基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法

1.本发明涉及分子通信技术领域，具体涉及一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法。


背景技术：

2.分子通信是近十多年来新兴的一种通信形式。具体而言，它是一种利用信息粒子的特性来传递信息的通信方式。作为源于自然界化学信号传输的通信技术,分子通信不但可以解决传统通信场景中遇到的传输问题,也可以用于探究生物工程及纳米医学领域的问题。
3.在分子通信中，扩散分子通信已被公认为最实用的信息传输方式之一。在扩散型分子通信中，分子主要依靠扩散定律(例如布朗运动)在通道上传播。分子扩散的长延迟引起的符号间干扰对扩散分子通信系统的信息传输可靠性而言是一个很大的挑战。符号间干扰的存在会对后续的信号恢复产生不利影响，进一步导致错误传播。目前，针对符号间干扰提出的解决方案有很多，主要分为以下三种：1)基于调制类型设计；2)基于均衡方法设计；3)基于信道设计。毫无疑问，上述方法在对抗符号间干扰中都取得了显著的效果。然而，值得注意的是，它们所带来的系统复杂度无法忽略，这与分子通信系统所要求的简单有所违背。
4.在此背景下，一种简便而有效的抗符号间干扰的方式得以提出。具体而言，通过改变接收端的检测时隙而避免长延迟带来的符号间干扰。但目前该类型方法中缺乏对检测时隙全范围内符号间干扰的对抗，此外最优的检测时隙的提出经由仿真实验而得出，不具有工程上的通用性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法，该方法针对扩散型分子通信系统，设计一个可以由解析解推导出的最优检测时隙窗口。该方法根据所研究的通信系统及相应的系统参数，提出了具体的传输可靠性性能衡量指标；基于该指标，通过所考虑的不同长度的符号间干扰以及发射端功率，推导出相应的最优检测时隙窗口。该方法在时域上简单有效的避免符号间干扰，提高扩散型分子通信系统的传输可靠性。
6.本发明中所考虑的扩散型分子通信系统的基本参数设置如下：假定收发端位于无边界的三维空间中，发射机可视为质点，其与接收机表面最近端点相距d，接收机为半径为r的球形接收机。发射端采用键控调制方式，传输比特“0”时不释放信息分子，而传输比特“1”时则瞬时释放个分子。相应的接收机具有识别并吸收/记数在检测时隙内经过其内部的信息分子数量的能力，此外判决时将采用能量判决。
7.本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
8.一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法，用于扩散型分子
通信系统的接收端以对抗信号传输过程中可能遭受的强符号间干扰，该扩散型分子通信系统的基本参数设置如下：假定收发端位于无边界的三维空间中，发射机视为质点，与接收机表面最近端点相距d，接收机为半径为r的球形接收机，发射机采用键控调制方式，传输比特“0”时不释放信息分子，而传输比特“1”时则瞬时释放个分子，相应的接收机具有识别并吸收信息分子的能力，此外判决时将采用能量判决，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
9.s1、针对所考虑的扩散型分子通信系统，建立接收信号表达式；
10.s2、推导相应误比特率表达式；
11.s3、构造基于误比特率的最优检测时间窗口的目标函数；
12.s4、构造新的性能指标函数用以衡量可变检测窗口时的信息传输性能；
13.s5、基于该性能指标函数重构目标函数；
14.s6、基于性能指标函数的变体，将重构目标函数进行近似简化；
15.s7、导出不同功率强度和不同干扰强度下最优检测时间窗口的解析解。
16.进一步地，本发明中考虑配备主动型接收机的扩散型分子通信系统，此时，接收信号表达式如下：
17.其中yi为第i，i＝1,2,
…
个符号时间内接收端所吸收的信息分子数目，min{
·
,
·
}函数返回给定参数表中的最小值，l为所考虑的符号间干扰长度，x
i-k
为第i-k个符号时间内传输的信息比特，其中k＝0,1,
