Intra-body molecular communications: A theoretical study on synaptic multiple-access channel

Abstract

Moleküler haberleşme, bilginin iletiminin ve alımının taşıyıcı moleküllerin kodlanmasıyla gerçekleştirildiği yenilikçi bir nano-ölçekli haberleşme yöntemidir. Gerçekte, insan vücudu da işlevselliği temel olarak nano-ölçekte moleküler haberleşmeye dayanan etkileşim halindeki nanomakinelerin, hücrelerin, oluşturduğu nanoağları içeren çok yapımlı ve büyük ölçekte bir haberleşme ağıdır. Bu tezde,insan vücudu içindeki önemli moleküler haberleşme kanalları için temel modelleri tanıtıp, sonrasında, bu kanal modellerine dayanarak genişletilmiş çoklu-uçlu moleküler ağları ele alıyoruz. Amacımız, vücut içindeki eksiksiz moleküler haberleşme mekanizmalarını öğrenerek yeni geliştirilen nanoağlar için pratik haberleşme teknikleri geliştirmektir. Ayrıca, bilgi ve haberleşme teknolojilerinden esinlenen devrim niteliğinde tanı ve tedavi tekniklerinin geliştirilmesinin yolunu açmaktır. Bu da gelecek-nesil nanotıp ve biyolojik-esinli moleküler haberleşme uygulamaları için umut vericidir. Bu çalışmada ayrıca, presinaptik girdi korelasyonunun rolü dahil edilerek çoklu-erişimli sinaptik haberleşme kanalı modellenmekte, ve sinaptik haberleşme başarımı analiz edilmektedir. Bu model kullanılarak, sinaptik uçlardaki ve bağlantılardaki anormalliklerle karakterize sağlık bozukluklarına ağırlık verilip, sinirsel hastalıklar ve sinaptik haberleşme problemleri arasındaki bağlantılar kurulabilmektedir. Bunlara ek olarak, çoklu-erişimli sinaptik haberleşme kanalındaki girişimi inceleyerek alıcı uçtaki iletim başarımı performansını analiz ediyoruz. Bunlara ilave olarak, bu çalışma, taşıyıcı-tabanlı moleküler nanoağlarda bilgi aktarım hızı ve gecikme başarımı ödünleşimlerinin araştırılmasını da kapsamaktadır. Haberleşme hızındaki artışı gözlemlemek amacıyla, yeni bir moleküler ağ kodlama yöntemi geliştirilmiş ve analiz edilmiştir.

Molecular communication is a novel nanoscale communication paradigm, in which information is encoded in messenger molecules for transmission and reception. Indeed, human body is a large-scale heterogeneous communication network of nanonetworks composed of interacting nanomachines, i.e., cells, whose functionalities primarily depend on nanoscale molecular communications. In this thesis, we introduce the elementary models for significant intra-body molecular communication channels, and then, discuss molecular nanonetworks belonging to multi-terminal extensions of channel models. Our objective is to learn from the elegant molecular communication mechanisms inside us for engineering practical communication techniques for emerging nanonetworks. Besides, we aim to pave the way for the advancement of revolutionary diagnosis and treatment techniques inspired from information and communication technologies, which is promising for future nanomedicine and bio-inspired molecular communication applications. Furthermore, we model the multiple-access synaptic communication channel, and analyze the synaptic transmission performance by incorporating the role of presynaptic input correlation. Using this model, we concentrate on the disorders characterized by abnormalities in the synaptic terminals and connections, and establish relations between neural diseases and synaptic communication problems. Additionally, we investigate the multiuser interference in synaptic communication channel and provide a performance analysis for the postsynaptic rate. Moreover, we investigate the performance, i.e., rate and delay, tradeoffs in messenger based molecular nanonetworks, and analyze a molecular network coding scheme to investigate the communication rate improvement.