In molecular communications, the direct detection of signaling molecules may be challenging due to a lack of suitable sensors and interference in the environment. Motivated by research in molecular biology, we investigate an indirect detection mechanism using chemical reactions between the signaling molecules and a molecular probe to produce an easy-to-measure product at the receiver. We consider two implementations of the proposed detection mechanism, i.e., unrestricted probe movement and probes restricted to a volume around the receiver. The reaction-diffusion equations describing the concentrations of the reactant and product molecules in the system are non-linear and coupled, and cannot be solved in closed form. Therefore, we develop an efficient iterative algorithm by discretizing the time variable and solving for the space variables of the equations in each time step. Our results show that the concentrations of the product molecules and the signalling molecules share a similar characteristic over time, i.e., a single peak and a long tail. The peak and tail values of the product molecule concentration can be controlled by choosing probes with suitable parameters. By carefully choosing the molecular probe and optimizing the decision threshold, the BER can be improved significantly and outperform that of a direct detection system.


翻译:在分子通信中,直接探测信号分子可能由于缺乏合适的传感器和对环境的干扰而具有挑战性。在分子生物学研究的推动下,我们调查了一种间接检测机制,利用信号分子和分子探测器之间的化学反应在接收器中产生一种易于测量的产品。我们考虑了拟议检测机制的两个实施过程,即不受限制的探测器移动和探测限于接收器周围的体积。描述系统中反应器和产品分子浓度的反射分解方程式是非线性和结合的,无法以封闭的形式解决。因此,我们通过分离时间变量和解决每个步骤的方程式的空间变量,开发一种高效的迭代算法。我们的结果表明,产品分子和信号分子的浓度随着时间的推移具有相似的特征,即一个单峰和长尾巴。产品分子浓度的峰值和尾巴值可以通过选择具有适当参数的探测器加以控制。通过仔细选择分子探测器和优化决定阈值的系统,可以大幅改进和直接外形。

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