CN104393968B - 基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，包括以下步骤：第一步，分析链路成功下多播场景的时延，在二进制分子通信模型中，用传输不同的分子类型来代表比特0或1的发送，发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，对于单链路的两个纳米机器之间的传输，时延定义为接收方纳米机器收到至少一个分子平均需要的时间；第二步，分析单路径拓扑结构在链路成功下的时延；第三步，分析多路径拓扑结构在链路成功下的可时延；第四步，分析多播拓扑结构在链路成功下的时延。本发明提供一种有效解析时延、实用性良好的基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法。

Description

基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法

技术领域

本发明涉及生物技术、纳米技术、通信技术，是一种基于二进制分子通信模型的多播拓扑结构网络，尤其是多播时延确定方法。

背景技术

生物技术和纳米技术的快速发展为纳米级大小的纳米机器的制造铺平了道路。纳米机器被认为是纳米尺度上最基本的功能设备。纳米机器在医学和工业领域有较好的应用前景。然而，纳米机器在这些领域中应用的实现很容易受到纳米机器自身特点的约束，比如纳米机器较小的尺寸和未知的物理性质而导致纳米机器在应用中的不可控制性，不稳定性。这些问题可以通过纳米机器之间纳米级通信的协调来解决，从而形成了纳米机器之间的网络称为纳米网络。纳米网络能协调不同的纳米机器通过合作的方式信息共享，从而能够在更大的范围内完成复杂的任务。

分子通信是纳米机器之间一种新型的通信方式，是一种以生物化学分子作为信息载体，通过分子在生物环境中扩散进行相互通信，用于纳米机器以组成分布式纳米网络的通信技术。信息的载体分子被称为信息分子。分子通信的基本通信过程包括信息的编码、发送、传输、接收和解码五个步骤。在分子通信***中，由信息的发送方纳米机器生成能够被接收方纳米机器识别并接收的信息分子，并基于信息分子的物理或化学特性编码信息。发送方纳米机器释放的信息分子通过流体(液体或气体)介质被传输到接收方纳米机器后，由接收方纳米机器接收并以特定的方式解码信息。

分子通信具有诸多良好特性，比如特定类型的信息分子可以承载大量信息，可使纳米机器能够直接与生物***中的各种原生组件进行相互作用，具有生物兼容性；此外，分子通信***还可以从环境中的化学反应中获取充足的能量，以支持信息传输。分子通信由于不受收发器的体积和能耗等因素的制约，并且适用于许多特定的应用环境中(例如人体内)，因此学术界普遍认为基于生物启发的分子通信是实现纳米网络最可行的通信技术之一。

发明内容

为了克服已有多播拓扑结构网络的无法有效确定时延的不足，本发明提供一种有效解析时延、实用性良好的基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，所述可靠性确定方法包括如下步骤：

第一步，分析单链路拓扑结构在链路成功下的时延

在二进制分子通信模型中，用传输不同的分子类型来代表比特0或1的发送，发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：

其中，d为发送方纳米机器与接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数；

该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)为：

对于单链路的两个纳米机器之间的传输，链路的可靠性定义为接收方纳米机器收到至少一个分子的概率，用β_ij表示，由下述公式计算：

β_ij＝1-(1-F(τ))^nN

其中，N为发送方纳米机器在每个time slot(即时隙)释放分子的个数，T为传输时间，把T分成n个时隙，即为T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间；

在单链路传输中，时延定义为接收方纳米机器收到至少一个分子平均需要的时间，用E[T_d]表示；对于距离为d的单链路所需的传输时间为mτ，其中，m为满足以下公式中不等式的最小值，即为至少收到一个分子所在的最小time slot对应的时间

其中，β_ij为对应该链路的可靠性；

第二步，分析单路径拓扑结构在链路成功下的可靠性和时延特性

对于单路径拓扑结构，单路径的可靠性为保证每条链路是可靠的情况下的概率，计算公式为：

其中，r_s为单路径所包含每一条链路的可靠性值的集合；

对于单路径拓扑结构，单路径的时延即为每条链路传输所需时延的和，用E[T_s]表示，计算公式为：

其中，T_s为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延；

第三步，分析多路径拓扑结构在链路成功下的时延

对于多路径拓扑结构的可靠性，即为要求至少有一条路径是可靠的，时延定义为接收方纳米机器至少收到一个分子所需的时间，假设分子是从相同的发送方纳米机器发送的，经过m条路径s₁，s₂，…，s_m达到相同的接收方纳米机器，则此时多路径拓扑结构的可靠性，用表示，计算公式为：

