Distance estimation in tabletop molecular communication

Abstract

Although existing communication technologies based on electrical and electromagnetic signals are applicable for a variety of applications, these technologies are insufficient in some applications. Especially, developments in nanotechnology and biotechnology require an alternative communication paradigm. Molecular communication (MC) paradigm is a promising solution needed to fill the gap in both nano- and macroscale. It is one of the oldest communication paradigm in which molecules are used as information carrier. Its mechanism provides a basis for all living organisms from unicellular bacteria to humankind to continue their existence. For instance, the information transfer among nerve cells is accomplished via MC. These kind of biological activities inspire a base for communication between nanomachines. The realization of MC occurs by sending and receiving molecules between nanomachines. The information about distance between transmitter (Tx) and receiver (Rx) is one of the critical points to enable an efficient performance in terms of clock synchronization, transmission rate, etc. in the design of MC system. However, most of the existing works on MC are based on the assumption distance is pre-known. In addition, the proposed theoretical methods are validated using an ideal simulation environment. Furthermore, there is a limited number of studies about macroscale practical applications. In this thesis, an end-to-end tabletop MC testbed is established to transmit chemical signals from a Tx to Rx. This testbed allows us to provide an estimate about the distance using molecular information received by the Rx. In the development of the estimation algorithms, the principles of molecular random walk are used. We propose three novel approaches that are called as peak time, correlation based and relative entropy based approaches to estimate the distance between Tx and Rx for a practical MC system. The performance of the proposed estimation methods is evaluated in the tabletop MC testbed. The experimental results shows that our proposed methods present a satisfactory performance in terms of estimation error and the methods can be used to develop new potential macro-scale MC applications.

Mevcut elektriksel ve elektromanyetiksel sinyallere dayanan iletişim teknolojileri çeşitli uygulamalar için uygulanabilir olmasına rağmen, bu teknolojiler bazı uygulamalarda yetersizdir. Özellikle nanoteknoloji ve biyoteknolojideki gelişmeler alternatif bir haberleşme paradigmasına ihtiyaç duymaktadır. Moleküler haberleşme (MH) paradigması hem nano hem de makro ölçekte bu boşluğu doldurmak için gereken umut verici bir çözümdür. Moleküllerin bilgi taşıyıcı olarak kullanıldığı en eski haberleşme paradigmalarından biridir. Bu paradigmanın mekanizması tekhücrelilerden insanoğluna kadar tüm canlı organizmalara varlıklarını sürdürebilmek için temel oluşturmaktadır. Örneğin, MH’ın en iyi anlaşılabilir durumu beynimizdeki sinir hücreleri arasında binlerce kez meydana gelmektedir. Bu tür biyolojik aktiviteler nanomakineler arasındaki haberleşme için temel oluşturur. MH’nin gerçeklenmesi nanomakineler arasında moleküllerin gönderilmesi ve alınmasıyla gerçekleşir. Verici ve alıcı arasındaki mesafe bilgisi, MH sisteminin tasarımında zamansal senkronizasyon, iletim hızı vb. açıdan verimli bir performans sağlamak için kritik bir parametrelerden biridir. Fakat, MH üzerinde var olan çalışmaların çoğu, mesafenin önceden bilindiği varsayımına dayanmaktadır. Ek olarak, önerilen teorik metotlar ideal simülasyon ortamında doğrulanmaktadır. Ayrıca makro ölçekli pratik uygulamalar hakkında sınırlı sayıda çalışma var. Bu tezde, uçtan uca bir masa üstü MH sınama ortamı oluşturularak kimyasal sinyaller göndericiden alıcıya iletilir. Bu sınama ortamı alıcının tespit ettiği moleküler bilgileri kullanarak mesafeyi tahmin etmemizi sağlar. Tahmin algoritmalarının gelişim sürecinde moleküler rastgele hareket ilkeleri kullanıldı. Alıcı ve verici arasındaki mesafeyi tahmin etmek için tepe zamanı, korelasyon esaslı ve izafi entropi esaslı olarak adlandırılan üç farklı yaklaşım sunuyoruz. Önerilen tahmin yöntemlerinin performansı masa üstü MH sınama ortamında değerlendirilir. Önerdiğimiz yöntemlerin deneysel sonuçları tahmin hatası ve yöntemler açısından yeni potansiyel makro ölçekli MC uygulamaları geliştirmek için kullanılabilir olduğunu göstermektedir.