Geri Dön

Index modulation-based techniques for diffusive molecular communication systems

Moleküler haberleşme sistemleri için indis modülasyonu tabanlı teknikler

  1. Tez No: 556586
  2. Yazar: AHMET ÇELİK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN, DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Moleküler haberleşme, nano makineler arasındaki haberleşmeyi sağlamak amacı ile doğadan esinlenilerek ortaya çıkmış bir haberleşme tekniğidir. Nano makineler gelişen teknoloji ile birlikte gelecekte tıp, sanayi, askeri gibi uygulama alanlarında kullanılacaktır ancak işlemci kapasitelerinden dolayı nano boyutlarındaki bu cihazlar tek başlarına sadece basit işlemleri gerçekleştirebileceklerdir. Karmaşık görevleri başarabilmek için koordineli olarak çalışarak bir nano ağ oluşturmaları gerekmektedir. Moleküler haberleşme nano ağlarda kullanılmak için en ümit verici haberleşme tekniğidir. Moleküler haberleşme sistemleri alıcı ünitesi, verici ünitesi ve kanaldan oluşur. Verici, bilgiyi moleküllerin fiziksel özelliklerine kodlayarak kanala gönderir. Kanalda hareket eden moleküllerin alıcıya ulaşması ile alıcıda moleküller sayılır ve bilgiye karar verilir. Moleküllerin taşınmasına göre literatürde çeşitli moleküler haberleşme teknikleri bulunmaktadır. Moleküler motorlar kullanılarak mikrotübüller üzerinden moleküller taşınabildiği gibi moleküllerin sıvı ortama bırakılarak bir akıntı ile yönlendirilmesi de mümkündür. Difüzyon aracılığıyla moleküler haberleşme yönteminde ise moleküller hareketsiz sıvı ortama bırakılır ve tamamen serbest difüzyon ile hareket eder. Bu tezdeki bütün çalışmalar difüzyon aracılığı ile moleküler haberleşme üzerine yapılmıştır. Tek-girişli tek -çıkışlı (SISO) moleküler haberleşme sistemlerinde bir alıcı ve bir verici anteni bulunur. Bilgi, moleküllerin yoğunluk, cins, serbest bırakılma anı gibi fiziksel özelliklerine kodlanır. Moleküllerin difüzyon hareketi üç uzaysal boyutta tamamen rastgele olduğu için kanala gönderilen moleküllerin alıcıya geç ulaşma veya hiç ulaşmama ihtimali bulunmaktadır. Geç ulaşan moleküller, daha sembollerde bozucu etkiye sebep olacağından dolayı semboller arası girişim oluşturur. Çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) moleküler haberleşme sistemlerinde ise birden fazla alıcı ve verici antenleri bulunur. Moleküllerin rastgele hareketinden dolayı kanala gönderilen bir molekülün herhangi bir alıcı antene ulaşma olasılığı bulunmaktadır. Bu sebeple MIMO sistemlerde semboller arası girişime ek olarak moleküllerin istenmeyen alıcıya ulaşmayı sonucu ortaya çıkan kanallar arası girişim de dikkate alınmalıdır. Sistem parametrelerine göre kanalda semboller arası girişim veya kanallar arası girişim baskın olabilmektedir. Örneğin sembol süresi arttıkça, ilk sembol aralığında daha fazla molekül iletileceği için semboller arası girişim azalır ancak diğer antenlerde alınan moleküller de artacağı için kanallar arası girişim artar. Alıcı ve verici ünitelerinde antenlerin daha ayrık konumlandırılmaları