Advances in biological science and nanotechnology make it possible to manufacture biological materials, such as small-scale functional devices, which are capable of interacting with biological molecules and cells.
In existing literature, the biological devices had been studied, such as purified protein molecules, genetically engineered cells, artificial protocells, and bio-silicon hybrid devices.
Since the bio-nanomachines have their own characteristics, such as its small size, bio compatibility, and high energy efficiency.
The bio-nanomachines can cooperate with existing biological systems for biomedical engineering, environmental control, Information and Communication Technology (ICT) and military applications.
Among the possible solutions of communication between engineered bio-nanomachines, which were suggested in existing literature, the molecular communication paradigm is expected to be most promising solution.
The molecular communication was inspired from the natural cell communication in biology, where information molecules are synthesized, released and received through biochemical process.
Molecular communication has been considered as one of the most promising technologies for nanonetworks, which is used for interaction among the nano-devices.
In this thesis, we considered the diffusion-based molecular communication system.
The nano-devices which are most important components of nanonetworks, has limited properties, such as size, computational capabilities or power capacities.
Although it is difficult to implement a synchronous system in nano-devices processing simple tasks, only synchronous systems were assumed for easy analysis in all the existing literature.
Thus, in this thesis, we proposed the frame of asynchronous diffusion based molecular communication system with the timing modulation.
Also, we proposed the asynchronous symbol detection algorithm using the variance of the arrival time of a large number of information molecules arriving at the receiver.
The performance of proposed symbol detection algorithm was analyzed in terms of error probability, and it is shown that there is good agreement between analysis and simulation results.
On the other hand, the propagation time of information molecules in the diffusion-based molecular communication is extremely long compared with that of conventional electro-magnetic wave communication.
The inter-symbol interference (ISI) problem is not avoidable in diffusion based molecular communication.
Thus, it is necessary to address the ISI problem to achieve the high data transmission rate.
Here, we proposed a new concept of diffusion based molecular communication system with biocatalysts, i.e., enzymes and enzyme inhibitors.
In the existing literature, the enzymes were used to reduce the ISI by decomposing the information molecules.
Here, we adopt the enzyme inhibitor to near the receiver, and then the information molecule in near the receiver may not be decomposed.
As a result, the arrival probability of information molecules at the receiver was increased and the error probability of proposed system was better than that of the system that uses the enzymes and that of the system that does not use enzymes.
In addition, we proposed a diffusion-based molecular communication system with the sequential catalytic process.
The information molecules are changed into various forms, because of the various types of enzymes present in the medium.
The receiver detects the various types of information molecules, thus, the arrival probability of information molecules can be enhanced within the symbol time.
Also, since the information molecules are completely decomposed after a certain time, ISI might be reduced.
Moreover, we derived the probability that the information molecules arrive at the receiver and SIR performance in the proposed system.
Finally, we confirmed how the arrival probability and SIR performance affect to the error probability, and prove the outstanding performances of the proposed system, using a simple detection algorithm.
최근 생물학과 나노기술의 발전으로 인하여, 생물학적 분자와 세포 단위의 상호작용을 할 수 있는 나노 크기의 제한된 기능을 수행하는 장치를 제작할 수 있다.
이에 상응하여, 나노단위의 장치간 상호작용을 의미하는 나노네트워크에 대한 연구가 급부상하고있다.
나노네트워크는 헬스케어 모니터링이나 인체내 통신, 약물 전달 시스템 등 생물학적 시스템에 적용할 수 있는 새로운 통신의 패러다임으로써 주목을 받고있다.
나노네트워크는 주로 생물학적 시스템을 주요 적용 시스템으로 고려하고 있기 때문에, 기존의 전자기파를 이용한 통신 시스템을 사용하기에는 부적절한 점이 많다.
그에 반하여, 분자 통신 시스템은 나노네트워크를 구축할 수 있는 유망한 방안이다.
또한 분자를 이용하여 정보를 주고받는 방식은 자연에서 발견되는 많은 시스템에서 채택하고 있는 방법이다.
다양한 분자통신 중에서, 확산에 의하여 분자가 전달되는 방식을 확산 기반 분자통신이라고 한다.
확산 기반 분자통신 시스템에서, 정보분자는 예측할 수 없는 흐름이나 난류를 겪으며, 유체 매질 사이를 자유롭게 확산한다.
