Automata Modeling of Quorum Sensing for Nanocommunication Networks

Projecte final de carrera realitzat en col.laboració amb Broadband Wireless Networking Lab. Georgia Institute of Technology. AtlantaNanotechnology is enabling the development of devices in a scale ranging one to hundreds of nanometers. Communication between these devices underlying in the nanoscale greatly expands the possible applications, increasing the complexity and range of operation of the system. Several options for nanocommunications have been discovered and studied, and many of them take some natural mechanisms and processes as a model, or directly use di erent elements from nature to serve its purposes. For instance, in molecular communications, the information is encoded in tiny particles secreted by the emitter. In this work, a special case of molecular communications is studied and modeled. Quorum Sensing is a mechanism used by bacteria to sense their own population and coordinate or synchronize their actions, through the emission and sensing of molecules called autoinducers. The behavior of each bacterium involved featuring Quorum Sensing is modeled as an individual nite state automaton, capturing its course of action. Later, the design of a novel nanomachine that will include Quorum Sensing is presented, along with its applications. Mainly, Quorum Sensing will serve to synchronize the processes of a group of nanodevices, and this idea is developed to present \Collective Actuation Synchronization" and \Collective Actuation after Localized Sensing" nanomachines. Finally, these con gurations are implemented and simulated, and the results are later discussed

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