…
,l同时满足i＞k，为高斯分布，表示由主动型接收机在第k 1个检测窗口内吸收在第1个符号时隙发送的信息分子的概率，表达式如下
[0018][0019]
其中t1与t2分别代表检测窗口的起始与结束时间，ts代表传输的符号时间长度，而h(t)为信道响应函数，表示为
[0020][0021]
其中d为信息分子的扩散系数，t为时间变量，exp(
·
)代表指数函数。
[0022]
进一步地，针对目标通信系统，误比特率pe表示如下：
[0023][0024]
其中，x
l
＝{x
i-l
,
…
,x
i-2
,x
i-1
}为以第i个符号时间为起点的过去l个时隙所传输的信息比特，x
i-1
、x
i-2
与x
i-l
分别为第i-1、i-2与i-l个符号时间内传输的信息比特，其中i＞l；此外，为x
l
的2
l
种可能取值且ξ为接收端恢复信号时的判决阈值，q(
·
)为高斯函数，μf(x
l
)与σf(x
l
)分别对应上述高斯分布中的均值与方差，其中f＝0对应着xi＝0，f＝1对应着xi＝1，xi为第i个传输时隙下所传输的信息比特。
[0025]
进一步地，为最大化目标通信系统的传输可靠性，最优检测窗口获取方式如下：
其中[t1,t2]
*
是最优的检测时隙窗口。
[0026]
进一步地，鉴于误比特率表达式过于复杂，所述步骤s4中提出性能指标修正型信干噪比msinar和修正型信干噪差msid用以衡量可变检测窗口时的信息传输性能，其中，msinar计算公式如下：
[0027][0028]
其中表示由主动型接收机在第1个检测窗口内吸收在第1个符号时隙发送的信息分子的概率，msinar有效取值区间为(0,1]，当msinar≥1均视为msinar＝1；msid计算公式如下：
[0029][0030]
进一步地，结合最小化误比特率而获取的最优检测窗口与msina的定义，所述步骤s5中重构目标函数如下：
[0031][0032]
其中指的是当msinar＝1时发射端所对应的发射分子数量，将重构目标函数的优化问题根据发送功率的范围拆分为两部分分别推导最优检测窗口。
[0033]
进一步地，基于所提出的修正型信干噪差msid对步骤s5中的重构目标函数进行简化。此时，所述步骤s6过程如下：首先，针对区间内的优化目标，直接忽略由发送功率主导的噪声的影响，从而使得该区间内的优化目标转化为如下
[0034][0035]
因此最优检测时隙窗口由
[0036]
[0037]
得以确定，其中j＝1,2代表最优检测时隙的起止位置，具体而言与分别代表最优检测时隙窗口的起始与结束位置；而针对区间内的优化目标，转化为msid的表达形式
[0038][0039]
其中令且以消除根号引入的计算复杂度，
[0040][0041][0042]
该优化目标转化为
[0043][0044]
为确保在msid使用场景下，上述等式存在可行解，求解时将进行逐步放大使得msid＞0存在，即为在msid使用时对应的发送端所传送的分子数量，因此最优检测时隙起止位置由下式确定：
[0045][0046]
进一步地，求解在不同功率强度和不同干扰强度下最优检测时间窗口的解析解。根据步骤s6所述，对于不同的发射功率最优检测时隙窗口可统一为下式
[0047][0048]
其中当符号间干扰较轻时，存在对于t2∈[0,ts]，永远成立，那么此时
[0049]
受限于h(t)复杂的表达形式，将等式(a)拆分为符号间干扰长度为l＝1与l＞1分别进行推导即可，当l＝1时，最优检测时隙窗口解为
[0050]
[0051]
其中
[0052]
当l＞1，首先使用最强的符号间干扰来近似剩余符号间干扰，即
[0053][0054]
其中j＝1,2代表近似的最优检测时隙的起止位置，具体而言与分别代表近似的最优检测时隙窗口的起始与结束位置；当时，由l＝1时的最优检测起始位置确定，而t
max
代表信道响应函数h(t)达到峰值点的时间；当时，由区域内所推导的确定，而指代的是时所推导的进一步将等式(c)代入等式(a)，此时最优时隙检测窗口直接进行求解。
[0055]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0056]
