纳米通信网络中基于分子扩散的时间同步研究

With the development of nanotechnology, electronic technology and biotechnology, nano communication networks, composed of interconnecting nanomachines that are based on molecular communication, become a research hotspot. Time synchronization is both the key supporting technique of many applications of nano communication networks and the foundation of other networking protocols. The properties of molecular diffusion such as randomness and slowness make time synchronization of nanonetworks big challenge. This project aims to investigate the time synchronization mechanism and algorithms for the nanonetworks based on molecular diffusion. At first, the oscillator of nanomachines is modeled using concentration detection method based on molecular diffusion. Based on that, a two-way message exchange mechanism is proposed to solve the synchronization error problem due to the delay of molecular diffusion by maximum likelihood estimation. Extending to the nanonetwork of multiple nanomachines, belief propagation method is used to estimate the clock offset and clock skew of each nanomachine, therefore achieving the global time synchronization throughout the network. The upper and lower bounds are calculated for both point-to-point and global time synchronization. The outcomes of this project will make intra-body monitoring, drug delivery, precise industrial manufacturing, etc. possible and lay the foundation for other networking protocols which is based on time synchronization.

随着纳米技术、电子技术与生物技术的发展，基于分子通信的纳米机器通过信息交换形成的纳米通信网络成为研究热点。时间同步技术是纳米通信网络众多应用的核心支撑技术，也是其它网络协议的基础。分子扩散的随机性、缓慢性等特性给纳米网络的时间同步带来挑战。本项目着眼于基于分子扩散纳米网络的时间同步机制与算法研究。首先根据分子扩散特性，采用浓度检测法，设计纳米机器的振荡器模型；在此基础上，为解决由分子扩散延迟造成的时间同步误差问题，提出双向信息交换机制，采用极大似然估计法估计两个纳米机器间的时间偏移和时钟速率，从而实现点对点时间同步；扩展到多节点网络，拟采用置信传播法估计每个纳米机器的时间偏移与时钟速率，达到全网时间同步；分别计算点对点同步与全网同步的估计量的上下界。本项目的研究成果将使得基于纳米网络的人体内信息采集、药物输送、精密工业加工等应用得以实现，也将为纳米通信网络中以同步为基础的网络协议奠定基础。

本项目研究纳米通信网络中基于分子扩散的时间同步问题。纳米技术、电子技术等先进技术的发展使得纳米器件的制造成为可能。纳米机器可以通过信息交换组成纳米通信网络，用以解决人体内健康监测、靶向治疗等难题。时间同步技术是纳米通信网络的众多应用的核心支撑技术，也是其他网络协议的基础。但是分子扩散的随机性、缓慢性等特性给纳米网络的时间同步带来了挑战。本项目首先对纳米振荡器的建模进行了研究，将分子扩散、布朗运动产生的噪声、酶的降解、外部系统干扰等实际情况考虑进来，建立了完整的纳米机器振荡器模型，并通过仿真和基本实验验证了所建立模型的有效性，同时对纳米机器间的距离、空间维度、传输时延等参数进行了仿真分析，得到他们对达到稳态震荡的影响。本项目还针为不同的信道和环境提出了不同的时间同步方法，包括有流速的逆高斯信道，没有流速的高斯噪声信道。本项目提出了纳米机器时间偏移量和时钟速率的同步估计方法，包括单向通信或者双向通信的极大似然估计方法和通过波形的估计方法，并推导费舍尔函数去计算克拉美罗下界。多天线技术的使用可以有效的降低噪声，提高时间同步精度。此外，本项目还探索了一些与时间同步紧密相关的分子通信内容，包括纳米机器移动模型的建立，互信息与最大可达速率的推导，信号检测方法设计与评估，信道参数估计，分子通信系统距离估计等。本项目的这些研究成果是分子通信系统与纳米网络得以实现的前提，也为基于纳米网络的人体内信息采集、药物输送、精密工业加工等应用提供了技术保障。