分子納米網(wǎng)絡(luò)中地理機(jī)會(huì)路由算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董彤　洪永發(fā)

摘要：分子通信是納米網(wǎng)絡(luò)的主要通信方式之一，是一種以生物化學(xué)分子作為信息載體的短距離通信技術(shù)。為了提高分子通信中的傳輸速率，將地理機(jī)會(huì)路由算法中選擇候選節(jié)點(diǎn)的條件由比較距離大小優(yōu)化為比較濃度值大小。在此基礎(chǔ)上建立分子通信模型，并利用MATLAB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，以濃度作為判定條件的地理機(jī)會(huì)路由算法更優(yōu)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：分子通信；地理機(jī)會(huì)路由；納米網(wǎng)絡(luò)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172860

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011018003

0引言

近年來，由于納米技術(shù)的飛速發(fā)展，使納米網(wǎng)絡(luò)的研究成為可能。納米網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)和局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信方式不同，它是由不同納米機(jī)器通過信息共享，以合作的方式組成的[1]。納米網(wǎng)絡(luò)中的納米機(jī)器是由納米級(jí)的元器件組成，是最基本的功能設(shè)備[2]，而不同納米機(jī)器在納米級(jí)上的信息共享及通信構(gòu)成了新型納米通信系統(tǒng)[34]。

分子通信是納米通信的主要通信方式之一，是一種以生物化學(xué)分子作為信息載體的短距離通信技術(shù)。因此，它相較于傳統(tǒng)的通信技術(shù)具有較強(qiáng)的信息承載能力和較高的能效性，在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生及信息與通信技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[56]。分子通信系統(tǒng)通常由納米機(jī)器、信息分子、運(yùn)輸分子、引導(dǎo)分子與接口分子組成，其中運(yùn)輸分子、引導(dǎo)分子和接口分子的使用大大提高了分子通信過程中信息分子傳輸?shù)目煽啃?。在分子通信系統(tǒng)中。通信過程一般需要經(jīng)過編碼、發(fā)送、傳輸、接收和解碼5個(gè)階段[7]。發(fā)送器通過對(duì)信息進(jìn)行編碼，生成能夠被接收器識(shí)別的信號(hào)分子，并將其發(fā)射到分子系統(tǒng)中，信號(hào)分子通過主動(dòng)擴(kuò)散或被動(dòng)擴(kuò)散的方式在分子通信系統(tǒng)中傳輸，被接收器接收后，接收器通過特定方式對(duì)其進(jìn)行解碼并獲取信息[8]。其通信過程如圖1所示。

圖1分子通信過程模型

分子通信中的信息分子在介質(zhì)中傳播，遵循擴(kuò)散定律，以多跳方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。由于分子濃度的衰減，不僅限制了通信范圍，而且導(dǎo)致傳輸速率和可靠性降低。因此，基于擴(kuò)散的分子納米網(wǎng)絡(luò)中的路由功能是極為重要的。由于機(jī)會(huì)路由是傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中提高吞吐量和可靠性的有效解決方案[9]，可以將機(jī)會(huì)路由應(yīng)用于分子通信中，以提供無狀態(tài)路由策略，提高吞吐量和可靠性。

從不同角度分析，機(jī)會(huì)路由主要包括地理、鏈接狀態(tài)感知、概率以及基于優(yōu)化和跨層次機(jī)會(huì)路由[10]。由于地理機(jī)會(huì)路由的拓?fù)洫?dú)立性及其動(dòng)態(tài)操作性，有助于克服基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的問題，并且能夠適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此可以將地理機(jī)會(huì)路由應(yīng)用于分子通信過程中。

本文將地理機(jī)會(huì)路由算法運(yùn)用于分子通信中，如果根據(jù)距離判定候選節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞方向產(chǎn)生誤差，無法向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。由于兩節(jié)點(diǎn)間距離越近，濃度越高，距離越遠(yuǎn)，濃度越低，可以將選擇下一節(jié)點(diǎn)的判定條件由判斷節(jié)點(diǎn)間距離改為判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)分子的濃度大小。因此，在本文中源節(jié)點(diǎn)將根據(jù)每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)分子濃度確定優(yōu)先級(jí)，能很大程度上避免數(shù)據(jù)傳遞方向出錯(cuò)，提高傳遞效率。

