[论文解读] Design and Performance Analysis of Dual and Multi-hop Diffusive Molecular Communication Systems

Neeraj Varshney, Adarsh Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文针对使用似然比检验（LRT）进行最优符号检测的双跳与多跳扩散分子通信系统，进行了全面的性能分析。推导了检测概率、虚警概率及端到端误码率的闭式表达式，表明端到端性能受最弱链路主导，尽管存在符号间干扰（ISI）、多源干扰（MSI）和计数误差，协作纳米机器人的引入仍显著提升了系统性能。

ABSTRACT

This work presents a comprehensive performance analysis of diffusion based direct, dual-hop, and multi-hop molecular communication systems with Brownian motion and drift in the presence of various distortions such as inter-symbol interference (ISI), multi-source interference (MSI), and counting errors. Optimal decision rules are derived employing the likelihood ratio tests (LRTs) for symbol detection at each of the cooperative as well as the destination nanomachines. Further, closed-form expressions are also derived for the probabilities of detection, false alarm at the individual cooperative, destination nanomachines, as well as the overall end-to-end probability of error for source-destination communication. The results also characterize the impact of detection performance of the intermediate cooperative nanomachine(s) on the end-to-end performance of dual/multi hop diffusive molecular communication systems. In addition, capacity expressions are also derived for direct, dual-hop, and multi-hop molecular communication scenarios. Simulation results are presented to corroborate the theoretical results derived and also, to yield insights into system performance.

研究动机与目标

• 分析在实际损伤（如符号间干扰（ISI）、多源干扰（MSI）和计数误差）影响下的双跳与多跳扩散分子通信系统的性能。
• 在协作纳米机器与目的地纳米机器处利用似然比检验（LRT）推导最优判决规则，以实现可靠的符号检测。
• 量化中间协作纳米机器检测性能对整体端到端系统可靠性的影响。
• 推导多跳场景下检测概率、虚警概率及端到端误码率的闭式表达式。
• 建立在相同损伤条件下的直接通信、双跳与多跳分子通信系统的容量表达式。

提出的方法

• 通过在每个协作节点与目的地节点处使用似然比检验（LRT）推导最优判决规则，以最小化误码概率。
• 利用布朗运动与漂移模型描述分子浓度动态，结合时变信道效应与分子衰减。
• 基于接收分子数的高斯近似，推导中间节点与目的地节点的检测概率与虚警概率的闭式表达式。
• 通过级联各节点的误码概率，建立端到端误码概率模型，考虑多跳链路中的顺序检测过程。
• 在相同信道与噪声模型下，推导直接通信、双跳与多跳系统的容量表达式。
• 利用仿真结果验证理论推导，并提供在不同网络条件与损伤下的系统行为洞察。

实验结果

研究问题

• RQ1 中间协作纳米机器人的检测性能如何影响双跳与多跳分子通信系统的端到端误码率？
• RQ2 在存在ISI、MSI与计数误差的多跳扩散分子通信中，检测概率、虚警概率与端到端误码率的闭式表达式是什么？
• RQ3 在存在真实信道损伤的中继辅助分子通信中，系统容量如何随跳数变化？
• RQ4 在存在多个干扰源的情况下，通过LRT推导的各节点最优检测阈值是什么，以最小化误码概率？
• RQ5 在扩散分子网络中，协作中继相较于直接传输，在多大程度上提升了端到端可靠性？

主要发现

• 双跳与多跳系统中的端到端误码率主要由最弱链路决定，尤其是中间中继节点的检测精度。
• 即使在ISI与MSI水平较高的情况下，引入协作纳米机器人的系统仍显著提升了端到端检测可靠性，优于直接传输。
• 基于LRT推导的最优判决阈值可实现最小误码概率，且在双跳与多跳场景下均以闭式表达。
• 对于N个协作纳米机器，目的地的最优阈值取决于所有中继节点检测统计量的累积，其中βrd表示为每个中继检测概率的函数。
• 多跳系统的容量随跳数增加而提升，但因误码累积与信号衰减，增益逐渐减小。
• 仿真结果验证了理论推导，显示在不同信噪比与网络拓扑下，理论与仿真误码率具有高度一致性。