[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出Zebra-CSK，一种用于基于扩散的分子通信的鲁棒调制技术，通过使用抑制分子来抑制前一符号残留的信息分子，从而减少符号间干扰（ISI）。通过选择性抑制干扰分子，Zebra-CSK将信道容量提升最高达37.31%，符号误码率降低85.61%，相比传统CSK有显著改进。

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.

研究动机与目标

• 解决由于长尾分子浓度信号导致的基于扩散的分子通信中显著的符号间干扰（ISI）问题。
• 克服传统调制方式浓度移位键控（CSK）的局限性，其因前序符号的分子信号重叠而导致高符号误码率。
• 设计一种鲁棒的调制方案，在不显著增加发射机或接收机复杂度的前提下，提升纳米网络的可靠性与频谱效率。
• 证明抑制分子可有效抑制残留信息分子，从而提高接收端的检测准确性。

提出的方法

• 引入两类分子：用于信息编码的信息分子，以及用于抑制前序符号残留信息分子的抑制分子。
• 采用时隙传输模型，其中每个时隙起始时通过释放n个分子来编码二进制符号（0或1）。
• 使用具有指定抑制效率β的抑制分子，选择性地结合并失活前序符号的信息分子。
• 建立基于概率的解析模型，以计算接收端符号检测的概率，同时考虑扩散、分子衰减和抑制效应的影响。
• 基于发送与接收符号的联合概率分布，推导互信息与符号误码率的表达式。
• 优化检测阈值λ，以在不同抑制效率（β = 0, 0.5, 1）下最大化互信息并最小化符号误码率。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用抑制分子如何影响基于扩散的分子通信中的符号间干扰（ISI）？
• RQ2 与传统CSK相比，Zebra-CSK在多大程度上能够提升信道容量？
• RQ3 Zebra-CSK的最小可实现符号误码率是多少？在最优检测阈值下，其与CSK相比如何？
• RQ4 发射机与接收机纳米机器之间的距离如何影响Zebra-CSK相对于CSK的性能增益？
• RQ5 抑制分子的抑制效率β如何影响系统中的符号误码率与互信息？

主要发现

• 当抑制效率β为0.5和1.0时，Zebra-CSK相比传统CSK分别将信道容量提升29.85%和37.31%。
• Zebra-CSK的最小符号误码率为0.017（β = 0.5）和0.00993（β = 1.0），相比CSK的最小误码率0.069，分别降低了75.36%和85.61%。
• 发送与接收符号之间的互信息在低于CSK最优检测阈值的范围内达到峰值，表明信息传输效率得到提升。
• 在所有测试的发射机与接收机纳米机器距离下，Zebra-CSK的符号误码率始终低于CSK。
• Zebra-CSK在符号误码率方面的性能增益随发射机与接收机之间距离的增加而提升，尤其在中等至高抑制效率下更为显著。
• 所提出的模型证实，抑制效率β = 1.0（完全抑制）的抑制分子可实现最高性能提升，验证了针对性ISI抑制的有效性。