CN112350966A - 一种分子通信中基于扩散信道的mimo接收判决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，应用于分子通信领域，针对现有技术中MIMO模型的误码率高的问题，本发明基于MEP判决准则的混合决策判决算法，通过模型中每个接收机的发射序列分布先验概率、接收机的误码概率以及当前时序的接收判决值得到当前时序的综合判决值，在一定规模的通信过程中，达到降低接收误码率的效果。

Description

一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法
技术领域
本发明属于分子通信领域，特别涉及一种基于多入多出(Multiple InputMultiple Output)模型的接收判决技术。
背景技术
在分子通信网络中，基于扩散信道的单入单出(Single Input Single Output)模型过于简单，可扩展性差，往往无法满足该领域的科研需要。而MIMO模型是一种将传统通信的MIMO技术结合分子通信特点的应用，对该领域提供了更广阔的技术支持，相对于SISO模型，它可以通过各种方式实现更高的吞吐量，更复杂的网络环境。但是，MIMO模型的构建同样存在许多急需解决的问题，比如它相对于SISO模型来说增加了信道间干扰(Inter-LinkInterference)，研究如何降低MIMO模型的误码率将是该领域的一个重要课题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种MIMO分子通信网络中的多接收机综合判决算法，基于标准贝叶斯框架下的MAP(Maximum A Posteriori)准则，结合该模型中单个接收机的相关接收判决值、误判概率，通过算法得出该网络的综合接收判决值，该算法基于单个接收机的先验概率以及误码率对其接收判决值进行调整，得到新的判决值，使得判决误码率降低。
本发明的技术方案为：一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，以2*2MIMO模型为例，包括以下步骤：
S1、初始化MIMO 2*2分子通信网络，设定信道参数信息，信道内分子基于扩散运动；
S2、考虑多个发射机均同时发射同一二进制序列，序列中01分布概率已知，通常情况下为等概分布；
S3、根据信道信息以及采用的判决准则得到单个接收机的判决阈值以及对应的误判概率，通常这里采用MAP准则；
S4、根据当前时序单一接收机接收到的分子数以及该接收机的判决阈值得到各个接收机的接收判决值；
S5、通过当前时序的各个接收机的接收值以及对应的误判概率代入综合判决算法，得到该时序分子通信网络接收的判决值。
本发明的有益效果：多入多出(MIMO)分子通信网络模型相对于SISO模型更符合实际情况，更具有研究潜力，但相对的，MIMO模型的构建同样存在许多急需解决的问题，比如它相对于SISO模型来说增加了信道间干扰(ILI)，研究如何降低MIMO模型的误码率将是该领域的一个重要课题。针对误码率过大的问题，本发明提出一种基于多个接收机的判决值的综合判决方案，在先验概率(发射机发射序列中比特0与比特1出现的概率)已知的条件下，通过信道信息以及单个接收机的接收判决结果代入综合判决算法得到综合判决值，相对于单个接收机的判决结果，误码率明显下降；并且单个接收机的判决准则可以根据具体的MIMO模型做出调整，以得到效果更好的单个判决阈值，从而加强综合判决方法的有效性。
附图说明
图1为本发明提供的算法流程图；
图2为本发明实施例提供的2*2MIMO分子通信网络模型图。
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。
本发明的一种MIMO分子通信网络中的多接收机综合判决算法，基于标准贝叶斯框架下的MEP准则，结合该模型中单个接收机的相关接收判决值、误判概率，通过算法得出该网络的综合接收判决值。还包括：单个接收机的接收判决可以采用相同的或不同的判决准则，以针对不同的MIMO环境，达到更好的判决效果。
如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、初始化MIMO分子通信网络，信道内分子基于扩散运动；
S2、考虑多个发射机均同时发射同一二进制序列，序列中01分布概率已知；
S3、根据信道信息得到单个接收机的判决准则公式以及对应的误判概率；
S4、当前时序单一接收机接收到的分子数通过该接收机的判决准则得到各个接收机的接收值；
S5、通过当前时序的各个接收机的接收值以及对应的误判概率代入综合判决算法，得到该时序分子通信网络接收的判决值。
所述步骤S1中通常考虑2*2MIMO分子通信网络模型，模型如图2所示，发射机T0发送的分子理论上应被接收机R0正确接收，发射机T1同理，其发送的分子理论上应被接收机R1正确接收。模型中ISI表示当前时隙接收机接收到的对应发射机在之前时隙发射的分子，ILI表示当前时隙接收机接收到的其他发射机在当前时隙发射的分子。单个发射机与各个接收机的发射距离等长以适应实际环境，根据要求得出信道增益。
步骤S2所述发射二进制序列将按照以下规则：发射机T0在当前时隙内向信道发射M0个分子表示发送1，发射0个分子表示发送0，此处M0根据实际调整；发射机T1同理。发射机发射序列分布通常为等概分布。
步骤S3所述单个判决准则通常考虑最大后验概率(MAP)准则，即通过先验概率p(H0)和p(H1)以及相关信道参数得到P(H0|Zn)/P(H1/Zn)的最大值，所对应的Zn即为对应接收机n的判决阈值，其中p(H0)表示发射机发射序列中比特0出现的概率，p(H1)表示发射机发射序列中比特1出现的概率。Zn的取值根据最大后验概率准则确定。
由判决阈值得出相应的误码概率，本实施例中采用PM表示发射机发射信号1时接收机通过判决阈值Z得到接收值为0的误码概率，通常情况下小于10-3；采用PF表示发射机发射信号0时接收机通过判决阈值Z得到接收值为1的误码概率，通常情况下小于10-3。
步骤S5所述综合判决方法为
Figure BDA0002738830740000031
和(1-p)/p作比较，若右式(1-p)/p较小，则综合判决值为1；否则为0(包括相等的情况)。其中Yn为接收机n的单个判决值，p表示P(H1)，1-p表示P(H0)，
Figure BDA0002738830740000032
与
Figure BDA0002738830740000033
分别表示接收机n的PM与PF。
若是其他MIMO分子通信网络模型，步骤S5中的判决可以表示为：判断
Figure BDA0002738830740000034
是否大于(1-p)/p，若是则则综合判决值为1；否则为0。
对步骤S5所述综合判决方法做出解释：
1、若Y0与Y1的值均为1，此时认为发送值大概率为1，误判概率非常小，在方法中体现为：Y0＝Y1＝1时，
Figure BDA0002738830740000035
考虑到
Figure BDA0002738830740000036
与
Figure BDA0002738830740000037
的数量级远大于
Figure BDA0002738830740000038
与
Figure BDA0002738830740000039
此时左式远大于1；在等概分布的条件下，右式＝0.5/0.5＝1。根据左式大于右式，综合判决值为1。
2、若Y0与Y1的值均为0，此时认为发送值大概率为0，误判概率非常小，在方法中体现为：Y0＝Y1＝0时，
Figure BDA00027388307400000310
考虑到
Figure BDA00027388307400000311
与
Figure BDA00027388307400000312
的数量级远大于
Figure BDA00027388307400000313
与
Figure BDA00027388307400000314
此时左式远小于1；在等概分布的条件下，右式＝0.5/0.5＝1。根据左式小于右式，综合判决值为0。
3、若Y0与Y1的值一个为1一个为0，此时通过接收误码概率与发送序列先验概率得到的权值和比较，较大者更具有可信度，取该判决值作为综合判决结果，在方法中体现为：Y0＝1,Y1＝0时，
Figure BDA0002738830740000041
考虑到
Figure BDA0002738830740000042
与
Figure BDA0002738830740000043
此处可以近似看做1，
Figure BDA0002738830740000044
方法此时表述为若
Figure BDA0002738830740000045
则综合判决值取1，否则取0。
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 (6)

