第n个时隙收到1的比特错误率表示如下：
Figure BDA0002208342470000065
其中，xS[n]为节点R传输的第n个比特，(22)中的
Figure BDA0002208342470000066
通过(15)计算得到，在节点S传输比特1的情况下，节点R在第n个时隙收到0的比特错误率表示如下：
Figure BDA0002208342470000067
其中，(23)中的
Figure BDA0002208342470000068
可通过(16)计算得到，由公式(22)和(23)可知，传输单跳移动的分子通信的第n个比特的错误率通过下式计算：
Figure BDA0002208342470000069
从节点S到节点R第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeR[n]；
第三步，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解 两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题；
从节点R到节点D，传输第(n+1)个比特的错误率的计算公式表示如下：
Figure BDA00022083424700000610
Figure BDA00022083424700000611
其中，
Figure BDA0002208342470000071
表示节点D在第(n+1)个时隙检测到的比特。θD表示节点D处的最优检测阈值，
Figure BDA0002208342470000072
和
Figure BDA0002208342470000073
分别计算如下：
Figure BDA0002208342470000074
因此，两跳移动的分子通信系统第n个比特的错误率表示为
Figure BDA0002208342470000076
其中，
Figure BDA0002208342470000077
和
Figure BDA0002208342470000078
可从下式得到
Figure BDA0002208342470000079
Figure BDA00022083424700000710
从节点S到节点D第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeD[n]，将能量效率η 定义为第n个比特传输过程中，每单位能量可达的吞吐量的最大值，最优化问题 表示如下：
Figure BDA00022083424700000711
进一步，所述方法还包括以下步骤：
第四步，通过实验仿真展示了不同的参数对两跳移动的分子通信能量效率的 影响。
本发明的技术构思为：考虑到纳米机器移动性对端到端移动分子通信系统的 吞吐量和能量消耗有很重要的影响，导致该系统的每单位能量消耗的吞吐量即能 量效率研究变得尤为复杂。目前为止，还没有移动分子通信能量模型的建立和能 量效率优化的相关研究。因此，基于纳米机器的移动性，在时变信道中建立端到 端移动分子通信系统的能量消耗模型，设计高能效数据传递方案，达到较少的能 量消耗和较高的平均吞吐量性能，并最终使得端到端移动分子通信系统达到最优 的能量效率。本发明主要建立切实可行的两跳移动的分子通信系统能量效率优化 方案。建立在共同参数影响下的能量效率为优化目标的优化问题，并通过最优化 理论求解该优化问题，从而形成两跳移动的分子通信系统的高能效数据传递方案 设计与优化理论。
本发明的有益效果主要表现在：1、建立两跳移动的分子通信系统的能量模型， 并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；2、建立单跳移动的分 子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数 学表达式；3、获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，建立并求解两 跳移动分子通信系统的能量效率优化问题；4、展示了不同的参数对两跳移动的分 子通信系统的能量效率的影响。首先，该系统的能量效率随着节点S和节点R释 放的分子数增大而减小；其次，该系统的能量效率随着每个时隙持续的时间增大 而增大，且随着检测阈值的增大而减小。此外，节点S和节点R的扩散系数DS和 DR越小，能量效率的值越大。这些系统参数的设置为设计高能量效率的两跳移动 的分子通信系统提供了技术支撑。
附图说明
图1展示了两跳移动的分子通信系统模型。其中，○和●分别代表节点S和节 点R释放的分子类型。
Figure BDA0002208342470000081
和
Figure BDA0002208342470000082
分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度。 “-”表示相反的移动方向。
图2展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000083
的关系。能量效率随着
Figure BDA0002208342470000084
的增大而 减小。Ts越大，该系统的能量效率越大。
图3展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与节点R每个时隙释放的分子数的关系。能量效率随着的增大而 减小。Ts越大，该系统的能量效率越大。
