【摘 要】
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纳米技术的飞速发展使得其在疾病预测、药物输送和环境监测等领域的应用成为可能。纳米机器相互连接形成纳米网络,实现网络内通信和信息共享,能够合作完成复杂功能。传统通信方式由于器件尺寸、能耗等问题难以用于纳米网络的组建。受自然界启发,利用生物化学分子进行信息编码、传输和接收的分子通信,因其生物兼容性好和能效高的优势,是构建纳米网络的较优选择。基于扩散的分子通信系统（MCv D,Molecular Com
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纳米技术的飞速发展使得其在疾病预测、药物输送和环境监测等领域的应用成为可能。纳米机器相互连接形成纳米网络,实现网络内通信和信息共享,能够合作完成复杂功能。传统通信方式由于器件尺寸、能耗等问题难以用于纳米网络的组建。受自然界启发,利用生物化学分子进行信息编码、传输和接收的分子通信,因其生物兼容性好和能效高的优势,是构建纳米网络的较优选择。基于扩散的分子通信系统（MCv D,Molecular Communication via Diffusion）结构简单、无需消耗能量,已成为目前研究最多的架构。发射源的位置是MCv D系统中的关键参数,确定发射源位置,可以在一定程度上优化释放分子数、接收时间、接收阈值等系统参数;还能够优化纳米机器的移动路径、调整纳米机器布局;在确定环境污染源和靶向给药等应用上也有重要作用。本文的研究重点为MCv D系统发射源定位方案研究,包括以下两个方面研究内容:1)对于单发射机多接收机扩散分子通信（SIMO-MCv D）系统单发射源定位问题,本文提出基于距离估计的单发射源定位方案。首先,构造多接收机场景的累积接收分子数函数的表达式;其次,使用Levenberg-Marquardt方法拟合累积接收分子数函数曲线,得到发射机到每个接收机的距离;然后,使用多点定位方法初步求解发射源的位置,再以该位置为初始值,使用最速下降法优化发射源定位结果;最后,仿真分析该方法的定位效果,及不同参数对定位性能的影响。仿真结果表明,该定位方法在中短距离有较好的定位精度,可以通过提高发射分子数量和扩散系数来改善定位效果。除此之外,该算法还能用于平流环境,通过控制环境中流体运动方向来提高定位精度。2)对于多发射机多接收机扩散分子通信（MIMO-MCv D）系统发射源定位问题,本文提出了基于指纹匹配的多发射源定位方案。首先,提出了基于指纹匹配的单发射源定位方案,分为离线和在线两个阶段。离线阶段,测量并记录待测区域部分位置的接收信号作为指纹数据,建立指纹库;在线阶段,计算待测信号与指纹数据的归一化欧式距离之和,找出最小值对应的指纹,初步确定发射源位置,再使用十字搜索法和空间插值法进一步优化发射源的位置。然后,在单源定位方案的基础上设计了多发射源定位方案,结合贪婪算法和内点法初步确定发射源的个数及位置,再使用多目标十字搜索法迭代优化发射源位置。最后,仿真分析该方法的定位效果及产生误差的原因。仿真结果表明,该方案能够测出区域内大部分位置的坐标,对于指纹位置的定位效果较好,单源可以获得接近100%的定位准确率。对于任意多源的定位,大部分位置误差控制在5微米以内,发射源数量识别与定位效果较好。
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