Cooperative signal amplification for molecular communication in nanonetworks.

English: Nanotechnology is enabling the development of devices in a scale ranging from a few to hundreds of nanometers. Communication between these devices greatly expands the possible applications, increasing the complexity and range of operation of the system. In particular, the resulting nanocommunication networks (or nanonetworks) show great potential for applications in the biomedical field, in which diffusion-based molecular communication is regarded as a promising alternative to electromagnetic-based solutions due to the bio-stability and energy-related requirements of this scenario. In this new paradigm, the information is encoded into pulses of molecules that reach the receiver by means of diffusion. However, molecular signals suffer a significant amount of attenuation as they propagate through the medium, thus limiting the transmission range. In this work we propose, among others, a signal amplification scheme for molecular communication nanonetworks in which a group of emitters jointly transmits a given signal after achieving synchronization by means of Quorum Sensing. By using the proposed methodology, the transmission range is extended proportionally to the number of synchronized emitters. We also provide an analytical model of Quorum Sensing, validated through simulation. This model accounts for the activation threshold (which will eventually determine the resulting amplification level) and the delay of the synchronization process.Castellano: La nanotecnología permite el desarrollo de dispositivos en una escala que va de las unidades a centenares de nanómetros. La comunicación entre estos dispositivos hace aumentar el número de aplicaciones posibles, ya que se mejora la complejidad y el rango de actuación del sistema. En concreto, las redes de nanocomunicaciones (o nanoredes) resultantes muestran un gran potencial cuando se trata de aplicaciones biomédicas, en las cuales la comunicación molecular basada en difusión de partículas supera a las soluciones electromagnéticas clásicas debido a las imposiciones energéticas y de biocompatibilidad de este escenario. En este nuevo paradigma de comunicación, la información se codifica en pulsos de moléculas que llegan al receptor gracias al fenómeno de la difusión. No obstante, las señales moleculares son sometidas a una gran atenuación a medida que se propagan a través del medio, hecho que limita severamente el alcance o rango de transmisión. En esta tesis se propone, entre otros, un esquema de amplificación de la señal para nanoredes de comunicación molecular, en el cual un grupo de emisores transmite una cierta señal de manera conjunta después de haberse sincronizado mediante la ejecución de Quorum Sensing. Con el método que proponemos, el alcance aumenta proporcionalmente al número de transmisores que se sincronizan. Además, proponemos un modelo analítico de Quorum Sensing, el cual se valida mediante simulación. Dicho modelo permite calcular el nivel umbral de activación del conjunto (hecho que determina la amplificación resultante y el rango de transmisión final) y el retardo que el proceso de sincronización introduce.Català: La nanotecnologia permet el desenvolupament de dispositius en una escala de unitats a centenars de nanòmetres. La comunicació entre aquests dispositius fa augmentar el nombre de possibles aplicacions, ja que es millora la complexitat i el rang d'actuació del sistema. En concret, les xarxes de nanocomunicacions (o nanoxarxes) resultants mostren un gran potencial quan ens referim a aplicacions biomèdiques, en les quals la comunicació molecular basada en difusió de partícules supera a les solucions de caire electromagnètic degut a les imposicions energètiques i de biocompatilitat d'aquest escenari. En aquest nou paradigma de comunicació, la informació és codificada en polsos de molècules que arriben al receptor gràcies al fenomen de la difusió. No obstant, els senyals moleculars són sotmesos a una gran atenuació a mesura que es propaguen a través del medi, fet que limita severament el rang de transmissió. En aquesta tesi es proposa, entre d'altres, un esquema d'amplificació del senyal per a nanoxarxes de comunicació molecular, en el qual un grup d'emissors transmet un cert senyal de manera conjunta després d'haver-se sincronitzat executant Quorum Sensing. Amb el mètode que proposem, l'abast o rang de transmissió augmenta proporcionalment al nombre d'emissors que se sincronitzen. A més a més, proposem un model analític de Quorum Sensing, el qual és validat mitjançant simulació. Dit model permet calcular el nivell llindar d'activació del conjunt (que de fet determina l'amplificació resultant i el rang de transmissió final) i el retard que el procés de sincronització introdueix