其中，为路径s_i的可靠性；

多路径拓扑结构的时延，用表示，计算公式为：

其中，为路径s_i所需时延；

第四步，分析多播拓扑结构在链路成功下的时延

从相同的发送方纳米机器TN到不同的p个接收方纳米机器RN1，RN2，…，RNp的时延分别为E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]，E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]按照第三步的计算公式求出，此多播拓扑结构下的时延用E[T_Multicast]表示，计算公式分别为：

E[T_Multicast]＝max{E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]}。

进一步，所述第一步中，对于单链路重传机制下的可靠性用β_ij′表示，计算公式为：

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，β_ij为成功传输单链路的可靠性。

对于单链路重传机制下的时延，用E[T_d]′表示，计算公式为：

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，E[T_d]为成功传输单链路的时延，T_ack为设置的超时时间。

再进一步，所述第二步中，对于单路径重传机制下的可靠性，用β_s′表示，计算公式为：

其中，β_ij′为单链路重传机制下的可靠性，r_s′为单路径在链路传输失败情形下所包含每一条链路的可靠性值的集合。

对于单路径重传机制下的时延，用E[T_s]′表示，计算公式为：

其中，T_s′为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延。

本发明的技术构思为：本发明充分结合分子通信的生物兼容性，低速率，传输范围有限性，较高的丢失率等特点，主要开发可用于纳米网络的以分子通信为基础的可靠高效数据通信技术。

在二进制分子通信模型中，用传输不同的分子类型来代表0或1的发送。由于在分子通信过程中，发送方纳米机器释放的分子在流体中进行扩散传输，导致分子到达接收方纳米机器有较高的不可靠性并且容易遭受较长的时延，同时考虑分子通信网络拓扑结构对可靠性和时延有重要的影响。因此，如何保证二进制分子通信模型在多播场景中信息传输是可靠的前提下，减少传输时延是需要进一步展开并深入研究的关键问题。

本发明的有益效果主要表现在：1、有效解析时延、实用性良好，基于二进制分子通信模型，分析出不同拓扑结构包括单链路，单路径，多路径以及多播场景中的可靠性和时延的解析表达式，以及在重传机制下的解析表达式。通过数学表达式分析出可靠性和时延随着参数纳米机器之间的距离，生物环境扩散系数，发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数，time slot的个数，以及每个time slot持续的时间变化所呈现出的变化趋势；2、基于二进制分子通信模型的停等式ARQ(Stop-wait Automatic Repeat reQuest)重传机制，通过控制最大重传次数，并确定接收方纳米机器回复确认信息(ACK)的分子个数，在最大限度上提高ACK分子被接收的概率，同时保证了传输的可靠性，减少了时间成本，也大大降低了复杂度。

附图说明

图1是单链路的拓扑结构。其中，TN为发送方纳米机器，RN为接收方纳米机器。

图2是单路径的拓扑结构，该路径由TN-A，A-B，B-RN三条链路构成。TN，RN分别为发送方纳米机器和接收方纳米机器，A，B为中间转发信息分子的纳米机器。

图3为多播的拓扑结构。TN为发送方纳米机器，RN1和RN2为接收方纳米机器。TN-A1-B1-RN1，TN-A2-B2-RN1，TN-A3-B3-RN2及TN-A4-B4-RN2为四条路径。

图4为基于二进制分子通信模型的可靠高效多播的设计方案的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，包括如下步骤：

为了分析基于二进制分子通信模型在多播拓扑结构下的时延情况，建立单链路，单路径及多路径的研究场景。

图1是单链路的拓扑结构。其中，TN为发送方纳米机器，RN为接收方纳米机器。

对于单链路的两个纳米机器之间的传输，链路的可靠性定义为接收方纳米机器至少收到一个分子的概率，用β_ij表示，用下述公式计算：

β_ij＝1-(1-F(τ))^nN

其中，N为发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数。这里，T为传输时间，把T分成n个时隙，即为T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间。

对于单链路的两个纳米机器之间的传输，时延定义为接收方纳米机器收到至少一个分子所需要的时间，用E[T_d]表示。对于距离为d的单链路所需的传输时间为mτ，其中，m为满足以下公式中不等式的最小值，即为至少收到一个分子所在最小的time slot对应的时间。

