CN115242283B - 一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，应用于分子通信领域，针对现有技术存在的效率低下的问题；本发明对于中继使用固定的三种引诱剂，这些中继节点都只释放这三种引诱剂中的一种，通过引诱剂两两之间的相对优先级，来帮助纳米机快速寻找目标；本发明的方法与现有的多引诱剂多中继算法相比，由于固定了三种引诱剂，所以不需要很多引诱剂资源种类，节约了引诱剂资源的种类，同时依然可以实现大于三跳中继的效果；实现了在中继节点数量一定时，不仅可以减少使用引诱剂种类，还可以保持寻找目标的高效。
Description
技术领域
本发明属于分子通信领域，特别涉及一种定向分子通信技术。
背景技术
分子通信属于生物、化学、通信等的交叉学科，现阶段对分子通信的研究还处于起步阶段。分子定向通信技术可以应用在生物医学中的目标物质检测、智能药物输送等方面，国内外在纳米机定向通信控制算法方面的研究还比较少。目前主要基于趋化效应实现定向通信控制算法，基于趋化效应实现的算法主要适用在小区域、短距离的场景，纳米机具有较高的靶向性，但是由于目标作用范围有限、趋化效应下粒子运动慢等原因，此类算法不适合在长距离的定向控制，并且大多数表现较好的基于趋化效应的定向通信控制算法，多采用多引诱剂、多中继的方式，系统实现复杂度较高。现阶段，在分子通信中基于趋化的定向通信方法主要有三种：多引诱剂多中继，单引诱剂单中继以及无中继的方法。多引诱剂多中继的特点是，对于每一跳的中继其所释放的引诱剂种类都不一样，并且越靠近目标中继释放的引诱剂对于纳米机来说优先级越高，在这些中继节点的辅助下，纳米机可以快速的寻找目标，效率很高，但由于其特殊性，所以对引诱剂的种类要求多，同时复杂度较高。单引诱剂单中继的特点是，在此方法中所有的中继节点都释放相同的引诱剂，但是其和目标释放的引诱剂不同，引诱剂种类只需要一种，相对而言纳米机寻找目标的效率也降低了。而对于不需要中继节点的方法而言，不需要引诱剂，只靠纳米机本身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，本发明提出一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，基于三种引诱剂和引诱剂之间的相对优先级，与多引诱剂多中继方法相比在跳数较多时，该算法可以有效的节约引诱剂的种类，同时可以保证在中继节点数量一定时，纳米机寻找目标的效率大致不变；而相对于无中继节点算法和单引诱剂单中继算法可以大幅提高寻找目标的效率。
本发明采用的技术方案为：一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，所基于地通信系统包括：纳米机、目标、多个中继节点、引诱剂，引诱剂具体包括的种类有：A、B1、B2、B3；目标释放的引诱剂为A，每个中继节点释放的引诱剂为B1、B2、B3中的一种；所述通信方法包括以下步骤：
S1、首先初始化纳米机位置以及中继节点位置，同时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，则周期性地检测自身周围是否存在能够检测到的某种引诱剂，直到自身停止移动为止；
S2、若中继节点检测到A引诱剂时，停止移动并释放B1引诱剂；否则，若中继节点只检测到B1，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点只检测到B2，停止移动并释放B3引诱剂；若中继节点只检测到B3，停止移动并释放B1引诱剂；若同时检测到B1和B2，停止移动并释放B1引诱剂；若同时检测到B2和B3，停止移动并释放B2引诱剂；若同时检测到B1和B3，停止移动并释放B3引诱剂；中继节点不会同时检测到B1，B2和B3，因为要遇到三种引诱剂时，那么该中继节点就会穿越某种引诱剂，而穿越引诱剂时就会出现上面的某种情况，那么就会停止移动并释放相应的引诱剂；若任何引诱剂都没检测到，那么中继节点继续随机游走。
S3、若纳米机检测到A引诱剂时，就向A引诱剂浓度高的方向进行移动；否则，若纳米机只检测到B1，B2,B3三种引诱剂中的一种引诱剂时，就向检测到的引诱剂浓度高的方向移动；若同时检测到B1和B2，则选择向B1引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B2和B3，则选择向B2引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1和B3，则选择向B3引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1，B2和B3，则随机移动；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；
S4、判断是否有百分之九十的纳米机已经到达了目标区域，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根据步骤S3一直循环去找目标，直到至少有百分之九十的纳米机到达了目标区域。
