Molecular communications: Novel relaying schemes and molecular beamforming
Moleküler iletişim: Yeni aktarma şemaları ve moleküler hüzme oluşturma
- Tez No: 767836
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR, PROF. DR. ALİ EMRE PUSANE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 104
Özet
Küçük ölçekte iletişim, iki ana nedenden dolayı son yıllarda artan bir ilgi görmüştür. Her şeyden önce, geleneksel iletişim teknolojilerinin uygun olmadığı, özellikle tıbbi tedavi ve sağlıkla ilgili çok çeşitli uygulamalar vardır. İkincisi, elektronik cihazların üretimindeki gelişmeler nedeniyle nano/mikro ölçekte iletişim, hem maliyet hem de ölçek kısıtlamaları açısından uygulanabilir. Nano ağ oluşturmayı etkinleştirmeye yönelik belirgin bir yaklaşım olarak moleküler iletişim (molecular communications, MC) önerilmiştir. Her şeyden önce, geleneksel EM iletişimiyle karşılaştırıldığında, MC, anten boyutundaki engeli çözmektedir. Ayrıca MC, önerilen kullanım alanları için önemli bir özellik olan biyo-uyumlu bir çözümdür. Literatürde tanıtılan çok sayıda MC sistemi vardır; bunların arasında, bilgiyi iletmek için moleküllerin yayılma özelliklerini kullanan verimli ve pratik bir çözüm olduğu için, difüzyon yoluyla MC (MC via diffusion, MCvD) en çok incelenenlerden biridir. Amaçlanan düğüme ulaşan sinyal, moleküllerin difüzyon dinamikleri nedeniyle ağır bir kuyruk şekline sahiptir, bu da MCvD sistemlerinin semboller arası girişime (inter-symbol interference, ISI) eğilimli olmasına yol açar. ISI'yı hafifletmek, MC söz konusu olduğunda en çok araştırılan konulardan biridir. Bunun dışında, iletişim aralığı, iletişim kuran nanomakineler birbirinden uzaklaştıkça sinyalin genliğinin hızla azalması nedeniyle MCvD'yi karakterize eden başka bir sınırlamadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için literatürde iletişim perspektifinde yeni tasarımlar ve algoritmalar önerilmiştir. Bölüm 2, MCvD'nin tek girişli tek çıkışlı (single-input single-output, SISO) topolojisini özetleyerek, yukarıda bahsedilen zorlukları anlamada çok yararlı olan literatürdeki temelleri sağlar. Ayrıca, bu tezin iki katkısının ardındaki motivasyon için zemin hazırlayan MC'de aktarma üzerine kısa bir literatür taraması sağlanmıştır. Önerilen ilk şema Bölüm 3'te tanıtılmıştır. Bu çalışma, MC literatüründeki röle tabanlı şemaların çoğunun, rölenin iletişimini kolaylaştırdığı iki düğümün ortasında konumlandığını düşünmesinden esinlenmiştir. Bu, pratikte her zaman elde edilemediğinden, asimetrik bir aktarma durumu düşünülür. Ortaya çıkan iki iletişim bağlantısının parametreleri aynı değerlere sahipse, asimetrik bir geçiş şemasının genel performansı, bu bağlantılar için eşit olmayan hata koruması nedeniyle hata yayılımına eğilimlidir. Bu, röleye yakın olan düğüme ait kanalın kalitesinin, röleye yakın olanın kanalına göre daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Bunun üstesinden gelmek için, geçiş sisteminin yukarı yönlü aktarım'i (UL) için farklı difüzyon katsayılarına sahip moleküllerin kullanılması önerilmiştir. Bit hata oranı (bit error rate, BER) açısından en iyi performans, yayan noktalar farklı sayıda farklı molekül türü serbest bıraktığında elde edilir. İki parametreli optimizasyon yöntemi önerilmiş ve analitik sonuçlar bilgisayar simülasyonları ile doğrulanmıştır. Bölüm 4'te önerilen şema, alınan sinyalin gücünü artırmak için bir röle kullanmaya odaklanmaktadır, bu da iletişim sisteminin BER performansında bir gelişme ile sonuçlanmaktadır. Bu şema, optimal geçiş olarak adlandırılmaktadır. Önerilen sistem, bir verici nokta, bir alıcı düğüm ve bunların arasında bir yerde bir röleden oluşur. Röle, bir süreye kadar salınan moleküllerin bir kısmını emer ve daha sonra onu, bu arada vericiden (transmitter, Tx) yayılan moleküllerden de emen alıcıya (receiver, Rx) doğru yönlendirir. Başka bir deyişle, Rx'de toplam absorbe edilen moleküller iki kaynaktan gelir: Tx ve röle. Alınan sinyalin genel genliği artırılacak şekilde bu iki bileşenin örtüşmesi bu çalışmanın ana motivasyonudur. Bunu başarmak için, sinyal-girişim farkı (signal to interference difference, SID) olarak adlandırılan bir fonksiyonun maksimize edilmesi yoluyla rölenin soğurulacağı zamana kadar olan sürenin optimize edilmesi önerilmiştir. Sistem analitik olarak da modellenmiştir. Optimizasyondan sonraki BER sonuçları, geleneksel SISO sisteminin BER performansı ile karşılaştırılır ve optimal rölenin dahil edilmesiyle bir iyileştirme elde edildiği gösterilmektedir. Tezin son katkısı, MCvD ağlarında işbirlikli algılamaya odaklanmaktır. Özellikle, diyabetli hastaların şeker