1)本发明提出了关于可变检测窗口时衡量扩散型分子通信系统的可靠性能指标。相较于其他性能指标而言，所提指标可以与扩散型分子通信系统在不同发送功率场景下的性能变化趋势完美吻合。此外，也揭示了最优检测时隙窗口与发送功率的动态变化关系和收敛性。
[0057]
2)基于所提技术指标，本发明进一步明确了如何获取一个通用型的最优检测时隙窗口并推导出了相应解析解。为工程使用以及实现提供了可能性。相较于未采用最优检测时隙窗口的方案而言，本发明可实现在相同配置条件下更准确的信息传输，误符号率大幅度降低，抗符号间干扰性能得到了有效的保证。
附图说明
[0058]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0059]
图1是本发明中所考虑的扩散型分子通信系统的模型图；
[0060]
图2是本发明实施例中公开的一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计方法的流程图；
[0061]
图3是本发明实施例中由最小化误比特率穷举搜索得到的最优检测时间窗口与本发明中所提性能指标msinar穷举搜索得到的最优检测时间窗口的起始时间对比仿真图；
[0062]
图4是本发明实施例中由最小化误比特率穷举搜索得到的最优检测时间窗口与本发明中所提性能指标msinar穷举搜索得到的最优检测时间窗口的截止时间对比仿真图；
[0063]
图5是本发明实施例中由msinar穷举搜索得到的最优检测时间窗口与本发明中所推导的理论最优时间检测窗口在传输性能上的对比仿真图，其中符号时隙为ts＝0.2s；
[0064]
图6是本发明实施例中几种采用/未采用其他准则下的检测窗口的通信系统与采用由本发明所提的最优时间检测窗口的通信系统在传输性能上的对比仿真图，其中符号时隙为ts＝0.2s。
[0065]
图7是本发明实施例中由msinar穷举搜索得到的最优检测时间窗口与本发明中所推导的理论最优时间检测窗口在传输性能上的对比仿真图，其中符号时隙为ts＝0.3s；
[0066]
图8是本发明实施例中几种采用/未采用其他准则下的检测窗口的通信系统与采用由本发明所提的最优时间检测窗口的通信系统在传输性能上的对比仿真图，其中符号时隙为ts＝0.3s。
具体实施方式
[0067]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0068]
实施例1
[0069]
图1是本发明实施例中所考虑的扩散型分子通信系统系统模型图。如图1所示，本发明的应用场景包括一个发射端以及接收端，其基本参数设置如下：假定收发端位于无边界的三维空间中，发射机可视为质点，其与接收机表面最近端点相距d，接收机为半径为r的球形接收机。发射端采用键控调制方式，传输比特“0”时不释放信息分子，而传输比特“1”时则瞬时释放个分子。其中信息分子的扩散系数设为d。相应的接收机具有识别并吸收/记数在检测时隙内经过其内部的信息分子数量的能力，此外判决时将采用能量判决。图2是本实施例中一种基于扩散型分子通信系统的最优检测窗口设计方法的流程图。如图2所示，该方法是针对于分子通信系统接收端存在的符号间干扰而设计的对抗算法。下面结合图1与图2，具体说明实施该调制方法的流程步骤：
[0070]
步骤s1、针对所考虑的扩散型分子通信系统，本发明仅考虑主动型接收机。针对于配备主动型接收机的扩散型分子通信系统，接收信号表达式如下：
[0071][0072]
其中yi为第i，i＝1,2,
…
个符号时间内接收端所吸收的信息分子数目，min{
·
,
·
}函数返回给定参数表中的最小值，l为所考虑的符号间干扰长度，x
i-k
为第i-k个符号时间内传输的信息比特，其中k＝0,1,
…
,l同时满足i＞k，为高斯分布，表示由主动型接收机在第k 1个检测窗口内吸收在第1个符号时隙发送的信息分子的概率，表达式如下
[0073][0074]
其中t1与t2分别代表检测窗口的起始与结束时间，ts代表传输的符号时间长度，而h(t)为信道响应函数，表示为
[0075][0076]
其中d为信息分子的扩散系数，t为时间变量，exp(
·
)代表指数函数。
[0077]
步骤s2、误比特率pe表示如下：
