Channel Coding in Molecular Communication

This dissertation establishes and analyzes a complete molecular transmission system from a communication engineering perspective. Its focus is on diffusion-based molecular communication in an unbounded three-dimensional fluid medium. As a basis for the investigation of transmission algorithms, an equivalent discrete-time channel model (EDTCM) is developed and the characterization of the channel is described by an analytical derivation, a random walk based simulation, a trained artificial neural network (ANN), and a proof of concept testbed setup. The investigated transmission algorithms cover modulation schemes at the transmitter side, as well as channel equalizers and detectors at the receiver side. In addition to the evaluation of state-of-the-art techniques and the introduction of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), the novel variable concentration shift keying (VCSK) modulation adapted to the diffusion-based transmission channel, the lowcomplex adaptive threshold detector (ATD) working without explicit channel knowledge, the low-complex soft-output piecewise linear detector (PLD), and the optimal a posteriori probability (APP) detector are of particular importance and treated. To improve the error-prone information transmission, block codes, convolutional codes, line codes, spreading codes and spatial codes are investigated. The analysis is carried out under various approaches of normalization and gains or losses compared to the uncoded transmission are highlighted. In addition to state-of-the-art forward error correction (FEC) codes, novel line codes adapted to the error statistics of the diffusion-based channel are proposed. Moreover, the turbo principle is introduced into the field of molecular communication, where extrinsic information is exchanged iteratively between detector and decoder. By means of an extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis, the potential of the iterative processing is shown and the communication channel capacity is computed, which represents the theoretical performance limit for the system under investigation. In addition, the construction of an irregular convolutional code (IRCC) using the EXIT chart is presented and its performance capability is demonstrated. For the evaluation of all considered transmission algorithms the bit error rate (BER) performance is chosen. The BER is determined by means of Monte Carlo simulations and for some algorithms by theoretical derivation

Transmitter and Receiver Architectures for Molecular Communications: A Survey on Physical Design with Modulation, Coding, and Detection Techniques

Inspired by nature, molecular communications (MC), i.e., the use of molecules to encode, transmit, and receive information, stands as the most promising communication paradigm to realize the nanonetworks. Even though there has been extensive theoretical research toward nanoscale MC, there are no examples of implemented nanoscale MC networks. The main reason for this lies in the peculiarities of nanoscale physics, challenges in nanoscale fabrication, and highly stochastic nature of the biochemical domain of envisioned nanonetwork applications. This mandates developing novel device architectures and communication methods compatible with MC constraints. To that end, various transmitter and receiver designs for MC have been proposed in the literature together with numerable modulation, coding, and detection techniques. However, these works fall into domains of a very wide spectrum of disciplines, including, but not limited to, information and communication theory, quantum physics, materials science, nanofabrication, physiology, and synthetic biology. Therefore, we believe it is imperative for the progress of the field that an organized exposition of cumulative knowledge on the subject matter can be compiled. Thus, to fill this gap, in this comprehensive survey, we review the existing literature on transmitter and receiver architectures toward realizing MC among nanomaterial-based nanomachines and/or biological entities and provide a complete overview of modulation, coding, and detection techniques employed for MC. Moreover, we identify the most significant shortcomings and challenges in all these research areas and propose potential solutions to overcome some of them.This work was supported in part by the European Research Council (ERC) Projects MINERVA under Grant ERC-2013-CoG #616922 and MINERGRACE under Grant ERC-2017-PoC #780645

Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for high-speed communication systems

