Minimum energy channel and network coding with applications in nanoscale communications

Abstract

Kanal kodlaması, bilgi kuramının kurucusu olan Claude E. Shannon'ın işaret ettiği şekilde, kanal kapasitesine erişmek ve güvenilir haberleşme sağlamak için, gönderilen bilgide yedeklilik kullanılmasına verilen isimdir. Bu tezde, literatürde ilk defa, öncelikli amacı harcanan enerjiyi en aza indirmek olan güvenilir bir kanal kodlaması (MEC) geliştirilmiştir. MEC, modülasyon yöntemi olarak dur-başla anahtarlamanın kullanıldığı varsayılarak, en az enerjiyi sağlamak için, kod ağırlığını en aza indirmektedir. Araştırmadaki temel motivasyon, nano boyutlardaki cihazlar arasındaki haberleşmeyi sağlayacak, enerjiyi verimli kullanan haberleşme teknikleri geliştirilmesi ihtiyacı olmuştur. Boyutlarından dolayı, haberleşebilen nanocihazlar çok küçük miktarlarda enerji bütçesine sahiptir. Bu da kullanılan tekniklerin enerjiyi en aza indirecek şekilde tasarlanmasını gerektirmektedir. Önerilen kanal kodunun,verici düğümdeki kaynak küme büyüklüğünün, kanalın sembol hata olasılığından küçük olması şartıyla, gecikmesi ayarlanarak istenen güvenilirliği sağladığı gösterilmiştir. Önerilen kanal kodunun en az enerji harcanmasını sağladığı ve güvenilir olduğu ispatlanarak, nano algılayıcı ağlarında etkin bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca bu kanal kodunun dağınık nano ağlarda, koordinesiz düğümlerden kaynaklanan girişime karşı güvenilirliği incelenmiş, kanal kodunun desteklediği en fazla nano düğüm yoğunluğu bulunmuş, ve düzensizağlardaki veri hızı, gecikme ve enerji ödünleşmesi incelenmiştir. Son olarak, literatürde ilk defa, en az enerjiyi sağlayan ağ kodlaması (MENC) geliştirilmiştir. Her kanaldaki enerjiyi en aza indirmek amacıyla düğümlerin MEC uyguladığı kabul edilmiştir. Buna göre MENC, ağ kodlaması yapan iki gelen ve bir giden bağlantıya sahip düğümlerde, bütün işlevler, yani ağ kodları, arasında en az enerjiyi sağlayan olarak seçilmiştir. MEC'te olduğu gibi, MENC de ağ kodlaması yapan düğümlerde en az kod ağırlığını sağlayarak enerjiyi en aza indirmektedir.

Channel coding, as indicated by Claude E. Shannon, is mostly used to achieve the capacity, by means of introducing redundancy to combat the effects of noise. In this thesis, an energy minimizing novel channel code (MEC) with controllable reliability is proposed for the first time. The motivation stems from the severe energy constraints of nano communications. Due to their tiny size, nanodevices can only supply a limited amount of energy. The need to optimize communication techniques for minimum energy includes the development of a novel channel code that provides reliability, while keeping the transmitter energy at minimum. We develop minimum energy channel code (MEC), which uses the idea of increasing the frequency of the modulation state that requires less energy. On-off keying (OOK) modulation is the simplest of such techniques and assumed to be the underlying modulation throughout the thesis. MEC provides the desired reliability with varying delay, when source set cardinality is less than the inverse of symbol error probability. The proposed channel code is shown useful in nanosensor networks. The performance of MEC is also evaluated considering the random interference due to multiple uncoordinated users in the ad-hoc nanonetworks. The theoretical maximum node density limit in an ad-hoc nanonetwork with reliable communications between the nodes is derived. Investigating delay via varying codeword length, rate-delay-energy tradeoffs with MEC are analyzed. Lastly, for the first time in the literature, network codes that minimize energy is developed in network coding nodes with two incoming edges. To minimize the overall network energy in in-two networks, each node is assumed to employ MEC with OOK. Therefore, MENC provides the best mapping between input edges and output edge of the coding node, that minimizes the average energy at the output of the coding node, by minimizing the average weight.