[0078][0079]
其中，x
l
＝{x
i-l
,
…
,x
i-2
,x
i-1
}为以第i个符号时间为起点的过去l个时隙所传输的信息比特，x
i-1
、x
i-2
与x
i-l
分别为第i-1、i-2与i-l个符号时间内传输的信息比特，其中i＞l；此外，为x
l
的2
l
种可能取值且ξ为接收端恢复信号时的判决阈值，q(
·
)为高斯函数，μf(x
l
)与σf(x
l
)分别对应上述高斯分布中的均值与方差，其中f＝0对应着xi＝0，f＝1对应着xi＝1，xi为第i个传输时隙下所传输的信息比特。
[0080]
步骤s3、最优检测窗口获取方式如下：
[0081][0082]
其中[t1,t2]
*
是最优的检测时隙窗口。
[0083]
步骤s4、提出性能指标修正型信干噪比msinar和修正型信干噪差msid用以衡量可变检测窗口时的信息传输性能，其中，msinar计算公式如下：
[0084][0085]
其中表示由主动型接收机在第1个检测窗口内吸收在第1个符号时隙发送的信息分子的概率，msinar有效取值区间为(0,1]，当msinar≥1均视为msinar＝1；msid计算公式如下：
[0086][0087]
步骤s5、重构目标函数如下：
[0088][0089]
其中指的是当msinar＝1时发射端所对应的发射分子数量，将上述优化问题根据发送功率的范围拆分为两部分分别推导最优检测窗口。
[0090]
步骤s6、首先，针对区间内的优化目标，直接忽略由发送功率主导的噪声的影响，从而使得该区间内的优化目标转化为如下
[0091][0092]
因此最优检测时隙窗口由
[0093][0094]
得以确定，其中j＝1,2代表最优检测时隙的起止位置，具体而言与分别代表最优检测时隙窗口的起始与结束位置；而针对区间内的优化目标，将其转化为msid的表达形式
[0095][0096]
其中令且以消除根号引入的计算复杂度，
[0097][0098][0099]
该优化目标转化为：
[0100][0101]
为确保在msid使用场景下，上述等式存在可行解，求解时将进行逐步放大使得msid＞0存在，即为在msid使用时对应的发送端所传送的分子数量，因此最优检测时隙起止位置可由下式确定：
[0102][0103]
步骤s7、求解最优检测时间窗口，对于不同的发射功率最优检测时隙窗口均统一为下式
[0104][0105]
其中当符号间干扰较轻时，存在对于t2∈[0,ts]，
永远成立，那么此时
[0106]
受限于h(t)复杂的表达形式，将等式(a)拆分为符号间干扰长度为l＝1与l＞1分别进行推导即可，当l＝1时，最优检测时隙窗口解为
[0107][0108]
其中
[0109]
当l＞1，首先使用最强的符号间干扰来近似剩余符号间干扰，即
[0110][0111]
其中j＝1,2代表近似的最优检测时隙的起止位置，具体而言与分别代表近似的最优检测时隙窗口的起始与结束位置；当时，由l＝1时的最优检测起始位置确定，而t
max
代表信道响应函数h(t)达到峰值点的时间；当时，由区域内所推导的确定，而指代的是时所推导的进一步将等式(c)代入等式(a)，此时最优时隙检测窗口直接进行求解。
[0112]
本发明是基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计，用以对抗该通信场景下由长时延而引入的符号间干扰。相对于其他现行的符号间干扰消除技术而言，本方法计算复杂度显著降低且不需要引入额外的辅助信道特征，只需在接收端添加一个检测窗口即可。这符合了分子通信系统内在的低复杂度要求，为其工程实践中符号间干扰消除提供了可行解。且该发明不局限于扩散型分子通信系统，也可用于广泛适用于其他类型分子通信系统，只需根据实际场景变换推导过程中涉及的系统参数即可。相较于未采用最优检测时隙窗口的方案而言，本发明可实现在相同配置条件下更准确的信息传输，误符号率大幅度降低，抗符号间干扰性能得到了有效的保证。此外，msinar性能指标的提出也弥补了检测时隙可变场景下分子通信系统已有性能指标的不准确性，同时揭示了最优检测时间窗口的收敛性，进一步为工程使用以及实现提供了可能性。
[0113]