1通信模型

1.1模型假設(shè)

在分子通信模型建設(shè)中，假設(shè)在進(jìn)行分子通信前具有同步機(jī)制。發(fā)射節(jié)點(diǎn)是同一類型分子唯一的發(fā)射來源，在通信過程中信號(hào)分子不可變，即分子不降解，不與環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。信息分子一旦從發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)出，則不再影響發(fā)射節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)分子通信過程中，通信環(huán)境不受其它外界因素影響。

1.2模型建立

圖2分子通信過程

分子擴(kuò)散是信號(hào)分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域方向移動(dòng)的過程，信號(hào)分子通過自由擴(kuò)散的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播，可以通過描述物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象的Fick第二定律模型實(shí)現(xiàn)。源節(jié)點(diǎn)A 脈沖發(fā)射的信號(hào)分子S和目的節(jié)點(diǎn)B脈沖發(fā)射的信號(hào)分子N在分子通信納米網(wǎng)中通過自由擴(kuò)散進(jìn)行傳播，其擴(kuò)散傳播過程可通過Fick定律進(jìn)行分析。如果源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送Q個(gè)信號(hào)分子S，則其分子濃度隨時(shí)間變化為：

C（t，d）=Q（4πDt）32 e-d24Dt（1）

式中，D為分子擴(kuò)散系數(shù)，t表示時(shí)間，d是發(fā)射的信號(hào)分子與發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離，Q表示發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)分子數(shù)目，C（t，d）指發(fā)射的信號(hào)分子隨時(shí)間變化的濃度值。在分子通信過程中，對(duì)脈沖的檢測(cè)可看作分子濃度隨時(shí)間推移的積分：

∫t0C（x，t）dt=Q4πDxerfcx4Dt （2）

式中，t為脈沖時(shí)間，erfc（）函數(shù)為互補(bǔ)誤差函數(shù)[11]。

2分子通信過程

2.1分子通信算法

（1）源節(jié)點(diǎn)A通過脈沖發(fā)射信號(hào)分子S，信號(hào)分子S在分子通信納米網(wǎng)中通過自由擴(kuò)散傳播，空間中的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)分子S，并測(cè)量其濃度CS。如果CS大于或等于設(shè)定的濃度值C，則該節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)A的候選節(jié)點(diǎn)集中；若小于濃度值C，則不在節(jié)點(diǎn)A的通信范圍內(nèi)。

（2）在源節(jié)點(diǎn)A發(fā)射信號(hào)分子S的同時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B通過脈沖發(fā)射信號(hào)分子N，信號(hào)分子N通過自由擴(kuò)散在分子通信納米網(wǎng)中傳播，空間中的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)分子N并測(cè)量其濃度CN。

（3）候選節(jié)點(diǎn)ai檢測(cè)信號(hào)分子N的濃度，并將其反饋給源節(jié)點(diǎn)A。

（4）源節(jié)點(diǎn)A比較每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)中信號(hào)分子N的濃度大小，并設(shè)定優(yōu)先級(jí)，濃度越大，優(yōu)先級(jí)越高，濃度越小，優(yōu)先級(jí)越低。

（5）源節(jié)點(diǎn)A將包轉(zhuǎn)發(fā)給優(yōu)先級(jí)最高的候選節(jié)點(diǎn)ai，ai接收到包后向源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送確認(rèn)接收包。如果一定時(shí)間內(nèi)源節(jié)點(diǎn)A接收到ai的確認(rèn)信息，則不再向候選節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；如果沒有接收到ai的確認(rèn)信息，則將包發(fā)送給下一優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)。

（6）候選節(jié)點(diǎn)ai成功接收數(shù)據(jù)包后，將候選節(jié)點(diǎn)看作源節(jié)點(diǎn)，重復(fù)以上步驟，直至將包傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B。endprint

（7）若是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)集中含有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，可以直接將數(shù)據(jù)包傳遞給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，不需要傳遞給其它節(jié)點(diǎn)。若一段時(shí)間后沒有收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)接收包，再將包傳遞給其它候選節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行信息傳遞。

2.2分子通信算法偽代碼實(shí)現(xiàn)

