基于分子通信的时钟同步技术

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1、中图分类号：TP273单位代号：10280密级：公开学号：13721279硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION题基于分子通信的时钟同步目技术作者杨成凤学科专业模式识别与智能系统导师林林完成日期2016年02月上海大学硕士学位论文姓名：杨成凤学号：13721279论文题目：基于分子通信的时钟同步技术上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合上海大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主任：委员：导师：答辩日期：I上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标

2、注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：II上海大学硕士学位论文上海大学工学硕士学位论文基于分子通信的时钟同步技术姓名：杨成凤导师：林林学科专业：模式识别与智能系统上海大学机电工程与自动化学院2016年02月III上海大学硕士学位论文ADis

3、sertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofMasterinEngineeringClockSynchronizationforMolecularCommunicationMACandidate：ChengfengYangSupervisor：LinLinMajor：PatternRecognition&IntelligenceSystemsSchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversityFebruary,2016IV上海大学硕士学位论文

4、摘要分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体的短距离通信技术。它作为一种集生物、计算机、通信等科学技术于一体的新型通信方式，在生物医学、环境监测、工业制造、军事等领域有巨大的应用前景，已成为当今研究的热点之一。分子通信一般包括调制过程、发送过程、传输过程、接收过程和解调过程。发送端纳米机器感知到信源，然后基于信息分子的物理或化学特性对信息进行调制并发送信息分子。这些信息分子通过主动传输或被动传输方式被传传输到接收端纳米机器。接收端接收到信息分子并以特定的调制技术解调信息。由于分子通信的信息载体、信号类型、传输介质、传输距离、传输速度和传输内容等特性与传统无线电通信有很大不

5、同，所以基于分子扩散下的网络通信技术和协议需要重新考虑并设计。本文将结合电子学中的通信原理，通过基于分子扩散作用下的调制技术来研究信息分子的调制和解调。在此基础上，采用概率论和数理统计的方法如概率密度函数、最大似然估计算法、均方误差和克拉美罗下界等深入探讨基于分子通信的时钟同步技术。本硕士论文的主要研究成果有以下几个方面：1.研究基于分子扩散作用下的数字基带信号的调制解调技术问题。在分子通信系统中，分析单极性脉冲调制、双极性脉冲调制、交替双极性脉冲调制和曼彻斯特调制方案。首先，根据信息分子浓度的变化来分析不同时钟间隔、传输距离和扩散系数下的调制技术特性。然后，采用误码率来

6、衡量分子通信中各种调制技术的性能。实验结果证明，曼彻斯特调制方案优于其它调制方案且具有较好的效果。2.研究纳米机器之间时钟偏差量的估计问题。在具有相同时钟速率的纳米机器组成的分子通信系统中，提出一种基于分子扩散的随机延迟模型：逆高斯模型，采用信息双向传输机制实现发送端纳米机器和接收端纳米机器之间的时钟同步。通过最大似然估计对时钟偏差量进行估计，并研究估计量的收敛性和V上海大学硕士学位论文无偏性。实验结果表明，在时钟补偿方面，本章算法估计出的时钟偏差量是有效的。3.研究基于逆高斯随机延迟模型的时钟同步问题。在基于流体介质的分子通信中，提出一种基于不对称双向传输机制的时钟同步

7、方法，通过最大似然估计算法对基于逆高斯随机延迟的时钟同步模型的时钟速率和时钟偏差进行估计。实验结果表明，时钟偏差和时钟速率的估计量的方差是随着同步次数减小且收敛的。同时本文中基于不对称双向传输机制的时钟同步方案所到达的时钟精确优于对称传输延迟的时钟同步方案。4.研究基于高斯随机延迟模型的时钟同步问题。在基于分子扩散作用的分子通信系统中，提出一种高斯随机延迟模型，设计双向传输机制，来研究分子通信中的时钟同步。首先，为了消除未知参数的干扰，采用算数运算将两个随机变量转化为一个随机变量；然后，采用最大似然估计算法推导出闭合式的相对时