Der Austausch von Informationen über globale Kommunikationsnetze ist für viele alltägliche Lebensbereiche selbstverständlich geworden. Die Informationen werden dabei mit immer weiter wachsender Geschwindigkeit und in zunehmendem Umfang geteilt. Durch den enormen Anstieg des Datenverkehrs kommt verstärkt optische Nachrichtentechnik zum Einsatz. Sie bietet gegenüber elektronischen Übertragungsverfahren entscheidende Vorteile bezüglich der Übertragungsdistanz und -kapazität.Wurde optische Übertragung zunächst nur für die Kommunikation über weite Strecken eingesetzt, machen sich die Nachteile elektronischer Verfahren mit dem stark anwachsenden Datenverkehr auch zunehmend über kürzere Strecken bemerkbar, sodass auch dort vermehrt optische Kommunikationssysteme zum Einsatz kommen. Insgesamt nimmt die Anzahl der photonischen Komponenten, die in Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden, dadurch rapide zu. Dies führt dazu, dass die einzelnen Bauteile kostengünstiger, energieeffizienter sowie kompakter werden müssen. Ähnlich zur Entwicklung in der Mikroelektronik, wo immer stärkere Miniaturisierung zu einer dramatischen Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten, Platzbedarf und Energieverbrauch geführt hat, soll dies in der Photonik durch die Anwendung von integrierten photonischen Schaltkreisen erreicht werden. Integrierte photonische Schaltkreise zeichnen sich durch hohe Funktionalität bei geringem Platzbedarf aus und ermöglichen eine kostengünstige Massenfertigung. Sie sind daher von erheblichem wissenschaftlichen, technischen und kommerziellen Interesse. Insbesondere die Integration auf Siliziumsubstraten verspricht dabei hohe Integrationsdichten, kombiniert mit der Möglichkeit zur Ko-Integration photonischer und elektronischer Schaltkreise. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass Silizium seit Jahrzehnten das dominierende Material in der Halbleiterindustrie und eines der häufigsten Elemente der Erdkruste ist. Vorteilhaft ist also neben der guten Verfügbarkeit des Materials, insbesondere die Existenz von etablierten und zuverlässigen Prozessen aus der Mikroelektronik, speziell der CMOS-Fertigung, zur lithographischen Strukturierung. Zudem bietet Silizium viele für die integrierte Photonik günstige physikalische Eigenschaften. Beispielsweise die Transparenz im für die Datenübertragung technisch relevanten Spektralbereiche im Nahinfraroten zwischen 1260 nm und 1625 nm und einen hohen Brechungsindexkontrast zu Siliziumdioxid. Die unter dem Begriff Siliziumphotonik zusammengefasste Technologie ist daher eine vielversprechende Plattform für integrierte photonische Schaltkreise. Eines der wichtigsten Bauteile in der optischen Nachrichtentechnik ist der elektro-optische (EO) Modulator. An der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik ist er das zentrale Element in optischen Sendern. Neben geringen Herstellungskosten, geringem Platzbedarf und guter Energieeffizienz ist eine hohe Modulationsgeschwindigkeit eine essentielle Fähigkeit des Modulators, da diese hohe Bandbreiten in der Datenübertragung ermöglicht. Da Silizium aufgrund der punktsymmetrischen Kristallstruktur keine optische Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweist, ist in reinem Silizium kein linearer EO Effekt (Pockels-Effekt) verfügbar. Elektro-optische Modulatoren aus Silizium basieren daher darauf, dass die Konzentration freier Ladungsträger in einem Siliziumwellenleiter moduliert wird, was beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen pn-Übergang realisiert werden kann. Die Änderung der Konzentration freier Ladungsträger führt dabei zu einer Variation des optischen Brechungsindex (Plasmadispersions-Effekt). Dieser Effekt ist jedoch nicht effizient,wodurch die Energieeffizienz reiner