Propagation analysis in molecular communication systems

Molecular communication (MC) is an innovative method for connecting nano-scale devices to exchange information. The incredibly reduced size of bio-nanomachines enhances their bio-compatibility, enabling a non-invasive intrabody communication and proposing MC as the best candidate for the interaction between nanonetworks and living organisms. The principles behind the idea entirely differ from the usual telecommunication paradigms: messages are carried by patterns of molecules using diffusive mechanisms rather than electrons or electromagnetic waves. However, the transmission range of molecular signals can be strongly limited by the losses and the low propagation speed of diffusion. In this thesis we investigate quantitatively the MC and provide three different strategies to improve the communication efficiency. Specifically, we propose a Quorum Sensing-based method for communication between nanodevices distributed over a multi-hop structure, the introduction of an assisted propagation by an external energy source, or alternatively the shaping of the diffusive characteristics of the medium to favour the communication along a diffusive cable. Finally, we compare the performances of the techniques, by investigating which of the three may provide the best results, in terms of required energy and nanomachine number.

La comunicazione molecolare (MC) è un metodo innovativo per connettere dispositivi di scala nanometrica e realizzare uno scambio di informazione. La dimensione incredibilmente ridotta delle bio-nanomacchine aumenta la loro biocompatibilità, permettendo una comunicazione non invasiva all'interno del corpo e candidando la MC al primo posto per l'interazione fra le nanoreti e gli organismi viventi. I principi alla base differiscono completamente dai consueti paradigmi delle telecomunicazioni: i messaggi vengono trasportati da gruppi di molecole attraverso meccanismi diffusivi piuttosto che da elettroni o onde elettromagnetiche. Purtroppo, il range di trasmissione dei segnali molecolari può essere fortemente limitato dalle perdite e dalla ridotta velocità di propagazione della diffusione. In questa tesi viene analizzata quantitativamente la MC e sono proposte tre differenti strategie per migliorare l’efficienza della comunicazione. Specificatamente, si presentano un metodo basato sul Quorum Sensing delle comunità batteriche per la comunicazione fra nanodispositivi in una struttura multi-hop, l'introduzione di una propagazione assistita fornita da una sor- gente esterna di energia, e in alternativa la modifica delle caratteristiche diffusive del mezzo per favorire la comunicazione lungo un cavo diffusivo. Vengono poi confrontate le prestazioni delle tecniche proposte, analizzando quale delle tre può fornire i risultati migliori, in termini di energia richiesta e numero di nanodispostivi.