【摘 要】
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分子通信是构建纳米机器网络（纳米网络）最可行的通信方案之一。基于分子通信构建纳米网络将拓展纳米机器群体的能力,给生物、医疗、国防和工业等诸多领域带来创新性的进步。其中,基于扩散的分子通信,由于能耗低、简单易实现等优点,是最受关注的分子通信方案。目前,分子通信的研究主要集中在理论研究方面,其中信道模型是分子通信理论研究的基础。尽管领域内现已提出多种基于扩散的分子通信信道模型的建模方法,但是经大量文献
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分子通信是构建纳米机器网络（纳米网络）最可行的通信方案之一。基于分子通信构建纳米网络将拓展纳米机器群体的能力,给生物、医疗、国防和工业等诸多领域带来创新性的进步。其中,基于扩散的分子通信,由于能耗低、简单易实现等优点,是最受关注的分子通信方案。目前,分子通信的研究主要集中在理论研究方面,其中信道模型是分子通信理论研究的基础。尽管领域内现已提出多种基于扩散的分子通信信道模型的建模方法,但是经大量文献调研发现,基于扩散的分子通信仍然缺少通用的信道建模方法。此外,在一些充满前景且重要分子通信应用,如精准药物输送,需要纳米机器在移动中进行通信。由于纳米机器运动具有随机性,使得移动分子通信中接收信号更加复杂和难以确定,这为信号检测带来许多难题。加上纳米机器尺寸有限,其计算能力也是非常有限,所以移动分子通信亟需一种性能良好、计算复杂度低的信号检测方法。本文针对以上两个问题开展研究,本文主要的创新性工作包括两个:（1）提出基于扩散的分子通信信道模型的两个通用建模方法。本文从牛顿第二力学定律出发,对信息分子进行受力分析,得到受力方程-广义Langevin方程。并通过证明布朗运动和白噪声的关系,严谨推导受力方程的数学理论工具-Ito?随机微分方程,即第一个通用建模方法,用数学理论表达不同情况作用下复杂扩散过程的物理规律。本文还从概率论和马尔可夫过程出发,推导出信息分子位置概率密度函数的微分方程Fokker-Planck方程,即第二个通用建模方法,用微分方程描述各种形式下信息分子扩散过程的物理现象。此外,本文也证明Ito?随机微分方程和Fokker-Planck方程的等价性。在上述理论工作的基础上,本文提出三个实例,对每一个实例使用所提出的两个方程,通过两种方法求解的正确性验证所提两个方程的有效性和先进性。本文还通过大量蒙特卡洛仿真实验,对三个实例分别进行基于Ito?随机微分方程的信息分子随机运动仿真实验和基于Fokker-Planck方程的理论曲线模拟仿真实验,通过两种仿真实验所得曲线一致性来验证所提两个方程的有效性。（2）提出低复杂度自适应的信号检测方法。根据接收信号的凸度特征,本文提出一个数学公式理论分析和量化接收信号的局部最大凸度指标。该指标在接收信号受到码间串扰和噪声影响下,可以自适应距离的变化,能正确对接收信号进行判别。大量蒙特卡洛仿真实验验证所提方法是有效的。同时所提方法计算复杂度为O（n）,所提出的方法具有计算复杂度低、检测性能良好的优点。本文工作通过严谨的理论推导和数值仿真实验,详细地阐述和证明Ito?随机微分方程和Fokker-Planck方程是两种等价的通用信道建模方法。该工作对分子通信领域的意义类似于麦克斯韦方程组为电磁波通信提供理论框架和通用建模方法一样,将提高分子通信理论研究的系统性,简化分子通信理论研究的复杂性。此外,在信号检测方面,所提出的方法避免码间串扰抑制和动态距离估算的复杂算法设计,对计算能力低的移动分子通信系统是有效的。
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