分子納米網絡中地理機會路由算法設計與實現

董彤　洪永發

摘要：分子通信是納米網絡的主要通信方式之一，是一種以生物化學分子作為信息載體的短距離通信技術。為了提高分子通信中的傳輸速率，將地理機會路由算法中選擇候選節點的條件由比較距離大小優化為比較濃度值大小。在此基礎上建立分子通信模型，并利用MATLAB進行實驗仿真。對實驗結果進行對比分析發現，以濃度作為判定條件的地理機會路由算法更優。

關鍵詞關鍵詞：分子通信；地理機會路由；納米網絡

DOIDOI：10.11907/rjdk.172860

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011018003

0引言

近年來，由于納米技術的飛速發展，使納米網絡的研究成為可能。納米網絡與傳統無線網和局域網等網絡通信方式不同，它是由不同納米機器通過信息共享，以合作的方式組成的[1]。納米網絡中的納米機器是由納米級的元器件組成，是最基本的功能設備[2]，而不同納米機器在納米級上的信息共享及通信構成了新型納米通信系統[34]。

分子通信是納米通信的主要通信方式之一，是一種以生物化學分子作為信息載體的短距離通信技術。因此，它相較于傳統的通信技術具有較強的信息承載能力和較高的能效性，在生物工程、醫療衛生及信息與通信技術等領域具有廣闊的應用前景[56]。分子通信系統通常由納米機器、信息分子、運輸分子、引導分子與接口分子組成，其中運輸分子、引導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的可靠性。在分子通信系統中。通信過程一般需要經過編碼、發送、傳輸、接收和解碼5個階段[7]。發送器通過對信息進行編碼，生成能夠被接收器識別的信號分子，并將其發射到分子系統中，信號分子通過主動擴散或被動擴散的方式在分子通信系統中傳輸，被接收器接收后，接收器通過特定方式對其進行解碼并獲取信息[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中傳播，遵循擴散定律，以多跳方式實現信息傳遞。由于分子濃度的衰減，不僅限制了通信范圍，而且導致傳輸速率和可靠性降低。因此，基于擴散的分子納米網絡中的路由功能是極為重要的。由于機會路由是傳統無線網絡中提高吞吐量和可靠性的有效解決方案[9]，可以將機會路由應用于分子通信中，以提供無狀態路由策略，提高吞吐量和可靠性。

從不同角度分析，機會路由主要包括地理、鏈接狀態感知、概率以及基于優化和跨層次機會路由[10]。由于地理機會路由的拓撲獨立性及其動態操作性，有助于克服基礎設施缺乏的問題，并且能夠適應多變的網絡拓撲結構，因此可以將地理機會路由應用于分子通信過程中。

本文將地理機會路由算法運用于分子通信中，如果根據距離判定候選節點優先級，有可能導致數據傳遞方向產生誤差，無法向目標節點傳送數據。由于兩節點間距離越近，濃度越高，距離越遠，濃度越低，可以將選擇下一節點的判定條件由判斷節點間距離改為判斷目標節點發送信號分子的濃度大小。因此，在本文中源節點將根據每個候選節點中目標節點發送的信號分子濃度確定優先級，能很大程度上避免數據傳遞方向出錯，提高傳遞效率。

1通信模型

1.1模型假設

在分子通信模型建設中，假設在進行分子通信前具有同步機制。發射節點是同一類型分子唯一的發射來源，在通信過程中信號分子不可變，即分子不降解，不與環境中的物質發生化學反應。信息分子一旦從發射節點發出，則不再影響發射節點，在整個分子通信過程中，通信環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

分子擴散是信號分子從高濃度區域向低濃度區域方向移動的過程，信號分子通過自由擴散的方式在網絡中傳播，可以通過描述物質擴散現象的Fick第二定律模型實現。源節點A 脈沖發射的信號分子S和目的節點B脈沖發射的信號分子N在分子通信納米網中通過自由擴散進行傳播，其擴散傳播過程可通過Fick定律進行分析。如果源節點A發送Q個信號分子S，則其分子濃度隨時間變化為：

