基于扩散分子通信的中继传输性能分析与优化

发布时间：2020-08-27 22:58

【摘要】：扩散分子通信是一种使用信息分子作为信息载体的通信方式,然而随着信息分子在流体介质中自由扩散,接收端接收的信息分子数会随着传输距离的增加而显著减少,从而限制了扩散分子通信的通信范围。受传统无线通信中继启发,在扩散分子通信中采用收发器作为中继,进而扩大通信范围成为一个可靠的解决方案。对扩散分子通信的中继传输技术的研究不仅能够解决长距离分子通信可靠性的问题,还对构建纳米通信网络的研究有着较为积极的作用。本文主要研究实现长距离分子通信的中继方案,并对其进行性能分析与优化。论文的具体工作包括:首先,为了减轻扩散分子通信信道衰落特性对通信距离的限制,提升系统的通信性能,本文提出了一种在发送端和接收端之间放置中继进行解码转发方案,并在此方案下设计了两种信息分子接收模式,进而构建了相应的中继分子通信系统模型,并分析了基于该系统模型未来可能进一步研究的方向,如多跳通信,纳米机器路由传输等。其次,本文构建了基于完全吸收接收模式的解码转发扩散分子通信中继模型,推导出其在三维流体环境下通信误比特率公式。为了提升中继通信性能,本文对该模型下的接收器判决阂值进行了优化。此外,针对本模型提出了一个模拟信息分子整个通信过程的仿真框架,并进一步的分析了中继位置和分子数配给对通信性能的影响。仿真分析表明,在完全吸收接收模式下,中继辅助传输能够显著提升通信性能。另外,针对自然界存在的配受体结合信息分子接收模式,本文构建了基于可逆联结接收器的解码转发分子通信中继模型,推导出三维流体环境下该模型的信息分子时变空间分布,并使用Skellam分布近似被可逆接收器接收的信息分子数。进一步的,本文推导出该模型下的误比特率公式,并构建了基于可逆接收器的仿真框架。从仿真结果可以得出,基于可逆联结接收器的通信系统,添加中继相对于直接传输能够提升通信性能,并且通过对中继位置及分子数配给方案进行优化能够带来性能的提升。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN925
【图文】：

通信信息,理论框架,分子,通信系统

最后，接收器接收到信号并解码获得信息。因此，任何通信系统都可以分为三逡逑个主要部分：发射器，接收器和传播信道（传播介质）。由信息分子作为载体进行信逡逑息传输的分子通信系统也不例外［５７］。图２－１通过分子通信的三个主要模块及子模块建逡逑立了能够描述一般性通信过程的分子通信模型。逡逑９逡逑

示意图,分子,应用环境,通信技术

图２－２邋分子通信系统示意图逡逑由于应用环境及场景不同，分子通信与传统通信技术之间存在较多差异。如逡逑图２－１所示，分子通信模型中的传输信道是化学信号从发送端传播到接收端所经历的逡逑环境。在传统通信系统中，传播信道通常是线缆或自由空间，其中传播的信号分别逡逑是电流或电磁波。与传统通信不同的是，分子通信中的传播信道通常为液态或者气逡逑态环境。在分子通信中，被称做信息分子的小颗粒充当着传递信息的载体。信息分逡逑子可以是生物化合物，例如蛋白质，也可以是合成化合物，例如金纳米粒子，其大小逡逑通常为几纳米到几微米。此外，在通信系统中，信道可能将噪声引入系统，而这些噪逡逑声将导致接收端接收到的信号劣化进而引起失真。在基于无线电的传统通信系统中，逡逑噪声源通常是电磁信号的衰落，以及不同电磁波的干扰，例如由多径引起的干扰等。逡逑在分子通信中

吸收模型,接收器

息分子的时空分布作为信道传递函数时，由于信息分子在接收器表面及附近的浓度逡逑随着吸收而会发生显著变化，因此有必要针对完全吸收接收模式进行建模分析。该逡逑接收模式如图２－３所示，当一个分子与接收器碰撞之后即被接收器吸收，并从环境中逡逑１５逡逑

【参考文献】