Diffusive MIMO molecular communication systems

In diffusion-based communication, as for molecular systems, the achievable data rate is very low due to the slow nature of diffusion and the existence of severe inter-symbol-interference (ISI). Multiple-input multiple-output (MIMO) technique can be used to improve the data rate. MIMO technique cause inter-link interference (ILI) in addition to the the ISI. MIMO time interleaving (TIL) modulation technique is introduced at the transmitter to mitigate the ILI. Knowledge of channel impulse response (CIR) is essential for equalization and detection in MIMO systems. This thesis presents a training-based CIR estimation for diffusive MIMO (D-MIMO) channels. Maximum likelihood and least-squares estimators are derived, and the training sequences are designed to minimize the corresponding Cramér-Rao bound. Sub-optimal CIR estimators are compared to the Cramér-Rao bound to validate their performance. Also, several equalization and detection schemes are proposed to investigate the performance of the D-MIMO MC system. We have studied the effect of the D-MIMO system parameters in terms of bit error rate (BER) and throughput when channel state information (CSI) is available at the receiver. Finally, block-type communication is assumed where designed training sequences are transmitted at the beginning of each block for CIR estimation. Then, estimated CIR is used during the rest of the block to equalize the received signals for detection. The effect of training sequence length on BER and throughput is studied and it is shown that for short training sequence length, system performance reach to the ideal case when CSI is available at the receiver.

Nei sistemi di comunicazione basati su canali di tipo diffusivo, come nel caso di sistemi molecolari, il massimo ritmo di trasmissione raggiungibile è limitato dalla lenta natura della diffusione e dall'esistenza di una severa interferenza intersimbolica (ISI). Sistemi di comunicazione che utilizzano una schiera di antenne sia al trasmittitore che al ricevitore (MIMO) posso essere utilizzati per migliorare il ritmo di trasmissione. Tuttavia, i sistemi MIMO, oltre all'ISI, introducono ulteriore interferenza tra i vari canali spaziali (ILI). Quest'ultima può essere mitigata utilizzando tecnica di interleaving nel tempo. La conoscenza della risposta all'impulso del canale (CIR) è fondamentale per l'equalizzazione e la rivelazione nei sistemi MIMO. Questa tesi presenta una tecniche di stima della CIR per canali MIMO diffusivi (D-MIMO) basata su sequenze di training. Stimatori a massima verosimiglianza (ML) e ai minimi quadrati (LS) sono stati derivati per la stima delle CIR e le sequenza di training sono state ottimizzate per minimizzare il corrispondente limite di Cramer-Rao. Le prestazioni di stimatori delle CIR sub-ottimi sono stati confrontati con il limite di Cramer-Rao per validarne l’efficacia. In più, varie tecniche di equalizzazione e rivelazione sono state proposte per analizzare le prestazioni dei sistemi D-MIMO molecolari. I parametri che caratterizzano i sistemi D-MIMO sono stati studiati in termini di probabilità d’errore sul bit (BER) a ritmo di trasmission nel caso in cui si assume completa conoscenza del canale (CSI) al ricevitore. Infine, la comunicazione a blocchi è stata enorcare con le sequenze di training che trasmesse all’inizio di ogni blocco per la stima delle CIR. Tali CIR stimate sono poi utilizzate per equalizzare e rivelare i segnali ricevuti per la rimanente durata del blocco. L’impatto della lunghezza delle sequenze di training sulla probabilità di errore sul simbolo e sul ritmo di trasmissione è stata studiata, dimostrando che anche per sequenza di lunghezza relativamente corta, le prestazioni del sistema approcciano il caso ideale in cui il ricevitore dispone di una perfetta conoscenza delle infromazioni di canale.