图4展示了节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000091
取不同值时，两跳移动的分子通 信系统的能量效率与每个时隙持续的时间Ts的关系。能量效率随着Ts增大而增 大。
Figure BDA0002208342470000092
越大，该系统的能量效率越小。
图5展示了DS和DR取不同值时，两跳移动的分子通信系统的能量效率与节点 S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000093
的关系。能量效率与随着
Figure BDA0002208342470000094
的增大而减小。DS和DR越 小，能量效率的值越大。
图6展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率随着检测阈值的增大而减小。
图7展示了节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000095
取不同值时，两跳移动的分子通 信系统的能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率与随着检测阈值的增 大而减小。
Figure BDA0002208342470000096
越小，能量效率的值越大。
图8展示了每跳节点之间的初始距离取不同值时，两跳移动的分子通信系统 的能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率与随着检测阈值的增大而减 小。节点间初始距离越小，能量效率的值越大。
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8，一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，包括如 下步骤：
第一步，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子 通信系统的能量消耗的数学表达式；
两跳移动的分子通信系统由一个发送方纳米机器，一个中继纳米机器，一个 接收方纳米机器构成，发送方纳米机器，中继纳米机器和接收方纳米机器分别用 节点S，节点R和节点D表示；
在两跳移动的分子通信系统信息传输过程中，传输一个比特所消耗的能量由 两部分构成：(1)分子和囊泡的合成所消耗的能量；(2)节点移动性所消耗的能量；
当节点S和节点R在第k个时隙传输比特1时，释放的分子数分别用
Figure BDA0002208342470000101
和
Figure BDA0002208342470000102
表 示，当传输比特0时，
Figure BDA0002208342470000103
和
Figure BDA0002208342470000104
分别为0，用和
Figure BDA0002208342470000106
分别表示节点S和节点R在第k 个时隙传输比特1的概率，则节点S和节点R需要传输的分子数分别表示为
Figure BDA0002208342470000107
和
Figure BDA0002208342470000108
假设节点S和节点R分别释放A，B类型的分子，且假设A类型分子由nA个氨基酸组成，B类型分子由nB个氨基酸组成，那么节点S和节点R释放A，B类型 的分子所消耗总的能量表示为
Figure BDA0002208342470000109
假设节点S和节点R分别含有nSv和nRv个囊泡，囊泡、节点S和节点R的半径分别 为rv，rS和rR，则合成节点S和节点R中的囊泡所需要的能量为(nSv+nRv)(83×5(4rv 2))； 而(nSv+nRv)个囊泡传输到细胞膜所消耗的能量为
Figure BDA00022083424700001010
释放 一个囊泡到介质中的能量为83×10zJ，则释放(nSv+nRv)个囊泡的能量消耗为 (nSv+nRv)×83×10，因此，所有囊泡的产生、传输和释放所消耗的能量表示为
将节点S，节点R和节点D每移动单位距离所消耗的能量分别用ES，ER和ED表 示，则传输一个比特在节点移动性上所耗费的能量消耗Emobility表示如下：
Figure BDA00022083424700001012
其中，
Figure BDA00022083424700001013
和
Figure BDA00022083424700001014
分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度，且包含速度的方向。TS为每个时隙持续的时间，n为时隙的个数，由公式(1)-(3)，从节点S到节点D， 传输一个比特的总能量消耗用Etotal表示，即为
Etotal＝Emolecules+Evesicles+Emobility. (4)；
第二步，建立单跳移动的分子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳 移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；
在一维扩散信道中，假定节点S到节点R的位置固定，它们之间的距离不随 时间变化，并且不考虑分子间的碰撞效应，那么描述任意一个分子从节点S到节 点R的关于时间t的概率密度函数f(t)表示为：
Figure BDA0002208342470000111
