In this paper, we propose a novel concept for engineered molecular communication (MC) systems inspired by animal olfaction. We focus on a multi-user scenario where transmitters employ unique mixtures of different types of signaling molecules to convey their messages to a central receiver, which is equipped with an array comprising $R$ different types of receptors to detect the emitted molecule mixtures. The hardware complexity of an MC system employing \textit{orthogonal} molecule-receptor pairs would linearly scale with the number of signaling molecule types $Q$ (i.e., $R=Q$). Natural olfaction systems avoid such high complexity by employing arrays of \textit{cross-reactive} receptors, where each type of molecule activates multiple types of receptors and each type of receptor is predominantly activated by multiple types of molecules albeit with different activation strengths. For instance, the human olfactory system is believed to discriminate several thousands of chemicals using only a few hundred receptor types, i.e., $Q\gg R$. Motivated by this observation, we first develop an end-to-end MC channel model that accounts for the key properties of olfaction. Subsequently, we formulate the molecule mixture recovery as a convex compressive sensing (CS) problem which can be efficiently solved via available numerical solvers. Our simulation results confirm the efficiency of the proposed CS problem for the recovery of the molecular mixture signal and quantify the system performance for various system parameters.


翻译:在本文中,我们提出了一个由动物嗅觉激励的工程分子通信(MC)系统的新概念。 我们侧重于多用户设想方案,即发射器使用不同类型信号分子的独特混合物向中央接收器传递其信息,中央接收器配备由美元不同类型受体组成的阵列,以检测所排放的分子混合物。使用\textit{orthognal}分子受体配对的MC系统的硬件复杂性将随着信号分子类型的数量Q美元(即$R ⁇ $$)而线性规模扩大。自然流传系统通过使用不同类型的信号分子分子的阵列来避免如此高的复杂性,每个类型的分子激活多种类型的受体和每种受体主要是由多种类型的分子激活的,尽管具有不同的激活力。例如,人们认为人类嗅觉系统只对数千种化学品进行线性区分,而信号型号只有几百种(即$ ⁇ gg R$$$$$$)。 自然浮控系统通过使用这种观测,避免了如此高的复杂性。

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