CN114641064B - 一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，应用于分子通信领域，针对现有技术中存在的纳米机无法定位的问题；本发明通过在液体环境中均匀部署信标形成稳定的信标坐标系，待定位纳米机则可以通过判断自身与信标的距离以及该信标的位置，得到自身在该坐标系中的坐标位置；本发明的方法通过引入信标坐标系这一参考系，解决了在微观环境中纳米机不能有效确定自身位置的问题，同时本发明的实现基于微生物的趋化效应，具有良好的生物相容性以及低能耗的特点。

Description

一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法

技术领域

本发明属于分子通信领域，特别涉及一种纳米机定位技术。

背景技术

分子通信是近年来兴起的交叉学科的微观环境下的通信技术，主要研究通过纳米级的分子作为信息载体，实现细胞或纳米机之间通信的技术。分子通信不使用传统的电磁场技术，而是利用生物体内的化学物质和运输机构作为传输介质，实现生物细胞间分子的发送和接收。由于不受收发器件尺寸体积和能耗等因素的制约，适合在几纳米到几米数量级的距离间通信。分子通信在许多领域有极大的潜在应用价值。从长远来看，分子通信在生物医药、健康医疗、环境监测、军事以及物联网领域都具有广阔的应用前景。未来的纳米物联网可以将人体内的纳米网络与外界的互联网连接起来，被认为是今后物联网发展的一个新方向。最新研究表明，人类已经可以对自然界的细胞进行改造，或者直接利用微型器件组装出分子纳米机器(以下简称为纳米机)。2017年9月21日《Nature》发表了曼彻斯特大学的科学家们制造的能通过搬运其他分子，完成指令任务的“分子机器人”。标志着世界上首款“分子机器人”问世，也预示着分子通信朝实际应用迈出了实质性的一步。纳米机的一般结构包含收发控制器，信息处理器，分子储藏舱室，存储单元，调制解调器，鞭毛，化学受体等，其能够执行一些简单的任务，如计算，数据存储，传感或驱动，根据需求的不同，人们可以赋予纳米机各种针对性的功能，但是单个纳米机的能力是有限的，其必须协同工作才能发挥最大作用。

目前对分子通信的相关理论研究已经涉及到各个方面，包括:各种信道建模、分子信息的编解码与调制解调、纳米网络架构及路由技术，纳米机的运动建模等等。分子信道是其中研究的重点，典型的分子通信信道模型如基本扩散信道、神经元传导信道、血管信道等都已经比较成熟，但存在的问题依然有待解决。比如在扩散信道中，分子遵循随机布朗运动规则，因此会带来分子运动无目的性、传输时延长、可靠性低等问题，其通信速率远远低于电磁通信。还有就是部分分子会滞留在信道中，造成码间干扰严重等问题依然没有很好解决。分子定向通信技术被认为是解决这些问题的关键。定向通信控制对纳米机处理能力和通信能力要求较高，而目前的纳米机还处于研究阶段，纳米机的计算和控制能力还未可知，因此难度很大。目前已有的研究都是基于利用生物分子固有特性(如趋化效应)所带来的定向移动效果，做一些定性的分析，但都没有提出具体的控制策略。目前，由于体内等微观环境中没有任何的参考系，在分子通信中还没有一种切实可行的为纳米机提供定位从而定向控制纳米机的方式，即纳米机并不能知道自身在环境中的位置，也不能告知其他纳米机自身的位置。在某些场景中，纳米机需要协同通信及移动来高效定向地向目的地移动，就涉及到需要定位自身的坐标并分享给其他纳米机。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，通过部署纳米信标来自定义搭建一个可行的局部坐标系，能有效覆盖目标区域，并为在区域中活动的纳米机提供定位功能并给出坐标值。

本发明采用的技术方案为：一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，包括：

S1、通过均匀部署带编号的纳米信标，形成信标坐标系；

S2、信标释放与其编号对应种类的化学分子；

S3、待定位的纳米机通过识别到化学分子种类确定所识别的信标，并根据化学分子浓度得到待定位纳米机与该信标的距离；

S4、待定位纳米机根据距离其所识别到的各信标的距离，得到其在信标坐标系中的位置。

本发明的有益效果：本发明提供一种全新的在微观环境中使用的定位技术，使得纳米机可以在执行任务中时刻获取自身的位置；具体通过部署纳米信标来自定义搭建一个可行的局部坐标系，能有效覆盖目标区域，并为在区域中活动的纳米机提供定位功能并给出坐标值。该坐标系可以被纳米机共享，能够以此为基础实现出更复杂的功能；

