一种DNA分子通信方法

一种dna分子通信方法
技术领域
1.本发明属于dna分子通信领域，特别涉及一种dna分子多维信息编码技术。


背景技术：

2.dna具有多种信息表达形式，例如：碱基对序列、分子长度、浓度等，在dna分子通信中，通常只使用dna分子的一维信息表达形式来传递信息，基于单维信息的dna分子信息编码方式过于简单，效率较低，不能很好地体现dna分子高密度信息存储的优势。得益于纳米孔技术的发展，接收端不仅可以检测当前通过纳米孔结构的dna分子的链长度，假设每个纳米孔之间工作相互独立，可以通过每个时隙中纳米孔的活跃数目来判断当前附近的dna分子浓度，多维信息编码方式可以很好地提高dna分子的信息传输效率。但是多维信息编码机制同样存在许多需要解决的问题，比如在长度信息解码过程中如何降低纳米孔的识别误差，以及在浓度解码过程中，如何有效降低码间干扰等，这些都是研究多维信息编码机制的重要课题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出一种dna分子通信方法，接收端采用纳米孔结构，纳米孔表面带电，根据dna分子通过纳米孔时，电流阻断时间，得到dna分子的长度信息，并根据纳米孔活跃状态判断接收端附近的dna分子浓度。
4.本发明采用的技术方案为：一种dna分子通信方法，通信系统包括：发送端、接收端，发送段发送的dna分子通过体液扩散到接收端；
5.所述发送端每个时隙发送两比特信息，前一比特为长度信息，后一比特为浓度信息；
6.接收端采用多个纳米孔复用组成的纳米孔结构，每个纳米孔直径设计为刚好使一个dna分子解旋通过；每个纳米孔表面带电，当dna分子通过某个纳米孔时，使得该纳米孔表面电流阻断，阻断时间与通过的dna分子长度成正比，接收端根据电流阻断时间得到dna分子长度，每个纳米孔相互独立，根据纳米孔活跃状态得到接收端附近的dna分子浓度。
7.每个时隙当需要发送的前一比特信息为“1”时，则发送长链dna分子，当需要发送的前一比特信息为“0”时，则发送短链dna分子。
8.还包括计算最优长链dna分子与短链dna分子的组合，具体的：两种长度的dna分子在通过纳米孔时会形成部分交叠，通过对两种长度dna分子时间分布的曲线交叠部分进行积分，得到不同长短链长度组合情况下，长度识别的具体误码率大小，通过求解出最优误码率的长度配对；再计算该误码率与所用dna分子长度的配比，得到系统性能最优的长度配对。
9.当每个时隙需要发送的后一比特信息为“1”时，则发送端发送2a个dna分子，当每个时隙需要发送的后一比特信息为“0”时，则发送端发送a个dna分子。
10.接收端根据电流阻断时间得到dna分子长度，具体实现过程为：
11.dna分子通过纳米孔产生的阻断时间大于长度判决的门限值，则判决为长度信息比特为“1”，反之为“0”。
12.所述长度判决的门限值根据系统性能最优的长度配对的两种长度的dna分子时间分布的曲线的交点确定。
13.接收端得到接收端附近的dna分子浓度的具体过程为：
14.若时隙内计算得到的纳米孔活跃数目大于浓度判决门限，则浓度对应的比特为“1”，反之为“0”。
15.还包括对接收端判决门限进行自适应调整，具体调整过程为：
16.a1、系统时隙、传输距离固定，从而计算得出单个dna分子在接收端的到达概率；
17.a2、在前两个时隙，接收端维持一个初始判决门限值v
init
，v
init
由“0”、“1”比特下接收端接收到的分子数目均值取得；
18.a3、当第三个时隙后，接收端考虑当前时隙的前两个时隙的解码情况对于当前时隙信息的解码影响，同时，接收端维持一个浓度门限判决门限调整单位th，th的具体取值与分子扩散系统的距离与时隙长度有关；
19.若当前时隙倒数的第二个时隙的信息为“1”时，则v
init
向上调整2个th，反之，v
init
向上调整1个th；若当前时隙倒数的第一个时隙的信息为“1”时，v
init
向上调整4个th，反之，v
init
向上调整2个th；
20.a4、根据单个dna分子在接收端的到达概率，计算每个时隙的接收端实际到达的dna分子数n
rep
；
21.a5、若每个时隙的实际到达dna分子数n
rep
》v
th
，则判定当前时隙的浓度信息比特为“1”，反之则判定浓度信息比特为“0”，v
th
表示当前时隙对应的浓度判决门限。
22.还包括：当系统重新运行，或者暂停超过3个时隙后，接收端的浓度判决门限维持初始值v
init
。
