Bio-inspired communication theories and techniques for next-generation networks

Gelecek nesil ağlar için biyolojik esinli iletişim teorileri ve teknikleri

PDF İndir

Tez No: 309867
Yazar: BARIŞ ATAKAN
Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR B. AKAN
Tez Türü: Doktora
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2011
Dil: İngilizce
Üniversite: Koç Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
Sayfa Sayısı: 335

Özet

Son günlerde mikro, makro, ve nanoölçekli iletişim teknolojilerindeki ilerlemeler araştırmacılarıbir gelecek nesil ağ vizyonu tasarlamaya teşvik etti. Bu vizyonda gelecek nesil ağmimarilerinin, kullanıcıları herhangi bir yerden, herhangi bir zaman, ve herhangi bir iletişimcihazı ile büyük miktarlardaki bilgiyi iletebilmesi ve alabilmesini olanaklı kılması beklenmektedir.Bu cihazlara örnek olarak insan vücudundaki bir nanotıp uygulamasında çalışançok kücük bir nanoalgılayıcı ve lisanssız kullanıcılar için tayf acentası olarak kullanılan birbaz istasyonu verilebilir. Bununla birlikte, gelecek nesil ağ vizyonunun gerçeklenebilmesiçözülmesi gereken ciddi zorluklar getirmektedir. Bilhassa, gelecek nesil ağ mimarilerininmerkezi kontrolü pratik değildir. Onun yerine gelecek nesil ağ mimarilerinin ölçeklenebilme,kendi kendine organize olabilme, kendi kendini uyarlayabilme ve kalımlı olabilme yeteneklerinesahip olması gerekir. Diğer taraftan doğadaki biyolojik sistemler aslen bu yeteneklere sahiptir.Örneğin bir kolonideki böcekler herhangi bir kontrol ediciye ihtiyaç duymadanyaşamsal fonksiyonları için gerekli olan görevleri ortaklaşa yerine getirirler. Ayrıca bağışıklıksistemi ve bakteri kolonileri gibi doğal nanoölçekli ağlar nanoölçekli gelecek nesil ağlariçin etkili iletişim paradigmaları geliştirmek için kullanılabilecek çoğunluk algılaması gibiinanılmaz nanoölçekli iletişim fenomenleri içermektedir. Bu nedenle doğal biyolojik sistemlergelecek nesil iletişim ağları için iletişim modeli ve teknikleri geliştirmede büyük esinkaynağı verebilir. Bu tezin amacı gelecek nesil iletişim ağları için biyolojik esinli iletişimteknikleri geliştirmek ve bu ağların bazıları için haberleşme teorik analizler sağlamaktır. Dahaaçık olarak önce doğal bağışıklık sisteminin prensiplerini kullanarak kablosuz algılayıcı ağları(KAA) için dağınık düğüm ve hız seçim (DDHS) algoritması önerilmektedir. Daha sonra,böcek kolonilerindeki uyarlamalı görev paylaşım modelini baz alarak bilişsel radyo ağları(BRA) için biyolojik esinli tayf paylaşım (BETP) algoritması verilmektedir. Arkasından,bilişsel radyo düzensiz ağları (BRDA) için bağışıklık sisteminden esinlenen evrimsel fırsatçıtayf erişim (EFTE) protokolü sunuluyor. Kablosuz ses algılayıcı ağları (KSAA) için homeostazesinli otonom (HEO) iletişim protokolü tanıtılıyor. Ardından, yem arama teorisindekibir av modelini baz alarak kablosuz algılayıcı ve araçsal aktör ağları için (KAAA) biyolojikesinli çapraz katman (BECK) iletişim ve koordinasyon protokolü tanımlanıyor. Dahasonra kesikli bağlı hareketli bilişsel radyo plansız ağlardaki enerji etkin ve tayf farkındailetişim ihtiyacı için biyolojideki yem aramadan esinlenen iletişim (BYAİ) algoritması veriliyor.Arkasından iki nanomakine arasındaki moleküler haberleşme için bir bilgi teoriselyaklaşım veriliyor. Biyokimyasal sistemlerdeki moleküler reaksiyonların stokastik modellerinikullanarak moleküler iletişimdeki noktadan noktaya, yayın ve çoklu erişim kanallarıiçin gerçekci kanal modeli ve belirlenimci kapasite ifadeleri veriliyor. Daha sonra, elektrokimyasaliletişim ile hareketli plansız moleküler nanoağar (HPMN) modellenerek analizediliyor. Nanoağlar için moleküler dizi tabanlı (MDTİ) iletişim veriliyor. Arkasından ileridekinanotıp uygulamaları için moleküler haberleşme ile vücut içi nanoağ (VNA) konsepti tanıtılıyor.Son olarak ilerideki nanoteknoloji uygulamaları için karbon nanotüp tabanlı plansız ağ (KNPA)konsepti tanımlanıyor.