확산 기반 분자통신은 분자 전달 방식 중 가장 자연스럽게 발생하는 방식이며, 높은 생체 적응성, 낮은 전력소모 등의 특징이 있다.
또한 확산 기반의 방식은 자연에서 발견되는 많은 시스템에서 채택하고 있는 방법이다.
분자통신은 칼슘 이온을 이용하여 세포내 및 세포간 신호를 주고 받는 시스템, 혈관 내에서 호르몬 전달 시스템, 페로몬을 이용한 동식물간 신호전달 시스템에서도 발견된다.
이와 같은 기본적인 특성을 바탕으로 본격적인 연구를 시작하기에 앞서, 확산 기반 분자통신 시스템과 관련된 최신 선행 연구를 먼저 조사하고 문제점을 파악하였다.
이를 바탕으로 본 박사 학위 논문에서, 확산 채널의 특성을 고려하여 다양한 확산 기반 분자통신 시스템을 세가지 측면에서 연구를 수행하였다.
첫 번째, 확산 채널의 특성을 분석하여, 정보분자의 전파 시간 분포를 모델링하고 다수 정보분자의 분산을 이용하여 확산 기반 분자통신 시스템에서 사용할 수 있는 비동기식 심볼 검출 알고리즘을 제안하였고, 제안 알고리즘을 접목한 시스템의 성능 분석을 수행하였다.
기존 분자통신에 관한 연구에서는 대부분 송수신단 사이의 동기성을 가정하고 있다.
하지만 나노크기의 송수신 장치는 분자 검출 하는 정도의 간단한 동작만을 수행하며, 정보분자의 전파속도가 매우 느리기 때문에 채널 추정을 위하여 채널정보에 대한 피드백 정보를 주고받기에는 다소 무리가 있다.
본 연구에서는 수신단에 도착한 다수의 정보분자의 도달시간 분포를 이용하여, 송신단이 정보를 내보낸 시간을 추정하고, 송신단이 보낸 비트열을 추정한다.
제안한 심볼 검출 알고리즘을 사용하는 확산 기반 분자통신 시스템의 심볼 에러 확률을 수학적으로 도출하였으며, 심볼 에러확률에 대하여 분석한 수식 결과와 모의 실험 결과가 일치함을 확인하였다.
두 번째, 효소와 효소 저해제를 접목한 확산 기반 분자통신 시스템을 제안하였다.
확산 기반 분자통신은 확산이라는 방법의 특징으로 인하여, 정보분자가 송신단에서 수신단까지 전파되는 시간이 굉장히 길다.
따라서 확산 기반 분자통신 시스템에서 심볼간 간섭이 시스템 성능에 영향을 주게 된다.
본 연구에서는 정보분자를 분해할 수 있는 효소가 고르게 분포되어 있는 유체 매질을 고려하였다.
또한 수신단 주변에 효소 저해제를 내보내는 환경을 고려하여, 확산 기반 분자통신 시스템을 모델링 하고 성능을 분석하였다.
수신단에 도달할 가능성이 낮은 정보분자는 분해 확률을 높이고, 수신단에 도달할 가능성이 높은 정보분자는 분해확률을 낮출 수 있었다.
제안한 시스템에서, 정보분자가 수신단에 도달할 확률, 신호간섭대비 및 오류율을 수학적으로 도출하였고, 모의 실험 결과와 일치함을 확인하였다.
세 번째, 연속적으로 반응하는 다양한 종류의 효소를 접목한 확산 기반 분자통신 시스템을 제안하였다.
본 연구에서는 정보분자를 순차적으로 분해 할 수 있는 다양한 종류의 효소를 고려한다.
또한 다양한 종류의 정보분자를 검출할 수 있는 수신단을 고려하여, 확산 기반 분자통신 시스템을 모델링 하고 성능을 분석하였다.
정보분자가 최종 분해과정에 돌입하지 않는다면 수신단은 정보분자를 온전히 검출 할 수 있기 때문에, 정보분자가 수신단에 도달할 확률을 높일 수 있다.
또한 정보분자는 최종 분해까지 소요되는 시간 이후에 분해되어 사라지기 때문에, 신호간섭대비 성능을 높일 수 있다.
제안한 시스템에서, 정보분자가 수신단에 도달할 확률, 신호간섭대비 및 오류율을 수학적으로 도출하였고, 모의 실험 결과와 일치함을 확인하였다.