23.本发明的有益效果：本发明的方法采用dna多维信息编码系统的编解码方案，通过采用dna链分子的两种信息表达方式，在单个时隙下，系统能够携载传输的信息比特是单维信息编码情况下的两倍；实际分别考虑dna分子长度解码和浓度解码的误码率，带入系统信道容量分析。不仅提高了系统信息传输容量性能，也考虑系统需要消耗的最短dna链分子组合与纳米孔时间占用资源，为系统的实际部署提供可靠性保障。
附图说明
24.图1为本发明实施例的流程图。
25.图2为本发明设计的dna长度信息编码机制的系统图。
26.图3为本发明设计的dna浓度信息编码机制的系统图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。如图1所示，具体包括以下步骤：
28.s1、发送端采用纳米机，纳米机内置包含两种不同长度dna分子的储存池，且发送端可以控制dna分子在固定时刻定量释放。在需要传输信息时，发送端将需要传输的信息以
两比特为单位进行传输，每个时隙发送两比特信息，前一个比特信息代表的是长度信息，后一个比特信息代表是浓度信息，每个时隙发送端根据当前时隙信息发送特定种类及特定数量的dna分子。
29.发送端采用的纳米机全称纳米机器人是已有技术，发送端是一个意向符号，具体的技术实现细节不是本技术的研究重点，具体参考文献“transmitter and receiver architectures for molecular communications:a survey on physical design with modulation,coding,and detection technique”，里面详细介绍了纳米机的物理结构，他可以是一个纳米级的微观机器人，也可以是改造过的生物细菌，根据该参考文献，可知本发明采用的纳米微观机器人的结构，可以瞬时地控制纳米孔分子的瞬时定量的释放。
30.对于dna分子通信系统的性能分析，是假设收发端是时间同步的，因此发送端在每个时隙开始的时候释放定量的信息分子，直到时隙结束，接收端一直监视着附近到达的信息分子，从而完成对于信息的检测。
31.设定系统发送端和接收端是时间同步的，同时每个时隙，发送端会传输2比特信息，发送端将需要发送的信息比特序列以每两个比特进行切分，前一个比特代表的是长度信息比特，当长度比特为“1”时，发送端发送长链dna分子m
l
，反之，发送端发送短链dna分子ms；后一个比特代表的是浓度信息比特，当浓度比特为“1”时，发送端发送较多量的dna分子nb，反之，发送端发送较少量的dna分子na。
32.s2、发送端释放的dna分子经过体液环境扩散到接收端；
33.体液扩散环境下，分子的运动是由溶质分子与溶剂分子之间相互碰撞产生的，可以用布朗运动来具体表征，当传输距离和时隙长度固定的条件下，根据fick定律，分子的扩散方程式为：d是分子扩散因子，其中ju(r,t)表示溶质分子通量，ρ(r,t)是溶质分子密度方程，r表示当前的空间位置，t是时间，x、y、z表示三维坐标的三个方向。二维空间下，分子在固定时间到达指定位置的密度表达式为：此等式解需要满足以下条件：ρ(x,0)＝nδ(x)，ρ(
±
∞,t)＝0，其中n是原点释放的分子数目，因此单个信息分子在二维空间下的位置概率分布可以描述为对此概率曲线在每个时隙位置进行积分，就可以得到分子在不同时隙下到达接收端的概率。第一个时隙的积分结果代表的是信息分子成功抵达接收端的概率，后面数个时隙的积分结果，在此系统下表示的是之前时隙释放的干扰分子在此时隙到达接收端的概率。
34.s3、接收端分别对发送dna分子的长度和浓度信息进行捕获解析；
35.dna分子经过扩散到达接收端，由于纳米孔尺寸经过设计，每个纳米孔每次只允许一个dna分子解旋经过，接收端纳米孔表面带负电，这样一是有助于表面带电的dna分子通过纳米孔，而且当有分子通过时，会造成一段时间的断流阻断时间，且电流阻断时间与dna分子链长度成正比，完成长度信息的识别。由于在本编码机制采用两种长度的dna分子，dna分子通过纳米孔的时间概率分布如下：
[0036][0037]
其中，τ
p
表示dna分子通过纳米孔的理论时间，dna分子长度固定，理论上分子通过纳米孔的速度也是固定的，即τ
p
通过长度除以速度得到。
[0038]
dna分子是带电的，分子的定向移动是产生电流的，dna分子在外加电场的作用下通过纳米孔，dna分子解旋成为dna链通过纳米孔，由于分子通过纳米孔需要一定检测时间，通过期间接收端检测出的电流不再是之前的高电位，而是维持在低电位，说明此时的电流被阻断——dna分子正在通过纳米孔，且通过时间与dna分子的长度成正比。
