基于信道冲激响应不敏感特征的分子通信非相干信号检测.docx
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2022-05-31
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1 引言
相 比 于 传 统 尺 度 的 物 联 网
（ IoT,Internet of things
） ， 纳 米 物 联 网
（IoNT,Internet of nano things）致力于将嵌入式纳米级传感器和相应纳米级设
备连接到网络中，实现生物体内微观环境的实时监测和更加精确的靶向治疗，
因 此 ， 被 世 界 经 济 论 坛 认 定 为 十 大 新 兴 技 术 之 一
[5
,6
]
、 基 于 脱 氧 核 糖 核 酸
（DNA,deoxyribo nucleic acid）调制和管道传输
[7
]
。在以上这些信息调制和传
输机制中，MCvD 机制因其不需要复杂的调制设施和能源供给吸引了绝大多数
研究者的兴趣。
1.1 研究动机
在 MCvD 场景中，发送的信息通过分子浓度（个数）进行调制，并通过分
子扩散传输到纳米接收机。接收机通过传感器（例如酒精分子测量器
[10
,11
]
。第三，
相比于无线通信的收发器，纳米级发送和接收机无法处理高计算复杂度的运算
和大数据量的信息存储，使基于概率分析的信道补偿和信号检测在实际应用中
受到了限制
[12
]
。
1.2 相关研究
为解决上述 3 个挑战，许多信号处理方案被设计用于 MCvD 场景中的信号
检测，这些方案可以分为两类：相干信号检测（coherent signal detection）和
非相干信号检测（non-coherent signal detection）。需要说明的是，MCvD 中
的相干或非相干信号检测与常规基于电磁波通信设计的相干或非相干解调在概
念上是不同的。在电磁波中，相干或非相干解调是指需要或不需要提取载波信
息的一种解调方法。而在 MCvD 中，信息通过分子扩散进行传输，没有载波调
制这一概念。这里的相干或非相干信号检测指是否需要估计分子信道信息的检
测方式。
相 干 信 号 检 测 依 赖 于 分 子 信 道 冲 激 响 应 （ CIR,channel impulse
response）进行 ISI 补偿，进而实现信号检测
[16
,17
]
。上述两点导致基于相干信号
检测的方案不适用于纳米级 MCvD 场景。
第二类方案被称作非相干信号检测。这类方法不依赖于 CIR 模型，而是通
过寻找分子信号的特征（例如形状特征
[16
,17
,18
]
和差分特征
[12
,16
]
等）来解决分子信号
的检测问题。这类方案避免了复杂的信道估计和基于概率分析的信号检测，具
有低复杂度的优势，因此适用于纳米级资源受限的通信场景。具体来说，文献
[16
-17
]提出了基于分子信号 3 种局部特征（即局部几何形状、连续符号形状和
能量差分特征）线性组合的检测方案。然而，其特征选取忽略了分子信号的某
些重要特性（例如单个信号的分子能量特征等），从而导致了较差的检测准确
性。同时，文献[16
-17
]未给出该检测算法的理论界限和特征的性能分析。进一
步地，为提升检测精度，文献[18
]设计了基于上述 3 种特征的高维组合的信号检
测算法。尽管该算法提升了信号检测的准确性，却因为需要确定高维检测平面
而消耗了大量的计算和存储资源，因此其应用在资源受限的纳米级 MCvD 系统
中受到了限制。
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