[論文レビュー] Robust Modulation Technique for Diffusion-based Molecular Communication in Nanonetworks

Subodh Pudasaini, Seokjoo Shin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2014

Molecular Communication and NanonetworksEngineering参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、前回のシンボルからの残留メッセンジャーモレキュールを抑制するインヒビター分子を用いることで、符号間干渉（ISI）を低減する耐障害性の高い変調方式Zebra-CSKを提案する。インヒビター分子による干渉分子の選択的抑制により、従来のCSKと比較してチャネル容量を最大37.31%向上させ、シンボル誤り確率を85.61%低減する。

ABSTRACT

Diffusion-based molecular communication over nanonetworks is an emerging communication paradigm that enables nanomachines to communicate by using molecules as the information carrier. For such a communication paradigm, Concentration Shift Keying (CSK) has been considered as one of the most promising techniques for modulating information symbols, owing to its inherent simplicity and practicality. CSK modulated subsequent information symbols, however, may interfere with each other due to the random amount of time that molecules of each modulated symbols take to reach the receiver nanomachine. To alleviate Inter Symbol Interference (ISI) problem associated with CSK, we propose a new modulation technique called Zebra-CSK. The proposed Zebra-CSK adds inhibitor molecules in CSK-modulated molecular signal to selectively suppress ISI causing molecules. Numerical results from our newly developed probabilistic analytical model show that Zebra-CSK not only enhances capacity of the molecular channel but also reduces symbol error probability observed at the receiver nanomachine.

研究の動機と目的

• 長尾を持つ分子濃度信号による拡散型分子通信における顕著な符号間干渉（ISI）を解消すること。
• 前回のシンボルからの重なり合う分子信号のため、高いシンボル誤り率を示す濃度シフトキーイング（CSK）の限界を克服すること。
• 送信機および受信機の複雑さを著しく増加させることなく、ナノネットワークにおける信頼性およびスペクトル効率を向上させる耐障害性の高い変調方式を設計すること。
• インヒビター分子が残留メッセンジャーモレキュールを効果的に抑制できることを実証し、受信機での検出精度を向上させること。

提案手法

• 情報符号化に用いるメッセンジャーモレキュールと、前回のシンボルからの残留メッセンジャーモレキュールを抑制するためのインヒビター分子の2種類の分子を導入する。
• 時間スロット型送信モデルを適用し、各スロットの開始時にバイナリシンボル（0または1）を表すn個の分子を放出する。
• 指定された抑制効率βを有するインヒビター分子を用い、前回のシンボルからのメッセンジャーモレキュールを選択的に結合・不活性化する。
• 拡散、分子の分解、および抑制の効果を組み込んだ確率的解析モデルを構築し、受信機におけるシンボル検出確率を計算する。
• 送信および受信シンボルの同時確率分布に基づき、相互情報量およびシンボル誤り確率の式を導出する。
• 抑制効率β = 0, 0.5, 1の条件下で、相互情報量を最大化し、シンボル誤り率を最小化するための検出閾値λを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インヒビター分子の使用が、拡散型分子通信における符号間干渉（ISI）に与える影響は何か？
• RQ2 Zebra-CSKは従来のCSKと比較して、どれほどチャネル容量を向上させることができるか？
• RQ3 Zebra-CSKの最小達成可能なシンボル誤り確率は何か？ また、最適な検出閾値下でCSKと比較してどうなるか？
• RQ4 送信機および受信機ナノマシン間の距離が、Zebra-CSKがCSKを上回る性能向上に与える影響は何か？
• RQ5 インヒビター分子の抑制効率βが、システムのシンボル誤り確率および相互情報量に与える影響は何か？

主な発見

• 抑制効率βが0.5および1.0の場合、従来のCSKと比較してZebra-CSKはチャネル容量をそれぞれ29.85%および37.31%向上させる。
• Zebra-CSKの最小シンボル誤り確率はβ = 0.5のとき0.017、β = 1.0のとき0.00993であり、CSKの最小誤り確率0.069と比較してそれぞれ75.36%および85.61%の低減を達成する。
• 送信および受信シンボル間の相互情報量は、CSKの最適値よりも低い検出閾値でピークに達するため、情報伝送効率が向上していることが示唆される。
• Zebra-CSKにおけるシンボル誤り確率は、送信機および受信機ナノマシン間の距離に関わらず、常にCSKより低く保たれる。
• Zebra-CSKのCSKに対する性能向上（特にシンボル誤り確率の低減）は、送信機および受信機間の距離が長くなるほど顕著になり、特に中程度から高い抑制効率の下で顕著である。
• 提案モデルは、β = 1.0（完全な抑制）のインヒビター分子が最高の性能向上をもたらすことを確認しており、標的的なISI抑制の有効性を裏付けている。