分子通信中信道建模与定向通信控制研究

Molecular Communication (MC) is a promising inter-discipline in recent years which has been considered as one of the most feasible technology for implementing nano-network in the future. However, the present researches are still in its infancy so that the related theory and technology are imperfect yet. This project intends to model the diffusion-based and neuron-based channels according to the special transmission properties of biological molecules. We also analysis and build models for noise and interference in MC which include inter-symbol and co-channel interferences. Based on these models, combining the physical properties of biological molecules, we analyze the performance of MC by using traditional communication and information theory and try to find an appropriate nano-scale information theory. Furthermore, a control scheme of oriented molecular communication with diffusion-based channel is proposed which considers in term of chemotaxis of molecules and the concentration distribution of the target substance. The results of the project can be highly expected to provide new theories and research tools for related researches of MC and the application of bionic communication.

分子通信是近年来新兴的交叉学科技术，被认为是实现未来纳米网络最可行的技术之一。但现有的研究仅处于起步阶段，相关的理论和技术都不完善。本项目根据生物信息分子传输特性，研究基于扩散方式和神经元传输方式下的信道模型，并分析和建立噪声与干扰模型，包括码间干扰和信道间干扰模型。在此基础上，应用传统通信与信息理论，结合生物分子物理学特性，对分子通信性能进行分析，寻求建立适合纳米尺度的信息论分析方法。并利用分子的趋化特性和目标物质浓度场分布，提出针对扩散信道下分子定向通信控制策略。本项目相关结果有望为分子通信领域的研究和仿生通信的应用提供全新的理论基础和技术研究手段。

本项目属于新型交叉学科研究方向-分子通信领域，主要研究生物学中分子运动机理和计算模型，建立分子通信中特定传送方式下的信道模型，并寻求分子通信中的噪声和干扰问题的分析和解决方法；通过将通信信息理论与生物分子传递特性相结合，探索基于生物启发的纳米尺度的信道容量和通信性能分析方法；研究扩散信道下分子定向通信控制策略，以及分子通信信道仿真技术研究。.通过本项目的研究，在如下四个方面取得了重大进展：.(1)建立了一系列分子通信典型信道模型，完善和补充了目前分子通信信道模型方面的研究。.(2)提出了一种有效而可靠的分子通信解调算法(IDA)。从已发表的文章看，该算法是目前可靠性最好的算法。.(3)在基于趋化效应的分子定向通信控制方面做了探索式的研究，为后续分子定向通信研究奠定了理论基础。.(4)搭建了一套宏观尺度的分子扩散信道通信仿真平台，是国际上第三个、国内首个拥有该平台的团队。该平台为仿真和验证分子通信的理论和算法提供了新的途径。.本项目的重要科学意义和应用前景：作为国内首个分子通信领域的自然基金项目，填补了我国在该领域的研究空白，具有很好的示范作用。目前国内多所高校都相继开展了分子通信领域的研究。同时建立了与国际上该领域知名专家良好的交流与合作关系。本项目中有6篇论文都是与国外作者合作撰写的，提升了我国在该领域的研究地位，为进一步的国际合作奠定了基础。本项目的研究内容在生物医学中人体健康监测、药物投递、靶向治疗等方面具有广阔的应用前景，虽然分子通信的研究整体还处于起步阶段，但这个应用趋势是业界有目共睹的。本项目的研究成果为后续的研究奠定了坚实的基础。