C（t，d）=Q（4πDt）32 e-d24Dt（1）

式中，D為分子擴散系數，t表示時間，d是發射的信號分子與發射節點之間的距離，Q表示發射節點發射的信號分子數目，C（t，d）指發射的信號分子隨時間變化的濃度值。在分子通信過程中，對脈沖的檢測可看作分子濃度隨時間推移的積分：

∫t0C（x，t）dt=Q4πDxerfcx4Dt （2）

式中，t為脈沖時間，erfc（）函數為互補誤差函數[11]。

2分子通信過程

2.1分子通信算法

（1）源節點A通過脈沖發射信號分子S，信號分子S在分子通信納米網中通過自由擴散傳播，空間中的節點接收信號分子S，并測量其濃度CS。如果CS大于或等于設定的濃度值C，則該節點在源節點A的候選節點集中；若小于濃度值C，則不在節點A的通信范圍內。

（2）在源節點A發射信號分子S的同時，目標節點B通過脈沖發射信號分子N，信號分子N通過自由擴散在分子通信納米網中傳播，空間中的節點接收信號分子N并測量其濃度CN。

（3）候選節點ai檢測信號分子N的濃度，并將其反饋給源節點A。

（4）源節點A比較每個候選節點中信號分子N的濃度大小，并設定優先級，濃度越大，優先級越高，濃度越小，優先級越低。

（5）源節點A將包轉發給優先級最高的候選節點ai，ai接收到包后向源節點A發送確認接收包。如果一定時間內源節點A接收到ai的確認信息，則不再向候選節點集中的節點發送數據包；如果沒有接收到ai的確認信息，則將包發送給下一優先級的節點。

（6）候選節點ai成功接收數據包后，將候選節點看作源節點，重復以上步驟，直至將包傳遞到目標節點B。endprint

（7）若是一個節點的候選節點集中含有目標節點，可以直接將數據包傳遞給目標節點，不需要傳遞給其它節點。若一段時間后沒有收到目標節點的確認接收包，再將包傳遞給其它候選節點繼續進行信息傳遞。

2.2分子通信算法偽代碼實現

Read CSai（i=1，2，3，4，5）；

If CSai>C then

加入候選節點集；

Else 不加入候選節點集；

End if；

Read NSai（i=1，2，3，4，5）；

選取最大 NSai；

源節點向ai發送數據包；

節點ai向源節A發送ACK確認；

IF A接收到ACK

不再進行數據傳遞；

Else

向下一優先級節點發送數據包；

由下一優先級節點發送數據包；

End if；

在信息傳遞過程中，為了減少包轉發的重復率，采用ACK確認機制。源節點的候選集中每次只能有一個候選節點進行轉發，因此在源節點將包發送給優先級最高的候選節點ai，且ai成功接收包以后，向源節點發送一個ACK。在一定時間周期內，如果源節點成功接收ACK，則不再發送包；如果超過一定時間周期，源節點沒有接收到ACK，則認為優先級最高的候選節點沒有成功接收包，源節點則會向下一優先級節點發送包。

以圖2為例，假定源節點A檢測到空間中其它節點中信號分子S的濃度，并與特定濃度值比較后得到候選節點集RA={a1，a2}，再比較節點a1與a2中信號分子N的濃度大小，如果CNa＼-1>CNa＼-2，則將包發送給節點a1，反之將包發送給節點a2。在圖2中，源節點A經比較后將包發送給節點a2，a2在接收到包后向源節點A發送ACK確認。一定時間周期內，源節點A等待節點a2的ACK反饋信息，不向候選節點集中的其它節點發送包。若超過時間周期，源節點A沒有接收到ACK，則向節點a1發送包；若成功接收ACK，則不再發送包，由節點a2作為源節點繼續進行包的傳遞。同理，獲得節點a2和節點a5的候選節點集分別為Ra＼-2={a1，a3，a4，a5}和Ra＼-5={a2，a3，a4，B}。源節點A將包傳遞給節點a2，后經節點a5傳送到目標節點B。