本发明的方法以趋化效应、微生物运动模型及分子的扩散和浓度及距离的估计为基础，首次提出并搭建了在微观环境中可供纳米机定位的坐标系统以及定位方法。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的算法流程图。

图2为本发明实施例提供的若干纳米信标的部署以及信标阵列的形成过程。

图3为本发明实施例提供的信标坐标系中的目标定位的示意图。

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。

实施例1

本发明的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其原理为：在定位过程中，需要均匀部署带编号的纳米信标以形成信标坐标系，并使需要被定位的纳米机判断自己处于哪些编号的纳米信标的影响区域中，然后判断自身距离每个纳米信标的距离，最后将得到的所有距离值及对应的信标编号添加到坐标列表，作为自身在信标坐标系中的定位出的坐标位置。

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1、在有需要纳米机执行任务的场景中部署纳米信标，随后使纳米信标释放自身携带的驱散剂(例如过氧化氢等)，根据反趋化效应相互排斥远离，形成均匀稳定的信标阵列；

本领域技术人员应知，纳米信标实质上也是纳米机，只是从功能上来讲扮演信标的角色。本发明中的纳米机主要来源于两种制造方式，一种由现存的细胞活着细菌经过基因改造，赋予所需要的功能，另一种则是利用纳米级的元器件直接组装而成，其一般尺寸在数百纳米左右。

另外，凡是能使纳米信标产生反趋化效应(自发远离该物质)的分子都是驱散剂，反之为产生趋化效应的引诱剂(自发靠近该物质)。从生物上讲，过氧化氢或者天冬氨酸都可以作为驱散剂，葡萄糖，氨基酸等可作为引诱剂。

纳米机结构主要组成一般包括：收发控制器，信息处理器，分子储藏舱室，存储单元，调制解调器，鞭毛，化学受体等。

在工作中，纳米信标先发送驱散剂分子，待阵列形成(自身基于趋化效应已不再移动时)再释放其他分子。

纳米机通过发射通道释放分子到外部环境。具体可以通过囊泡包裹分子，再释放囊泡到外部环境，或者打开细胞表面的粒子通道直接释放分子。

步骤2、在信标阵列形成后，纳米信标释放各自的化学分子，在自身周围形成浓度梯度场，形成可正常工作的信标坐标系；

化学分子储藏在纳米机体内的专门的分子储藏舱室中。不同的分子有自己的储藏舱室。

本领域技术人员应知，本发明中的纳米信标将会部署到已知目标存在的大致区域，通过相互排斥而形成信标阵型。一般来讲，通过提前获取目标的大致位置，并部署足够多的信标，目标会存在于该坐标系中。本实施例中纳米信标只需要在目标环境区域提供坐标系导航以帮助纳米机执行任务。

纳米机会随机移动寻找目标，一旦目标被找到(目标坐标已知)，纳米机会将该信息编码到DNA中，封装到所携带的细菌体内，释放细菌来传递该消息。其余纳米机会吸引细菌靠近，获取细菌中的DNA并解码出该位置信息，并中继该信息，实现对目标坐标的“广播”效果。纳米机知道目标坐标后，就会基于趋化效应，于坐标系内向目标附近的信标前进，直到最后到达目标点。如果不知道目标的坐标，纳米机就会一直随机游荡，找到目标的概率大大下降。

步骤3、纳米机通过机体表面的化学受体感应周围的信标释放的分子；

步骤4、纳米机记录感应到的信标分子，并存储对应的信标编号，重复上述操作直到没有新的信标分子被感应到；

步骤5、纳米机周期性采样感应到的信标分子的浓度，并判断自身距离对应信标的距离；

步骤6、将所有记录的信标编号及距离添加进坐标值列表，得到纳米机当前坐标值，定位到此结束。

实施例2

本发明的信标坐标系形成过程如图2所示。以7个纳米信标为例(实际上会更多)，它们被部署到环境中，随后每个信标都将以一个固定的强度(单位时间内释放的分子的量)释放驱散剂，使得每个信标都将基于反趋化效应而排斥并远离彼此，并最终形成均匀且稳定的信标阵型存在于环境中。

