1.一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法,其特征在于,所述分析方法包括以下步骤:第一步,基于AF和ANC策略,根据节点移动模型,计算源节点S1和源节点S2处在第(j+1)个时隙收到的A类型或B类型的分子数;
第二步,在源节点S1和S2处建立假设检测信道模型以及最优检测规则,得到源节点S1和S2处的最优检测阈值;
第三步,基于D‑MoSK调制方式得到移动分子通信双向网络的平均错误率和平均互信息的计算方法。
2.如权利要求1所述的一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法,其特征在于:所述第一步中,当节点S1和节点R都是移动的,假设它们执行独立的随机运动的移动模型,在这种情况下,在时间t=0时节点S1发送的一个信息分子在时间t>0时在接收节点R的体积内被观测到的概率表示为其中, 是中继节点R的体积,rR是节点R的半径,D1=Dp+DR,Dp和DR分别为信息分子和节点R的扩散系数, 为节点S1释放分子时与节点R接收分子时两个节点之间的实时距离,τs表示节点R处的信息分子相对于时间t的观测时间;假设这些节点的运动是独立的随机运动,运动轨迹由一系列随机步组成,在n步之后,源节点或中继节点的坐标被标记为 这里,l表示源节点S1和节点S2以及中继节点R;假设节点l在x轴、y轴和z轴上彼此独立地以等概率增加或减少一个固定值,分别表示±Δxl,±Δyl和±Δzl,节点S1和节点R的初始距离为
三个节点的移动分子通信双向网络中,在中继节点R处采用半双工传输,源节点S1和S2之间通过中继节点R的传输由AF和ANC策略实现,分两步完成:步骤1.1,在第j个时隙结束时,中继节点R收到源节点S1和S2在第个j时隙开始时同时发送的信号,并且将两个信号简单叠加;
步骤1.2,在第(j+1)个时隙的开始时,中继节点R将组合信号放大并广播到源节点S1和S2,由于接收节点S1和S2产生自干扰分子,因此它们使用ANC策略从收到的组合信号中减去SI分子数来获得最终信号;
表示节点S1在第i个时隙开始时释放的A类型或B类型分子的数量, 是节点S1在第个i时隙开始时传输的比特,节点S1在当前时隙i释放并在当前时隙i接收的分子数由以下公式计算:
其中,W是采样的个数,tw=w×(Ts/W)是第w个采样时间且w∈{1,2,...,W},Ts为每个时隙持续的时间, 为节点S1在时隙m发送的比特信息,在当前时隙i,来自前面(i‑1)个时隙的符号内部干扰(Inter‑symbol interference,ISI)分子数 表示为表示为节点R在第i个时隙收到来自节点S1释放的分子数, 计算为其中, 为链路S1→R的独立噪声且服从高斯分布 其均值为方差 依赖于节点R接收到的分子数的期望值;
由公式(3)‑(5)可知, 的计算公式为服从以下正态分布
其中,a=0或1分别表示第i个时隙对应传输的比特为0或1, 和 分别为(7)式中正态分布在对应传输比特为0或1的情况下的均值和方差, 表示节点S1在第m个时隙传输比特1时的概率,因此,当a=0时,公式(7)中正态分布的参数计算公式为其中, 通过 的计算得到, 为h(t,τs)的方差,计算公式如下:
其中,p=D1τ+2D2t,q=D1τ+D2t, 这里 和DR为节点S1和节点R的扩散系数,当a=1时,公式(7)中正态分布的参数计算公式为为节点R收到节点S2在第i个时隙释放的类型A或类型B分子数,表示为其中, 和 分别跟 和 计算方法一样,服从以下的正态分布
其中, 和 分别为上式中正态分布的均值和方差;节点R在第i个时隙收到的分子数为
由于两个正态分布的和服从正态分布,则(13)式中的 服从以下的正态分布:其中, 和 分别为上式中正态分布的均值和方差,则有在第(j+1)个时隙开始时,节点R放大在先前时隙中收到的符号,并将信息广播到节点S1和S2,此外,不同类型的分子不会相互干扰,根据ANC方案,节点S1在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数为
其中,k[i+1]为节点R在第(i+1)个时隙的扩增因子, 是链路R到S1产生的噪声,是节点S1处的自干扰SI分子数,计算公式为其中, 和 分别表示(17)式中 的均值和方差,得节点S2在第(j+1)个时隙结束时收到的分子数用 表示,计算公式为其中, 和 分别定义为节点S2处的SI分子数和噪声大小;