Özet (Çeviri)

Recent developments in macro, micro, and nanoscale communication technologies stimulatethe researchers to devise a next-generation network vision. In this vision, next-generationnetwork architectures are expected to enable the users to efficiently transmit and receive vastamount of information anywhere and anytime through any kind of communication devicesfrom a tiny nanosensor node that operates in a human body for a healthcare application toa base station that is used as a spectrum broker to coordinate the spectrum accesses of unlicensedusers. However, the realization of the next-generation network vision brings manycrucial challenges that must be addressed. In particular, the centralized control of the nextgenerationnetwork architectures is not a practical solution. Instead, the next-generationnetwork architectures and communication protocols must have the capabilities of scalability,self-organization, self-adaptation, and survivability. On the other hand, the biologicalsystems in nature intrinsically have these capabilities. For example, insects in a colony cooperativelyaccomplish many complex tasks required for their vital functionalities withoutany need for a central control. Furthermore, natural nanoscale networks such as immunesystem and bacteria colonies employs incredible nanoscale communication phenomena, e.g.,quorum sensing of bacteria, that can be used to devise efficient nanoscale communicationparadigms for nanoscale next-generation networks. Hence, the natural biological systemsmay give great inspiration to develop the communication network models and techniquesfor the next-generation communication networks. The objective of this thesis is to developthe bio-inspired communication techniques for the dierent next-generation networks andprovide communication theoretical analyses for some of these networks. More specifically,Distributed Node and Rate Selection (DNRS) algorithm is first proposed for wireless sensornetworks (WSN) using the principles of natural immune system. Then, BiologicallyinspiredSpectrum Sharing (BIOSS) algorithm is introduced for cognitive radio networks(CRN), which is based on the adaptive task allocation model in insect colonies. Next, immunesystem-inspired Evolutionary Opportunistic Spectrum Access (ESA) protocol is presented forcognitive radio ad hoc networks. Homeostasis-inspired Autonomous Communication (HAC)protocol is introduced for wireless audio sensor networks (WASN). Based on the prey modelin foraging theory, bio-inspired cross-layer (BIOX) communication and coordination protocolis described for wireless sensor and vehicular actor networks (WSAN). Then, BiologicalForaging-inspired Communication (BFC) algorithm is introduced for the energy-efficient andspectrum-aware communication requirements in Intermittently-connected Mobile CognitiveRadio ad hoc Networks (IMCRN). An information theoretical approach is given for capacityof a molecular communication channel between two nanomachines. Using the stochasticmodel of molecular reactions in biochemical systems, a realistic channel model and a deterministiccapacity expression are given for point-to-point, broadcast, and multiple-accessmolecular communication channels. Then, Mobile Ad hoc Molecular Nanonetwork (MAMNET)with electrochemical communication is modeled and analyzed. Molecular Array-basedCommunication (MARCO) scheme is given for nanonetworks. The concept of body areananonetworks (BAN2) with molecular communication is introduced for future nanomedicineapplications. Finally, the concept of Carbon Nanotube-based nanoscale Ad hoc Networks(CANET) is described for future nanotechnology applications.

Benzer Tezler

Tez No
482323
Nanoscale and bio-inspired communication techniques for the internet of bio-nano things
Biyo-nano nesnelerin interneti için nano-ölçekli ve biyolojik-esinli haberleşme teknikleri
MURAT KUŞCU
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koç Üniversitesi
Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
Tez No
905007
Game theoretic and bio-inspired communication techniques for internet of bio-nano things
Biyo-nano nesnelerin interneti için oyun teorisi ve doğadan esinlenilmiş haberleşme teknikleri
ÇAĞLAR KOCA
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koç Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
Tez No
905008
Frequency-domain modeling and optimization of graphene FET-based molecular communication receivers
Grafen FET tabanlı moleküler haberleşme alıcılarının frekans-bölgesi modellemesi ve optimizasyonu
ALİ ABDALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koç Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
Tez No
718051
Communication theoretical modeling and analysis of neuronal communication with synaptic plasticity
Sinaptik plastisite ile nöro-spike iletişimin iletişim teorik modellemesi ve analizi
TOOBA KHAN
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koç Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
Tez No
521049
ICT-based understanding of spinal cord networks with applications to spinal cord injuries
Omurilik ağlarının bilgi ve iletişim teknolojisine dayalı anlayışı ile omurilik hasarlarına uygulamaları
MELTEM CİVAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Koç Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN

Geri Dön