其中，β_ij为对应该链路的可靠性。

图2是单路径的拓扑结构，该路径由TN-A，A-B，B-RN三条链路构成。TN，RN分别为发送方纳米机器和接收方纳米机器，A，B为中间转发信息分子的纳米机器。

对于单路径拓扑结构，单路径的可靠性为保证每条链路是可靠的情况下的概率，计算公式为：

其中，r_s为单路径所包含每一条链路的可靠性值的集合。

对于单路径拓扑结构，单路径的时延即为每条链路传输所需时延的和，用E[T_s]表示，计算公式为：

其中，T_s为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延。

对于多路径拓扑结构的可靠性，即为要求至少有一条路径是可靠的，时延定义为接收方纳米机器至少收到一个分子所需的时间，假设分子是从相同的发送方纳米机器发送的，经过m条路径s₁，s₂，…，s_m达到相同的接收方纳米机器，则此时多路径拓扑结构的可靠性，用表示，计算公式为：

其中，为路径s_i的可靠性；

多路径拓扑结构的时延，用表示，计算公式为：

其中，为路径s_i所需时延；

图3为多播的拓扑结构。TN为发送方纳米机器，RN1和RN2为接收方纳米机器。TN-A1-B1-RN1，TN-A2-B2-RN1，TN-A3-B3-RN2及TN-A4-B4-RN2为四条路径，分别记为s₁，s₂，s₃，s₄。

假设分子是从相同的发送方纳米机器发送的，经过两条路径s₁，s₂达到相同的接收方纳米机器RN1，则对应的可靠性用表示，时延用表示，计算公式分别为：

其中，为路径s_i的可靠性。

其中，为路径s_i所需时延。

用相同的计算方法，从相同的发送方纳米机器发送的，经过两条路径s₃，s₄达到相同的接收方纳米机器RN2，则此时多路径拓扑结构的可靠性，用表示，计算公式为：

那么，基于图3的多播模型的时延计算公式为

图4为基于二进制分子通信模型的可靠高效多播方案的设计方案。

通过ARQ(Stop-wait Automatic Repeat reQuest)的重传机制，分析出基于二进制分子通信模型在单链路，单路径以及多路径中在该重传机制情形下的可靠性和时延的解析表达式，并在此基础上进行多播场景中可靠性和时延特性分析。保证接收方纳米机器接收的可靠性前提下，减少分子接收所需的平均时延，从而保证了该方案的可靠高效性。

对于单链路重传机制下的可靠性计算公式为：

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，β_ij为成功传输单链路的可靠性。

对于单链路重传机制下的时延，用E[T_d]′表示，计算公式为：

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，E[T_d]为单链路成功传输的时延，T_ack为设置的超时时间。

对于单路径重传机制下的可靠性，用β_s′表示，计算公式为：

其中，β_ij′为单链路重传机制下的可靠性，r_s′为单路径在链路传输失败情形下所包含每一条链路的可靠性值的集合。

对于单路径重传机制下的时延，用E[T_s]′表示，计算公式为：

其中，T_s′为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延。

Claims (3)

1.一种基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，其特征在于：所述多播时延确定方法包括如下步骤：

第一步，分析单链路拓扑结构在链路成功下的时延

在二进制分子通信模型中，用传输不同的分子类型来代表比特0或1的发送，发送方纳米机器释放分子后，分子在介质中以布朗形式运动，一个分子从发送方纳米机器到距离为d的接收方纳米机器所需时间t的概率密度分布函数f(t)为：

$f\left(t\right)=\frac{d}{\sqrt{4{\mathrm{\πDt}}^3}}{e}^{-\frac{d^2}{4Dt}},t>0$

其中，d为发送方纳米机器与接收方纳米机器之间的距离，D为生物环境扩散系数；

该概率密度分布函数对应的累积分布函数F(t)为：

$F\left(t\right)=1-Erf\left(\frac{d}{2\sqrt{Dt}}\right),t>0$

对于单链路的两个纳米机器之间的传输，链路的可靠性定义为接收方纳米机器收到至少一个分子的概率，用β_ij表示，由下述公式计算：

β_ij＝1-(1-F(τ))^nN

其中，N为发送方纳米机器在每个time slot释放分子的个数，T为传输时间，把T分成n个时隙，即为T＝nτ，n为time slot的个数，τ为每个time slot持续的时间；

在单链路传输中，时延定义为接收方纳米机器收到至少一个分子平均需要的时间，用E[T_d]表示；对于距离为d的单链路所需的传输时间为mτ，其中，m为满足以下公式中不等式的最小值，即为至少收到一个分子所在的最小time slot对应的时间

$E\[T_d\]=min\{m\mathrm{\τ}:\frac{1}{{\mathrm{\β}}_{ij}}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{(1-F(\mathrm{\τ}\left)\right)}^{N(k-1)}(1-{\left(1-F\left(\mathrm{\τ}\right)\right)}^N)\≥0.5,1\≤m\≤n\}$

