1.一种基于MIMO技术的多跳分子通信网络误码率确定方法,其特征在于,所述调制方法包括以下步骤:步骤1:建立MIMO场景下多跳移动分子通信网络模型,在此基础上得到多跳移动分子通信网络中继节点和目的节点处收到分子数的数学表达式;
步骤2:在接收机处建立假设检验模型,利用似然比检验方法得到检测阈值,并得到MIMO模型下多跳移动分子通信网络的比特错误率数学表达式;
步骤3:对上述模型利用蒙特卡罗仿真方法对误码率数学表达式进行仿真验证。
2.如权利要求1所述的基于MIMO技术的多跳分子通信网络误码率确定方法,其特征在于:所述步骤一中,建立MIMO场景下多跳移动分子通信网络模型,在此基础上得到多跳移动分子通信网络中继节点和目的节点处收到分子数的数学表达式;建立一个三维无界环境下的MIMO分子通信网络模型,该网络由两个发送方纳米机器、两个接收纳米机器和若干个中继纳米机器组成,发送方纳米机器为节点 接收纳米机器为节点 中继纳米机器为节点 在节点之间传输的信息被编码为二进制序列,当节点 要在第一个时隙开始时向中继节点 发送比特信息1时,节点 会立即释放一定数量的信息分子,再由中继节点转发给下一个节点,每个中继节点 可以检测到前一个中继节点释放的Aq型分子,然后释放Aq+1类型分子并将检测到的信息转发给节点 节点D检测最后一个中继节点发送的A(Q+1)型分子;而传输比特0时,节点 不会释放任何分子,假设所有节点在时间上完全同步假设节点 和 是被动观察者,这意味着节点 和可以分别计算其观察体积内的分子数量,但这种感知行为不会阻碍分子的扩散;
在通信过程中,节点 释放分子到信道中,这些分子通过自由扩散传播,对于环境中的节点 和节点 节点 发送并在t时刻第一次到达节点 的一个分子的概率密度函数PDF为:其中, 是节点 和节点 的初始距离,Dp表示释放A0类型分子的扩散系数,V表示节点的漂移速度;
由于分子的布朗运动,分子在 的到达时间是随机的,一个由节点 在时隙k开始时发送的分子对于t>0,第一次到达 的概率密度函数PDF为:其中T为发射比特周期, erf(·)为标准误差函数;
根据公式(2),得到在时隙k由节点 发射的一个分子,并且在第j个时隙期间到达 的概率为:设NS为每个时间隙开始节点S发送的A0型分子数,在时间[(j‑1)T,jT]期间到达节点的分子数量为:公式(4)右边的四个部分是 在时间[(j‑1)T,jT]内接收到的分子的四个部分,其中是节点 在时隙j开始时发出的分子,在[(j‑1)T,jT]时间段内到达 的分子的数量; 是节点 在之前的(j‑1)时隙中发送并到达 的分子数; 是节点在之前的(j‑1)时隙以及当前时隙中发送并到达 的分子数; 是节点 到节点链路的总噪声干扰;
对于 可以认为其服从二项分布 当NS足够大时,正
态分布近似于二项分布,即:
其中均值和方差取决于中继节点接收到的分子数,表示如下:其中 是公式(3)中k=j时的值,表示一个分子在当前时隙开始发送并在这个时隙中被中继节点接受的概率;
由于扩散通道的性质,一些释放的分子可能在预定的时隙后到达接收器,从而对后续传输间隔的信息分子产生干扰,导致ISI,因此给信息分子更长的时间到达接收器,这可以有效地减少通道中残留分子的数量,对于多接收机模型,链路间干扰是可能存在的另一种通信干扰;
因此ISI分子的数量也服从正态分布,被写成:
其中均值和方差取决于中继节点在前(j‑1)个时隙接收到的分子数,表示如下:其中p为节点 在每个时隙开始时发送比特1的先验概率;
ISI只包含过去时隙发射机对接收机的影响,而链路间干扰既包括过去时隙不相关发射机对接收机的影响,也包括当前时隙的影响;同样,ILI分子的数量也服从正态分布,被写成:其中均值和方差取决于中继节点在前(j‑1)个时隙和当前时隙接收到的分子数,表示如下:节点 到节点 链路的总噪声干扰服从均值为0,方差为
的正态分布其表达式如下:
基于第一跳的传输,推导出从 到 的(q+1)次跳跃的接收情况,接收到的分子在每个中继节点上被转发,然后由一个中继节点发送的分子可以到达下一个相邻的中继节点;
在时间[(j+q‑1)T,(j+q)T]期间, 发送并到达 的分子数满足以下表达式:公式(4)右边的四个部分是 在时间[(j+q‑1)T,(j+q)T]内接收到的分子的四个部分,其中 是节点 在时隙j开始时发出的分子,在[(j+q‑1)T,(j+q)T]时间段内到达 的分子的数量; 是节点 在之前的(j+q‑1)个时隙中发送并到达 的分子数; 是节点 在之前的(j+q‑1)个时隙以及当前时隙中发送并到达 的分子数; 是节点 到节点 链路的总噪声干扰;
同理得到 其中 是 中继节点转发的分子
数,当 足够大时,正态分布近似于二项分布,即:
其中均值方差表示如下:
其中 表示在时隙(j+q)开始时由节点 发射的一个分子,并且在当前时隙期间到达 的概率;
同样,此时ISI包含过去时隙发射机对接收机的影响,因此ISI分子的数量也服从正态分布,被写成:其中均值和方差表示如下:
其中 表示中继节点 在第k个时隙转发的分子数, 表示在第k个时隙由发出的分子在第(j+q)个时隙被 节点接受的概率;
ILI既包括过去时隙不相关发射机对接收机的影响,也包括当前时隙的影响;同样,ILI分子的数量也服从正态分布,被写成:其中均值和方差表示如下:
对于噪声,节点 到节点 链路的总噪声干扰服从均值为0,方差为 的正态分布其表达式如下:
3.如权利要求2所述的基于MIMO技术的多跳分子通信网络误码率确定方法,其特征在于:所述步骤二中,在表达式(15)的基础上,在接收机处建立假设检验模型,利用似然比检验方法得到检测阈值,并得到MIMO多跳模型的误码率的数学表达式;
在2×Q MIMO场景下,模型中包含了两个接收机、两个发射机以及Q个中继节点,由于模型对称,分析接收机 的接收分布;
设随机变量ξ(j+Q)表示在时间[(j+Q‑1)T,(j+Q)T]期间到达节点D的分子数量,假设H0和H1表示在节点 在时隙j开始时发送比特0和比特1的情况,根据(15),推导出:正态分布之和也服从正态分布,那么随机变量ξ(j+Q)也服从正态分布,ξ(j+Q)的值用ξ表示,则(26)写成:其中(27)中二元假设的均值和方差的计算方法为:
根据ML条件,检测阈值函数如下:
其中p(ξ|H0)表示接收机接收的分子数服从零假设,p(ξ|H1)表示接收机接收的分子数服从备择假设,且它们的概率密度函数 和 表示如下:通过取对数并设置为零,最佳决策阈值可求得:
其中由于分子个数为整数,使用round(·)函数表示取整,并且A,B,C参数表示如下:则信息误码率为:
其中PF和PM是误报概率和误检概率,且它们公式如下: