Relaying in Diffusion-Based Molecular Communication
生物实体间的分子通讯是通讯的一种新范式。最近，我们研究了由合成细菌形成的两个节点之间的分子通信。由于细菌行为的高度随机性，我们在每个节点中使用它们的种群。这种通信系统的可靠性取决于发送器节点能够在接收器节点处产生的分子的最大浓度以及每个节点中的细菌数量。分子的最大浓度随距离而下降，这使得与远节点的通信几乎不可能。为了缓解这个问题，在本文中，我们建议使用分子中继节点。中继节点可以通过与来自发射机的原始信号不同或相同类型的分子重新发送消息。我们研究两种情况下的中继。在第一种情况下，中继节点简单地感测接收到的集中度并将其转发给接收器。我们表明，这种意义和转发的情况下，根据用于中继的分子的类型，结果要么增加在接收器的分子的浓度范围或增加在接收器节点中的细菌的有效数量。对于这两种情况下的意义和转发中继，我们得到的信道容量的改善。我们的结论是，多类型的分子中继优于单一类型的中继。在第二种情况下，我们研究了解码和转发中继的M元信令方案。我们表明，这种中继策略增加了M元通信的可靠性显着。
2014-10-04 cs.ET cs.IT math.IT
Using Game Theory for Real-Time Behavioural Dynamics in Microscopic Populations with Noisy Signalling
本文介绍了博弈论的应用，以了解嘈杂的实时信号和由此产生的微观种群，如细菌和其他细胞的行为动力学。它提供了一个分子通信和微观博弈论之间的桥梁。分子通信利用传统的通信工程理论和技术来研究和设计使用化学分子作为信息载体的系统。微观博弈论模拟了细胞和微生物群体内部和之间的相互作用。整合这两个领域提供了独特的机会，以了解和控制微观种群，有不完善的信号传播。两个例子，即细菌群体感应和肿瘤细胞信号，提出了潜在的游戏，以证明这种方法的应用。最后，细菌资源共享的案例研究表明，如何嘈杂的信号可以改变行为的分布。
2019-02-04 cs.IT math.IT physics.bio-ph
Thermodynamic Properties of Molecular Communication
在本文中，我们考虑的能量成本的通信使用分子通信。在一个简化的情况下，我们表明，在朗道原理的能量约束可以实现，这意味着分子通信可以接近基本的热力学极限。
2018-05-09 cs.IT math.IT
Molecular communication: Physically realistic models and achievable information rates
分子通信是一种受生物学启发的通信方法，具有吸引人的微米级和纳米级器件特性。在分子通信中，通过在发射器处释放分子图案来传输消息，所述分子图案通过流体介质朝向接收器传播。在本文中，分子通信被制定为一个数学通信问题的信息论的背景下。物理现实的模型，获得了足够的抽象，让通信和信息理论家操纵。虽然在这些信道中的互信息是棘手的，我们给出了序列的上界和下界的互信息的复杂性和性能的折衷，并提出的结果来说明这些界估计真实的互信息的可行性。
2008-12-08 cs.IT math.IT
Novel Modulation Techniques using Isomers as Messenger Molecules for Molecular Communication via Diffusion
在本文中，我们提出了新的调制技术，使用异构体作为信使分子的纳米通信通过扩散。为了评估可实现的速率性能，我们比较了所提出的技术与基于浓度和基于分子类型的方法。分析和数值结果证实，所提出的调制技术实现更高的数据传输速率性能比传统的胰岛素为基础的概念。
2012-01-03 cs.CE cs.IT math.IT
Information Theory of Molecular Communication: Directions and Challenges
分子通讯（MC）是一种利用分子作为信息载体的通讯策略，广泛应用于生物细胞。作为一个跨学科的课题，它已经被生物学家、传播理论家和越来越多的信息理论家所研究。本文的目的是特别提请MC信息理论家的注意。为此，我们首先强调了研究分子通道容量的独特数学挑战。解决这些问题需要使用已知的或开发新的数学工具。为了实现这一目标，我们回顾了主观选择现有的文献信息理论方面的分子通信。这里的重点是所使用的数学技术，而不是对特定论文的设置或建模。最后，作为一个例子，我们提出了一个具体的信息理论问题，我们的分子通信的研究动机。
2016-12-11 cs.IT math.IT
Mathematical Foundations for Information Theory in Diffusion-Based Molecular Communications