3仿真分析

為了更好地驗證地理機會路由算法的高效性，通過MATLAB軟件對分子通信過程進行仿真分析。在仿真過程中，源節點A發送的信號分子S和目標節點B發送的信號分子N的數量分別為QS和QN，且QS=QN=1×10＼+6。設時間為t，且t=60s。

對圖2中的分子通信過程進行仿真分析，在一個時間周期內，每個節點中源節點A發送的信號分子S的分子濃度變化如圖3所示，目標節點B發送的信號分子N的濃度變化如圖4所示。

圖3信號分子S濃度變化

圖4信號分子N濃度變化

在圖3中，信號分子S的濃度在剛開始斜率較大，呈迅速增長趨勢，然后斜率逐漸變小，呈緩慢增長趨勢，最后信號分子S的濃度逐漸變小。這是因為源節點A在發送信號分子的瞬間會產生大量信號分子，導致周圍濃度瞬間變高，周圍節點檢測到的信號分子濃度也會瞬間增大，然后信號分子向四周隨機擴散傳播，使信號分子濃度慢慢降低，各節點檢測到的濃度則會逐漸減少。由于節點a1～a5距離源節點A的距離逐漸變大，所以在同一時間點下，距離源節點A越近的節點處，信號分子S濃度越高；距離源節點A越遠的節點處，信號分子S濃度越低。

在圖4中，信號分子N的濃度變化趨勢原理同上述相同，只是由于節點a1～a5距離目標節點的距離逐漸變小，所以同一時間下，節點a1處的信號分子N濃度最低，而節點a5處的信號分子N濃度最高。

由于源節點既需要根據節點中信號分子S的濃度確定其候選節點集，又需要根據每個節點中信號分子N的濃度確定候選節點的優先級，因此可以得到圖5。

圖5信號分子S與信號分子N濃度對比

圖6信號分子S與信號分子N濃度對比

在圖5中，曲線表示信號分子S的濃度變化，*表示信號分子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點A的候選節點集RA={a1，a2，a3}，而候選節點a1、a2中信號分子N的濃度要遠小于a3中的。因此，源節點A將數據包發送給候選節點a3，再由a3作為目標節點進行數據包的傳遞。

由節點a3作為下一個源節點重新開始路由傳遞，與節點a3處于同一候選節點集中的其它節點不再進行信號分子濃度檢測，假設上一次信號分子濃度不影響下一周期對信號分子濃度的檢測，如圖6所示。

如圖所示，源節點a3的候選節點集為Ra＼-3={a4，a5，B}，而目標節點B處的信號分子S的濃度明顯大于設定的濃度值，即CS>C。因此，源節點a3可以直接向目標節點N發送數據包，完成信息的傳遞。

經過對建立的模型進行仿真分析，可以得出由源節點A向目標節點B進行分子通信經過2跳即可完成。傳統的地理機會路由算法會選擇候選集節點中最靠近源節點的節點進行數據傳遞，因此在第一次數據傳遞時會選擇節點a1作為候選節點，然后其數據傳遞過程為A→a1→a2→a3→a5→B，整個分子通信過程需要經過5跳才能完成。

相對于傳統地理機會路由用5跳完成分子通信過程，以濃度值判定候選節點的地理機會路由只需經過2跳即可完成分子通信過程。因此，以目標節點發送的信號分子濃度大小作為判定候選節點的依據而進行數據傳遞的地理機會路由算法能夠極大地減少分子通信時間，提高分子通信效率及可靠性。

4結語

本文介紹了分子通信和機會路由的相關理論知識及發展現狀，將地理機會路由算法運用于分子通信過程中，建立通信模型并完成分子通信中數據包的傳遞。在傳遞過程中將下一節點判定條件由節點間的距離優化為信號分子濃度，從而可以極大地節省時間，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一步完善與優化，相關問題還需要后續進行深入探究。endprint

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責任編輯（責任編輯：黃健）endprint