其中，为节点S和节点R之间的距离，DA表示信息分子在流体环境中的扩散系数；
假设节点S到节点R的运动相互独立，并且它们无法穿过彼此，k个时隙后， 信息分子首次进入节点R检测范围的时间满足的概率密度分布函数如下：
Figure BDA0002208342470000113
其中，Dtot＝DS+DR,Dp,eff＝DR+DA，f(t)为公式(5)所定义的概率密度分布函数，为节点S和节点R之间的距离，erf(x)是标准的误差函数，即
Figure BDA0002208342470000115
Figure BDA0002208342470000116
用于描述一个分子在从t＝0开始至t时刻之前到从节点S到达节点R的概率， 1≤k≤n，即：
Figure BDA0002208342470000117
其中，Ts为每个时隙的大小；
用
Figure BDA0002208342470000118
表示节点S在时隙n开始时释放的分子数，节点S在时隙n开始时释放的 分子数在当前时隙n被节点R收到的分子数用
Figure BDA0002208342470000119
表示，则
Figure BDA00022083424700001110
服从如下二项分 布
Figure BDA00022083424700001111
当分子数
Figure BDA00022083424700001112
足够大且
Figure BDA00022083424700001113
的值值属于[0.08，0.12]，(8)中的二项分布用泊松 分布来逼近，表示如下：
Figure BDA0002208342470000121
考虑节点S到节点R之间的传输，节点R收到节点S前面(n-1)个时隙的剩余分 子，这些分子引起了ISI类型的干扰，因此，在当前时隙n，节点R处收到的ISI分 子数用
Figure BDA0002208342470000122
表示，它服从以下泊松分布：
Figure BDA0002208342470000123
因此，由(9)和(10)可知，节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]由
Figure BDA0002208342470000124
和
Figure BDA0002208342470000125
两部分构成，表示如下：
用H0和H1分别表示假设节点S当前时隙n发送0和1的事件，用
Figure BDA0002208342470000127
和
Figure BDA0002208342470000128
表示 在H0和H1情况下节点R在当前第n个时隙收到的分子个数，它们分别服从下面的泊 松分布：
Figure BDA0002208342470000129
Figure BDA00022083424700001210
针对节点S到R的单跳传输，用Z表示节点R在当前第n个时隙收到的分子 数，在假设节点S在当前时隙发送0和1即在H0和H1的情况下，考虑一个以随 机变量Z为观测值的二元假设检验问题：
Figure BDA00022083424700001211
其中，(14)式中的泊松参数可通过(12)和(13)式得到，表示如下：
Figure BDA00022083424700001212
Figure BDA00022083424700001213
通过比较节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]与节点R处的最优检测阈 值，从而得到节点R在第n个时隙的观测值，在上述检测模型下，通过最小误差准 则得到最优检测阈值，节点R在第n个时隙的观测值可通过下述表达式得到，表示 如下：
Figure BDA0002208342470000131
其中，
Figure BDA0002208342470000132
为节点R在第n个时隙的观测值，节点R在第(n+1)个时隙开始时转发
Figure BDA0002208342470000133
给节点D，并将该值记为xR[n+1]，根据上述的假设检验模型，采用最小误差 准则求得最佳的检测方案：
Figure BDA0002208342470000134
其中，
Figure RE-GDA0002284001020000135
表示节点S发送比特1的概率，
Figure RE-GDA0002284001020000136
代表节点S发送 比特0的概率，P(z|H1)和P(z|H0)则分别对应这两个事件下节点R收到z个分子的 概率，用Λ(z)表示似然比，则似然比计算公式为：
Figure BDA0002208342470000138
其中，
Figure BDA0002208342470000139
和
Figure BDA00022083424700001310
分别为在假设条件H0和H1情况下，节点R收到z个分子所 服从的泊松分布的概率密度函数，表示如下：
Figure BDA00022083424700001311
因此，(19)式的解即为MAP最优检测阈值θR，求解结果如下：
Figure BDA00022083424700001312
根据(24)式中MAP最优检测阈值θR，在节点S传输比特0的情况下，节点R在 第n个时隙收到1的比特错误率表示如下：
其中，xS[n]为节点R传输的第n个比特，(22)中的
Figure BDA0002208342470000141
通过(15)计算得到，在节点S传输比特1的情况下，节点R在第n个时隙收到0的比特错误率表示如下：
