A Survey on Modulation Techniques in Molecular Communication via Diffusion

This survey paper focuses on modulation aspects of molecular communication, an emerging field focused on building biologically-inspired systems that embed data within chemical signals. The primary challenges in designing these systems are how to encode and modulate information onto chemical signals, and how to design a receiver that can detect and decode the information from the corrupted chemical signal observed at the destination. In this paper, we focus on modulation design for molecular communication via diffusion systems. In these systems, chemical signals are transported using diffusion, possibly assisted by flow, from the transmitter to the receiver. This tutorial presents recent advancements in modulation and demodulation schemes for molecular communication via diffusion. We compare five different modulation types: concentration-based, type-based, timing-based, spatial, and higher-order modulation techniques. The end-to-end system designs for each modulation scheme are presented. In addition, the key metrics used in the literature to evaluate the performance of these techniques are also presented. Finally, we provide a numerical bit error rate comparison of prominent modulation techniques using analytical models. We close the tutorial with a discussion of key open issues and future research directions for design of molecular communication via diffusion systems.Comment: Preprint of the accepted manuscript for publication in IEEE Surveys and Tutorial

Conception et évaluation de nouvelles méthodes pour améliorer les performances des réseaux de nano-communication

Abstract : The field of nanotechnology has undergone very rapid and fascinating development in recent years. This rapid and impressive advance has led to new applications of nanotechnology in the biomedical and military industries, making it a key area of research in multidisciplinary fields. However, the individual processing capacity of nanodevices is very limited, hence the need to design nanonetworks that allow the nanodevices to share information and to cooperate with each other. There are two solutions to establish a nanocommunication system: either by adapting the classical electromagnetic communication to the requirements of nano scale, or by using biological nanosystems inspired by nature such as the molecular communication proposed in the literature. In this thesis, we are interested in the second solution, which is exploiting the potential of biological nanosystems used by nature since billions of years to design biocompatible nanonetworks that can be used inside the human body for medical applications. Nevertheless, the use of this new paradigm is not without challenges. The very low achievable throughput and the Inter-Symbol Interference (ISI) are the most influential problems on the quality of molecular communication. The main objective of this thesis is to design and evaluate new methods inspired by nature in order to enhance the performance of nano-communication systems. To do this, the work is divided into three main parts. In the first part, we enhance the performance of molecular communication by proposing a new method that uses a photolysis-reaction instead of using enzyme to better attenuate ISI. We also propose an optimization of the receiver used in MIMO systems by judiciously choosing the parameters used in its design to reduce the influence of path loss on the quality of the system. The second part proposes a new wired nano-communication system based on self-assembled polymers that build an electrically conductive nanowire to connect the nanodevices to each other. The use of electrons as information carriers drastically increases the achievable throughput and reduces the delay. We study the dynamic process of self-assembly of the nanowire and we propose a bio-inspired receiver that detects the electrons sent through the conductive nanowire and converts them into a blue light. The third part applies the proposed wired nano-communication system to design an architecture ofWired Ad hoc NanoNETworks (WANNET) with a physical layer, Medium Acess Control (MAC) layer and application layer. We also calculate the maximum throughput and we evaluate the performance of the system.Le domaine des nanotechnologies a connu un développement très rapide et fascinant ces dernières années. Cette avancée rapide et impressionnante a conduit à de nouvelles applications dans les industries biomédicale et militaire, ce qui en fait un champ clé de recherche dans des domaines multidisciplinaires. Cependant, la capacité de traitement individuelle des nanodispositifs est très limitée, d'où la nécessité de concevoir des nanoréseaux qui permettent aux nanodispositifs de partager des informations et de coopérer entre eux. Il existe deux solutions pour mettre en place un système de nano-communication: soit en adaptant la communication électromagnétique classiques aux exigences de la nano échelle, soit en utilisant des nanosystèmes inspirés de la nature comme la communication moléculaire. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la deuxième solution, qui exploite le potentiel des nanosystèmes biologiques utilisés par la nature depuis des milliards d'années pour concevoir des nanoréseaux biocompatibles pouvant être utilisés à l'intérieur du corps humain pour des applications médicales. Néanmoins, l'utilisation de ce nouveau paradigme n'est pas sans défis. Le très faible débit réalisable et l'Interférence Entre Symboles (IES) sont les problèmes les plus influents sur la qualité de la communication moléculaire. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et d'évaluer de nouvelles méthodes inspirées de la nature afin d'améliorer les performances des systèmes de nano-communication. Pour ce faire, le travail est divisé en trois parties principales. Dans la première partie, nous améliorons les performances de la communication moléculaire en proposant une nouvelle méthode qui utilise une réaction de photolyse pour mieux atténuer l'IES. Nous proposons également une optimisation du receveur utilisé dans les systèmes MIMO en choisissant judicieusement les paramètres utilisés dans sa conception pour réduire l'influence de l'atténuation de trajet sur la qualité du système. La deuxième partie propose un nouveau système de nano-communication filaire basé sur des polymères auto-assemblés qui construisent un nanofil électriquement conducteur pour connecter les nanodispositifs les uns aux autres. L'utilisation d'électrons comme supports d'informations augmente considérablement le débit réalisable et réduit le délai. Nous étudions le processus dynamique d'auto-assemblage du nanofil et nous proposons un receveur bio-inspiré qui détecte les électrons envoyés et les convertit en une lumière bleue. La troisième partie applique le système de nano-communication filaire proposé pour concevoir une architecture d'un nanoréseau ad hoc filaire (Wired Ad hoc NanoNETworks) WANNET avec une couche physique, une couche de contrôle d'accès moyen (Medium Access Control) MAC et une couche d'application. Nous calculons également le débit maximum et nous évaluons les performances du système