这里的固定强度是指纳米信标在单位时间内释放相同量的分子。所释放的分子以信标为中心向四周均匀扩散，形成一个随距离而下降的浓度梯度场。这个梯度场的边缘(浓度趋于0的边缘)由信标释放的单位时间内分子量决定，根据选作驱散剂的分子种类不同，单位时间内释放的分子量也不尽相同。

判断信标坐标系稳定的方式为：在该信标阵型中，任意两个相邻的信标的距离都为一个固定的常数，且信标在阵型中的位置一旦确定就不会改变。除此之外，在该信标阵型中，任意选取三个相邻的信标，其位置均位于等边三角形的三个点上。满足以上条件即可认为该信标阵型均匀且稳定。

实施例3

步骤4的实现过程为：

纳米机利用其表面的化学受体来感应环境中由信标释放的化学分子，由于不同编号的信标释放的是不同的化学分子，且编号与信标和化学分子种类一一对应，因此纳米机可以通过其感应到的化学分子种类来判断自身处于哪些编号的信标的影响区域中。每个纳米信标的编号及携带的化学分子种类已提前储存在纳米机中供纳米机进行判断。

实施例4

步骤S5的实现过程为：由于信标一直以一个固定的强度释放其携带的化学分子，因此其周围会形成一个随着距离增加，分子浓度逐渐下降的化学浓度梯度场。纳米机可以在一定范围内(理论上最大1000微米)通过体表化学受体感知分子浓度，可以判断出释放该化学分子的信标的方向以及距离该信标的距离，具体通过极大似然估计法以及牛顿-拉夫逊方法，周期地采样浓度，来以较高精度估算得到自身距离该浓度中心(也就是信标)的距离。

实施例5

步骤6的实现过程为：由于在纳米坐标系中存在若干个信标，纳米机会处于多个信标的影响范围中，由于信标的位置是固定的，且纳米机与信标的距离已知，便能够以信标为圆心，距离为半径得到一个圆。多个信标及距离所得到的圆会交于一点，该由多个信标及距离得到的圆所确定的交点便是其定位出的位置。而信标的编号以及对应距离的集合便是其坐标值。

如图3所示，目标在三个信标的引诱剂重叠区域中，根据浓度而计算出当前距离每个信标的距离，记为距离1，距离2和距离3。(d₁,d₂,d₃)即为该目标在信标坐标系中的坐标。

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 (5)

1.一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，包括：

S1、通过均匀部署带编号的纳米信标，形成信标坐标系；

S2、信标释放与其编号对应种类的化学分子；

纳米信标以固定强度释放其携带的化学分子，从而在其周围形成一个随着距离增加，分子浓度逐渐下降的化学浓度梯度场；

S3、待定位的纳米机通过识别到化学分子种类确定所识别的信标，并根据化学分子浓度得到待定位纳米机与该信标的距离；

S4、待定位纳米机根据距离其所识别到的各信标的距离，得到其在信标坐标系中的位置。

2.根据权利要求1所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，步骤S1中的纳米信标通过释放自身携带的驱散剂，根据反趋化效应纳米信标相互排斥远离，形成均匀稳定的信标阵列，从而得到信标坐标系。

3.根据权利要求2所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，判断信标坐标系稳定的方式为：

在该信标阵型中，任意两个相邻的信标的距离都为一个固定的常数；

并且在该信标阵型中，任意选取三个相邻的信标，其位置均位于等边三角形的三个点上。

4.根据权利要求1所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，待定位纳米机中存储有每个纳米信标的编号及对应携带的化学分子种类。

5.根据权利要求1所述的一种分子通信中基于信标的纳米机定位方法，其特征在于，步骤S4的实现过程为：以纳米机所识别出的各信标为圆心，以纳米机到对应信标的距离为半径，得到若干个圆；这些圆的交点即为纳米机在信标坐标系中的位置。