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
- Tez No: 482323
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 284
Özet
Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (BNNİ), nanobiyosensörler, biyolojik sensörler, canlı hücreler, sentetik bakteriler gibi nanomakinelerin ve biyolojik varlıkların birbirleriyle ve konvansiyonel haberleşme ağlarıyla kooperatif algılama, hesaplama gibi işlemleri gerçekleştirmek adına bağlantı kurmasıyla oluşturdukları ağları tanımlayan yeni bir bilişim ve iletişim teknolojisidir. BNNİ, canlı hücrelerin içindeki süreçlere tekil molekül seviyesinde hassasiyet ile müdahelenin ve daha önce hiçbir teknoloji ile temas edilememiş ortamlarda çalışabilen sensör ve aktör ağlarıyla insan bilincini ve kontrolünü geliştirmenin yolunu açmasıyla, nano boyutlardaki dünyayla iletişimizi ve onu anlama yöntemlerimizi dönüştürmek adına çok önemli bir potansiyele sahiptir. Ancak, BBNİ'nin pratik olarak gerçekleştirilebilmesi, nano boyutlardaki fizik kuralları ve bio-nano nesnelerin limitli yeteneklerine bağlı olarak ortaya çıkan yeni problemlerin aşılmasını gerektirmektedir. Bu problemlerin çözümü ise modelleme, analiz ve uygulama alanlarında yeni ve oldukça disiplinlerarası yaklaşımların üretilmesine ihtiyaç duymaktadır. Bu tezde, BNNİ'nin önündeki fiziksel katman problemleri üzerine odaklanılmıştır. Bu amaçla, nano-haberleşme ağlarında yüksek hızlı ve güvenilir kablosuz bilgi aktarımını gerçekleştirebilen ve aynı zamanda nano ve makro ölçekli siber ağlar arasında kesintisiz bir arabirim sağlayabilen iletişim teknikleri araştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde, nano-haberleşme ağlarında, kuantum mekanik bir fenomen olan Förster Rezonans Enerji Transferi ile kablosuz bilgi aktarımını sağlayabilmek adına flüoresan moleküllerin kullanımı üzerinde yoğunlaşılmıştır. FRET temelli, grafen plazmon destekli FRET temelli, ve çok kademeli FRET temelli haberleşme kanalları için haberleşme ve bilgi kuramsal modeller geliştirilmiştir. Bu çalışmanın bir diğer fazında, flüoresan moleküllerin özünde optik nano-makro arayüz olması temel alınarak, Moleküllerin İnterneti adında, BBNİ'nin kapsama yeteneğini 100nm ve daha küçük boyutlardaki basit moleküler aygıtların oluşturduğu haberleşme ağlarını da kapsayacak şekil-de genişleten yeni bir teknoloji tanıtılmıştır. Ayrıca, bu doğrultuda, flüoresan molekül-lerin alıcı-verici olarak kullanılmasıyla, pratik olarak literatürde ilk kez kablosuz bir nano-haberleşme ağı deneysel olarak gösterilmiş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci bölümü, çeşitli kanal ve gürültü modelleri de dahil olmak üzere halihazırda çeşitli yönlerden kapsamlı olarak incelenmiş olan moleküler iletişim üzerine odaklanmıştır. Mevcut literatürden farklı olarak, nano-haberleşme uygulamalarının temel gereksinimlerini ve moleküler nano-haberleşme ağları ile konvensiyonel elektromanyetik makro-ağlar arasında arayüz işlevi görebilecek yetenekte bir moleküler alıcı tasarımı üzerine çalışılmıştır. İlk olarak biosensör alanındaki en gelişmiş teknolojiler temel alınarak, moleküllerin ortamdaki konsantrasyonuna kodlanmış bilgileri elektrik sinyallerine dönüştürebilen bir moleküler alıcı tasarlamak adına Alan Etkili Transistör Biyosensörler (BioFETs) en uygun başlangıç noktası olarak önerilmiştir. Silikon Nanotel (SiNW) bioFET temelli moleküler haberleşme alıcı aygıtı için kapsamlı bir haberleşme kuramsal model geliştirilmiş ve alıcı çıkışındaki gürültü istatistikleri elde edilmiştir. Bu alıcının performansı, sinyal-gürültü oranı (SNR), sembol hata olasılığı (SEP) ve bilgi kuramsal kapasitesi gibi metrikler ile analiz edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) is a novel ICT framework, in which nanomachines and biological entities, such as nanobiosensors, living cells, engineered bacteria, are connected with each other and with conventional macroscale networks to cooperatively perform sensing, actuation and processing. The framework has an enormous potential to transform the way we connect with and understand the world“at the bottom”by enabling new methods of interfering with the processes inside living organisms at the single-molecular level, and extending the human consciousness and control with bio-nano things collaboratively sensing and acting upon the environments never explored by any other paradigm before. Realization of IoBNT, however, demands novel engineering solutions to overcome unique challenges regarding miniaturization and connectivity subject to peculiarities of nanoscale-physics and limited capabilities of bio-nano things. These challenges call for novel approaches to devise solutions for a set of modeling, analysis and implementation problems on a highly interdisciplinary domain covering engineering, nanotechnology and biophysics. This thesis is focused on the challenges regarding the physical layer of IoBNT. To this end, communication techniques that can enable high-speed and reliable wireless communication in nanonetworks and at the same time provide a seamless interface between the nanonetworks and the macroscale cyber networks are investigated. The first part of the thesis is concentrated on the use of fluorescent molecules, i.e., fluorophores, to enable wireless communication at nanoscale through a quantum mechanical phenomenon, which is F\"orster Resonance Energy Transfer (FRET). Communication and information theoretical models for FRET-based, graphene plasmon-assisted FRET-based and multi-step FRET-based propagation channels are developed. Accounting for the natural optical interface between the nanoscale and macroscale worlds provided by the intrinsic characteristics of fluorophores, the novel concept of Internet of Molecular Things is introduced to further extend the coverage of IoBNT with networks of sub-100nm primitive molecular devices, such as fluorophore-based molecular logic gates, sensors and actuators. Moreover, the first practical realization of a wireless nanoscale communication network is achieved with a network of single molecular fluorescent transceivers. The second part is focused on molecular communications, which has been extensively studied from various aspects including channel and noise models. Different from the existing literature, the feasibility of designing a molecular receiver, in a physical domain other than synthetic biology, meeting the basic requirements of nanonetwork applications and also serving the needs of an electromagnetic nano-macro interface between the chemical domain of nanonetworks and the electrical domain of the cyber networks is thoroughly examined. Based on the advancements in the biosensing literature, Field Effect Transistor-based Biosensors (BioFETs) is proposed as the most viable solution to design a molecular receiver, which can transduce molecular messages into electrical signals. A communication theoretical model for Silicon Nanowire (SiNW) bioFET-based MC receiver is developed and the noise statistics at the receiver output is derived. The performance of this receiver is evaluated with common ICT metrics such as Signal to Noise Ratio (SNR), Symbol Error Probability (SEP) and information theoretical capacity.
Benzer Tezler
- 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 MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Bio-inspired communication theories and techniques for next-generation networks
Gelecek nesil ağlar için biyolojik esinli iletişim teorileri ve teknikleri
BARIŞ ATAKAN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR B. AKAN
- Intra-body molecular communications: A theoretical study on synaptic multiple-access channel
Vücut-içi moleküler haberleşme: Çoklu-erişimli sinaptik kanal üzerine teorik bir çalışma
DERYA MALAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ÖZGÜR B. AKAN
- 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 MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- 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 MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU