[논문 리뷰] Effect of ISI Mitigation on Modulation Techniques in Communication via Diffusion

H. Birkan Yilmaz, Narae Kim외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 15.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 분자 확산을 통한 분자 통신(CvD)을 위한 3차원 엔드 투 엔드 시뮬레이터를 제안하고, 심볼 간 간섭(ISI)를 완화하기 위해 의사결정 피드백 기반 기법을 도입하여 심볼 검출 성능을 향상시킨다. 연구에서는 진폭 기반(MC-OOK, BCSK, QCSK) 및 주파수 기반(BMFSK, QMFSK) 변조를 평가하여, ISI 제거 기법이 오류율을 크게 감소시킴을 보이며, MC-OOK가 높은 피크 대 평균 메신저 분자 비율(PAMR)에도 불구하고 가장 낮은 SER 성능을 기록함을 확인한다.

ABSTRACT

Communication via diffusion (CvD) is an effective and energy efficient method for transmitting information in nanonetworks. In this work, we focus on a diffusion-based communication system where the reception process is an absorption via receptors. Whenever a molecule hits to the receiver it is removed from the environment. This kind of reception process is called first passage process and it is more complicated compared to diffusion process only. In 3-D environments, obtaining analytical solution for hitting time distribution for realistic cases is complicated, hence we develop an end-to-end simulator for he diffusion-based communication system that sends consecutive symbols. In CvD, each symbol is modulated and demodulated in a time slot called symbol duration, however the long tail distribution of hitting time is the main challenge that affects the symbol detection error. The molecules arriving in the following slots become an interference source when detection takes place. End-to-end simulator enables us to analyze the effect of inter symbol interference (ISI) without making any assumptions on the ISI. We propose an ISI cancellation technique that utilizes decision feedback for compensating the effect of previously demodulated symbol. Three different modulation types are considered with pulse, square, and cosine carrier waves. In case of constraints on transmitter or receiver node it may not be possible to use pulse as a carrier, and peak-to-average messenger molecule metric is defined for this purpose. Results show that, the proposed ISI mitigation technique improves the symbol detection performance and the amplitude-based modulations are improved more than frequency-based modulations.

연구 동기 및 목표

• 분자 확산을 통한 분자 통신(CvD)을 위한 고정밀도 3차원 엔드 투 엔드 시뮬레이터를 개발하여 개별 메신저 분자를 추적하고, 첫 번째 도착 시간 분포를 정확하게 모델링한다.
• 연속적인 심볼 전송을 하는 확산 기반 분자 통신 시스템에서 심볼 간 간섭(ISI)이 심볼 검출 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 이전에 검출된 심볼을 이용해 이전 심볼의 간섭을 완화하는 의사결정 피드백 기반 ISI 제거 기법을 제안하고 평가한다.
• 실제 ISI 조건 하에서 진폭 기반(MC-OOK, BCSK, QCSK) 및 주파수 기반(BMFSK, QMFSK) 변조 방식의 성능을 비교한다.
• 실제 나노네트워킹 응용 분야에서의 송신기 제약 조건을 평가하기 위해 피크 대 평균 메신저 분자 비율(PAMR) 지표를 도입하고 분석한다.

제안 방법

• 유체 매질 내에서 메신저 분자의 브라운 운동을 모델링하는 3차원 스토케스틱 시뮬레이터를 개발하여, 각 분자의 궤적을 송신에서 수신지의 첫 번째 도착까지 추적한다.
• 수신기에서 분자가 접촉 즉시 흡수되는 첫 번째 통과 과정을 구현하여 도착 시간 분포를 정확하게 모델링할 수 있도록 한다.
• 이전에 디모듈레이션된 심볼의 결정을 이용해 현재 심볼 검출에서의 ISI를 제거하는 이중 탭 의사결정 피드백 등화기(DFE)를 설계한다.
• 세 가지 진폭 기반 변조 방식(Multi-Carrier OOK(MC-OOK), 이진余弦시프트 키잉(BCSK), 2차원 여측시프트 키잉(QCSK))과 두 가지 주파수 기반 방식(Binary 및 2차원 MFSK(BMFSK, QMFSK))을 평가하였다.
• 송신기에서 피크 대 평균 메신저 분자 비율(PAMR)을 정의하여 송신기 노드의 에너지 및 저장 제약 조건을 정량화한다.
• 다양한 신호 대 잡음비(SNR) 조건 하에서 심볼 오류율(SER), 검출 확률, 위험 경고 비율을 측정하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 심볼 전송을 하는 확산 기반 분자 통신에서 심볼 간 간섭(ISI)은 심볼 검출 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 장수 꼬리 형태의 도착 시간 분포를 가지는 분자 통신 시스템에서 의사결정 피드백 등화기는 ISI를 얼마나 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ3 실제 ISI 조건 하에서 진폭 기반(MC-OOK, BCSK, QCSK) 및 주파수 기반(BMFSK, QMFSK) 변조 방식 간의 SER 및 PAMR 성능를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ4 다양한 변조 기법에서 검출 성능(SER 및 검출 확률)과 송신기 제약 조건(PAMR) 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 QMFSK와 같이 고 SNR에서도 지속적인 오류 평면이 나타나는 주파수 기반 변조에서 ISI 완화 기법이 오류 평면을 크게 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 의사결정 피드백 등화기(DFE)는 이전 심볼의 ISI를 완화하여 심볼 오류율(SER)을 크게 감소시켰으며, 특히 BCSK 성능 향상에 기여하여 오류 평면을 0.06에서 더 낮은 수준으로 낮추었다.
• MC-OOK는 모든 변조 방식 중에서 가장 낮은 SER 성능를 기록하였으며, 0.05의 위험 경고 비율 제약 조건 하에서 9 dB SNR에서 검출 확률이 1.0에 도달하였다. 이는 BCSK 및 BMFSK를 능가하는 성능이다.
• BMFSK는 SNR가 증가함에 따라 SER가 크게 향상되어 고 SNR에서 거의 영오류 수준에 도달하였지만, QMFSK는 DFE 적용에도 불구하고 지속적인 오류 평면을 보였다.
• BCSK는 SER와 PAMR 사이에서 우수한 균형을 보였으며, MC-OOK 대비 PAMR 값이 32배 낮아 엄격한 송신기 에너지 및 저장 제약 조건을 가진 시스템에 더 적합하다.
• PAMR 지표는 송신기 제약 조건을 효과적으로 정량화하였으며, MC-OOK는 다른 변조 방식 대비 피크 분자 방출량이 32배 높아 실용성에 제약이 있음을 드러내었다. 이는 우수한 SER 성능에도 불구하고 그렇다.
• 3차원 시뮬레이터는 장수 꼬리 형태의 도착 시간 분포를 정확히 반영하였으며, 분석적 가정 없이도 ISI 영향을 편향 없이 평가할 수 있었고, 3차원 CvD 시스템에서 시뮬레이션 기반 분 析의 필요성을 검증하였다.