Read CSai（i=1，2，3，4，5）；

If CSai>C then

加入候選節(jié)點(diǎn)集；

Else 不加入候選節(jié)點(diǎn)集；

End if；

Read NSai（i=1，2，3，4，5）；

選取最大 NSai；

源節(jié)點(diǎn)向ai發(fā)送數(shù)據(jù)包；

節(jié)點(diǎn)ai向源節(jié)A發(fā)送ACK確認(rèn)；

IF A接收到ACK

不再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；

Else

向下一優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；

由下一優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；

End if；

在信息傳遞過程中，為了減少包轉(zhuǎn)發(fā)的重復(fù)率，采用ACK確認(rèn)機(jī)制。源節(jié)點(diǎn)的候選集中每次只能有一個(gè)候選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此在源節(jié)點(diǎn)將包發(fā)送給優(yōu)先級(jí)最高的候選節(jié)點(diǎn)ai，且ai成功接收包以后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK。在一定時(shí)間周期內(nèi)，如果源節(jié)點(diǎn)成功接收ACK，則不再發(fā)送包；如果超過一定時(shí)間周期，源節(jié)點(diǎn)沒有接收到ACK，則認(rèn)為優(yōu)先級(jí)最高的候選節(jié)點(diǎn)沒有成功接收包，源節(jié)點(diǎn)則會(huì)向下一優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送包。

以圖2為例，假定源節(jié)點(diǎn)A檢測(cè)到空間中其它節(jié)點(diǎn)中信號(hào)分子S的濃度，并與特定濃度值比較后得到候選節(jié)點(diǎn)集RA={a1，a2}，再比較節(jié)點(diǎn)a1與a2中信號(hào)分子N的濃度大小，如果CNa＼-1>CNa＼-2，則將包發(fā)送給節(jié)點(diǎn)a1，反之將包發(fā)送給節(jié)點(diǎn)a2。在圖2中，源節(jié)點(diǎn)A經(jīng)比較后將包發(fā)送給節(jié)點(diǎn)a2，a2在接收到包后向源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送ACK確認(rèn)。一定時(shí)間周期內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)A等待節(jié)點(diǎn)a2的ACK反饋信息，不向候選節(jié)點(diǎn)集中的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送包。若超過時(shí)間周期，源節(jié)點(diǎn)A沒有接收到ACK，則向節(jié)點(diǎn)a1發(fā)送包；若成功接收ACK，則不再發(fā)送包，由節(jié)點(diǎn)a2作為源節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行包的傳遞。同理，獲得節(jié)點(diǎn)a2和節(jié)點(diǎn)a5的候選節(jié)點(diǎn)集分別為Ra＼-2={a1，a3，a4，a5}和Ra＼-5={a2，a3，a4，B}。源節(jié)點(diǎn)A將包傳遞給節(jié)點(diǎn)a2，后經(jīng)節(jié)點(diǎn)a5傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B。

3仿真分析

為了更好地驗(yàn)證地理機(jī)會(huì)路由算法的高效性，通過MATLAB軟件對(duì)分子通信過程進(jìn)行仿真分析。在仿真過程中，源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信號(hào)分子S和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的信號(hào)分子N的數(shù)量分別為QS和QN，且QS=QN=1×10＼+6。設(shè)時(shí)間為t，且t=60s。

對(duì)圖2中的分子通信過程進(jìn)行仿真分析，在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中源節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的信號(hào)分子S的分子濃度變化如圖3所示，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的信號(hào)分子N的濃度變化如圖4所示。

圖3信號(hào)分子S濃度變化

圖4信號(hào)分子N濃度變化

在圖3中，信號(hào)分子S的濃度在剛開始斜率較大，呈迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，然后斜率逐漸變小，呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，最后信號(hào)分子S的濃度逐漸變小。這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)A在發(fā)送信號(hào)分子的瞬間會(huì)產(chǎn)生大量信號(hào)分子，導(dǎo)致周圍濃度瞬間變高，周圍節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信號(hào)分子濃度也會(huì)瞬間增大，然后信號(hào)分子向四周隨機(jī)擴(kuò)散傳播，使信號(hào)分子濃度慢慢降低，各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的濃度則會(huì)逐漸減少。由于節(jié)點(diǎn)a1～a5距離源節(jié)點(diǎn)A的距離逐漸變大，所以在同一時(shí)間點(diǎn)下，距離源節(jié)點(diǎn)A越近的節(jié)點(diǎn)處，信號(hào)分子S濃度越高；距離源節(jié)點(diǎn)A越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)處，信號(hào)分子S濃度越低。

