CN114980251A - 一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分子通信中基于趋化的定向通信算法，属于分子通信与纳米网络领域；现有技术主要采用多引诱剂多中继算法，此算法需要的引诱剂种类多，并且复杂度高；而现有的单引诱剂单中继算法，虽然节约了引诱剂的资源，但是会导致纳米机寻找目标的效率变低；本发明中中继检测到目标释放的引诱剂的阀值函数是一个相对时间递减的线性递减函数，通过这个线性递减函数，可以在某个中继节点的位置处检测目标在这里释放的引诱剂的浓度，目标在此处释放的引诱剂浓度需要根据浓度区间去设定当前中继节点是第几跳节点；本发明的方法能在节约引诱剂资源的同时，保证纳米机寻找目标的高效。

Description

一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法

技术领域

本发明属于分子通信领域，特别涉及一种基于趋化的定向通信技术。

背景技术

分子通信是近年来新兴的交叉学科的技术，主要研究通过纳米尺寸的分子作为信息载体，实现细胞间信息传递的技术。目前，在分子通信中基于趋化的定向通信方法主要是多引诱剂多中继，单引诱剂单中继，或者无中继的方法。多引诱剂多中继的方法是，每一跳的中继释放的引诱剂种类都不一样，并且越靠近目标的引诱剂对于纳米机来说优先级更高，纳米机可以通过这些中继节点快速的寻找目标，效率很高，但是引诱剂种类要求多，复杂度高。而单引诱剂单中继的方法是，所有的中继节点都释放相同的引诱剂，但是和目标释放的引诱剂不同，引诱剂种类要求少，但是寻找目标的效率相对而言也降低了。而对于不需要中继节点的方法而言，不需要额外的引诱剂，纳米机进行随机游走去寻找目标，效率低下。

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的基于趋化的定向通信方法，基于中继节点用来识别目标引诱剂阈值的线性递减函数，通过在中继节点处目标所释放的引诱剂的浓度去识别此中继为第几跳节点，该算法有效的节约了引诱剂的种类，并且相对于无中继节点算法和单引诱剂单中继算法提高了寻找目标的效率。

本发明采用的技术方案为：一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，应用场景包括：若干纳米机、若干中继节点、以及目标节点；

初始时所有中继节点进行随机移动，对目标的引诱剂进行周期性检测，若检测到目标引诱剂，则中继节点停止移动，并释放该中继节点的引诱剂；否则中继节点随机游走一个周期；

初始时所有纳米机进行随机移动，首先判断纳米机是否检测到目标，若纳米机检测到目标，则到达目标区域执行任务；若纳米机没有检测到目标，则判断是否检测到目标释放的引诱剂，若是，则向目标引诱剂浓度高的方向移动；若纳米机没有检测到目标释放的引诱剂，则判断是否检测到中继节点释放的引诱剂，若是，则纳米机根据中继节点优先级选择一个中继节点，并向该中继节点移动；若纳米机没有检测到中继节点释放的引诱剂，则纳米机继续随机游走一个周期。

所述中继节点优先级的确定过程为：根据目标在中继节点处释放的引诱剂浓度，通过预先设定的浓度区间，确定中继节点的跳数；浓度区间数值越高对应的跳数越低，跳数的数字越小对应的优先级越高。

中继节点是否检测到目标释放引诱剂，根据以下阈值函数确定：

H(t)＝a-bt，其中，a、b表示常数，t表示时间。

当有纳米机到达目标时，还需要判断到达目标的纳米机数量是否大于或等于90％，若是则定向通信过程结束，否则剩余的纳米机继续寻找目标。

纳米机根据中继节点优先级选择一个中继节点，并向其移动；具体实现过程为：若存在至少两个最高优先级的中继节点，选择其中纳米机检测到浓度最高的中继节点并向其移动，若纳米机检测到浓度最高的中继节点大于或等于2个，那么在最高优先级的中继节点中随机选取一个并向其进行移动。

本发明的有益效果：现有的单引诱剂单中继算法中，所有的中继都释放同种引诱剂，并且检测目标释放的引诱剂的阈值不变，所以所有的中继都是同一跳节点；本发明的中继检测到目标释放的引诱剂的阀值函数是一个相对时间递减的线性递减函数，该阀值函数有着最小值，通过这个线性递减函数，可以在某个中继节点的位置处检测目标在这里释放的引诱剂的浓度，目标在此处释放的引诱剂浓度需要根据浓度区间去设定当前中继节点是第几跳节点，数字越小优先级越高，对于纳米机而言，在遇到中继节点时优先朝着级别较高的中继节点进行移动。

