Molecular communication in diffusion based channel

Abstract

Bu çalışma difüzyon bazlı moleküler haberleşme ile ilgilidir. Moleküler haberleşmede bilgi, klasik haberleşme sistemlerinden farklı olarak, moleküller ile kodlanır ve bu moleküller nanomakineler aracılığı ile difüzyonlu ortama gönderilir. Moleküller ortamda dağılırken yaptıkları hareketler Brown hareketi ile modellenir. Yavaş ve rastgele olan bu hareket nedeniyle geleneksel haberleşme sistemlerine oranla çok daha fazla girişim meydana gelmektedir. Bu tezde, simgelerarası girişimi önlemek amacıyla çeşitli modülasyon, eşitleme ve kodlama teknikleri önerilmiştir. Önerilen yöntemlerdeki ana motivasyon nanomakineler için uygun olabilecek, düşük hesaplama işlemleri gerektiren ve olabildiğince az molekül gönderilmesini gerektiren çözümler sunmaktır. Sunulan bütün yöntemler girişimi azaltmakla birlikte literatürde önerilmiş olan diğer yöntem-lerden daha başarılı performanslar vermektedir. İlk olarak girişimi engellemek için darbe konum modülasyonunun moleküler haberleşmeye uyarlanması ele alınmış ve bu uyarlama yapılırken diğer önerilmiş modülasyon tekniklerinden daha az kanal bilgisi kullanarak daha yüksek performans sergilediği gözlemlenmiştir. Buna ek olarak, moleküler haberleşme için düşük yoğunluklu kod tasarımı yapılmış ve litaratürdeki diğer yöntemlerden daha başarılı olduğu benzetimlerle gösterilmiştir. Eşitleme yöntemi olarak, alınan sinyalin en uygun gecikme süresi, sinyalin gücünü arttıracak, girişiminkini ise azaltacak şekilde belirlenmiştir. Benzer mantıkla alıcıdaki en uygun alma açıklığı, alıcıda alınan moleküllerin ortak açı-zaman olasılık yoğunluk fonksiyonu türetilerek bulunmuştur. Son olarak, ağ kodlaması yöntemi bir atlamalı ve çok atlamalı nanoağlara uygulanmıştır.

This thesis deals with diffusion based molecular communication. Unlike conventional communication systems, the information is encoded with molecules and these molecules are emitted by nanodevices in a diffusive environment. Since the molecules diffuse through the environment, their movement is governed by Brownian Motion, resulting in very slow and random movement that leads to excessive interference compared to conventional communication channels. In this thesis, various modulation, equalization and coding schemes are proposed to combat with this interference issue. The main motivation for the determination of these schemes is proposing computationally simple and/or sparse communication methods suitable for nanodevices. All proposed methods diminish the interference at the received signal and improve the performance of the molecular communication channels compared to the other existing methods in the literature. In particular, pulse position modulation is adopted for molecular communication channel to diminish interference without any additional complexity and less channel information compared to other proposed modulations. A specific sparse channel code for molecular communication is also proposed by presenting its improved performance. For equalization, the received signal is equalized by analytically determining the optimum reception delay analytically that minimizes interference and maximizes the signal power. With the same goal, optimum aperture region of the receiver is determined by deriving the joint angle-time distribution of the absorbed molecules at the receiver. Finally, network coding methods are proposed for two-way one-hop and multi-hop nanonetworks.