kanallar arası girişimi azaltacaktır. Ancak komşu alıcı antenler kanaldaki molekülleri soğurduğu için moleküllerin daha geç varmasını engeller. Bu durumda antenlerin birbirlerine yaklaştırılmaları da semboller arası girişimi azaltacaktır. MIMO sistemler birden fazla anten bulunması ile önemli esneklikler sağlar. Uzaysal çoğullama ile giriş bilgi dizisi bölünerek aynı anda farklı verici antenlerden gönderilebilir ve böylece iletişim hızı arttırılabilir ancak uzaysal çoğullama aynı anda bütün vericilerin aktif olması sebebiyle kanallar arası girişimden yüksek derecede etkilenir. Moleküler haberleşme kanalında Alamouti kodundan esinlenilerek uzay-zaman blok kodları da denenmiştir ancak negatif veya karmaşık sayıda molekül olmadığı için başarılı olmamıştır. İndis modülasyonu, MIMO sistemlerde verici antenin indisine bilginin kodlandığı etkili bir modülasyon tekniğidir. Radyo frekansı haberleşme sistemlerinden esinlenilerek moleküler haberleşme sistemleri için tasarlanan indis modülasyonu şemalarında verici tarafında aynı anda sadece bilgi sembolüne karşılık gelen anten aktiftir. Alıcı tarafında ise en yüksek sayı kod çözücüsü düşük karmaşıklıklı bir kod çözücü olarak önerilmiştir ve en yüksek sayıda molekülün alındığı anten indisine bilgi sembolü olarak karar verir. Ek olarak, moleküler haberleşme literatürüne indis modülasyonu tabanlı bir teknik olan uzaysal modülasyon şemaları önerilmiştir. Uzaysal modülasyonda bilgi hem anten indisine hem de moleküllerin fiziksel özelliklerine kodlanır. Molekül yoğunluğu, molekül tipi, molekülün kanala gönderilme anı gibi fiziksel özellikler bilgi taşımak amacı ile kullanılabilir. Bu tezde, indis tabanlı modülasyon şemalarına yönelik iki özgün yöntem önerilmiştir. Öncelikle, sistemin hata performansını arttırmak amacı ile uzay-zamanda eşitleme tekniği geliştirilmiştir. İkinci olarak da kanal modelinde oluşabilecek hizalanma sorunlarına karşı sistemin performansını toparlayacak düşük karmaşıklıklı bir yöntem paylaşılmıştır. Uzay-zamanda eşitleme yönteminde alınan sembol çözülürken aynı zaman aralığında komşu antenlerde alınan molekül sayıları ve bir önceki zaman aralığında aynı antende alınan molekül sayıları da hesaba katılır. Sadece komşu antenlerin işleme alındığı uzay eşitleme yönteminde bir antenin komşularındaki molekül sayısı bir katsayı ile çarpılarak o antendeki molekül sayısına eklenir ve elde edilen molekül sayıları karşılaştırılarak bilgi dizisine karar verilir. Yapılan çalışmalarda bu katsayının çoğunlukla pozitif olduğu belirlenmiştir yani uzayda eşitleme kanalda kaybettiği gücü yeniden kazanarak kanallar arası girişime karşı etkili olmayı hedefler. Zamanda eşitleme tekniğinde antenin bir önceki zaman aralığında aldığı molekül sayısı bir katsayı ile çarpılarak molekül sayısına eklenir. Bu katsayının da negatif olması kanala gönderildikten sonra alıcıya geç ulaşan moleküllerin hesaptan çıkarılmasını yani semboller arası girişimin azaltılmasını sağlar. Uzay-zamanda eşitleme tekniğinde ise hem