Coherent memory-less detection design for time-varying Poisson molecular communication channel with memory

This thesis investigates novel approaches for designing linear filter and detection algorithm for an unbounded advection diffusion based molecular communication system including enzymatic reactions. By approximating the Binomial distribution with a Poisson distribution and considering the delayed arrival of molecules, symbols transmission can be assumed to propagate through a Poisson channel with memory, which results in Inter-Symbol Interference (ISI). The sequence detection in the presence of ISI is achieved by a linear filter followed by a memoryless detector. Due to the Poisson distribution of the model, which results from an introduced approximation of the disturbance, we propose a filter design suitable for such a statistics. Regarding the choice of the threshold of the memoryless detector to recover symbols, we use an averaging method that is suitable for a symmetric and time varying channel with memory. We also analyse the number of operations required for the algorithms discussed in this thesis. Finally, to demonstrate the performance of the proposed approaches we compute bit error rate (BER) and show the performance of different algorithms versus different parameters of the system model such as the number of released molecules, rate of transmission and degradation effect. We realized that the proposed threshold and the Poisson filter is able to guaranty a good trade-off between performance and complexity.

In questa tesi si propone un nuovo approccio di progettazione del filtrolineare utilizzato al ricevitore e dei relativi algoritmi per la rivelazionedei simboli trasmessi per un sistema di comunicazione molecolare ba-sato sulla diffusione in un ambiente non limitato, dove si consideranoanche le reazioni enzimatiche. In tale contesto di comunicazione, lastatistica del segnale ricevuto `e descritta da una distribuzione bino-miale. A causa delle difficolt`a legate alla trattazione analitica di talestatistica, viene spesso utilizzata come approssimazione una distribu-zione di Poisson. Inoltre, se si tiene conto dell ritardo di propagazionecon cui le molecole trasmesse giungono al ricevitore, `e possibile descri-vere la trasmissione mediante un canale con memoria che introduceinterferenza tra simboli (ISI). La rivelazione ottima della sequenza inpresenza di ISI si ottiene considerando l’algoritmo di Viterbi sugli statidel canale. Considerando l’approssimazione di Poisson, nel lavoro ditesi si propone un progetto del filtro adatto alla statistica di Poissonseguito da un rivelatore senza memoria che impiega una soglia di de-cisione precalcolata. Per quanto riguarda il valore da attribuire a talesoglia, si propone un metodo di calcolo della media adatto al canalesimmetrico che tiene conto della variabilit`a temporale del canale. Alfine di valutare la complessit`a si analizza anche il numero di operazioni richieste per gli algoritmi discussi nel lavoro di tesi. Infine, per dimo-strare le prestazioni degli approcci proposti, si calcola il bit error rate(BER) e si mostrano le prestazioni dei diversi algoritmi in funzione deiparametri del modello come il numero di molecole rilasciate, la velocit`adi trasmissione e l’effetto di degradazione. La conclusione principale acui si giunge `e che la soglia proposta e il filtro Poisson hanno prestazioniaccettabili in relazione alla loro semplicit`a implementativa.