本发明的方法与现有的多引诱剂多中继算法相比，不需要很多引诱剂资源种类，减轻了纳米机需要识别引诱剂的种类，并且可以降低算法的复杂度，同时可以保证纳米机寻找目标的高效性；与单引诱剂单中继算法或者无中继的算法相比，可以提升寻找目标的效率。

附图说明

图1为本发明提的纳米级移动策略；

图2为本发明提的中继移动策略；

图3为本发明方法与现有技术的效果对比。

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。

本发明是分子通信中一种基于趋化的定向通信算法。其工作原理为：在纳米机寻找目标的过程中，纳米机需要去判断是否检测到了目标释放的引诱剂，此方法需要纳米机去判断在此处目标释放的引诱剂浓度是否达到了纳米机能够检测到该引诱剂的阈值，阈值为0.001个/um³,如果到达了则表明检测到了该引诱剂，否则表示没有检测到该引诱剂；如果纳米机直接检测到了目标释放的引诱剂，那么纳米机向该引诱剂的浓度高的地方进行移动，否则需要判断是否检测到了中继释放的引诱剂，此原理与检测纳米机释放的引诱剂原理一致，如果检测到了中继释放的引诱剂，只需要在纳米机能够检测到的所有中继节点中，在其中选择一个优先级最高的中继，如果存在多个相同最高优先级的中继节点，那么选择其中在纳米机处浓度最高的中继节点，若浓度最高的也相同，那么随机选择其中一个中继节点，并向其进行趋化移动；最后若没有检测到任何引诱剂，那么纳米级继续进行随机游走。同样地，对于每个纳米机都是如此，一直循环，直到百分之九十的纳米机都发现目标，便停止循环。

本发明中的纳米机可以通过细菌改造得到，细菌根据自身特性来检测引诱剂浓度，从而做出反应。

对于所有的中继节点以及目标释放引诱剂的间隔周期都为1秒，并且假设每个周期之间释放的引诱剂互不干扰，由于中继节点检测到目标释放引诱剂的阈值函数是一个动态的线性递减函数：H(t)＝a-bt,a,b为常数，可以发现随着时间的增加，相应的中继节点能检测到目标引诱剂的阈值也逐渐降低，该函数有着最低值，最低值同样和纳米机检测到引诱剂的阈值一样为0.001个/um³，小于最低值时，中继是无法检测到目标释放的引诱剂的，在这里可以根据浓度区间将中继节点划分为不同的跳数，数字越小，对应的跳数越低，优先级更高，与之对应的在此处可以检测到的目标释放的引诱剂的浓度越高，离目标的距离越近。假如我们现在将中继的优先级分为三种，那么可以划分为，0.001–0.005个/um³，0.005–0.01个/um³，以及大于0.01个/um³，在这些区间里面的中继节点的跳数分别为3，2，1。

对于每个中继节点随着时间的增加，在随机游走中检测到目标在此处释放的引诱剂浓度大于此时的识别阈值，那么根据不同的浓度区间，就可以确定这些中继节点的跳数，中继节点将会停止移动，同时开始释放引诱剂。

如果中继节点始终没有检测到目标释放的引诱剂，那么中继节点将会一直随机游走去寻找目标。

对于每个纳米机而言，其能够检测到目标释放或者中继释放的引诱剂的阈值不会随着时间而改变，其阈值为一固定值，并且目标释放的引诱剂与中继释放的引诱剂是两种不同的引诱剂分子，互不影响；纳米机在随机游走的过程中，如果遇到可以检测到某一引诱剂浓度的阈值时，由于目标释放的引诱剂的优先级高于中继释放的引诱剂，所以会首先去判断该引诱剂是否是目标释放的引诱剂，如果是的话，就判断是否达到纳米机检测目标引诱剂的阈值，达到了那么就朝目标的方向进行趋化移动。

如果不满足检测目标引诱剂的阈值，那么就去判断此时纳米机周围的中继节点在此处释放的引诱剂浓度，如果达到了纳米机的检测阈值，那么优先选择优先级最高的中继节点，并向其进行趋化运动，最高优先级有一部分相同时，在这部分中继节点中选择在此处浓度的最大值的中继节点，如果连浓度也相同时，那么就在其中随机选择一个中继节点，向其进行趋化运动。