其中，β_ij为对应该链路的可靠性；

第二步，分析单路径拓扑结构在链路成功下的时延

对于单路径拓扑结构，单路径的可靠性为保证每条链路是可靠的情况下的概率，计算公式为：

${\mathrm{\β}}_s=\underset{{\mathrm{\β}}_{ij}\∈r_s}{\Π}{\mathrm{\β}}_{ij}$

其中，r_s为单路径所包含每一条链路的可靠性值的集合；

对于单路径拓扑结构，单路径的时延即为每条链路传输所需时延的和，用E[T_s]表示，计算公式为：

$E\[T_s\]=\underset{E\[T_d\]\∈T_s}{\Σ}E\[T_d\]$

其中，T_s为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延；

第三步，分析多路径拓扑结构在链路成功下的时延

对于多路径拓扑结构的可靠性，即为要求至少有一条路径是可靠的，时延定义为接收方纳米机器至少收到一个分子所需的时间，假设分子是从相同的发送方纳米机器发送的，经过m条路径s₁，s₂，…，s_m达到相同的接收方纳米机器，则此时多路径拓扑结构的可靠性，用表示，计算公式为：

${\mathrm{\β}}_{s_{1,m}}=1-\underset{s_i\∈\{s_1,s_2,\mathrm{...},s_m\}}{\mathrm{\Π}}(1-{\mathrm{\β}}_{s_i})$

其中，为路径s_i的可靠性；

多路径拓扑结构的时延，用表示，计算公式为：

$E\[T_{s_{1,m}}\]=\frac{1}{\underset{s_i\∈\{s_1,s_2,\mathrm{...},s_m\}}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{s_i}}\underset{s_i\∈\{s_1,s_2,\mathrm{...},s_m\}}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{s_i}E\[T_{s_i}\]$

其中，为路径s_i所需时延；

第四步，分析多播拓扑结构在链路成功下的时延

从相同的发送方纳米机器TN到不同的p个接收方纳米机器RN1，RN2，…，RNp的时延分别为E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]，E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]按照第三步的计算公式求出，此多播拓扑结构下的时延用E[T_Multicast]表示，计算公式分别为：

E[T_Multicast]＝max{E[T_RN1],E[T_RN2],...,E[T_RNp]}。

2.如权利要求1所述的基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，其特征在于：所述第一步中，对于单链路重传机制下的可靠性用β_ij′表示，计算公式为：

${{\mathrm{\β}}_{ij}}^{\′}={\mathrm{\β}}_{ij}+(1-{\mathrm{\β}}_{ij}){\mathrm{\β}}_{ij}+{(1-{\mathrm{\β}}_{ij})}^2{\mathrm{\β}}_{ij}+\mathrm{...}+{(1-{\mathrm{\β}}_{ij})}^{f_{ij}}{\mathrm{\β}}_{ij}=\underset{m=0}{\overset{f_{ij}}{\Σ}}{(1-{\mathrm{\β}}_{ij})}^m{\mathrm{\β}}_{ij}$

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，β_ij为成功传输单链路的可靠性；

对于单链路重传机制下的时延，用E[T_d]′表示，计算公式为：

$E{\[T_d\]}^{\′}=2{{\mathrm{\β}}_{ij}}^{2}E\[T_d\]+\underset{m=0}{\overset{f_{ij}}{\Σ}}m{(1-{{\mathrm{\β}}_{ij}}^2)}^m{T}_{ack}$

其中，f_ij为单链路的最大重传次数，E[T_d]为成功传输单链路的时延，T_ack为设置的超时时间。

3.如权利要求2所述的基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法，其特征在于：所述第二步中，对于单路径重传机制下的可靠性，用β_s′表示，计算公式为：

${{\mathrm{\β}}_s}^{\′}=\underset{{{\mathrm{\β}}_{ij}}^{\′}\∈{r_s}^{\′}}{\Π}{{\mathrm{\β}}_{ij}}^{\′}$

其中，β_ij′为单链路重传机制下的可靠性，r_s′为单路径在链路传输失败情形下所包含每一条链路的可靠性值的集合；

对于单路径重传机制下的时延，用E[T_s]′表示，计算公式为：

$E{\[T_s\]}^{\′}=\underset{E\[T_d\]\∈{T_s}^{\′}}{\Σ}E\[T_d\]$

其中，T_s′为单路径所包含每一条链路的集合，E[T_d]为单路径所包含每一条链路的时延。