其中，(23)中的
Figure BDA0002208342470000143
可通过(16)计算得到，由公式(22)和(23)可知，传输单跳移动的分子通信的第n个比特的错误率通过下式计算：
从节点S到节点R第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeR[n]；
第三步，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解 两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题；
从节点R到节点D，传输第(n+1)个比特的错误率的计算公式表示如下：
Figure BDA0002208342470000145
Figure BDA0002208342470000146
其中，
Figure BDA0002208342470000147
表示节点D在第(n+1)个时隙检测到的比特。θD表示节点D处的最优检测阈值，
Figure BDA0002208342470000148
和分别计算如下：
Figure BDA00022083424700001410
Figure BDA00022083424700001411
因此，两跳移动的分子通信系统第n个比特的错误率表示为
Figure BDA00022083424700001412
其中，
Figure BDA00022083424700001413
和
Figure BDA00022083424700001414
可从下式得到
Figure BDA00022083424700001415
Figure BDA0002208342470000151
从节点S到节点D第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeD[n]，将能量效率η 定义为第n个比特传输过程中，每单位能量可达的吞吐量的最大值，最优化问题 表示如下：
Figure BDA0002208342470000152
进一步，所述方法还包括以下步骤：
第四步，通过实验仿真展示了不同的参数对两跳移动的分子通信能量效率的 影响。
图1展示了两跳移动的分子通信系统模型。其中，○和●分别代表节点S和节 点R释放的分子类型。
Figure BDA0002208342470000153
和
Figure BDA0002208342470000154
分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度。 “-”表示相反的移动方向。
图2展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000155
的关系。能量效率随着
Figure BDA0002208342470000156
的增大而 减小。Ts越大，该系统的能量效率越大。
图3展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与节点R每个时隙释放的分子数的关系。能量效率随着
Figure BDA0002208342470000158
的增大而 减小。Ts越大，该系统的能量效率越大。
图4展示了节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000159
取不同值时，两跳移动的分子通 信系统的能量效率与每个时隙持续的时间Ts的关系。能量效率随着Ts增大而增 大。
Figure BDA00022083424700001510
越大，该系统的能量效率越小。
图5展示了DS和DR取不同值时，两跳移动的分子通信系统的能量效率与节点 S每个时隙释放的分子数的关系。能量效率与随着
Figure BDA00022083424700001512
的增大而减小。DS和DR越 小，能量效率的值越大。
图6展示了每个时隙持续的时间Ts取不同值时，两跳移动的分子通信系统的 能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率随着检测阈值的增大而减小。
图7展示了节点S每个时隙释放的分子数
Figure BDA0002208342470000161
取不同值时，两跳移动的分子通 信系统的能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率与随着检测阈值的增 大而减小。
Figure BDA0002208342470000162
越小，能量效率的值越大。
图8展示了每跳节点之间的初始距离取不同值时，两跳移动的分子通信系统 的能量效率与固定的检测阈值之间的关系。能量效率与随着检测阈值的增大而减 小。节点间初始距离越小，能量效率的值越大。

Claims (5)

1.一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；
第二步，建立单跳移动的分子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；
第三步，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题。
2.如权利要求1所述的一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述第一步中，建立两跳移动的分子通信系统的能量模型，并得到两跳移动的分子通信系统的能量消耗的数学表达式；