[0039]
长度判决门限值就是长短链分子的分布曲线的唯一交点，这个门限值可以确保长度检测的误码率最小。又因为纳米孔是独立工作的，那么每个时隙的纳米孔活跃数量既可以表示为当前时隙，dna分子在接收端的浓度，完成浓度信息的识别。
[0040]
s4、接收端将解析得到的长度和浓度信息解码为正确的比特信息；
[0041]
根据预设的编码规则，dna分子通过纳米孔产生的阻断时间大于长度判决的门限值既可判决为长度信息比特为“1”，反之为“0”；同理，当时隙内纳米孔活跃数目大于判决门限即可判决浓度比特为“1”，反之为“0”。
[0042]
s5、是针对dna长度信息解码误差的优化过程，通过选择特定的dna长度序列，降低长度识误差；
[0043]
通过对纳米孔长度识别dna分子时间分布的曲线交叠部分进行积分，可以得到不同长短链长度组合情况下，长度识别的具体误码率大小，可以求解出最优误码率的长度配对；再计算该误码率与所用dna分子长度的比值，可以得到系统性能最优的长度配对。
[0044]
s6、是针对dna浓度信息解码误差的优化过程，提出接收端自适应浓度判决阈值调整算法，可以降低浓度识别的误差；
[0045]
接收端自适应浓度判决阈值调整算法包括以下步骤：
[0046]
s61、发送端根据浓度信息比特发送指定数目的dna分子，当浓度比特是“0”时，发送a个信息分子，当浓度比特是“1”时，发送2a个信息分子；为大于或等于1的自然数。
[0047]
s62、系统时隙，传输距离固定，可以计算得出单个dna分子在接收端到达概率；
[0048]
s63、在前两个时隙，接收端最多只考虑前一个时隙的dna分子影响，接收端维持一个初始判决门限值v
init
，v
init
由“0”“1”比特下接收端接收到的分子数目均值取得；
[0049]
s64、当第三个时隙后，接收端开始考虑两个时隙的解码情况对于当前时隙信息的解码影响，同时，接收端维持一个浓度门限判决门限调整单位th，由于单个分子的扩散到达概率曲线为当传输距离x或时间t不同时，单个分子到达接收端的概率也不同，因此当发送端发送n的分子使得接收端最终的分子数目m也不同，因此到达th的具体取值与分子扩散系统的距离与时隙长度有关，若当前时隙倒数的第二个时隙的信息为“1”时，调整判决门限向上调整2个th，反之，判决门限向上调整1个th；若当前时隙倒数的第一个时隙的信息为“1”时，判决门限向上调整4个th，反之，判决门限向上调整2个th；即最终判决门限向上调整的th个数与当前时隙的前两个时隙所的浓度比特信息相关；比如当
前时隙倒数的第二个时隙的浓度比特为“1”，当前时隙倒数的第一个时隙的浓度比特为“0”，则当前时隙对应的判决门限需要向上调整4个th，即当前时隙对应的浓度判决门限为v
init
+4th。
[0050]
s65、每个时隙的实际到达dna分子数n
rep
》v
th
则判定当前时隙的浓度信息比特为“1”，反之则判定浓度信息比特为“0”；
[0051]
s66、当系统重新运行，或者暂停超过3个时隙后，接收端的浓度判决门限维持初始值v
init
，从s2开始重新变化。
[0052]
s7和s8分别是dna长度信息解析过程和dna浓度信息解析过程，可以将其看成两个互相独立进行的子进程，这两个子进程可以分别用图2和图3进行表示；
[0053]
如图2所示，dna分子通过纳米孔产生的阻断时间大于长度判决的门限值，则判决为长度信息比特为“1”，反之为“0”。
[0054]
如图3所示，若时隙内计算得到的纳米孔活跃数目大于浓度判决门限，则浓度对应的比特为“1”，反之为“0”。
[0055]
s9、将每个时隙的系统信息识别误码率带入到扩散环境下的dna分子通信模型信道中，分析采用多维信息编码机制的信息传输容量性能。接收端在n比特长系统中分别解码“0”“1”比特成功的概率可以表示为及其中p表示发送端发送比特“1”的先验概率，qi表示的当前时隙信息分子被接收端成功接收概率，可以带入长度解码和浓度解码产生的误码率进行计算，系统的信息传输容量可以表示为c＝max{i(x；y)}＝max{h(y)-hy(x)}，系统的最大互信息可以表示为i(x；y)＝h(y)-h(y|x)＝χ((1-p)pn+p(1-qn))-pχ(qn)+(1-p)χ(pn)；进一步地，互信息可以进一步表示为：
[0056][0057]
并有此推导到系统的信息传输容量可以表示为：
[0058]
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。