Relay assisted nanoscale communication in the Terahertz Band

In this letter, we investigate the bit error rate (BER) performance of a cooperative relaying transmission scheme for wireless nanosensor networks in the Terahertz (THz) Band. We consider nanosensor networks comprising several graphene-based devices deployed at the nanoscale. Both amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) relaying modes are studied. We consider a line-of-sight (LOS) channel model in the THz band which takes into account both spreading loss and molecular absorption loss. Given the high path loss and level of noise from significant random fluctuations through the THz channel, relay assisted schemes offer advantages in terms of significant performance improvements. To quantify the likely benefits, we derive the predicted bit error rate (BER) of the proposed scheme. We conduct a simulation of the proposed relay schemes based on the THz LOS channel model utilizing a Monte-Carlo method. The results obtained show that a performance improvement of 2.2 dB for AF and of 5 dB for DF is achievable at a target bit error rate (BER) of 10-5

Symbol-by-Symbol Maximum Likelihood Detection for Cooperative Molecular Communication

In this paper, symbol-by-symbol maximum likelihood (ML) detection is proposed for a cooperative diffusion-based molecular communication (MC) system. In this system, the transmitter (TX) sends a common information symbol to multiple receivers (RXs) and a fusion center (FC) chooses the TX symbol that is more likely, given the likelihood of its observations from all RXs. The transmission of a sequence of binary symbols and the resultant intersymbol interference are considered in the cooperative MC system. Three ML detection variants are proposed according to different RX behaviors and different knowledge at the FC. The system error probabilities for two ML detector variants are derived, one of which is in closed form. The optimal molecule allocation among RXs to minimize the system error probability of one variant is determined by solving a joint optimization problem. Also for this variant, the equal distribution of molecules among two symmetric RXs is analytically shown to achieve the local minimal error probability. Numerical and simulation results show that the ML detection variants provide lower bounds on the error performance of simpler, non-ML cooperative variants and demonstrate that these simpler cooperative variants have error performance comparable to ML detectors.Comment: 15 pages, 7 figures; submission for possible IEEE publication. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1704.0562

DNA Molecular Storage System: Transferring Digitally Encoded Information through Bacterial Nanonetworks

Since the birth of computer and networks, fuelled by pervasive computing and ubiquitous connectivity, the amount of data stored and transmitted has exponentially grown through the years. Due to this demand, new solutions for storing data are needed, and one promising media is the DNA. This storage solution provides numerous advantages, which includes the ability to store dense information while achieving long-term stability. However, the question as how the data can be retrieved from a DNA-based archive, still remains. In this paper, we aim to address this question by proposing a new storage solution that relies upon molecular communication, and in particular bacterial nanonetworks. Our solution allows digitally encoded information to be stored into non-motile bacteria, which compose an archival architecture of clusters, and to be later retrieved by engineered motile bacteria, whenever reading operations are needed. We conducted extensive simulations, in order to determine the reliability of data retrieval from non-motile storage clusters, placed at different locations. Aiming to assess the feasibility of our solution, we have also conducted wet lab experiments that show how bacteria nanonetworks can effectively retrieve a simple message, such as "Hello World", by conjugation with non-motile bacteria, and finally mobilize towards a final point.Comment: 22 pages, 13 figures; removed wrong venue references, reordered bibliography accordingly to ACM guideline

Cooperative In-Vivo Nano-Network Communication at Terahertz Frequencies

Nano devices have great potential to play a vital role in future medical diagnostics and treatment technologies because of its non-invasive nature and ability to reach delicate body sites easily as compared to conventional devices. In this paper, a novel concept of cooperative communication for in-vivo nano network is presented to enhance the communication among these devices. The effect on the system outage probability performance is conducted for various parameters including relay placement, number of relays, transmit power, bandwidth and carrier frequency. Results show approximately a 10-fold increase in the system outage performance whenever an additional relay is included in the cooperative network, hence shows a great potential of using cooperative communication to enhance the performance of nano-network at terahertz frequencies