两跳移动的分子通信系统由一个发送方纳米机器，一个中继纳米机器，一个接收方纳米机器构成，发送方纳米机器，中继纳米机器和接收方纳米机器分别用节点S，节点R和节点D表示；
在两跳移动的分子通信系统信息传输过程中，传输一个比特所消耗的能量由两部分构成：(1)分子和囊泡的合成所消耗的能量；(2)节点移动性所消耗的能量；
当节点S和节点R在第k个时隙传输比特1时，释放的分子数分别用
Figure FDA0002208342460000011
和
Figure FDA0002208342460000012
表示，当传输比特0时，和
Figure FDA0002208342460000014
分别为0，用
Figure FDA0002208342460000015
和
Figure FDA0002208342460000016
分别表示节点S和节点R在第k个时隙传输比特1的概率，则节点S和节点R需要传输的分子数分别表示为和假设节点S和节点R分别释放A，B类型的分子，且假设A类型分子由nA个氨基酸组成，B类型分子由nB个氨基酸组成，那么节点S和节点R释放A，B类型的分子所消耗总的能量表示为
Figure FDA0002208342460000019
假设节点S和节点R分别含有nSv和nRv个囊泡，囊泡、节点S和节点R的半径分别为rv，rS和rR，则合成节点S和节点R中的囊泡所需要的能量为(nSv+nRv)(83×5(4rv 2))；而(nSv+nRv)个囊泡传输到细胞膜所消耗的能量为
Figure FDA00022083424600000110
释放一个囊泡到介质中的能量为83×10zJ，则释放(nSv+nRv)个囊泡的能量消耗为(nSv+nRv)×83×10，因此，所有囊泡的产生、传输和释放所消耗的能量表示为
将节点S，节点R和节点D每移动单位距离所消耗的能量分别用ES，ER和ED表示，则传输一个比特在节点移动性上所耗费的能量消耗Emobility表示如下：
Figure FDA00022083424600000112
其中，
Figure FDA00022083424600000113
和
Figure FDA00022083424600000114
分别表示节点S，节点R和节点D移动的速度，且包含速度的方向，TS为每个时隙持续的时间，n为时隙的个数，由公式(1)-(3)，从节点S到节点D，传输一个比特的总能量消耗用Etotal表示，即为
Etotal＝Emolecules+Evesicles+Emobility. (4)。
3.如权利要求1或2所述的一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述第二步中，建立单跳移动的分子通信系统的的假设检测信道模型，并得到单跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式；
在一维扩散信道中，假定节点S到节点R的位置固定，它们之间的距离不随时间变化，并且不考虑分子间的碰撞效应，那么描述任意一个分子从节点S到节点R的关于时间t的概率密度函数f(t)表示为：
其中，
Figure RE-FDA0002284001010000022
为节点S和节点R之间的距离，DA表示信息分子在流体环境中的扩散系数；
假设节点S到节点R的运动相互独立，并且它们无法穿过彼此，k个时隙后，信息分子首次进入节点R检测范围的时间满足的概率密度分布函数如下：
其中，Dtot＝DS+DR,Dp,eff＝DR+DA，f(t)为公式(5)所定义的概率密度分布函数，
Figure RE-FDA0002284001010000024
为节点S和节点R之间的距离，erf(x)是标准的误差函数，即
Figure RE-FDA0002284001010000025
用于描述一个分子在从t＝0开始至t时刻之前到从节点S到达节点R的概率，1≤k≤n，即：
Figure RE-FDA0002284001010000027
其中，Ts为每个时隙的大小；
用
Figure RE-FDA0002284001010000028
表示节点S在时隙n开始时释放的分子数，节点S在时隙n开始时释放的分子数在当前时隙n被节点R收到的分子数用
Figure RE-FDA0002284001010000029
表示，则
Figure RE-FDA00022840010100000210
服从如下二项分布
Figure RE-FDA00022840010100000211
当分子数
Figure RE-FDA00022840010100000212
足够大且的值属于[0.08，0.12]，(8)中的二项分布用泊松分布来逼近，表示如下：
Figure RE-FDA00022840010100000214
考虑节点S到节点R之间的传输，节点R收到节点S前面(n-1)个时隙的剩余分子，这些分子引起了ISI类型的干扰，因此，在当前时隙n，节点R处收到的ISI分子数用
Figure RE-FDA00022840010100000215
表示，它服从以下泊松分布：
Figure RE-FDA00022840010100000216
因此，由(9)和(10)可知，节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]由
Figure RE-FDA00022840010100000217
和两部分构成，表示如下：
