基于化学反应网络与贝叶斯优化的分子通信连续干扰消除接收机设计与分析

《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》：ChemSICal-Net: Timing-Controlled Chemical Reaction Network for Successive Interference Cancellation in Molecular Multiple Access

　　

摘要：

纳米级生物实体之间的分子通信（MC）网络需要具有生物学可行性的信号处理算法实现方案。化学反应网络（CRN）提供了一种天然的框架来模拟此类计算过程，并在仿真中捕获随机效应。在本工作中，我们提出了ChemSICal-Net，一种随机CRN接收机模型，用于在分子多址接入中实现连续干扰消除（SIC）。该接收机将SIC映射到模块化的化学构建单元，并使用化学振荡器进行时间控制。我们进一步提出了一种自适应贝叶斯优化（BO）方案，用于调整反应速率常数和初始分子数，并在公平的仿真代价指标下与基线优化器进行了比较。随后，我们在不同的时钟速度和配置下对ChemSICal-Net进行了随机评估，采用了检测准确率和决策时间等通信指标。结果表明，对于较短的决策时间，化学时序控制可将误差概率降低多达2倍，揭示了一个直接的决策时间与误差之间的权衡关系。与非优化参数相比，贝叶斯优化将误差概率降低了大约一个数量级。总体而言，结果支持了一种多尺度设计方法，该方法将外部优化与随机反应级仿真相结合，用于自组织生命系统中面向通信的、时序控制的CRN接收机设计。