Siliziummodulatoren insgesamt limitiert ist. Durch die heterogene Integration von Silizium mit weiteren Materialien lässt sich die Siliziumphotonik-Plattform erweitern. Organische EO Materialien lassen sich durch molekulares Design gezielt auf einen starken linearen EO Effekt hin optimieren. Durch die Kombination von Silizium-Nanowellenleitern und organischen EO Materialien lassen sich Hybridbauteile realisieren, welche wesentlich energieeffizienter als reine Siliziummodulatoren sind. In der englischsprachigen Fachliteratur werden diese Bauteile auch als silicon-organic hybrid (SOH) bezeichnet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit SOH-Modulatoren und deren praktischer Anwendung in der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation. In vorausgehenden Arbeiten wurden die fundamentalen Prinzipien von SOHModulatoren untersucht und deren grundlegende Einsetzbarkeit für die optische Datenübertragung gezeigt. Die vorliegende Arbeit baut darauf auf und adressiert gezielt Aspekte, die für einen praktischen Einsatz von SOH Bauteilen in optischen Kommunikationssystemen von großer Bedeutung sind: Um ein zielgerichtetes Design der Bauteile zu ermöglichen und grundlegende Zielkonflikte im Design zu erkennen, wird ein Modell für das dynamische EO Verhalten der Modulatoren entwickelt und experimentell verifiziert. Für die breitbandige Aufbau- und Verbindungstechnik werden Konzepte zur elektrischen Anbindung schneller SOH-Modulatoren entwickelt und demonstriert. Verschiedene Modulationsformate werden bei Bruttodatenraten von bis zu 160 Gbit/s erfolgreich getestet und demonstrieren die Eignung von SOHModulatoren für praktische Anwendungsszenarien. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in das Gebiet der Siliziumphotonik und deren Bedeutung für die optische Datenübertragung. Kapitel 2 beschreibt die theoretischen und technologischen Grundlagen elektrooptischer Bauteile auf Basis der Siliziumphotonik. Dies umfasst einen Überblick über den zugehörigen Stand der Wissenschaft und Technik sowie die für die nachfolgenden Kapitel relevanten Konzepte aus der Hochfrequenz- und der Nachrichtentechnik. Kapitel 3 führt ein quantitatives Modell zur Beschreibung der dynamischen elektrischen und EO Eigenschaften von SOH-Modulatoren ein. Das Modell wird experimentell verifiziert und dient als Grundlage für verbesserte Bauteildesigns zukünftiger SOH-Modulatoren, mit denen sich Bandbreiten von mehr als 100 GHz und $\pi$-Spannungen von unter 1 V erreichen lassen. Kapitel 4 demonstriert die Eignung von SOH-Modulatoren für technisch relevante Intensitätsmodulation/Direktempfang-Verfahren (engl. intensity modulation/direct detection, IM/DD), die insbesondere für hochgradig skalierbare Übertragungssysteme mit kleinen und mittleren Reichweiten (board-to-board, rack-to-rack) interessant sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene IM/DD-Modulationsformate experimentell getestet und dabei Bruttodatenraten von bis zu 120 Gbit/s demonstriert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Aufbau- und Verbindungstechnik für SOH-Modulatoren. Dies erfordert Platinen mit guten Hochfrequenzeigenschaften und kleinen Strukturgrößen, um eine hohe Integrationsdichte zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von hochfrequenztechnisch breitbandigen Keramikplatinen mit hoher räumlicher Auflösung wird vorgestellt. Mit Hilfe dieser Keramikplatinen wird ein mit Bonddrähten elektrisch angebundener SOH-Modulator vorgestellt und damit eine Bruttodatenrate von 160 Gbit/s demonstriert. Kapitel 6 fasst die vorliegende Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftig notwendige Schritte, um die Anwendungsreife von SOH-Modulatoren zu erreichen. Zudem werden potentielle weitere Anwendungsfelder für SOH-Modulatoren diskutiert