本发明的有益效果：在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，即所有的中继都是同一跳节点；本发明通过固定三种引诱剂，以及使用两两引诱剂之间的相对优先级，可以实现不止三跳的中继节点，但是这些中继节点都只释放这三种引诱剂中的一种，纳米机在遇到多种引诱剂时，通过引诱剂之间的相对优先级，可以快速向目标靠近。
本发明的方法与现有的多引诱剂多中继算法相比，由于固定了三种引诱剂，所以不需要很多引诱剂资源种类，节约了引诱剂资源的种类，同时依然可以实现大于三跳中继的效果；实现了在中继节点数量一定时，不仅可以减少使用引诱剂种类，还可以保持寻找目标的高效。
附图说明
图1为本发明方法与其他中继算法的对比示意图；
图2为本发明方法与使用同样三种引诱剂的之前的中继算法的对比示意图；
图3为本发明提的纳米级移动策略；
图4为本发明提的中继移动策略。
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。
本发明的一种新的分子通信中基于趋化的多跳中继定向通信算法，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或者中继节点释放的引诱剂，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，如果引诱剂浓度到达了阈值以上则表明检测到了该引诱剂，否则表示没有检测到该引诱剂。
本发明中的纳米机可以由某种细菌改造而来。例如，大肠杆菌；通过细菌自身特性可以感知引诱剂分子，但需要引诱剂分子的浓度达到阈值。目标可以是人体患病的某处组织，例如，肿瘤细胞；中继节点也是由细菌改造而来，但其作用是帮助纳米机寻找目标；释放引诱剂也是细菌特性；本发明中的引诱剂本质上是细菌释放的一种化学分子。
如图3所示，纳米机检测到引诱剂后的具体实现过程：若纳米机检测到A引诱剂时，就向A引诱剂浓度高的方向进行移动；否则，若纳米机只检测到B1，B2,B3三种引诱剂中的一种引诱剂时，就向检测到的引诱剂浓度高的方向移动；若同时检测到B1和B2，则选择向B1引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B2和B3，则选择向B2引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1和B3，则选择向B3引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1，B2和B3，则随机移动，因为同时遇到三种引诱剂时，可能会导致纳米机远离目标的现象。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。
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，在这里目标释放A型引诱剂，所有的中继节点只能释放B1，B2，B3三种引诱剂中的一种；中继节点通过检测引诱剂的种类来确定本身应该释放何种引诱剂，如图4所示，具体实现过程为：若中继节点检测到A引诱剂时，停止移动并释放B1引诱剂；否则，若中继节点只检测到B1，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点只检测到B2，停止移动并释放B3引诱剂；若中继节点只检测到B3，停止移动并释放B1引诱剂；若中继节点同时检测到B1和B2，停止移动并释放B1引诱剂；若中继节点同时检测到B2和B3，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点同时检测到B1和B3，停止移动并释放B3引诱剂；中继节点不会同时检测到B1，B2和B3，因为要遇到三种引诱剂时，那么该中继节点就会穿越某种引诱剂，而穿越引诱剂时就会出现上面的某种情况，那么就会停止移动并释放相应的引诱剂。如果中继节点始终没有检测到任何引诱剂，那么中继节点将会一直随机游走并重复上述过程。
本发明在具体进行操作时，其流程如图3和图4所示。所述的一种新的分子通信中基于趋化的多跳中继定向通信算法的具体操作方法包括以下步骤：
步骤1、首先初始化纳米机位置以及中继节点位置，同时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某种引诱剂，直到自身停止移动为止。
步骤2、对于中继节点而言，需要检测是否在此处检测到了某种引诱剂或多种引诱剂，然后决定释放某种引诱剂并停止移动或者继续随机游走。具体实现过程为：若中继节点检测到A引诱剂时，停止移动并释放B1引诱剂；否则，若中继节点只检测到B1，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点只检测到B2，停止移动并释放B3引诱剂；若中继节点只检测到B3，则随机移动；若同时检测到B1和B2，停止移动并释放B1引诱剂；若同时检测到B2和B3，停止移动并释放B2引诱剂；若同时检测到B1和B3，停止移动并释放B3引诱剂；中继节点不会同时检测到B1，B2和B3，因为要遇到三种引诱剂时，那么该中继节点就会穿越某种引诱剂，而穿越引诱剂时就会出现上面的某种情况，那么就会停止移动并释放相应的引诱剂；若任何引诱剂都没检测到，那么中继节点继续随机游走。
