Nanoscale and bio-inspired communication techniques for the internet of bio-nano things

Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (BNNİ), nanobiyosensörler, biyolojik sensörler, canlı hücreler, sentetik bakteriler gibi nanomakinelerin ve biyolojik varlıkların birbirleriyle ve konvansiyonel haberleşme ağlarıyla kooperatif algılama, hesaplama gibi işlemleri gerçekleştirmek adına bağlantı kurmasıyla oluşturdukları ağları tanımlayan yeni bir bilişim ve iletişim teknolojisidir. BNNİ, canlı hücrelerin içindeki süreçlere tekil molekül seviyesinde hassasiyet ile müdahelenin ve daha önce hiçbir teknoloji ile temas edilememiş ortamlarda çalışabilen sensör ve aktör ağlarıyla insan bilincini ve kontrolünü geliştirmenin yolunu açmasıyla, nano boyutlardaki dünyayla iletişimizi ve onu anlama yöntemlerimizi dönüştürmek adına çok önemli bir potansiyele sahiptir. Ancak, BBNİ'nin pratik olarak gerçekleştirilebilmesi, nano boyutlardaki fizik kuralları ve bio-nano nesnelerin limitli yeteneklerine bağlı olarak ortaya çıkan yeni problemlerin aşılmasını gerektirmektedir. Bu problemlerin çözümü ise modelleme, analiz ve uygulama alanlarında yeni ve oldukça disiplinlerarası yaklaşımların üretilmesine ihtiyaç duymaktadır. Bu tezde, BNNİ'nin önündeki fiziksel katman problemleri üzerine odaklanılmıştır. Bu amaçla, nano-haberleşme ağlarında yüksek hızlı ve güvenilir kablosuz bilgi aktarımını gerçekleştirebilen ve aynı zamanda nano ve makro ölçekli siber ağlar arasında kesintisiz bir arabirim sağlayabilen iletişim teknikleri araştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde, nano-haberleşme ağlarında, kuantum mekanik bir fenomen olan Förster Rezonans Enerji Transferi ile kablosuz bilgi aktarımını sağlayabilmek adına flüoresan moleküllerin kullanımı üzerinde yoğunlaşılmıştır. FRET temelli, grafen plazmon destekli FRET temelli, ve çok kademeli FRET temelli haberleşme kanalları için haberleşme ve bilgi kuramsal modeller geliştirilmiştir. Bu çalışmanın bir diğer fazında, flüoresan moleküllerin özünde optik nano-makro arayüz olması temel alınarak, Moleküllerin İnterneti adında, BBNİ'nin kapsama yeteneğini 100nm ve daha küçük boyutlardaki basit moleküler aygıtların oluşturduğu haberleşme ağlarını da kapsayacak şekil-de genişleten yeni bir teknoloji tanıtılmıştır. Ayrıca, bu doğrultuda, flüoresan molekül-lerin alıcı-verici olarak kullanılmasıyla, pratik olarak literatürde ilk kez kablosuz bir nano-haberleşme ağı deneysel olarak gösterilmiş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci bölümü, çeşitli kanal ve gürültü modelleri de dahil olmak üzere halihazırda çeşitli yönlerden kapsamlı olarak incelenmiş olan moleküler iletişim üzerine odaklanmıştır. Mevcut literatürden farklı olarak, nano-haberleşme uygulamalarının temel gereksinimlerini ve moleküler nano-haberleşme ağları ile konvensiyonel elektromanyetik makro-ağlar arasında arayüz işlevi görebilecek yetenekte bir moleküler alıcı tasarımı üzerine çalışılmıştır. İlk olarak biosensör alanındaki en gelişmiş teknolojiler temel alınarak, moleküllerin ortamdaki konsantrasyonuna kodlanmış bilgileri elektrik sinyallerine dönüştürebilen bir moleküler alıcı tasarlamak adına Alan Etkili Transistör Biyosensörler (BioFETs) en uygun başlangıç noktası olarak önerilmiştir. Silikon Nanotel (SiNW) bioFET temelli moleküler haberleşme alıcı aygıtı için kapsamlı bir haberleşme kuramsal model geliştirilmiş ve alıcı çıkışındaki gürültü istatistikleri elde edilmiştir. Bu alıcının performansı, sinyal-gürültü oranı (SNR), sembol hata olasılığı (SEP) ve bilgi kuramsal kapasitesi gibi metrikler ile analiz edilmiştir.