Modeling and analysis of molecular signals in multiscale molecular communication

Abstract

This thesis focuses on modeling, analysis, and novel experimental techniques in molecular communication (MC). The objective of this thesis is to develop novel engineering solutions and modeling approaches to enable MC applications. The first part of the thesis is about microscale MC studies. In this part, a model of how a receiver nanomachine measures and reconstructs a molecular signal is proposed with a probabilistic approach. In the second part, macroscale MC studies with active transmitters are given. An experimental setup which includes a sprayer emitting alcohol molecules as a transmitter and an alcohol sensor as the receiver is employed. Using the data collected by this setup, five statistical methods, a feature extraction algorithm and the fluid dynamics-based distance estimation algorithm are proposed for distance estimation. Furthermore, a novel droplet-based signal reconstruction approach to channel modeling is proposed. Moreover, MC is utilized to propose an end-to-end system model which considers pathogen-laden cough/sneeze droplets as the input and the infection state of the human as the output. In addition, the concept of mobile human ad hoc network which exploits the similarity of airborne transmission-driven human groups with mobile ad hoc networks and uses MC as the enabling paradigm is introduced. Finally, macroscale MC studies with passive transmitters are detailed in the third part. A novel experimental platform which consists of an evaporating alcohol source and a sensor network is proposed. A sensor network based clustered localization algorithm is proposed to estimate the location of the passive transmitter.

Bu tez, moleküler haberleşmede (MH) modelleme, analiz ve yeni deneysel tekniklere odaklanmaktadır. Bu tezin amacı, MH uygulamalarını mümkün kılmak için yeni mühendislik çözümleri ve modelleme yaklaşımları geliştirmektir. Tezin ilk bölümü mikro ölçekli MH çalışmaları hakkındadır. Bu kısımda, olasılıksal bir yaklaşımla bir alıcı nanomakinenin bir moleküler sinyali nasıl ölçtüğüne ve yeniden oluşturduğuna dair bir model önerilmektedir. İkinci bölümde, aktif vericilerle makro ölçekli MH çalışmaları verilmektedir. Verici olarak alkol molekülleri yayan bir püskürtücü ve alıcı olarak bir alkol sensörü içeren deneysel bir düzenek kullanılmıştır. Bu düzenekle toplanan veriler kullanılarak, mesafe kestirimi için beş istatistiksel yöntem, bir öznitelik çıkarma algoritması ve akışkan dinamiğine dayalı mesafe kestirim algoritması önerilmektedir. Ayrıca, kanal modellemeye yönelik yeni bir damlacık bazlı sinyalin yeniden oluşturulması yaklaşımı önerilmektedir. Bu çalışmaların yanı sıra MH, patojen yüklü öksürük/hapşırık damlacıklarını girdi olarak ve insanın enfeksiyon durumunu çıktı olarak kabul eden uçtan uca bir sistem modeli önermek için kullanılır. Ek olarak, havadan bulaşma güdümlü insan gruplarının mobil tasarsız ağlarla benzerliğinden yararlanan ve kolaylaştırıcı paradigma olarak MH'yi kullanan mobil insan tasarsız ağı kavramı tanıtılmaktadır. Son olarak, pasif vericilerle makro ölçekli MH çalışmaları üçüncü kısımda detaylandırılmaktadır. Buharlaşan bir alkol kaynağı ve bir sensör ağından oluşan yeni bir deneysel platform önerilmektedir. Pasif vericinin konumunu kestirmek için bir sensör ağı tabanlı kümelenmiş lokalizasyon algoritması önerilmektedir.