[论文解读] Modeling and Simulation of Molecular Communication Systems with a Reversible Adsorption Receiver

Yansha Deng, Adam Noel+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 44被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于具有可逆吸附接收器的扩散分子通信的解析模型，考虑了信息分子的动态吸附与解吸过程。该模型推导出分子的时变空间分布，并解析近似了误码率，结果表明更高的吸附速率可降低误码概率，而更高的解吸速率则会增加误码概率。

ABSTRACT

In this paper, we present an analytical model for the diffusive molecular communication (MC) system with a reversible adsorption receiver in a fluid environment. The widely used concentration shift keying (CSK) is considered for modulation. The time-varying spatial distribution of the information molecules under the reversible adsorption and desorption reaction at the surface of a receiver is analytically characterized. Based on the spatial distribution, we derive the net number of newly-adsorbed information molecules expected in any time duration. We further derive the number of newly-adsorbed molecules expected at the steady state to demonstrate the equilibrium concentration. Given the number of newly-adsorbed information molecules, the bit error probability of the proposed MC system is analytically approximated. Importantly, we present a simulation framework for the proposed model that accounts for the diffusion and reversible reaction. Simulation results show the accuracy of our derived expressions, and demonstrate the positive effect of the adsorption rate and the negative effect of the desorption rate on the error probability of reversible adsorption receiver with last transmit bit-1. Moreover, our analytical results simplify to the special cases of a full adsorption receiver and a partial adsorption receiver, both of which do not include desorption.

研究动机与目标

• 开发一种在流体环境中使用可逆吸附接收器的扩散分子通信的解析模型。
• 表征在可逆吸附与解吸反应下信息分子的时变空间分布。
• 推导随时间变化及稳态下净吸附分子数，以理解平衡行为。
• 在强度调制移频键控（CSK）调制下，解析近似系统的误码概率。
• 通过包含扩散和可逆化学反应的仿真框架验证解析模型。

提出的方法

• 在接收器表面采用罗宾型边界条件，建立反应-扩散系统以模拟可逆吸附。
• 对控制偏微分方程及边界条件应用拉普拉斯变换，推导拉普拉斯域中的空间浓度分布。
• 通过反拉普拉斯变换（包括吉尔-佩拉捷定理）表达时域浓度分布，尽管反变换计算复杂。
• 通过在时间与接收器体积上积分浓度分布，推导净吸附分子数。
• 提出一种仿真框架，用于模拟分子与接收器表面之间的布朗运动及可逆化学反应。
• 通过在不同吸附与解吸速率下对比仿真输出与解析结果，验证解析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接收器表面发生可逆吸附与解吸时，信息分子的时变空间分布如何演化？
• RQ2 在所提系统中，给定时间段内净吸附分子数的解析表达式是什么？
• RQ3 系统在稳态下如何表现？吸附分子的平衡浓度是多少？
• RQ4 在采用可逆吸附接收器的强度调制移频键控（CSK）调制下，系统的误码概率是多少？
• RQ5 吸附与解吸速率如何影响系统的误码性能？

主要发现

• 解析模型准确预测了信息分子的时变空间分布，仿真结果证实了推导公式的正确性。
• 更高的吸附速率可降低误码概率，尤其在发送比特-1时表现更明显，表明检测可靠性提高。
• 更高的解吸速率会增加误码概率，尤其在比特-1时，原因在于吸附分子过早释放。
• 推导出的解析表达式能正确简化为完全吸附与部分吸附接收器的特例，与先前模型保持一致。
• 仿真框架成功捕捉了扩散与可逆反应的动力学过程，实现了对解析结果的有效验证。
• 通过吉尔-佩拉捷定理处理复杂数学项 Z(s) 的反拉普拉斯变换，实现了系统响应的累积分布函数与概率密度函数的数值计算。