分子通信是纳米技术中一种很有前途的通信模式。然而，分子通讯的信息论分析的坚实的数学基础尚未建立。特别地，没有人证明信道编码定理适用于分子通信，并且没有建立信息速率容量（最大互信息）和码速率容量（上确界可达码速率）之间的关系。在本文中，我们专注于分子通信的一个主要子类-基于扩散的分子通信。通过建立一个一般的基于扩散的分子通道模型，并证明其信道编码定理，为基于扩散的分子通信中的信息论提供了坚实的数学基础.还建立了信道容量的统计和业务定义之间的各种等价关系，包括最经典的信息速率容量和码率容量。作为副产品，我们已经证明了基于扩散的分子通道是“渐进减少的输入记忆和预期”和“d-连续”。基于扩散的分子通道的其他性质，如平稳性或遍历性也被证明。
2013-11-18 cs.IT math.IT q-bio.MN
On the Performance of the Primary and Secondary Links in a 3-D Underlay Cognitive Molecular Communication
分子通讯通常涉及共存的链接，其中某些链接可能优先于其他链接。在这项工作中，我们考虑一个系统在三维（3-D）空间中有两个共存的通信链路，每个点发射器和全吸收球形接收器（FAR）之间，其中一个链接（称为主）优先于第二个链接（称为次级）。该系统实现了两个链接共存的认知-通信策略，这两个链接使用相同类型的分子进行信息传递。存在于同一通讯介质中的FARs之间的相互影响导致了对携带信息的分子的捕获竞争。在这项工作中，首先，我们推导出一个近似的命中概率方程的扩散限制的分子通信系统的两个不同大小的球形FAR考虑分子降解的影响。推导出的方程，然后用于在认知分子通信场景中的主链路和辅链路的性能分析。我们表明，简单的发送控制策略在二次发射机可以提高整个系统的性能。研究了分子退化和判决门限对系统性能的影响。我们还表明，系统参数需要仔细设置，以提高系统的性能。
2021-02-11 cs.IT math.IT
End-to-End Performance Optimization in Hybrid Molecular and Electromagnetic Communications
远程医疗是指利用信息和通信技术协助提供医疗信息和服务。在医疗保健应用中，医疗保健提供者和人体内期望目的地之间的高可靠通信链路在设计端到端（E2E）远程医疗系统中起着核心作用。在先进的医疗保健应用中，$\text{e.g.}$药物传递、分子通讯成为生物纳米医学应用的主要组成部分。本文研究了一种由电磁链路和分子链路组成的E2E通信链路。当身体是沟通系统的一部分时，这种范式至关重要。基于服务质量（QoS）度量，给出了分子电磁通信与无线电磁通信相结合的E2E误码率的封闭表达式。\textcolor{black}{ Next, we formulate an optimization problem with the aim of minimizing the E2E BER of the system to achieve the optimal symbol duration for EC and DMC regarding the imposing delivery time from telemedicine services.}提出的问题是解决了基于二分法的迭代算法。研究了分子通信中接收端的漂移速度、检测阈值等系统参数对系统性能的影响。数值结果表明，该方法通过选择合适的电磁和分子通信符号持续时间，获得了最小的E2E误码率。
2019-06-17 cs.IT math.IT
Molecular communication networks with general molecular circuit receivers
在分子通信网络中，发射器可以编码信号分子的浓度或频率的信息。当信号分子到达接收器时，它们通过一系列化学反应或分子电路发生反应，产生输出分子。输出分子随时间的计数是接收器的输出信号。本文的目的是研究不同反应类型对分子通讯网络信息传输能力的影响。我们实现这一目标，通过使用一个通用的分子电路模型。我们推导出平均接收机输出，信号和噪声谱的一般表达式。我们使用这些表达式来研究一些分子电路的信息传输能力。
2013-12-19 cs.IT math.IT q-bio.MN
Diffusion Based Cooperative Molecular Communication in Nano-Networks
这项工作提出了一种新的基于扩散的双相分子通信系统，其中源利用多个合作的纳米机器来提高通信的端到端可靠性。在多用户干扰的存在下，每个合作以及目的地纳米机器的奈曼-皮尔逊似然比测试。此外，为了表征上述系统的性能，推导出检测概率、单个合作目的地纳米机器处的虚警概率以及总体端到端错误概率的闭合形式表达式。仿真结果表明，与现有文献中的多输入单输出和单输入单输出分子通信方案相比，所提出的合作框架在端到端性能上有了显著的提高。
2017-10-15 cs.IT math.IT
