Effects of messenger molecule degradation in molecular communication via diffusion

Abstract

Nanoağlar nanometre ölçüsündeki makineler arası iletişimin gerçekleştirilmesi adına umut vaat eden yeni bir kavramdır. Nanoağlar literatüründe önerilen çözümler arasından; bu tezde, birçok moleküler haberleşme türüne temel oluşturan Moleküler Difüzyon ile Haberleşme sistemine odaklanılmaktadır. Tez içerisinde, ilk olarak, haber-leşme molekülü yıkımı olan kanallarda soğurma özelliği olan alıcıların 3-B küre şeklinde analitik olarak modellenmesi ele alınmakta, formülasyon ve simülasyon arasındaki uyuşmalar gösterilmektedir. İkinci olarak, sinyal zirve noktası zamanı ve sinyal zirve noktası enliği gibi metrikler kullanılarak molekül yıkımının sinyal karakteristiklerine olan etkileri analitik olarak gösterilmektedir. Burada, haberleşme molekülü yıkımına tabi olan sistem, yıkıma tabi olmayan sistem ve elektromanyetik iletişim kanalı belirtilen karakteristikler açısından karşılaştırılmaktadır. Son olarak, farklı molekül yıkımı hızlarına göre sistem performansı değerlendirilmektedir. Burada, sistem performansı semboller arası girişim, algılama performansı, bit hata oranı ve veri hızı gibi geleneksel ağ metrikleri ile değerlendirilmektetir. Sonuçlar, molekül yıkımı kullanılan sisemlerin doğru koşullar altında kayda değer performans artışı sağladığını göstermektedir. Belirli bir iletişim uzaklığı için, molekül yıkım hızını artırmak sistem performansını bahsi geçen tüm metriklerde bir tepe noktasına kadar artırmaktadır. Ancak, bu noktadan sonra, hızlı molekül yıkımının çoğu molekülün alıcıya ulaşamadan yıkılmasına ve sonuç olarak sistem başarımının düşmesine sepep olduğu gözlenmektedir.

Nanonetworking is a promising new paradigm that focuses on communication between nanoscale machines. In the nanonetworking literature, many solutions have been suggested to enable the information transfer between nano-machines. Among these solutions, we focus on molecular communication via diffusion which constitutes a basis for many types of molecular communication. Specifically, we start with the analytical model of 3-D absorbing receiver under messenger molecule degradation and show that our formulations are in agreement with the simulation results. Next, we identify the effects of degradation in signal characteristics such as pulse peak time and pulse amplitude, and we analytically show how degradation is used for signal shaping in molecular communication via diffusion. Here, we also compare communication under degradation with the case of no degradation and electromagnetic communication in terms of channel characteristics. Lastly, we evaluate the performance of the degradation system for different choices of degradation rates. Here, we assess the system performance according to traditional network metrics such as the level of inter-symbol interference, detection performance, bit error rate, and data rate. Our results indicate that introducing degradation significantly improves the system performance. For a given distance, increasing degradation rate also increases the system performance in terms of all metrics mentioned above up to a peak performance point. However, after the peak point, degradation becomes too fast and causes most of the molecules to degrade before reaching the receiver, which in turn deteriorates the system performance.