Study of a partially absorbing receiver in molecular communication by Monte Carlo simulation

Molecular Communication is a paradigm inspired by biological phenomenons that finds its applications in describing communication between bio-nanomachines through the use of molecules as information carriers rather than electricity or electromagnetic waves. Its biological compatibility is particularly attractive for biomedical and environmental applications, like smart drug delivery or pollution monitoring. Many studies have concentrated their analysis on the modeling of the reception of the signal in a diffusive environment, where the information particles are released in a fluid and diffuse freely into the environment they are in. This type of study often bases itself on the use of fully absorbing receivers, but a recently alternative for the type of receiver has emerged: the partially absorbing receiver. This one has been shown to be able to reduce the bit error rate incurred in the transmission of the signal, through the consideration of only a portion of the particles, absorbed by a specific part of the surface of the receiver. This work aims at giving some formulations for the cumulative number of absorbed particles over time from an empirical standpoint, analyzing data obtained through simulations. An estimation of the cumulative absorption function is obtained by substituting the partially absorbing receiver with fully absorbing one, changing its dimension and position. Some formulas will be proposed to calculate the distance from the transmitter and the radius of the equivalent fully absorbing receiver, and those will be compared with the simulation data to obtain a satisfactory approximation of the phenomenon.

La comunicazione molecolare è un paradigma ispirato da fenomeni biologici che trovano applicazioni nel descrivere la comunicazione tra bio-nanomacchine attraverso l’utilizzo di molecole come vettori di informazioni piuttosto di elettricità o onde elettromagnetiche. La sua compatibilità biologica è particolarmente attraente per le applicazioni biomedicali e ambientali, come smart drug delivery o monitoraggio dell’inquinamento. Molti studi hanno concentrato la loro analisi sulla modellazione della ricezione del segnale in un ambiente diffusivo, dove le particelle di informazione vengono rilasciate in un fluido e si diffondono liberamente nell’ambiente in cui si trovano. Questo tipo di studio si basa spesso sull’utilizzo di ricevitori totalmente assorbenti, ma recentemente è emersa un’alternativa per la tipologia di ricevitore: il ricevitore parzialmente assorbente. Questo ha dimostrato di essere in grado di ridurre il tasso di errore sostenuto nella trasmissione del segnale, attraverso la considerazione di solo una porzione delle particelle, assorbite da una parte specifica della superficie del ricevitore. Questo lavoro si propone di fornire alcune formulazioni per il numero cumulativo di particelle assorbite nel tempo da un punto di vista empirico, analizzando i dati ottenuti attraverso simulazioni. Una stima della funzione cumulativa di assorbimento si ottiene sostituendo il ricevitore parzialmente assorbente con uno completamente assorbente, modificandone dimensione e posizione. Verranno proposte alcune formule per calcolare la distanza dal trasmettitore ed il raggio del ricevitore totalmente assorbente equivalente, e queste verranno confrontate con i dati della simulazione per ottenere un’approssimazione soddisfacente del fenomeno.