Moleküler iletişim: Yeni aktarma şemaları ve moleküler hüzme oluşturma

Küçük ölçekte iletişim, iki ana nedenden dolayı son yıllarda artan bir ilgi görmüştür. Her şeyden önce, geleneksel iletişim teknolojilerinin uygun olmadığı, özellikle tıbbi tedavi ve sağlıkla ilgili çok çeşitli uygulamalar vardır. İkincisi, elektronik cihazların üretimindeki gelişmeler nedeniyle nano/mikro ölçekte iletişim, hem maliyet hem de ölçek kısıtlamaları açısından uygulanabilir. Nano ağ oluşturmayı etkinleştirmeye yönelik belirgin bir yaklaşım olarak moleküler iletişim (molecular communications, MC) önerilmiştir. Her şeyden önce, geleneksel EM iletişimiyle karşılaştırıldığında, MC, anten boyutundaki engeli çözmektedir. Ayrıca MC, önerilen kullanım alanları için önemli bir özellik olan biyo-uyumlu bir çözümdür. Literatürde tanıtılan çok sayıda MC sistemi vardır; bunların arasında, bilgiyi iletmek için moleküllerin yayılma özelliklerini kullanan verimli ve pratik bir çözüm olduğu için, difüzyon yoluyla MC (MC via diffusion, MCvD) en çok incelenenlerden biridir. Amaçlanan düğüme ulaşan sinyal, moleküllerin difüzyon dinamikleri nedeniyle ağır bir kuyruk şekline sahiptir, bu da MCvD sistemlerinin semboller arası girişime (inter-symbol interference, ISI) eğilimli olmasına yol açar. ISI'yı hafifletmek, MC söz konusu olduğunda en çok araştırılan konulardan biridir. Bunun dışında, iletişim aralığı, iletişim kuran nanomakineler birbirinden uzaklaştıkça sinyalin genliğinin hızla azalması nedeniyle MCvD'yi karakterize eden başka bir sınırlamadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için literatürde iletişim perspektifinde yeni tasarımlar ve algoritmalar önerilmiştir. Bölüm 2, MCvD'nin tek girişli tek çıkışlı (single-input single-output, SISO) topolojisini özetleyerek, yukarıda bahsedilen zorlukları anlamada çok yararlı olan literatürdeki temelleri sağlar. Ayrıca, bu tezin iki katkısının ardındaki motivasyon için zemin hazırlayan MC'de aktarma üzerine kısa bir literatür taraması sağlanmıştır. Önerilen ilk şema Bölüm 3'te tanıtılmıştır. Bu çalışma, MC literatüründeki röle tabanlı şemaların çoğunun, rölenin iletişimini kolaylaştırdığı iki düğümün ortasında konumlandığını düşünmesinden esinlenmiştir. Bu, pratikte her zaman elde edilemediğinden, asimetrik bir aktarma durumu düşünülür. Ortaya çıkan iki iletişim bağlantısının parametreleri aynı değerlere sahipse, asimetrik bir geçiş şemasının genel performansı, bu bağlantılar için eşit olmayan hata koruması nedeniyle hata yayılımına eğilimlidir. Bu, röleye yakın olan düğüme ait kanalın kalitesinin, röleye yakın olanın kanalına göre daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Bunun üstesinden gelmek için, geçiş sisteminin yukarı yönlü aktarım'i (UL) için farklı difüzyon katsayılarına sahip moleküllerin kullanılması önerilmiştir. Bit hata oranı (bit error rate, BER) açısından en iyi performans, yayan noktalar farklı sayıda farklı molekül türü serbest bıraktığında elde edilir. İki parametreli optimizasyon yöntemi önerilmiş ve analitik sonuçlar bilgisayar simülasyonları ile doğrulanmıştır. Bölüm 4'te önerilen şema, alınan