Figure RE-FDA00022840010100000219
用H0和H1分别表示假设节点S当前时隙n发送0和1的事件，用和
Figure RE-FDA0002284001010000032
表示在H0和H1情况下节点R在当前第n个时隙收到的分子个数，它们分别服从下面的泊松分布：
Figure RE-FDA0002284001010000033
Figure RE-FDA0002284001010000034
针对节点S到R的单跳传输，用Z表示节点R在当前第n个时隙收到的分子数，在假设节点S在当前时隙发送0和1即在H0和H1的情况下，考虑一个以随机变量Z为观测值的二元假设检验问题：
Figure RE-FDA0002284001010000035
其中，(14)式中的泊松参数可通过(12)和(13)式得到，表示如下：
Figure RE-FDA0002284001010000036
Figure RE-FDA0002284001010000037
通过比较节点R在第n个时隙收到的分子数N(S,R)[n]与节点R处的最优检测阈值，从而得到节点R在第n个时隙的观测值，在上述检测模型下，通过最小误差准则得到最优检测阈值，节点R在第n个时隙的观测值可通过下述表达式得到，表示如下：
其中，
Figure RE-FDA0002284001010000039
为节点R在第n个时隙的观测值，节点R在第(n+1)个时隙开始时转发
Figure RE-FDA00022840010100000310
给节点D，并将该值记为xR[n+1]，根据上述的假设检验模型，采用最小误差准则求得最佳的检测方案：
Figure RE-FDA00022840010100000311
其中，
Figure RE-FDA00022840010100000312
表示节点S发送比特1的概率，
Figure RE-FDA00022840010100000313
代表节点S发送比特0的概率，P(z|H1)和P(z|H0)则分别对应这两个事件下节点R收到z个分子的概率，用Λ(z)表示似然比，则似然比计算公式为：
其中，
Figure RE-FDA00022840010100000315
和
Figure RE-FDA00022840010100000316
分别为在假设条件H0和H1情况下，节点R收到z个分子所服从的泊松分布的概率密度函数，表示如下：
Figure RE-FDA00022840010100000317
因此，(19)式的解即为MAP最优检测阈值θR，求解结果如下：
根据(24)式中MAP最优检测阈值θR，在节点S传输比特0的情况下，节点R在第n个时隙收到1的比特错误率表示如下：
Figure RE-FDA0002284001010000041
其中，xS[n]为节点R传输的第n个比特，(22)中的
Figure RE-FDA0002284001010000042
通过(15)计算得到，在节点S传输比特1的情况下，节点R在第n个时隙收到0的比特错误率表示如下：
Figure RE-FDA0002284001010000043
其中，(23)中的
Figure RE-FDA0002284001010000044
可通过(16)计算得到，由公式(22)和(23)可知，传输单跳移动的分子通信的第n个比特的错误率通过下式计算：
Figure RE-FDA0002284001010000045
从节点S到节点R第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeR[n]。
4.如权利要求1或2所述的一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述第三步中，获取两跳移动的分子通信系统的吞吐量数学表达式，并建立和求解两跳移动的分子通信系统的能量效率优化问题；
从节点R到节点D，传输第(n+1)个比特的错误率的计算公式表示如下：
Figure FDA0002208342460000046
其中，
Figure FDA0002208342460000048
表示节点D在第(n+1)个时隙检测到的比特，θD表示节点D处的最优检测阈值，
Figure FDA0002208342460000049
和分别计算如下：
Figure FDA00022083424600000411
因此，两跳移动的分子通信系统第n个比特的错误率表示为
Figure FDA00022083424600000413
其中，
Figure FDA00022083424600000414
和
Figure FDA00022083424600000415
可从下式得到
Figure FDA00022083424600000416
Figure FDA00022083424600000417
从节点S到节点D第n个比特传输的吞吐量定义为1-PeD[n]，将能量效率η定义为第n个比特传输过程中，每单位能量可达的吞吐量的最大值，最优化问题表示如下：
Figure FDA00022083424600000418
5.如权利要求1或2所述的一种两跳移动的分子通信系统的能量效率优化方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
第四步，通过实验仿真展示了不同的参数对两跳移动的分子通信能量效率的影响。
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