基于漂移扩散的分子通信可靠性研究

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随着纳米技术的快速发展,它在生物医学、环境工程、工业制造、军事和通信领域有着广泛的应用背景。在纳米尺度下,纳米机器(Nanomachine,简称纳米机)是最基本的功能单元。纳米机是一种人造的或自然存在的实体。但是由于单个纳米机所能完成的任务和空间范围非常的有限,为了使这些纳米机能够在更大的范围下完成更加复杂的任务,需要将这些单个纳米机相互连接组成纳米网络进行任务协同和信息共享。目前主要有四种方法来实现纳米机之间的通信,它们分别是纳米力学通信[1]、声通信、电磁通信、分子通信(Molecular Communication,MC)。在这四种通信方式中,研究者们发现分子通信是最有可能实现纳米机之间通信的一种方式。分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体的通信技术,它可以使用生物信息分子或离子等载体来编码不同的信息用于传播。但是,由于各种符号分子之间容易相互干扰且分子具有随机游走的特点,导致分子通信的可控性与可靠性较低。因此,分子通信的可靠性研究已经成为分子通信领域的一个重要研究方向。然而现有分子通信的可靠性研究主要涉及自由扩散信道下分子通信的可靠性分析,并没有考虑到介质的漂移速度对分子通信可靠性的影响。本文在引入介质漂移速度的前提下,提出了一种基于漂移扩散下分子通信的可靠性模型。此外,针对信道记忆性造成的内部符号干扰(Internal Symbol Interference,ISI),使得单链路下分子通信的可靠性降低,又提出了一种增量检测算法来提高分子通信的可靠性。论文的研究工作主要由以下三部分构成:(1)结合现有的分子通信可靠性研究,本文在引入介质漂移速度的前提下,提出了一种基于漂移扩散下分子通信的可靠性模型。在传输失败的情况下,使用重传机制确保信息的可靠传输。此外,通过数值分析得到了不同的可靠性模型参数对漂移扩散下分子通信可靠性的影响。实验结果表明,随着漂移速度、扩散系数、时隙长度的增大,扩散距离的减小,单链路下分子通信的可靠性得到提高,这为未来建立可靠的分子通信链路提供了理论指导。(2)在漂移扩散分子通信信道下,用误码率作为可靠性度量的指标。误码率越小,链路的可靠性效果越好。同时,在基于信道扩散噪声和ISI噪声的前提下,本文给出了单链路下信道误码率pe的计算表达式,为后续如何降低误码率提供理论支撑。(3)针对信道记忆性造成的内部符号干扰,使得接收方纳米机解码信息时容易产生较高的误码率,提出了一种漂移扩散下分子通信的增量检测算法。首先,分析了不同的参数对误码率的影响;其次,在不同的时隙长度下,将使用增量检测算法后信道的误码率和未使用增量检测算法两者之间的误码率进行了对比分析;最后,对使用增量检测算法和基于固定阈值的解调方法后信道误码率的大小进行了比较。实验结果表明,在使用增量检测算法后,信道的误码率明显降低,同时发现增量检测算法在降低误码率性能方面优于固定阈值解调方法。
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