Experimental Characterisation and Modelling of Atmospheric Fog and Turbulence in FSO

Free space optical (FSO) communication uses visible or infrared (IR) wavelengths to broadcast high-speed data wirelessly through the atmospheric channel. The performance of FSO communications is mainly dependent on the unpredictable atmospheric channel such as fog, smoke and temperature dependent turbulence. However, as the real outdoor atmosphere (ROA) is time varying and heterogeneous in nature as well as depending on the magnitude and intensity of different weather conditions, carrying out a proper link assessment under specific weather conditions becomes a challenging task. Investigation and modelling the ROA under diverse atmospheric conditions is still a great challenge in FSO communications. Hence a dedicated indoor atmospheric chamber is designed and built to produce controlled atmosphere as necessary to mimic the ROA as closely as possible. The experimental results indicate that the fog attenuation is wavelength dependent for all visibility V ranges, which contradicts the Kim model for V < 0.5 km. The obtained result validates that Kim model needs to be revised for V < 0.5 km in order to correctly predict the wavelength dependent fog attenuation. Also, there are no experimental data and empirical model available for FSO links in diverse smoke conditions, which are common in urban areas. Therefore, a new empirical model is proposed to evaluate the wavelength dependent fog and smoke attenuation by reconsidering the q value as a function of wavelength rather than visibility. The BER performance of an FSO system is theoretically and experimentally evaluated for OOK- NRZ, OOK-RZ and 4-PPM formats for Ethernet line data-rates from light to dense fog conditions. A BER of 10-6 (Q-factor ≈ 4.7) is achieved at dense fog (transmittance, T = 0.33) condition using 4-PPM than OOK-NRZ and OOK-RZ modulation schemes due to its high peak-to-average power ratio albeit at the expense of doubling the bandwidth. The effects of fog on OOK-NRZ, 4-PAM and BPSK are also experimentally investigated. In comparison to 4-PAM and OOK-NRZ signals, the BPSK modulation signalling format is more robust against the effects of fog. Moreover, the effects of using different average transmitted optical communication powers Popton the T and the received Q-factor using the OOK-NRZ modulation scheme are also investigated for light and dense fog conditions. The results show that for an FSO system operating at a Q-factor of 4.7 (for BER = 10-6), the required Q-factor is achieved at T of 48% under the thick fog condition by increasing Popt to 1.07 dBm, whereas the values of T are 55% and ~70% for the transmit power of 0.56 dBm and -0.7 dBm, respectively. The experimental characterisation and investigation of the atmospheric turbulence effect on the Ethernet and Fast-Ethernet FSO link is reported using different modulation schemes. The experiment is carried out in a controlled laboratory environment where turbulence is generated in a dedicated indoor atmospheric chamber. The atmospheric chamber is calibrated to mimic an outdoor turbulence conditions and the measured data are verified against the theoretical predictions. The experiment also demonstrates methods to control the turbulence levels and determine the equivalence between the indoor and outdoor FSO links. The results show that the connectivity of Ethernet and Fast-Ethernet links are highly sensitive to atmospheric turbulence. The results also show that the BPSK and OOK-NRZ modulation signalling formats are more robust against the weak atmospheric turbulence conditions than PAM signal

A comprehensive survey of recent advancements in molecular communication

With much advancement in the field of nanotechnology, bioengineering and synthetic biology over the past decade, microscales and nanoscales devices are becoming a reality. Yet the problem of engineering a reliable communication system between tiny devices is still an open problem. At the same time, despite the prevalence of radio communication, there are still areas where traditional electromagnetic waves find it difficult or expensive to reach. Points of interest in industry, cities, and medical applications often lie in embedded and entrenched areas, accessible only by ventricles at scales too small for conventional radio waves and microwaves, or they are located in such a way that directional high frequency systems are ineffective. Inspired by nature, one solution to these problems is molecular communication (MC), where chemical signals are used to transfer information. Although biologists have studied MC for decades, it has only been researched for roughly 10 year from a communication engineering lens. Significant number of papers have been published to date, but owing to the need for interdisciplinary work, much of the results are preliminary. In this paper, the recent advancements in the field of MC engineering are highlighted. First, the biological, chemical, and physical processes used by an MC system are discussed. This includes different components of the MC transmitter and receiver, as well as the propagation and transport mechanisms. Then, a comprehensive survey of some of the recent works on MC through a communication engineering lens is provided. The paper ends with a technology readiness analysis of MC and future research directions

Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links

[ES] Las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) constituyen una tecnología muy prometedora para el desarrollo de futuras comunicaciones inalámbricas. De hecho, ha despertado un interés creciente entre los investigadores y varias empresas de todo el mundo trabajan actualmente en el desarrollo de redes inalámbricas de muy alta velocidad. Las comunidades científica e industrial consideran la OWC como una tecnología complementaria en sus diversas formas: comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), comunicaciones de luz visible (VLC) o fidelidad de la luz (Li-Fi). El espectro óptico ha sido considerado durante muchos años como una gran oportunidad para las comunicaciones inalámbricas, especialmente debido a la saturación del espectro de radiofrecuencia (RF). Esta disertación trata del uso de fuentes de banda ancha en sistemas de transmisión de luz visible (VLC), así como en sistemas de transmisión en el espectro infrarrojo por fibra óptica. En el trabajo de investigación realizado se pueden distinguir tres partes: En la primera parte, se considera el estudio y la simulación de componentes de Diodos Emisores de Luz (LED) con el software WIEN2k centrándose en las propiedades ópticas y eléctricas de los elementos II-VI. La segunda parte trata del diseño, la implementación y las pruebas de diferentes prototipos de comunicación VLC para la transmisión analógica y digital en modo simplex y semidúplex. Hemos demostrado un sistema OWC empleando una fuente de banda ancha (LED) para la transmisión no sólo de datos, sino también para la transmisión inalámbrica de energía. Además, se aborda el problema de la sincronización y la detección del nivel "1" o "0" de un bit en los sistemas de comunicación inalámbrica óptica implementados que surge como consecuencia de la atenuación de la luz a lo largo de la distancia y al problema de la pérdida de línea de visión (NLOS) entre el emisor y el receptor. Para hacer frente a este problema, se ha proporcionado un protocolo de comunicación que garantiza la transmisión fiable de datos digitales con un algoritmo de detección de nivel de bits adaptativo y se ha demostrado su eficacia mediante la transmisión de textos e imágenes. Además, esta tesis aporta una solución para la implementación de transmisores multiplexados en redes con división de longitud de onda (WDM) para formatos de modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) basados en el uso de fuentes de banda ancha en el espectro infrarrojo para redes de fibra bidireccionales centralizadas. A pesar de las limitaciones impuestas por la dispersión cromática en el uso de este tipo de fuentes ópticas, la inclusión de ciertas estructuras antes de la detección permite la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. En este trabajo se ha demostrado experimentalmente la reutilización de portadoras, la asignación dinámica de ancho de banda y la transmisión de señales OFDM multibanda mediante el uso de fuentes ópticas de banda ancha en redes WDM. Los principales resultados obtenidos en cada parte de esta tesis doctoral muestran los procedimientos de estudio, la eficacia de las soluciones propuestas y las limitaciones encontradas.[CA] Les comunicacions òptiques sense fils (OWC) constitueixen una tecnologia molt prometedora per al desenvolupament de futures comunicacions sense fils. De fet, ha despertat un interés creixent entre els investigadors i diverses empreses de tot el món treballen actualment en el desenvolupament de xarxes sense fils de molt alta velocitat. Les comunitats científica i industrial consideren la OWC com una tecnologia complementària en les seues diverses formes: comunicacions òptiques en l'espai lliure (FSO), comunicacions de llum visible (VLC) o fidelitat de la llum (Li-Fi). L'espectre òptic ha sigut considerat durant molts anys com una gran oportunitat per a les comunicacions sense fils, especialment a causa de la saturació de l'espectre de radiofreqüència (RF). Aquesta dissertació tracta de l'ús de fonts de banda ampla en sistemes de transmissió de llum visible (VLC), així com en sistemes de transmissió en l'espectre infraroig per fibra òptica. En el treball de recerca realitzat es poden distingir tres parts: ¿ En la primera part, es considera l'estudi i la simulació de components de Díodes Emissors de Llum (LED) amb el software WIEN2k centrant-se en les propietats òptiques i elèctriques dels elements II-VI. ¿ La segona part tracta del disseny, la implementació i les proves de diferents prototips de comunicació VLC per a la transmissió analògica i digital de manera simplex i semidúplex. Hem demostrat un sistema OWC emprant una font de banda ampla (LED) per a la transmissió no sols de dades, sinó també per a la transmissió sense fil d'energia. A més, s'aborda el problema de la sincronització i la detecció del nivell "1" o "0" d'un bit en els sistemes de comunicació sense fil òptica implementats, que sorgeix a conseqüència de l'atenuació de la llum al llarg de la distància i al problema de la pèrdua de línia de visió (NLOS) entre l'emissor i el receptor. Per a fer front a