Information and communication theoretical modeling, design, and analysis of heterogeneous nanoscale communication channels

Abstract

Nano-aygıtlar arasındaki nano-ölçekli iletişim oldukça yenilikçi ve nanoteknoloji, biyoteknoloji ve iletişim teknolojisini gerektiren disiplinler arası bir araştırma alanıdır. Nanoaygıtların birbirlerine haberleşme kanallarıyla bağlanmasıyla oluşturulan nano-ağlar, nanoaygıtların birlikte çalışmasını sağlayarak yeteneklerini artırır. Bu tezde ilk olarak kalp kası hücreleri arasındaki moleküler haberleşme kanalı, diğer adıyla oluklu bağlantı (GJ) haberleşme kanalı, bilgi kuramsal olarak incelenip modellenmiştir. Bu model, kalp hastalıkları ve GJ haberleşme kanalı parametreleri arasında bir ilişki kurabilmek için kullanılmıştır. Bu sayede kalp hastalıklarının teşhis ve tedavisi için bilgi ve haberleşme teknolojilerinden faydalanmanın yolu açılmıştır. Sonrasında difüzyona dayalı moleküler haberleşmede görülen işarete bağlı gürültü ve semboller arası girişim ile baş edebilmek için çeşitli alıcı tasarımları yapılmıştır. Bu tasarımlar arasında optimum dizi tespiti ve kanal eşitleme yöntemleri bulunmaktadır. Daha sonra, yeni bir nano-ölçekli haberleşme yöntemi olan ve nano-bobinler arasındaki manyetik bağlantıya dayanan kablosuz nano-ölçekli magneto-endüktif (WNMI) haberleşme modeli sunulmuştur. WNMI haberleşme kanalının kapasitesi bilgi kuramsal olarak analiz edilip bulunmuştur. Sayısal analizler WNMI haberleşme yönteminin nano-ölçekli kablosuz haberleşme için umut verici bir teknik olduğunu göstermektedir. Son olarak bir başka yeni bir nano-ölçekli haberleşme yöntemi olan nano-ölçekli ısı ile haberleşme (NHC) modeli tanıtılmıştır. NHC haberleşme tekniğinde bilgi alış verişi ısının termal difüzyonla yayılması prensibine dayanmaktadır. Ayrıca NHC haberleşme kanalının kapasitesi bilgi kuramı kullanılarak bulunmuştur.

Nanoscale communication between nanodevices is a novel and interdisciplinary concept including nanotechnology, biotechnology and communication technology. The construction of nanonetworks by interconnecting nanodevices expands the capabilities of single nanodevices by means of cooperation between them. In this thesis, we first investigate the nanoscale molecular communication channel between cardiomyocytes, i.e., Gap Junction (GJ) communication channel, from an information theoretical perspective. In addition, we use the GJ communication model to establish relations between cardiac diseases and GJ communication parameters for diagnosis and treatment of cardiac diseases, which is promising for future nanomedicine and bio-inspired nanoscale communication applications. Next, we present several receiver designs for diffusion-based molecular communication which is very prone to intersymbol interference (ISI) due to residual molecules emitted previously. Furthermore, the stochastic nature of the molecule movements adds a signal dependent noise to the diffusion-based molecular communication. We introduce optimal sequence detection and channel equalization methods to mitigate ISI and signal dependent noise, which arise in the diffusion-based molecular communication. Afterwards, we introduce a novel nanoscale wireless communication technique: Wireless Nanoscale Magneto-Inductive (WNMI) communication in which the magnetic coupling between nanocoils is used to form a wireless communication channel. Then, we investigate the WNMI communication channel to reveal its communication capabilities using information theory. The numerical results reveal that the WNMI communication stands as a promising solution to nanoscale communication between nanodevices. Finally, we present another novel and radically different nanoscale communication method: Nanoscale Heat Communication (NHC) in which the heat transfer via diffusion of the thermal energy is used for communication at the nanoscale. In addition, we present an information theoretical analysis of the NHC channel to find its capacity.