An information theoretical study on nanoscale communication channels with molecule diversity

Abstract

Moleküler haberleşme, nanomakinalar arasındaki mesajların moleküller aracılığıyla taşındığı gelecek vaat eden nano-ölçekli bir haberleşme tekniğidir. Çok sayıda olası kullanım alanından bazıları şunlardır: su ve hava kirliliği kontrol gibi çevresel uygulamalar; akıllı malzemeler, nano-işlemci ve nano-belleklerin üretimi gibi endüstriyel uygulamalar; ilaç dağıtım, çeşitli hastalıkların tanı ve tedavisi, sağlık izleme gibi biomedikal uygulamalar. Bu tezde, molekül çeşitliliğini kullanan yeni bir moleküler haberleşme modeli tanıtılmaktadır. Bu kanalın bilgi aktarım hızı ve gecikme ödünleşmesi, kanal kapasitesi ve bit hata oranını incelemek için kanalın bilgi kuramsal analizi yapılmıştır. Bu tezdeki amacımız, moleküler haberleşme sistemlerini gerçekleyebilmek için gerekli elverişli durumları ve teknikleri ortaya çıkarmaktır. Ayrıca, geleneksel elektromanyetik haberleşme ile hızla gelişen moleküler haberleşme arasında analojiler kurarak geleneksel ağlarda kullanılan ağ kodlaması, gönderme yönünde hata düzeltimi gibi tekniklerin moleküler ağlara uygulanması amaçlanmaktadır.

Molecular communication is a promising technique to establish communicationat nanoscale in which molecules are used to carry messages between nanomachines.It has many applications areas such as environmental applications, which includewater and air pollution control, industrial applications, which include developmentof intelligent materials, nano-processors and nano-memory, and biomedical applications,which are drug delivery, disease diagnosis&treatment and health monitoring.In this thesis, we introduce a new model for molecular communication which exploitsmolecule diversity. An information theoretical analysis of this channel is conductedto investigate the rate-delay trade-o, the capacity and the bit error rate. Our aimin this thesis is to nd the feasible conditions and techniques to realize a molecularcommunication system. Furthermore, we derived analogies between the conventionalelectromagnetic communications and the emerging molecular communication eldsto exploit the techniques used in conventional networks such as network coding andforward error correction for optimizing the performance of molecular networks.