通过matlab工具搭建的基于扩散型分子通信信息传输系统，用以研究本发明中所设计的最优检测时间窗口的性能。仿真中将选择由最小化误比特率穷举搜索得到的最优检测时间窗口与本发明中所提性能指标msinar穷举搜索/理论推导得到的最优检测时间窗口作为对比。在传输性能上，将采用未使用特殊检测窗口，采用移位算法，采用由sid/sinar穷举搜索得到的最优检测窗口的分子通信系统与本发明中所设计的采用msinar穷举搜索得到的最优检测时间窗口的分子通信系统作为对比。
[0114]
图3与图4中分子通信系统参数如下：r＝5μm，d＝5μm，d＝80
×
10-12
m2/s，ts＝0.2s，l＝4,5,6,8。从图3可以发现，随着发送功率的不断变大，由msinar所得到的最优检测时间窗口逐渐与最小化误比特率得到的最优检测时间窗口渐近吻合。这一点对于不同强度的符
号间干扰均成立。验证了本发明中最优检测窗口设计以及所提性能指标msinar的准确性。
[0115]
图5中分子通信系统参数如下：r＝5μm，d＝5μm，d＝80
×
10-12
m2/s，ts＝0.2s，l＝1,3,5,6,8,10。从图5可以发现，采用本发明中由msinar推导的理论最优检测窗口的误比特率曲线与采用由最小化误比特率穷举搜索得到的最优检测窗口的误比特率曲线、采用本发明中由msinar穷举搜索的最优检测窗口的误比特率曲线是几乎完美吻合的。进一步验证了本发明中最优检测窗口解析解的有效性。
[0116]
图6中分子通信系统参数如下：r＝5μm，d＝5μm，d＝80
×
10-12
m2/s，ts＝0.2s，l＝1,5,10，其中几种不同检测窗口与本发明所设计的最优检测窗口的性能比较如图所示。可以看到，除l＝1外，本发明中的最优检测窗口在所有考虑的方案中取得几乎最好的性能。特别的，与未采用检测窗口的方案比对，可以发现传输可靠性大幅度提升，验证了本发明中所设计方法的强抗符号间干扰的能力，且性能增益随着符号间干扰加强而愈发明显。本发明中设计的最优检测窗口与由sid/sinar搜索得到的检测窗口相对比而言，可以发现后两者主导的检测窗口在传输性能上表现不够稳定，时好时坏。最后与已有的移位算法(该算法中检测窗口长度不变但起始位置向后延迟一段时间以避开部分符号间干扰)相对比，除l＝1外，该算法的性能与本发明所提方案性能有明显差距。这是因为，当l＝1时，移位算法的检测窗口顺延到下一个符号时隙，而该部分时隙中当前所传信号占据主导，因此传输性能有可能提升；而当l不断增大，该部分时隙中当前传输信号失去优势反而引入额外干扰，因此性能降低。
[0117]
实施例2
[0118]
基于上述实施例1公开的一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法，本实施例继续公开一种基于扩散型分子通信系统的最优检测时间窗口设计的方法，具体实施步骤以实施例1中步骤为基础，不同步骤具体如下：
[0119]
步骤s1：更换所考虑的扩散型分子通信系统符号时隙为ts＝0.3s，且符号间干扰长度为l∈{1,2,3,5,8}。
[0120]
图7中分子通信系统参数如下：r＝5μm，d＝5μm，d＝80
×
10-12
m2/s，ts＝0.3s，l＝1,2,3,5,8。对比图5与图7，可发现随着符号时间增加，由msinar推导的理论最优检测窗口与穷举搜索的最优检测窗口的误比特率曲线仍然与采用由最小化误比特率穷举搜索得到的最优检测窗口的误比特率曲线仍然较为吻合。但是，与图5中几乎完美吻合的曲线相比较，图7中将存在一定的差距，这是因为在符号时间较大时，符号间干扰强度较小，进而减慢了msinar的收敛速度。
[0121]
图8中分子通信系统参数如下：r＝5μm，d＝5μm，d＝80
×
10-12
m2/s，ts＝0.3s，l＝1,3,8。对比图6与图8可以发现，尽管符号时间有所不同，但图8描述了与图6类似的结果，即本发明中的最优检测窗口在所有考虑的方案中取得几乎最好的性能。此外，由于图8中符号时间增加，符号间干扰变小，因此本发明中的最优检测窗口所带来的误比特率性能增益相较于图6有所下降。
[0122]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。