在AF‑No‑ANC策略中,考虑了采用DoMK调制的半双工中继的单向两跳传输,节点S1首先借助节点R将其信息发送给节点S2,节点S1收到信息之后,节点S2以相同的方式将其信息发送给节点S1,对于两跳的传输,节点S2没有释放分子,因此节点S2没有SI分子;对于两跳传输,节点S1释放和接收分子的事件不在连续时隙中,则不考虑节点S1处的SI,节点S2在第2j个时隙结束时收到的分子数和节点S1在第(2j+2)个时隙结束时收到的分子数分别表示为
3.如权利要求1或2所述的一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法,其特征在于:所述第二步中,假设节点S2在当前时隙发送0和1即在H0和H1的情况下,考虑以随机变量 为观测值的二元假设检验问题:其中, 为节点S2在第j个时隙开始时发送的信息比特, 在H0和H1两种情况下均服从正态分布,即满足:
其中, 和 分别表示在假设条件H0和H1情况下,S1在当前第(j+1)个时隙收到的分子个数 所服从正态分布的均值, 和 为对应的方差,和 分别表示为
根据上述的假设检验模型,采用MAP概率检测求得节点S1最佳的检测阈值:其中, 表示节点S2在当前第j个时隙发送比特1的概率,代表节点S2在当前第j个时隙发送比特0的概率, 和分别对应这两个事件下S1收到 个分子的概率,用 表示似然比,则似然比计算公式为:
其中, 和 分别为在假设条件H0和H1情况下,S1收到个分子所服从的正态分布的概率密度函数,表示如下:利用MAP检测方法,得到(25)的解即为节点S1处的最优检测阈值 表示为由于最优检测阈值为整数,用round取整操作,公式(27)中的参数E,F,G计算为和 分别表示节点S1在第(j+1)个时隙中收到的类型A和类型B的分子数, 和 分别表示A类型和B类型分子在第(j+1)个时隙相应的最优检测阈值,在节点S1处具体的检测规则表示为
其中, 是节点S1在第(j+1)个时隙中检测到的符号。
4.如权利要求1或2所述的一种基于放大转发和模拟网络编码策略的移动分子通信双向网络性能分析方法,其特征在于:所述第三步中,基于节点S1处的最优检测阈值的计算公式,在第j个时隙发送比特0时,链路S2→R→S1在第(j+1)个时隙的错误率表示为其中, 表示节点S1在第(j+1)个时隙检测到的比特信息, 是(22)式中正态分布的均值,节点S2在第j个时隙发送比特1时,链路S2→R→S1在第(j+1)个时隙的错误率表示为
节点S2在第j个时隙发送比特0或1时,链路S2→R→S1在第(j+1)个时隙的检测概率分别表示为
对于四元D‑MoSK调制方法而言,一个信号用两个比特构成,用和 表示节点Sv(v=1,2)传输信号的四种情况; 表示当节点S2传输信号 时节点S1收到信息 的概率,计算公式如下:假设传输四种信号是等概率的,则有 节点S2发送第j个信号被节点S1在第(j+1)个时隙收到的错误率表示为 计算公式如下:给出节点S2处的二元检测H0和H1,表示为基于节点S2处的最优检测阈值 节点S1在第j个时隙发送0或1时,链路S1→R→S2在第(j+1)个时隙收到信息的错误率表示为其中, 和 分别表示节点S2针对A类型和B类型在第(j+1)个时隙检测到的比特和检测阈值,节点S1发送第j个信号被节点S2在第(j+1)个时隙收到的错误率表示为移动分子通信双向网络的源节点S1和源节点S2发送的第j个信号分别被源节点S2和源节点S1在第(j+1)个时隙收到的平均错误率计算公式为为节点S2在第j个时隙发送的信号, 为节点S1在第(j+1)个时隙检测到的信号,因此,对于链路S2→R→S1而言,节点S2发送的第j个信号被节点S1在第(j+1)个时隙收到的互信息表示为
其中,u∈{0,1,2,3}, 表示节点S2在第j个时隙开始时发送信号的概率,当四种信号的传输是等概率的,得 表示当节点S2在第j个时隙开始时发送信号 时,节点S1在第(j+1)个时隙收到信号的概率,它的计算公式为
用上述相同的方法,对于链路S1→R→S2而言,节点S2在第(j+1)个时隙收到节点S1发送的第j个信号的互信息表示为
对于移动分子通信双向网络而言,源节点S1和源节点S2发送的第j个信号分别被源节点S2和源节点S1在第(j+1)个时隙收到的平均互信息表示为I[j]avg,计算公式为在AF‑No‑ANC策略下,该移动分子通信双向网络在(j+1)个时隙接收到的第j个符号的平均错误概率和平均互信息根据(20)式计算得到。