uzay hem de zamanda eşitleme aynı anda kullanılarak tekniklerin performansı arttırılır. Monte Carlo simülasyonları yapılarak uzay-zamanda eşitleme yöntemlerinin bit hata performansları karşılaştırılmıştır. Uzayda eşitleme yöntemi kanallar arası girişimin baskın olduğu durumlarda zamanda eşitlemeden daha iyi hata performansı gösterirken semboller arası girişimin baskın olduğu kanallarda zamanda eşitleme etkin olmuştur. Bu durumun açıklaması olarak uzayda eşitlemenin kanallar arası girişime karşı, zamanda eşitlemenin ise semboller arası girişime karşı etkili olması gösterilebilir. Eşitleme olmayan durumlarla karşılaştırıldığında bu iki teknik de hata oranını düşürmüştür. Bu iki tekniğin eş zamanlı olarak kullanıldığı uzay-zamanda eşitleme tekniği ise hem kanallar arası girişim hem de semboller arası girişimi azaltarak sistemin hata performansını ciddi ölçüde geliştirmiştir. Tezde önerilen ikinci yaklaşım moleküler haberleşme kanallarındaki olası hizalanma hatalarına karşı performansı korumayı hedefleyen bir tekniktir. Literatürde indis modülasyonu uygulanan sistemlerde alıcı ve verici ünitelerin karşılıklı olduğu ve haberleşme süresince mükemmel hizalanmanın korunduğu kabul edilmiştir. Ancak moleküler haberleşme sistemi sıvı ortamda olduğu için hizalanma hatalarının olması mümkündür. Bu duruma karşılık düşük karmaşıklıklı çeşitleme birleştiricisi yöntemi önerilmiştir. Alıcıda moleküller sayıldıktan sonra elemanları her antendeki molekül sayıları olan bir alınan molekül vektörü oluşturulur. Bu vektör çeşitleme birleştirme vektörü ile çarpılarak ilk antendeki molekül sayısı yeniden hesaplanır. Birinci antenden kaç yan antene bakıldığına göre aynı çeşitleme birleştirme vektörünün o kadar döngüsel ötelenmişi kullanılarak her antendeki molekül sayısı hesaplanır ve yeni hesaplanan molekül sayılarına göre bilgi dizisi en yüksek sayı kod çözücüsü ile çözülür. Tezdeki çalışmalarımızda kanal dürtü yanıtının alıcıda hesaplanabildiği varsayılarak çeşitleme birleştirme vektörü kanal dürtü yanıtının ilk zaman aralığındaki değerleri olarak seçilmiştir. Çeşitleme birleştiricisi yönteminin performansı Monte Carlo simülasyonları ile incelenmiştir. Alıcı ve verici arasında yz düzleminde açısal olarak fark oluşmaya başladıkça geleneksel yöntemin hata oranı artmaya başlamıştır. Alıcı, komşu vericilerinin orta noktasına gelecek şekilde hizalandığında yani en kötü senaryoda bilgi dizisi çözülememiştir. Önerilen yöntem ise açısal kaymalara karşı etkili bir koruma oluşturmuştur ve en kötü durumda bile kabul edilebilir hata performansı göstermiştir. Kanallar arası girişimin baskın olduğu sistemlerde önerilen yöntem, geleneksel yöntemden mükemmel hizalanma durumunda bile daha iyi sonuç vermiştir. Semboller arası girişimin baskın olduğu mükemmel hizalanmış kanallarda ise önerilen yöntem, geleneksek yöntemin gerisinde kalmıştır ancak olası açı kaymalarında gösterdiği performans koruması sebebiyle çeşitleme birleştiricisi yöntemi düşük karmaşıklıklı ve güçlü bir teknik olmuştur.