本发明在具体进行操作时，其流程如图1和图2所示。所述的一种分子通信中基于趋化的定向通信方法的具体操作方法包括以下步骤：

步骤1、初始化纳米机位置以及中继节点位置，并让中继节点和纳米机开始随机移动；一旦中继节点和纳米机开始移动，就会周期性的检测自身周围是否存在能够检测到的引诱剂，直到自身停止移动为止。

步骤2、对于中继节点而言，需要检测目标在此处释放的引诱剂浓度是否大于等于中继节点能够检测到该浓度的阈值，如果是则表示检测到了目标释放的引诱剂，否则没有检测到目标释放的引诱剂；同样的，对于纳米机而言，需要判断是否检测到了目标，或者目标释放的引诱剂，或者中继节点释放的引诱剂，这里纳米机检测优先级按照目标、目标释放的引诱剂、中继节点释放的引诱剂的顺序依次递减。

步骤3、对于中继节点而言，如果检测到了目标释放的引诱剂，则停止移动，并开始释放自身的引诱剂，否则随机游走一个周期；对于纳米机而言，纳米机能检测到目标是指纳米机已经位于以目标为圆心半径为r的圆形区域内(r为一常数)，如果检测到了目标，就到达目标区域执行任务，否则就去判断是否检测到了目标释放的引诱剂，如果检测到了，就向引诱剂浓度高的地方移动，否则就去判断是否检测到了中继释放的引诱剂，如果检测到了，就在纳米机能检测到的引诱剂的中继里面，选择一个优先级最高的中继，向其移动，若存在相同最高优先级的中继，选择其中纳米机检测到浓度最高的中继移动，若还存在相同的最高浓度，那么在最高优先级的中继中随机选取一个向其进行移动；最后如果纳米机没有检测到任何引诱剂，那么就随机游走一个周期。

步骤4、判断是否有百分之九十的纳米机到达了目标区域，如果已经有百分之九十的纳米机到达了，那么基于趋化的定向通信过程到此结束，否则还没有到达目标区域的纳米机，将会一直循环去找目标，直到至少有百分之九十的纳米机到达了目标区域。

如图3所示为本发明的方法与单引诱剂中继算法的效果对比，图3中纵坐标T为百分之九十纳米机找到目标所需时间，横坐标NR为不同的中继个数，SRMDCM为单引诱剂单中继算法，SPMDCM为本发明的方法，从图3可以看出本发明的方法对目标的寻找效率相比于现有技术是有显著提升的。

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)

1.一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，其特征在于，应用场景包括：若干纳米机、若干中继节点、以及目标节点；

初始时所有中继节点进行随机移动，对目标的引诱剂进行周期性检测，若检测到目标引诱剂，则中继节点停止移动，并释放该中继节点的引诱剂；否则中继节点随机游走一个周期；

初始时所有纳米机进行随机移动，首先判断纳米机是否检测到目标，若纳米机检测到目标，则到达目标区域执行任务；若纳米机没有检测到目标，则判断是否检测到目标释放的引诱剂，若是，则向目标引诱剂浓度高的方向移动；若纳米机没有检测到目标释放的引诱剂，则判断是否检测到中继节点释放的引诱剂，若是，则根据中继节点优先级选择一个中继节点，并向其移动；若纳米机没有检测到中继节点释放的引诱剂，则纳米机继续随机游走一个周期。

2.根据权利要求1所述的一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，其特征在于，所述中继节点优先级的确定过程为：根据目标在中继节点处释放的引诱剂浓度，通过预先设定的浓度区间，确定中继节点的跳数；浓度区间数值越高对应的跳数越低，跳数的数字越小对应的优先级越高。

3.根据权利要求2所述的一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，其特征在于，中继节点是否检测到目标释放引诱剂，根据以下阈值函数确定：

H(t)＝a-bt，其中，a、b表示常数，t表示时间。

4.根据权利要求3所述的一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，其特征在于，当有纳米机到达目标时，还需要判断到达目标的纳米机数量是否大于或等于90％，若是则定向通信过程结束，否则剩余的纳米机继续寻找目标。

5.根据权利要求4所述的一种分子通信中的基于趋化的定向通信方法，其特征在于，纳米机根据中继节点优先级选择一个中继节点，并向其移动；具体实现过程为：若存在至少两个最高优先级的中继节点，选择其中纳米机检测到浓度最高的中继节点并向其移动，若纳米机检测到浓度最高的中继节点大于或等于2个，那么在最高优先级的中继节点中随机选取一个并向其进行移动。

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