Theoretical and Experimental Study of AM and FM Molecular Communications

Projecte final de carrera fet en col.laboracio amb New Jersey Institute of TechnologyCatalà: En el mètode de senyalització intercel·lular paracrina, les cèl·lules biològiques (emissors) secreten molècules al medi fluídic que les envolta. Les molècules secretades difonen en el medi (canal de comunicacions) i eventualment arriben a les cèl·lules destinatàries -i.e., cèl·lules veïnes (receptors). Les cèl·lules biològiques utilitzen molècules com a portadores d?informació per transmetre missatges entre poblacions cel·lulars. Aquesta informació pot estar codificada de moltes formes diferents, incloent amplitud modulada (AM) o freqüència modulada (FM), de forma similar a la les modulacions en radiocomunicacions. S'ha desenvolupat una plataforma teòrica i experimental (utilitzant microfluídica) per estudiar les comunicacions intercel·lulars que es produeixen per secreció i difusió de molècules. Aquí es presenten els resultats de la nostra aproximació, incloent un simulador basat en Matlab que es capaç de predir la concentració de molècules en qualsevol instant i posició (2D) al voltant de les cèl·lules. S'ha determinat que el mecanisme de difusió esta limitat a baixes freqüències -i.e., el sistema actua com un filtre pas baix- amb una freqüència de tall que depèn del coeficient de difusió de la molècula, de la distancia entre emissor i receptor i de les dimensions del contenidor del medi fluídic. Aquest estudi pretén entendre les raons per les quals per diferents condicions microambientals les cèl·lules decideixen modular la informació utilitzen modulacions AM o FM.Castellano: En el método de señalización intercelular paracrina, las células biológicas (emisores) secretan moléculas al medio fluídico que les rodea. La moléculas secretadas difunden en el medio (canal de comunicaciones) i eventualmente alcanzan a las células destinatarias i.e., células vecinas (receptores). Las células biológicas utilizan moléculas como portadoras de información para transmitir mensajes entre poblaciones celulares. Esta información puede estar codificada de muchas formas diferentes, incluyendo amplitud modulada (AM) o frecuencia modulada (FM), de forma simular a las de las modulaciones en radiocomunicaciones. Se ha desarrollado una plataforma que teórica y experimental (utilizando microfluídica) para estudiar las comunicaciones intercelulares que se producen por secreción y difusión de moléculas. Aquí se presentan los resultados de nuestra aproximación, incluyendo un simulador basado en Matalab que es capaz de predecir la concentración de moléculas en cualquier instante y posición (2D) alrededor de las células. Se ha determinado que el mecanismo de difusión está limitado a bajas frecuencias ?i.e., el sistema actúa como un filtro paso bajo- con una frecuencia de corte que depende del coeficiente de difusión de la molécula, de la distancia entre emisor i receptor i de las dimensiones del contenedor del medio fluídico. Este estudio pretende entender las razones por las que para diferentes condiciones microambientales las células deciden modular la información utilizando modulaciones AM o FM.English: In the paracrine method of intercellular signaling, biological cells (emitters) secrete molecules (signal) to the fluidic medium that surrounds them. The secreted molecules diffuse in the medium (communication channel) and eventually reach their targets.e., neighboring cells (receptors). Biological cells use molecules as information carriers for transmitting messages between cellular populations. This information can be coded in several ways, including amplitude modulation (AM) or frequency modulation (FM), similarly to what is done in radio communications. We are developing a theoretical and experimental (using microfluidics) platform to study the intercellular communication mediated by molecule secretion and diffusion. Here we present results of our approach, including a Matlab-based simulator that is able to predict the concentration of molecules at any time and location (2D) around the cells. We have determined that the mechanism of diffusion is limited to low frequencies with a cut-off frequency that depends on the diffusion coefficient of the diffusing molecule, the distance between the transmitter and the receiver, as well as on the dimensions of the container of the fluidic medium. We expect our study to uncover reasons by which different microenvironmental conditions result in biological cells choosing AM or FM communication