Robust Modulation Technique for Diffusion-based Molecular Communication in Nanonetworks
基于扩散的纳米网络分子通信是一种新兴的通信模式，它使纳米机器能够通过使用分子作为信息载体进行通信。对于这样的通信模式，由于其固有的简单性和实用性，集中移位键控（CSK）已被认为是用于调制信息符号的最有前途的技术之一。然而，CSK调制的后续信息符号可能由于每个调制符号的分子到达接收器纳米机器所花费的随机时间量而彼此干扰。为了减轻CSK带来的码间干扰问题，提出了一种新的调制技术Zebra-CSK。所提出的Zebra-CSK在CSK调制的分子信号中添加抑制剂分子以选择性地抑制ISI引起的分子。我们新开发的概率分析模型的数值结果表明，Zebra-CSK不仅提高了分子通道的容量，而且降低了在接收器纳米机器上观察到的符号错误概率。
2014-01-17 cs.IT math.IT
Molecular Communication with Anomalous Diffusion in Stochastic Nanonetworks
自然界中的分子通信可以将大量纳米事物纳入纳米网络中，并演示纳米事物如何通信。本文介绍了分子通信，其中发送纳米机器提供信息分子的接收纳米机器通过异常扩散通道。通过考虑时空分数扩散通道中分子浓度的随机性，导出了分子首次通过时间的解析表达式。然后，利用Fox H函数推导了第l个最近邻分子通信的二进制定时调制误码率出错率。在存在干扰分子的情况下，给出了在给定时间间隔内到达的干扰分子数量的均值和方差。使用这些统计数据，提供了用于定时调制的简单缓解方案。本文中的结果提供了网络性能的错误概率平均在一组随机距离之间的通信链路，以及一组随机FPT所造成的分子的异常扩散。这一结果将有助于设计和开发用于各种设计目的的分子通信系统。
2019-11-04 cs.IT math.IT
Design and Performance Analysis of Dual and Multi-hop Diffusive Molecular Communication Systems
这项工作提出了一个全面的性能分析的扩散为基础的直接，双跳，和多跳分子通信系统与布朗运动和漂移的存在下，如符号间干扰（ISI），多源干扰（MSI），和计数错误。最佳决策规则的推导采用似然比测试（LRT）的符号检测在每个合作以及目的地纳米机器。此外，封闭形式的表达式也推导出检测的概率，在个别合作，目的地纳米机器的虚警，以及源-目的地通信的错误的整体端到端的概率。结果还表征了中间合作纳米机器的检测性能对双/多跳扩散分子通信系统的端到端性能的影响。此外，容量表达式也推导出直接，双跳，和多跳分子通信的情况下。仿真结果证实了理论推导的结果，也产生洞察系统的性能。
2017-10-02 cs.IT math.IT
Diffusive Molecular Communication with Nanomachine Mobility
本文提出了一种基于移动发射和接收纳米机器的扩散分子通信的性能分析方法。首先，在接收器纳米机器处获得用于符号检测的最佳测试。随后，封闭形式的表达式推导出的检测和虚警的概率，错误的概率，并考虑也像差，如多源干扰，符号间干扰和计数错误的能力。仿真结果证实了理论推导的结果，并产生各种见解的系统的性能。有趣的是，它示出的移动扩散分子通信的性能可以显着增强分配大部分的总可用分子作为时隙间隔增加的传输。
2017-10-02 cs.IT math.IT
Capacity of Diffusion-based Molecular Communication with Ligand Receptors
基于扩散的分子通信系统有两个主要组成部分：介质中的扩散和配体接收。以分子浓度的时间变化编码的信息比特通过介质中的分子扩散被传送到接收器前端。反过来，接收器测量其附近的分子浓度以检索信息。这通过配体接收过程完成。在本文中，我们开发的模型来研究在接收器侧的浓度传感所施加的约束，并推导出配体接收器可以接收信息的最大速率。因此，与配体受体的扩散通道的总容量可以通过结合本文中提出的结果与我们以前的工作在扩散通道上的分子通信的可实现的信息速率。
2012-05-22 cs.IT math.IT
Secure Channel for Molecular Communications
纳米网络中的分子通信是一种新兴的通信范式，它使用分子作为信息载体。实现安全的信息交换是需要考虑的实际挑战之一，以解决纳米网络中分子通信的潜力。本文将安全信道引入到分子通信中来防止窃听。首先，我们提出了一种基于Diffie Hellman算法的方法，通过该方法，通信纳米机器可以通过分子信号交换秘密密钥。然后，我们使用这个秘密密钥来执行加密。此外，我们还提出了秘密密钥交换算法和安全的分子通信系统。建议的安全系统被发现有效的能源消耗。
2017-09-14 cs.CR cs.ET cs.IT
