Performance of diffusive molecular communication systems in presence of an unintended receiver

Molecular Communication (MC) is a bio-inspired communication paradigm where chemical signals as molecules are used as information carriers rather than electrons or electromagnetic waves. MC are particularly advantageous inside network formed by nano-devices, tiny devices in order of nm, where the limitations on the antenna’s dimension and the computational requirements make difficult the use of the traditional RF-based communication systems. Moreover, its bio-compatible nature makes molecular communication very effective for the exchange of information in biological environments. In this work of thesis, we want to analyze a theme that is gaining always more attention, i.e., the analysis of the presence of an malicious receiver inside the diffusive MC. In fact, despite the fundamentals of MC have been largely examined in the last decade, the number of studies which concern about the analysis of secure communication in presence of unintended receiver is still very limited. This research, instead, turns out to be crucial in order to develop areas like security and privacy, which today have not been treated in molecular communication other than in a merely theoretical context. Our study initially concentrates on the characterization of the main communication features of MC systems. Then, used simulator is analyzed, presenting the changes made according to our necessities and obtaining a two-receivers system communication. Thanks to the simulator, the results of analytical expression have been compared with the simulative ones, demonstrating the validity of conducted studies. After a brief overview on the importance of simulation time step used inside the simulator, a new element that completes the description of the estimate of the distance from a transmitter to a receiver has been introduced,adding the contribution of the confidence interval for binomial proportion computed through the method of Clopper-Pearson. Finally, we deal with the theme of the secrecy capacity, i.e., how much secure information can be exchanged between two entities in presence of a third one. The final goal of the manuscript is the understanding of how and if the presence of certain type of receivers modifies the secrecy capacity.

Le comunicazioni molecolari (MC) sono un paradigma per la connessione di dispositivi basato sullo scambio di molecole. Esse sono particolarmente vantaggiose all’interno di network formati da nanomachines, piccoli dispositivi con almeno una dimensione nell’ordine dei nm, dove le limitazioni sulla dimensione dell’antenna e i requisiti computazionali rendono arduo l’uso della più classica comunicazione a radio frequenza. Inoltre, la sua natura biocompatibile rende le comunicazioni molecolari particolarmente efficace per lo scambio di informazioni in ambienti biologici. In questo lavoro di tesi si vuole approfondire un tema che sta guadagnando solo ultimamente la dovuta attenzione, quello della presenza di un ricevitore indesiderato all’interno del sistema di comunicazione molecolare diffusivo. Infatti, nonostante i fondamenti delle comunicazioni molecolari siano stati ampiamente esaminati nell’ultimo decennio, sono ancora pochi gli studi svolti per cercare di avere una comunicazione sicura in presenza di entità indesiderate. Questa ricerca risulta fondamentale per risolvere questioni come sicurezza e privacy, argomenti che, de facto, non sono ancora trattati nelle comunicazioni molecolari se non in un contesto puramente teorico. Lo studio si è concentrato inizialmente nell’analisi delle principali caratteristiche del sistema MC e nell’utilizzo di un simulatore già presente in ambito accademico, modificandolo secondo le nostre esigenze e ottenendo un sistema di comunicazione a due ricevitori. Con esso, i risultati delle espressioni analitiche sono comparabili con quelli delle simulazioni, dimostrando la validità degli studi condotti. Dopo una breve trattazione sull’importanza del passo di simulazione utilizzato all’interno del simulatore, si è introdotto un nuovo elemento che completa la descrizione della stima della distanza tra un trasmettitore e un ricevitore, aggiungendo ad essa l’intervallo di confidenza in caso di distribuzioni binomiali calcolato mediante il metodo di Clopper-Pearson. Per ultimo, si è trattato il tema della secrecy capacity, ovvero quanta informazione sicura può essere scambiata tra due entità in presenza di una terza. Scopo finale della trattazione è quello di capire se e come la secrecy capacity viene modificata in caso di ricevitori indesiderati che perturbano il sistema sottraendo da esso molecole, e di ricevitori che invece si comportano in modo passivo.