Özet (Çeviri)

Molecular communication, which is inspired from nature, is a communication technique that enables the data transmission between nano-machines. In the future, nano-machines will be used in many application areas such as bio-medicine, industry, military, however, they will be able to operate only simple tasks individually because of their limited processing power. In order to accomplish complex tasks, nano-machines have to work together and form a nano-network. Molecular communication is a very promising technique to be deployed in nano-networks. A molecular communication system consists of a transmitter (TX) unit, a receiver (RX) unit and the molecular channel. TX encodes the information on the physical properties of molecules and emits to the channel. RX absorbs the molecules, which propagate in the channel and reach to the surface of RX, and decides to the information. According to the propagation of molecules, there are several kinds of molecular communication forms in the literature. As an example, molecules can be carried by molecular motors or emitted to the channel and directed with the flow. In molecular communication via diffusion (MCvD), molecules are emitted to the liquid environment without drift and propagate with free diffusion. In this thesis, all our works are related with the MCvD. In single-input single-output (SISO) molecular communication channels, one TX antenna and one RX antenna are used. Information can be encoded on the number of molecules, type of the molecules or release time of molecules etc. Since the diffusion motion of molecules is random in three dimensions of space, there is a probability that a molecule may arrive at the RX late or may never arrive at the RX. The late reaching molecules cause inter-symbol interference (ISI) in the channel. Multiple-input multiple-output (MIMO) systems have multiple TX and RX antennas. Because of the diffusion, a molecule may reach to the any RX antenna in the channel. In addition to ISI, molecules reach to the unintended RX antenna cause inter-link interference (ILI). In MIMO systems, multiple antennas provide great flexibility. Spatial multiplexing divides the input data and sends each stream from another TX antenna simultaneously. This technique increases throughput but suffers from high ILI since all TX antennas are active at a time. In molecular MIMO systems, spatial codes are also proposed. Nevertheless, molecular communication is disadvantageous for space-time block codes because there are no negative or complex numbers of molecules. Index modulation (IM), in which the information is encoded on TX antenna index, is an effective MIMO technique for MCvD channels. At the TX unit, only one TX antenna is active at a time and the RX unit decodes the data according to the antenna index with the maximum arrival count. In addition, spatial modulation (SM) is an IM-based modulation technique that the information can be encoded on both antenna index and the physical properties of molecules. In this thesis, two novel methods are proposed for IM-based molecular modulation schemes. Firstly, a novel space-time equalization technique is developed for increasing the error performance of the system. Secondly, a low complexity solution is presented for a possible angular misalignment in the system. Space-time equalization technique applies an equalization operation to the received signal before demodulation. In space equalization, arrival count of RX antenna's neighbors are multiplied with a coefficient and added to the count of RX antenna. In our studies, this coefficient is found as a positive number so space equalization regains the transmit power and gets effective against ILI. In time equalization, arrival count of RX antenna in the previous time slot is multiplied with a coefficient and added to the count of current time slot. By selecting a negative number as a coefficient, late reaching molecules are removed from the signal and ISI is reduced. Space-time equalization applies both space equalization and time equalization simultaneously for being effective against ISI and ILI at the same time. Bit error rate (BER) performance of equalization techniques are compared with Monte Carlo simulations. For different system parameters, MCvD channel may be dominated by ISI or ILI. It has been observed that the space equalization technique performs better than time equalization in terms of BER when the channel is dominated by ILI. On the other hand, time equalization is effective for improving error performance in the ISI dominated channels. When compared with the cases without equalization, our findings reveal that both time equalization and space equalization lower the error rate. Moreover, space-time equalization technique reduces ISI and ILI at the same time and increases the error performance of the system significantly. Second concept proposed in the thesis is a technique that aims to protect the performance of the system against possible misalignment of the system. In the literature, IM-based modulation schemes assume the perfect alignment of TX unit and RX unit. But in MCvD systems, a potential misalignment is possible since TX and RX units are in liquid environment. Against this misalignment case, a low complexity diversity combining method is proposed. At the RX unit, an arrival count vector is generated after the arrival of molecules in each RX antenna is counted. This vector is multiplied with a diversity combining vector to calculate the count of first RX antenna. Cyclic shift of the same diversity combining vector is used to calculate the count of other RX antennas. Finally, calculated counts are compared for deciding to the bit sequence. In our studies, channel impulse response (CIR) in the first time slot is selected as diversity combining vector assuming the availability of CIR at the RX unit. Symbol error rate (SER) performance of the diversity combining method is investigated with Monte Carlo simulations. As the angular misalignment between TX unit and RX unit in the yz plane increases, error rate of the conventional method also increases. When RX antenna is aligned to the middle of two neighboring TX antennas, which is the worst case, bit sequence can not be decoded. Proposed diversity combining method protects the system for angular misalignment and even in the worst case a desirable error rate is obtained. In ILI dominated channels, proposed method performs better than conventional method for both misaligned channels or perfectly aligned channel. When ISI dominates the channel, our proposed method yields a worse error performance than conventional method in perfectly aligned channel. Still, protection of diversity combining against the misalignment of the system makes our proposed method an effective and low complexity technique.

Benzer Tezler

  1. Şekillendirilmiş lazer hüzmelerinin yüksek saçılmalı ortamla etkileşimleri

    Interactions of shaped laser beams with highly scattering media

    TANSU ERSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK

  2. Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  3. Kod indis modülasyonu tabanlı uzaysal modülasyon tekniğinin tasarım ve performans analizi

    Design and performance analysis of code index modulation based spatial modulation technique

    FATİH ÇÖGEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medeniyet Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDOĞAN AYDIN

  4. Physical layer security techniques for future wireless communication systems against eavesdropping

    Gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri için gizli dinlemeye karşı fiziksel katman güvenlik teknikleri

    HAJI MUHAMMAD FURQAN AHMED MADNI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği ve Fiber Sistemler Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. HÜSEYİN ARSLAN

  5. 6G ve ötesi kablosuz iletişim sistemleri için sinyal işleme teknikleri

    Signal processing techniques for 6G and beyond wireless communication systems

    TUNCAY EREN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDIN AKAN