3-D Channel Characteristics for Molecular Communications with an Absorbing Receiver
在分子通信领域，研究人员模仿自然界中的技术，提出了用于协作纳米机器的替代通信方法。本文研究了分子通过扩散进行通讯的通道传递函数。在自然界中，携带信息的分子通常通过受体被目标节点吸收。在不考虑吸收过程的情况下，使用浓度函数作为信道传递函数隐含地假设接收器节点不影响系统。在这封信中，我们提出了一个坚实的分析配方和分析的信号度量（衰减和传播延迟）的分子通信通过扩散通道吸收接收器在3-D环境中。所提出的模型和配方匹配良好的模拟没有任何归一化。
2014-04-17 cs.IT math.IT q-bio.MN
Molecular Absorption Effect: A Double-edged Sword of Terahertz Communications
太赫兹波段（THz）（0.1- 10 THz）的通信被认为是未来6 G及更高无线系统的有前途的技术，以克服不断增长的无线数据流量和拥挤的频谱的挑战。随着频率从微波波段增加到THz波段，新的频谱特征对无线通信系统设计提出了前所未有的挑战。分子吸收效应是一种新的太赫兹光谱特性，它使特定频率处的路径损耗和噪声增大。这给太赫兹无线通信系统带来了一把双刃剑。一方面，从数据率的观点来看，分子吸收是有害的，因为它降低了接收信号功率并降低了信道容量。另一方面，值得注意的是，对于无线安全性和隐蔽性，分子吸收效应可以用来保护用户之间的太赫兹通信。本文分析了分子吸收效应的特点及其对THz系统设计的影响，旨在为更好地利用这种独特的THz现象提供指导。具体而言，由于分子吸收很大程度上取决于传播介质，不同的通信场景组成的各种媒体进行了讨论，包括陆地，空气和空间，海面和纳米尺度的通信。在此基础上，提出了两种新的分子吸收启发式安全隐蔽通信方案，该方案利用分子吸收效应作为提高安全性和隐蔽性的关键和独特特征。
2022-05-25 cs.IT eess.SP math.IT
Hybrid Nano Communications
在本文中，我们提出了一个混合纳米通信（HNC）系统，集成了三种可能的纳米通信模式：太赫兹通信（TC），分子通信（MC），和神经通信（NC）。本文提供了一些见解，如何所需的四个关键构件，即太赫兹到分子（T2M）中继接口，分子到太赫兹（M2T）接口，分子到神经（M2N）中继，神经到分子（N2M）接口可以设计实现HNC系统。此外，还对混合信道的容量进行了分析。计算了各子信道的容量。最后，数值结果来理解所提出的HNC系统的数据传输能力。
2019-09-12 cs.ET cs.IT math.IT
A Tutorial on Coding Methods for DNA-based Molecular Communications and Storage
本文提供DNA存储及其在分子通信中应用的教程，涵盖MCS基础、传统编码方案的应用及数值结果，并展望未来研究方向。
2023-11-13 cs.ET cs.IT math.IT
Enhanced Modulation Technique for Molecular Communication: OOMoSK
纳米网络中的分子通信是一种新兴的通信范式，其中分子被用作信息载体。浓度位移键控（CSK）和分子位移键控（MoSK）在中短程分子纳米网络中得到了广泛的研究。据观察，MoSK优于CSK。然而，MoSK需要不同类型的分子进行编码，这使得发射器和接收器复杂。我们提出了一种调制方案，称为开-关MoSK（OOMoSK），其中，分子被释放的信息位1和0没有分子被释放。所提出的方案具有减少的用于编码的分子类型的数量。数值结果表明，该方案提高了信道容量和符号出错率（SER）。
2014-11-12 cs.ET cs.IT math.IT
Consensus Problem under Diffusion-based Molecular Communication
我们研究了节点通过基于扩散的分子通信（DbMC）进行通信的网络中的共识问题。在DbMC中，信息通过介质中分子浓度的变化来传达。每个节点都获取有关环境的感官信息。通信使节点能够达到该测量的最佳估计，例如，所有节点的初始估计的平均值。我们考虑一个迭代法节点之间的通信，使信息传播和平均网络。我们表明，经过有限次数的迭代和方差的估计节点可以通过通信任意小的共识。
2011-03-01 cs.IT math.IT nlin.AO
The Unreasonable Effectiveness of Blood Pressure Measurement: Molecular Communication in Biological Systems
