[论文解读] Non-Coherent Detection for Diffusive Molecular Communications

Vahid Jamali, Nariman Farsad+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2017

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于扩散性分子通信（diffusive molecular communication）系统的最优及次优非相干检测方案，无需信道状态信息（CSI）。推导出最优最大似然多符号检测器与基于阈值的符号逐符号检测器，并提出一种闭式近似以降低复杂度，实现大规模观测集合下的近乎完美性能。

ABSTRACT

We study non-coherent detection schemes for molecular communication (MC) systems that do not require knowledge of the channel state information (CSI). In particular, we first derive the optimal maximum likelihood (ML) multiple-symbol (MS) detector for MC systems. As a special case of the optimal MS detector, we show that the optimal ML symbol-by-symbol (SS) detector can be equivalently written in the form of a threshold-based detector, where the optimal decision threshold is constant and depends only on the statistics of the MC channel. The main challenge of the MS detector is the complexity associated with the calculation of the optimal detection metric. To overcome this issue, we propose an approximate MS detection metric which can be expressed in closed form. To reduce complexity even further, we develop a non-coherent decision-feedback (DF) detector and a suboptimal blind detector. Finally, we derive analytical expressions for the bit error rate (BER) of the optimal SS detector, as well as upper and lower bounds for the BER of the optimal MS detector. Simulation results confirm the analysis and reveal the effectiveness of the proposed optimal and suboptimal detection schemes compared to a benchmark scheme that assumes perfect CSI knowledge, particularly when the number of observations used for detection is sufficiently large.

研究动机与目标

• 解决由于流速、温度和距离等动态环境因素导致的扩散性分子通信（MC）系统中CSI获取不可靠的问题。
• 设计无需CSI估计的非相干检测方案，以减少训练开销，并在快速变化的信道中提高鲁棒性。
• 构建一种实用的检测框架，在缺乏瞬时CSI知识的情况下仍能保持高可靠性。
• 为所提出的检测器提供性能边界分析，以指导系统设计与评估。

提出的方法

• 基于对未知CSI的似然函数期望，推导出在非相干检测下MC系统的最优最大似然（ML）多符号（MS）检测器。
• 证明最优符号逐符号（SS）检测器可重述为仅依赖于信道统计特性的常数阈值检测器。
• 通过使用伽马分布近似未知的CSI概率密度函数（PDF），推导出MS检测度量的闭式表达式，从而降低计算复杂度。
• 提出一种非相干决策反馈（DF）检测器与一种次优盲检测器，以进一步降低复杂度，同时保持性能。
• 利用二项式展开与矩生成函数技术，简化SS检测器模型下的检测度量表达式。
• 利用引理1证明似然比的单调性，从而证明在SS检测情况下存在唯一决策阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏瞬时信道状态信息（CSI）的情况下，如何在扩散性分子通信中实现最优非相干检测？
• RQ2 在非相干检测下，最优多符号（MS）与符号逐符号（SS）最大似然检测器的结构是怎样的？
• RQ3 能否推导出MS检测度量的闭式近似，以在保持性能的同时降低计算复杂度？
• RQ4 随着观测符号数的增加，所提出的非相干检测器与CSI辅助基准方案在误比特率（BER）方面有何比较？
• RQ5 能否为非相干检测下最优MS检测器的BER推导出分析边界？

主要发现

• 最优符号逐符号（SS）检测器等价于一个常数阈值检测器，其阈值仅依赖于MC信道的统计特性。
• 最优多符号（MS）检测器在大规模观测集合下可实现近乎完美的性能，其误码率趋近于具备完美CSI知识的基准方案。
• 基于伽马分布CSI的MS检测度量闭式近似，显著降低了计算复杂度，同时保持了高精度。
• 非相干决策反馈（DF）与盲检测器在仅造成轻微性能下降的情况下，进一步降低了复杂度，优于最优MS检测器。
• 为最优SS检测器推导出BER的分析表达式，并为最优MS检测器的BER提供了紧致的上下界。
• 仿真结果表明，所提出的非相干检测器在快速变化的MC信道中优于基于CSI估计的基准方案，尤其在观测符号数较大时表现更优。