步骤3、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，就能采取某种策略向目标靠近，具体实现过程为：若纳米机检测到A引诱剂时，就向A引诱剂浓度高的方向进行移动；否则，若纳米机只检测到B1，B2,B3三种引诱剂中的一种引诱剂时，就向检测到的引诱剂浓度高的方向移动；若同时检测到B1和B2，则选择向B1引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B2和B3，则选择向B2引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1和B3，则选择向B3引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1，B2和B3，则随机移动。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、最后需要判断是否有百分之九十的纳米机已经到达了目标区域，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。
本发明算法与其他现有的算法比较，见图1和图2，可以发现和使用比三种引诱剂更少的算法相比，效率提升很大；和使用相同种类的引诱剂相比，整体上效率都更好；和使用比三种引诱剂更多的算法相比，在中继节点一定时，算法效率不变甚至更好，由于中继节点数量变多时，三种引诱剂交汇的情况变多，会对效率造成一定影响。MRMDCM-1为一跳中继算法，使用一种引诱剂；MRMDCM-2为二跳中继算法，使用二种不同的引诱剂；MRMDCM-3为三跳中继算法，使用三种不同的引诱剂；MRMDCM-4为四跳中继算法，使用四种不同的引诱剂。
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 (3)
1.一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，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，然后中继节点进行周期性地检测，若检测到目标引诱剂，则中继节点停止移动，并释放该中继节点相应的引诱剂；若检测到一种或多种中继节点的引诱剂，则中继节点停止移动，并释放该中继节点相应的引诱剂；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，然后纳米机进行周期性地检测，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；否则，纳米机判断是否检测到一种或多种中继节点释放的引诱剂，若是，则根据中继节点释放的引诱剂之间的相对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任何中继节点释放的引诱剂，则纳米机继续随机游走一个周期；
目标释放A引诱剂，各中继节点每次释放B1引诱剂、B2引诱剂、B3引诱剂中的一种；
中继节点通过检测引诱剂的种类来确定自身应该释放何种引诱剂，具体实现过程为：
若中继节点没有检测到任何一种引诱剂，那么中继节点继续随机移动；
若中继节点检测到A引诱剂时，停止移动并释放B1引诱剂；
若中继节点只检测到B1引诱剂，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点只检测到B2，停止移动并释放B3引诱剂；若中继节点只检测到B3引诱剂，停止移动并释放B1引诱剂；
若中继节点同时检测到B1和B2，停止移动并释放B1引诱剂；若中继节点同时检测到B2和B3，停止移动并释放B2引诱剂；若中继节点同时检测到B1和B3，停止移动并释放B3引诱剂；实现大于三跳中继的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，其特征在于，当有纳米机到达目标时，需要判断此时累计到达目标的纳米机数量是否大于或等于总纳米机数量的90％，若是则定分子向通信过程结束，否则剩余的纳米机继续寻找目标。
3.根据权利要求2所述的一种基于多引诱剂的中继定向分子通信方法，其特征在于，纳米机根据中继节点释放的引诱剂之间的相对优先级选择其中一个中继节点，并向其移动；具体实现过程为：
若纳米机检测到A引诱剂时，就向A引诱剂浓度高的方向进行移动；
若纳米机只检测到B1引诱剂、B2引诱剂、B3引诱剂中的一种时，就向检测到的引诱剂浓度高的方向移动；
若同时检测到B1引诱剂和B2引诱剂，则选择向B1引诱剂浓度高的方向进行移动；
若同时检测到B2和B3，则选择向B2引诱剂浓度高的方向进行移动；若同时检测到B1和B3，则选择向B3引诱剂浓度高的方向进行移动；
若同时检测到B1、B2和B3，则随机移动。
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