动脉血压是人体健康的重要生命体征。因此，准确和可重复的测量技术是成功诊断所必需的。血压测量是调节生物系统中分子通信的一个例子。一般来说，受调控的生物系统中的通信是困难的，因为编码有关系统状态的信息的行为可能会破坏信息本身。在本文中，我们提出了三种策略来应对这个问题，以促进可靠的分子通信链接：从郊区通信;建立它;留下一个小的足迹。我们的策略-灵感来自于自然生物系统中的通信-提供了一个分类，以指导合成生物系统中分子通信机制的设计。我们用自然系统中前两种策略的例子来说明我们的分类。然后，我们考虑一个基于Michaelis-Menten动力学模型内的分子连接。特别是，我们计算的链接，这揭示了潜在的通信使用我们留下一个小的足迹策略的能力。这提供了一种鉴定分子连接是否可以在不影响功能的情况下得到改善的方法，并为合成生物系统的设计提供了指导。
2014-10-21 cs.IT math.IT q-bio.MN
Spatial Diversity in Molecular Communications
在这项工作中，空间分集技术在多输入多输出（MIMO）扩散为基础的分子通信（DBMC）领域进行了研究。对于发射端空间编码，提出并分析了Alamouti型编码和重复MIMO编码。在接收端，研究了选择分集、等增益合并和最大比合并等合并策略。在整个数值分析中，假设一个对称的$2\times 2$ MIMO-DBMC系统。此外，训练的人工神经网络被用来获取信道冲激响应。数值分析表明，在分子通讯中实现多样性增益是可能的。此外，它表明，对于MIMO-DBMC系统的重复MIMO编码是优于Alamouti型编码。
2017-07-24 cs.ET cs.IT math.IT
A Machine Learning Approach to Model the Received Signal in Molecular Communications
分子通信通道由接收到的信号确定。接收信号模型构成了研究调制、接收机设计、容量和编码依赖于接收信号模型的基础。因此，至关重要的是对直到时间$t$的接收分子的数量进行分析建模。基于扩散的分子通信信道的首次击中过程建模是一个开放的问题，球形发射机。在本文中，我们利用人工神经网络技术来模拟球形发射机和完全吸收接收机（即，第一次撞击过程）。所提出的技术可用于其他研究，假设一个球形发射机，而不是一个点发射机。
2016-11-18 cs.ET cs.IT math.IT
Levenberg-Marquardt Method Based Cooperative Source Localization in SIMO Molecular Communication via Diffusion Systems
分子通信是纳米技术中纳米级通信的基础。将多台机器组合形成纳米网络是主要的实现方法之一。由于源定位在建立纳米网络中的重要性，本文提出了一种基于多个球形吸收接收器的分子扩散通信（MCvD）系统的协同源定位方法。由于多个吸收接收机的信道冲激响应没有精确的数学表达式，本文采用经验表达式，利用Levenberg-Marquardt方法估计发射机到每个接收机的距离，在此基础上利用多点定位方法获得初始点，然后利用迭代方法获得发射机的位置。基于粒子的仿真进行评估所提出的方法的性能。仿真结果表明，该方法可以在中短通信距离内准确估计发射机的位置。
2022-03-16 cs.IT eess.SP math.IT
Detection Interval for Diffusion Molecular Communication: How Long is Enough?
分子通信在未来的医学应用中发挥着关键作用，包括检测，分析和解决传染病爆发。克服符号间干扰（ISI）是分子通信系统设计中的关键挑战之一。在本文中，我们提出了优化的检测间隔，以最大限度地减少ISI的影响，同时确保准确检测发送的信息符号，这是适合于吸收和被动接收机。为了便于处理，基于信干差（SID）和信干噪幅度比（SINAR），提出了一种改进的SINAR（mSINAR）方法，用于测量可变检测间隔下分子通信系统的出错率（BER）性能。此外，我们推导出封闭形式的最佳检测间隔。使用仿真结果，我们表明，我们提出的mSINAR方案的BER性能优于竞争计划，并实现类似的性能，通过穷举搜索找到的最佳间隔。
2022-04-19 cs.IT eess.SP math.IT
Frequency response of diffusion-based molecular communication channels in bounded environment
近年来，分子通信（MC）作为细胞或分子机器人之间的微尺度通信被研究。在以前的工作中，MC信道在无界环境中进行了分析。然而，许多实验实现的MC通道被壁包围，因此边界条件应明确考虑到MC通道的动力学分析。在本文中，我们提出了一个框架来分析一维MC通道的频率响应的基础上的扩散方程的边界。特别地，我们将MC信道分解为扩散系统和边界系统，并基于传递函数给出了MC信道的截止频率与通信距离之间的关系。然后，我们分析了一个特定的MC信道的频率响应，并揭示了边界可以限制MC信道的通信带宽。
2022-03-25 cs.IT cs.SY eess.SY