1.一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化MIMO分子通信网络，设定信道参数信息，信道内分子基于扩散运动；
S2、考虑多个发射机均同时发射同一二进制序列，序列中01分布概率已知；
S3、根据信道信息以及采用的判决准则得到单个接收机的判决阈值以及对应的误判概率；
S4、根据当前时序单一接收机接收到的分子数以及该接收机的判决阈值得到各个接收机的接收判决值；
S5、根据当前时序的各个接收机的接收判决值以及对应的误判概率，得到该时序分子通信网络接收的判决值。
2.根据权利要求1所述的一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，步骤S5所述的时序分子通信网络接收的判决值，计算过程为：
将
Figure FDA0002738830730000011
和(1-p)/p作比较，
若
Figure FDA0002738830730000012
大于(1-p)/p，则时序分子通信网络接收的判决值为1；否则为0；
其中，Yn为接收机n的接收判决值，p表示发射机发射序列中比特1出现的概率，1-p表示发射机发射序列中比特0出现的概率，
Figure FDA0002738830730000013
表示发射机发射信号1时接收机n通过其判决阈值得到接收值为0的误码概率，
Figure FDA0002738830730000014
表示发射机发射信号0时接收机n通过其判决阈值得到接收值为1的误码概率，下标1,2,…,n表示接收机序号。
3.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，步骤S3所述的判决准则为MAP准则。
4.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，若所有接收机的接收判决值均为1，则判决发送值为1。
5.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，若所有接收机的接收判决值均为0，则判决发送值为0。
6.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于扩散信道的MIMO接收判决方法，其特征在于，若所有接收机的接收判决值部分为1、部分为0，则通过接收误码概率与发送序列先验概率得到的权值和进行比较，根据比较结果较大者确定时序分子通信网络接收的判决值。
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