seviyesi stabilizasyonu gibi MC'nin uygulama bulabileceği belirli senaryolar tarafından motive edilen yeni bir paradigma sunulmaktadır. Radyo frekansı (radio frequency, RF) iletişiminde huzme oluşturma kavramından ilham alan moleküler huzme oluşturma, Bölüm 5'te sunulmaktadır. Önerilen teknik, nanomakinelerin harekete geçirilmesinin hedeflendiği sistemlerde uygulama bulabilir. Önerilen tipik ağ, açık veya kapalı durumu alınan genel sinyale bağlı olan bir seferde bir aktüatörü (Rx) etkinleştirmek amacıyla moleküller yayan birkaç sensörden (Txs) oluşur. Bununla birlikte, sensörler hataya eğilimlidir, bu nedenle yanlış bir şekilde yayabilir/yaymayabilirler. Bu nedenle, bu fikrin arkasındaki ana motivasyon, sensör sayısı arttıkça çalıştırma hata oranının azalmasıdır. Bunu başarmak için, alınan genel sinyalin farklı sensörlerden gelen bileşenlerin gecikmeli versiyonlarından oluştuğu şekilde çeşitli tasarım teknikleri önerilmiştir. Önerilen yöntemin doğrulanması, birkaç senaryo için çalıştırma hatası olasılığının analitik olarak türetilmesiyle sağlanır. İlk olarak, şemayı daha az karmaşıklıkla sunmak için sensörlerin düzgün bir doğrusal dizi (uniform linear array, ULA) oluşturduğu sistem düşünülmüştür. Ardından sensörlerin konumlarının rastgele olduğu daha gerçekçi bir senaryo düşünülmektedir. Çalıştırma hata oranının hesaplanmasına gelince, hata kaynağına ve çalıştırma kararının nasıl verildiğine bağlı olarak üç farklı senaryo sunulmuştur. Analitik sonuçlar bilgisayar simülasyonlarından elde edilenlerle doğrulanmıştır. Sonuçlar, MC ağlarında harekete geçirme doğruluğu için moleküler hüzme şekillendirme potansiyeli hakkında çok ilginç bilgiler ortaya koyulmaktadır. Son olarak, Bölüm 6, yukarıda bahsedilen çalışmalardan elde edilen ana sonuçları özetleyerek tezi sonlandırmaktadır. Ek olarak, gelecekteki birkaç araştırma yönü sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
The communication in the small scale has received a growing interest in the recent years due to two main reasons. First of all, there is a wide variety of applications for which the traditional communication technologies are not suitable, especially those related to medical treatment and healthcare. Secondly, the communication in the nano/micro scale is feasible due to the advancements in the production of the electronic devices, both in terms of cost and scale constraints. As a prominent approach towards enabling nanonetworking, molecular communications (MC) has been proposed. First and foremost, compared to the conventional EM communication, MC solves the impediment of the size of antennas. Moreover, MC is a bio-compatible solution, which is a key aspect for its proposed usage areas. There exist numerous MC systems introduced in the literature, among which MC via diffusion (MCvD) is one of the most examined ones, since it is an efficient and practical solution that utilizes the diffusive characteristics of molecules for conveying the information. The signal arriving at the intended node features a heavy-tail shape due to the diffusion dynamics of the molecules, which leads to the MCvD systems being prone to inter-symbol interference (ISI). Alleviating ISI is one of the most investigated issues when it comes to MC. Apart from that, the communication range is another limitation that characterizes MCvD, due to the signal's amplitude rapidly decreasing as the communicating nanomachines get further from each other. In order to address these challenges, novel designs and algorithms in the communication perspective are proposed in the literature. Chapter 2 of this dissertation summarizes the single-input single-output (SISO) topology of MCvD, providing the foundations in the literature that are very useful in understanding the aforementioned challenges. Moreover, a brief literature review on relaying in MC is provided, laying the groundwork for the motivation behind two of the contributions of this dissertation. The first proposed scheme is introduced in Chapter 3. This work is inspired from the fact that most of the relay-based schemes in the literature of MC consider the relay to be positioned in the middle of the two nodes whose communication it facilitates. As this my not always be achievable in practice, an asymmetrical relaying case is considered. If the parameters of the two resulting communication links have the same values, the overall performance of an asymmetrical relaying scheme is prone to error propagation due to unequal error protection for these links. This results from the fact that the quality of the channel belonging to the node