在圖4中，信號(hào)分子N的濃度變化趨勢(shì)原理同上述相同，只是由于節(jié)點(diǎn)a1～a5距離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離逐漸變小，所以同一時(shí)間下，節(jié)點(diǎn)a1處的信號(hào)分子N濃度最低，而節(jié)點(diǎn)a5處的信號(hào)分子N濃度最高。

由于源節(jié)點(diǎn)既需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)中信號(hào)分子S的濃度確定其候選節(jié)點(diǎn)集，又需要根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中信號(hào)分子N的濃度確定候選節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，因此可以得到圖5。

圖5信號(hào)分子S與信號(hào)分子N濃度對(duì)比

圖6信號(hào)分子S與信號(hào)分子N濃度對(duì)比

在圖5中，曲線表示信號(hào)分子S的濃度變化，*表示信號(hào)分子N的濃度變化。從圖5中可以看出，CSa1>CSa2>CSa3>CSa4>CSa5，CNa5>CNa4>CNa3>CNa2>CNa1，可以很清晰地獲得源節(jié)點(diǎn)A的候選節(jié)點(diǎn)集RA={a1，a2，a3}，而候選節(jié)點(diǎn)a1、a2中信號(hào)分子N的濃度要遠(yuǎn)小于a3中的。因此，源節(jié)點(diǎn)A將數(shù)據(jù)包發(fā)送給候選節(jié)點(diǎn)a3，再由a3作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳遞。

由節(jié)點(diǎn)a3作為下一個(gè)源節(jié)點(diǎn)重新開始路由傳遞，與節(jié)點(diǎn)a3處于同一候選節(jié)點(diǎn)集中的其它節(jié)點(diǎn)不再進(jìn)行信號(hào)分子濃度檢測(cè)，假設(shè)上一次信號(hào)分子濃度不影響下一周期對(duì)信號(hào)分子濃度的檢測(cè)，如圖6所示。

如圖所示，源節(jié)點(diǎn)a3的候選節(jié)點(diǎn)集為Ra＼-3={a4，a5，B}，而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B處的信號(hào)分子S的濃度明顯大于設(shè)定的濃度值，即CS>C。因此，源節(jié)點(diǎn)a3可以直接向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)N發(fā)送數(shù)據(jù)包，完成信息的傳遞。

經(jīng)過對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真分析，可以得出由源節(jié)點(diǎn)A向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行分子通信經(jīng)過2跳即可完成。傳統(tǒng)的地理機(jī)會(huì)路由算法會(huì)選擇候選集節(jié)點(diǎn)中最靠近源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，因此在第一次數(shù)據(jù)傳遞時(shí)會(huì)選擇節(jié)點(diǎn)a1作為候選節(jié)點(diǎn)，然后其數(shù)據(jù)傳遞過程為A→a1→a2→a3→a5→B，整個(gè)分子通信過程需要經(jīng)過5跳才能完成。

相對(duì)于傳統(tǒng)地理機(jī)會(huì)路由用5跳完成分子通信過程，以濃度值判定候選節(jié)點(diǎn)的地理機(jī)會(huì)路由只需經(jīng)過2跳即可完成分子通信過程。因此，以目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)分子濃度大小作為判定候選節(jié)點(diǎn)的依據(jù)而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的地理機(jī)會(huì)路由算法能夠極大地減少分子通信時(shí)間，提高分子通信效率及可靠性。

4結(jié)語

本文介紹了分子通信和機(jī)會(huì)路由的相關(guān)理論知識(shí)及發(fā)展現(xiàn)狀，將地理機(jī)會(huì)路由算法運(yùn)用于分子通信過程中，建立通信模型并完成分子通信中數(shù)據(jù)包的傳遞。在傳遞過程中將下一節(jié)點(diǎn)判定條件由節(jié)點(diǎn)間的距離優(yōu)化為信號(hào)分子濃度，從而可以極大地節(jié)省時(shí)間，提高分子通信效率及可靠性。但是由于分子通信過程中的其它因素影響，還有很多問題需要進(jìn)一步完善與優(yōu)化，相關(guān)問題還需要后續(xù)進(jìn)行深入探究。endprint

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