sinyalin gücünü artırmak için bir röle kullanmaya odaklanmaktadır, bu da iletişim sisteminin BER performansında bir gelişme ile sonuçlanmaktadır. Bu şema, optimal geçiş olarak adlandırılmaktadır. Önerilen sistem, bir verici nokta, bir alıcı düğüm ve bunların arasında bir yerde bir röleden oluşur. Röle, bir süreye kadar salınan moleküllerin bir kısmını emer ve daha sonra onu, bu arada vericiden (transmitter, Tx) yayılan moleküllerden de emen alıcıya (receiver, Rx) doğru yönlendirir. Başka bir deyişle, Rx'de toplam absorbe edilen moleküller iki kaynaktan gelir: Tx ve röle. Alınan sinyalin genel genliği artırılacak şekilde bu iki bileşenin örtüşmesi bu çalışmanın ana motivasyonudur. Bunu başarmak için, sinyal-girişim farkı (signal to interference difference, SID) olarak adlandırılan bir fonksiyonun maksimize edilmesi yoluyla rölenin soğurulacağı zamana kadar olan sürenin optimize edilmesi önerilmiştir. Sistem analitik olarak da modellenmiştir. Optimizasyondan sonraki BER sonuçları, geleneksel SISO sisteminin BER performansı ile karşılaştırılır ve optimal rölenin dahil edilmesiyle bir iyileştirme elde edildiği gösterilmektedir. Tezin son katkısı, MCvD ağlarında işbirlikli algılamaya odaklanmaktır. Özellikle, diyabetli hastaların şeker seviyesi stabilizasyonu gibi MC'nin uygulama bulabileceği belirli senaryolar tarafından motive edilen yeni bir paradigma sunulmaktadır. Radyo frekansı (radio frequency, RF) iletişiminde huzme oluşturma kavramından ilham alan moleküler huzme oluşturma, Bölüm 5'te sunulmaktadır. Önerilen teknik, nanomakinelerin harekete geçirilmesinin hedeflendiği sistemlerde uygulama bulabilir. Önerilen tipik ağ, açık veya kapalı durumu alınan genel sinyale bağlı olan bir seferde bir aktüatörü (Rx) etkinleştirmek amacıyla moleküller yayan birkaç sensörden (Txs) oluşur. Bununla birlikte, sensörler hataya eğilimlidir, bu nedenle yanlış bir şekilde yayabilir/yaymayabilirler. Bu nedenle, bu fikrin arkasındaki ana motivasyon, sensör sayısı arttıkça çalıştırma hata oranının azalmasıdır. Bunu başarmak için, alınan genel sinyalin farklı sensörlerden gelen bileşenlerin gecikmeli versiyonlarından oluştuğu şekilde çeşitli tasarım teknikleri önerilmiştir. Önerilen yöntemin doğrulanması, birkaç senaryo için çalıştırma hatası olasılığının analitik olarak türetilmesiyle sağlanır. İlk olarak, şemayı daha az karmaşıklıkla sunmak için sensörlerin düzgün bir doğrusal dizi (uniform linear array, ULA) oluşturduğu sistem düşünülmüştür. Ardından sensörlerin konumlarının rastgele olduğu daha gerçekçi bir senaryo düşünülmektedir. Çalıştırma hata oranının hesaplanmasına gelince, hata kaynağına ve çalıştırma kararının nasıl verildiğine bağlı olarak üç farklı senaryo sunulmuştur. Analitik sonuçlar bilgisayar simülasyonlarından elde edilenlerle doğrulanmıştır. Sonuçlar, MC ağlarında harekete geçirme doğruluğu için moleküler hüzme şekillendirme potansiyeli hakkında çok ilginç bilgiler ortaya koyulmaktadır. Son olarak, Bölüm 6, yukarıda bahsedilen çalışmalardan elde edilen ana sonuçları özetleyerek tezi sonlandırmaktadır. Ek olarak, gelecekteki birkaç araştırma yönü sunulmuştur.