基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于二进制分子通信模型的多播时延确定方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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，t匕 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。
[0003] 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。在分子通信系统中，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。
[0004] 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系统中的各种原生组件进行相互作用，具有生物兼容性；此外，分 子通信系统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 O
【发明内容】
[0005] 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。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -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：
[0008] 第一步，分析单链路拓扑结构在链路成功下的时延
[0009] 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：
【权利要求】
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O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 u表示，由下述公式计算： β ij = 1-(1~F( τ ))1^ 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 η个时隙，即为Τ = ητ,η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 [Td]表示；对于距离为d的单链路所需的传输时间为m τ，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 u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：
其中，rs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[TS]表示， 计算公式为：
其中，Ts为单路径所包含每一条链路的集合，E[Td]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，…，Sni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Si的可靠性； 多路径拓扑结构的时延，用可U表示，计算公式为：
其中，ΔΡ:,]为路径Si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 [TKN1]，E [TKN2]，…，E [TKNp]，E [TKN1]，E [TKN2]，…，E [TsJ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[TMultiMSt]表示，计算公式分别为： E [Tiuiticast] - max {E [TRN1]，E [TRN2]，· · ·，E [TRNp]}。
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Pi/表示，计算公式为：
其中，为单链路的最大重传次数，β u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[Td]'表示，计算公式为：
其中，t为单链路的最大重传次数，E[Td]为成功传输单链路的时延，Tadt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 ^表示，计算公式为：
其中，/为单链路重传机制下的可靠性，rs'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[TS]'表示，计算公式为：
其中，V为单路径所包含每一条链路的集合，E[Td]为单路径所包含每一条链路的时 延。
【文档编号】H04L1/16GK104393968SQ201410557226
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】程珍, 池凯凯, 李燕君, 朱艺华, 田贤忠 申请人:浙江工业大学