aquest problema, s'ha proporcionat un protocol de comunicació que garanteix la transmissió fiable de dades digitals amb un algorisme de detecció de nivell de bits adaptatiu i s'ha demostrat la seua eficàcia mitjançant la transmissió de textos i imatges. ¿ A més, aquesta tesi aporta una solució per a la implementació de transmissors multiplexats en xarxes amb divisió de longitud d'ona (WDM) per a formats de modulació amb multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) basats en l'ús de fonts de banda ampla en l'espectre infraroig per a xarxes de fibra bidireccionals centralitzades. Malgrat les limitacions imposades per la dispersió cromàtica en l'ús d'aquest tipus de fonts òptiques, la inclusió d'unes certes estructures abans de la detecció permet la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. En aquest treball s'ha demostrat experimentalment la reutilització de portadores, l'assignació dinàmica d'amplada de banda i la transmissió de senyals OFDM multibanda mitjançant l'ús de fonts òptiques de banda ampla en xarxes WDM. Els principals resultats obtinguts en cada part d'aquesta tesi doctoral mostren els procediments d'estudi, l'eficàcia de les solucions proposades i les limitacions trobades.[EN] Optical wireless communication (OWC) is a very promising technology for future wireless communications developments. It has attracted increasing interest from researchers and several companies around the world are currently working on the development of very high-speed wireless networks. The scientific and industrial communities believe that OWC will be a complementary technology in its various forms: Free Space Optical communications (FSO), Visible Light Communications (VLC), Light Fidelity (Li-Fi). In fact, the optical spectrum has been considered for many years as a great opportunity for wireless communications especially due to the saturation of the radio frequency (RF) spectrum. This dissertation deals with the use of broadband sources in visible light transmission systems (VLC) as well as fiber optic systems. To carry out the research, three parts can be distinguished: In the first part, we consider the study and simulation of Light Emitting Diode (LED) components with the WIEN2k software by focusing on the optical and electrical properties of elements II-VI. The second part deals with the design, implementation and testing of different VLC communication prototypes for analog and digital transmission in simplex and half-duplex mode. We have demonstrated that an OWC system using a broadband source (i.e. an LED) can be used not only for data transmission, but also for wireless power transmission. Moreover, the synchronization problem and the detection of level "1" or "0" of a bit often arise in the optical wireless communication systems. This is a result of the attenuation nature of the light over the distance and the problem of Non Line-Of-Sight (NLOS) between the emitter and the receiver. To deal with this problem, a communication protocol ensuring reliable digital data transmission with an adaptive bit level detection algorithm has been provided and its effectiveness has been demonstrated by the transmission of texts and images. In addition, this thesis provides a solution for the implementation of wavelength division multiplexed - orthogonal frequency division multiplexed (WDM-OFDM) transmitters based on the use of broadband sources in the infrared spectrum for centralized bidirectional fiber networks. Despite the chromatic dispersion that avoids the use of this type of optical sources, the inclusion of certain structures before detection allows the transmission of OFDM signals in optical links. Carrier reuse, dynamic bandwidth allocation and multiband OFDM signals transmission will be experimentally demonstrated by using optical broadband sources in WDM networks. The main results obtained during this thesis work demonstrate the study procedures, for each part, the effectiveness of the proposed solutions as well as the constraints encountered.Sekkiou, I. (2021). Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172542TESI

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

A review of gallium nitride LEDs for multi-gigabit-per-second visible light data communications

The field of visible light communications (VLC) has gained significant interest over the last decade, in both fibre and free-space embodiments. In fibre systems, the availability of low cost plastic optical fibre (POF) that is compatible with visible data communications has been a key enabler. In free-space applications, the availability of hundreds of THz of the unregulated spectrum makes VLC attractive for wireless communications. This paper provides an overview of the recent developments in VLC systems based on gallium nitride (GaN) light-emitting diodes (LEDs), covering aspects from sources to systems. The state-of-the-art technology enabling bandwidth of GaN LEDs in the range of >400 MHz is explored. Furthermore, advances in key technologies, including advanced modulation, equalisation, and multiplexing that have enabled free-space VLC data rates beyond 10 Gb/s are also outlined