closer to the relay is higher compared to the channel of the further one. In order to overcome this, utilization of molecules with different diffusion coefficients is proposed for the uplink (UL) of the relaying system. The best performance in terms of bit error rate (BER) is obtained when the emitting points release different numbers of different types of molecules. Two parameter optimization methods are proposed and the analytical results are verified by computer simulations. The scheme proposed in Chapter 4 focuses on utilizing a relay for boosting the received signal's strength, which results in an improvement in the BER performance of the communication system. This scheme is referred to as optimal relaying. The proposed system consists of a transmitting point, a receiving node, and a relay somewhere in between them. The relay absorbs a fraction of the released molecules, until some time, and then re-directs it towards the receiver (Rx), which also absorbs from the molecules emitted from the transmitter (Tx) in the meantime. In other words, the overall absorbed molecules at the Rx come from two sources: the Tx and the relay. Overlapping these two components, such that the overall amplitude of the received signal is increased, is the main motivation of this work. In order to achieve this, optimizing the time until when the relay will be absorbing is proposed by means of maximizing a function called the signal to interference difference (SID). The system is modelled analytically as well. The BER results after optimization are compared with the BER performance of the traditional SISO system, and an improvement is shown to be attained with the incorporation of the optimal relay. The last contribution of the thesis focuses on cooperative sensing in MCvD networks. Particularly, a novel paradigm is presented, which is motivated by specific scenarios where MC can find application, such as sugar level stabilization of patients with diabetes. Inspired by the concept of beamforming in radio frequency (RF) communications, molecular beamforming is presented in Chapter 5. The proposed technique can find application in systems where the actuation of nanomachines is targeted. The typical proposed network consists of several sensors (Txs) that emit molecules with the purpose of activating one actuator (Rx) at a time, whose on or off state depends on the overall received signal. However, the sensors are prone to errors, thus they may wrongly emit/not emit. For this reason, the main motivation behind this idea is that when the number of sensors increases, the actuation error rate decreases. In order to achieve this, several design techniques are proposed, such that the overall received signal is composed of delayed versions of the components arriving from different sensors. The verification of the proposed method is achieved by the analytical derivation of the actuation error probability for several scenarios. Firstly, the system where sensors are forming a uniform linear array (ULA) is considered for presenting the scheme with less complexity. Afterwards, a more realistic scenario is considered, where the locations of the sensors are random. As for the computation of the actuation error rate, three different scenarios are presented, depending on the error source and how the actuation decision is made. The analytical results are validated with the ones obtained from computer simulations. The results reveal very interesting insights about the potential of molecular beamforming for actuation accuracy in MC networks. Finally, Chapter 6 concludes the dissertation by summarizing the main outcomes obtained from the aforementioned works. Additionally, several future research directions are provided.
Benzer Tezler
- 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
- Novel error-control coding techniques for molecular communication
Moleküler iletişim için hata düzelten kodlama teknikleri
AHMET OĞUZ KIŞLAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ EMRE PUSANE
- Designing a simulatable environment for genetic circuitbased receivers in molecular communications
Moleküler iletişimde genetik devre tabanlı alıcılar için simüle edilebilir ortam tasarlama
MERVE GÖRKEM DURMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNA TUĞCU
- Transceiver architectures and physical layer techniques for unconventional communications in the internet of everything
Her şeyin internetinde geleneksel olmayan haberleşme için alıcı-verici mimarileri ve fiziksel katman teknikleri
MELTEM CİVAŞ
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN