Sistema de comunicação molecular multiportadora para nanorredes multiusuário

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Borges, Ligia Francielle
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/76912
Resumo: Orientador: Profa. Dra. Michele Nogueira Lima
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spelling Barros, Michael TaynnanUniversidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em InformáticaLima, Michele NogueiraBorges, Ligia Francielle2022-11-03T15:17:11Z2022-11-03T15:17:11Z2022https://hdl.handle.net/1884/76912Orientador: Profa. Dra. Michele Nogueira LimaCoorientador: Prof. Dr. Michael Taynnan BarrosTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Informática. Defesa : Curitiba, 24/03/2022Inclui referênciasÁrea de concentração: Ciência da ComputaçãoResumo: Os avanços em bioengenharia e nanotecnologia proporcionaram o surgimento de dispositivos com dimensões de uma célula, capazes de detectar e agir sobre seu ambiente. Entretanto devido à baixa capacidade computacional desses dispositivos, é um grande desafio prover a comunicação sintética entre eles. Abordagens promissoras para a engenharia da comunicação de dados nas nanorredes são inspiradas nos sistemas biológicos. Um exemplo é a troca de informação entre células que se baseia na transformação, propagação e recepção de moléculas através de processos bioquímicos e físicos, seguindo o paradigma de comunicação molecular (CM). Nas células, os componentes naturais são semelhantes às partes dos sistemas de comunicação de dados (e.g., transmissor, codificação e memória). Na literatura, as redes baseadas em sinalização celular focam em abordagens de usuário simples e modelagem do canal com portadora única de informação (geralmente baseada na molécula de cálcio – Ca2+), o que traz avanços no campo de pesquisa das CM, mas ainda exige melhorias visto que as análises apontam o baixo desempenho e capacidade de comunicação. A baixa taxa de transmissão de dados é uma característica natural da CM sendo causada por diversos fatores incluindo o excesso de ruído molecular. Este trabalho visa preencher as necessidades deste novo paradigma de rede fornecendo os blocos básicos para o desenvolvimento de um sistema de comunicação molecular multiportadora para nanorredes multiusuário baseadas em sinalização celular. Como as células naturais exibem uma variedade de moléculas, o uso da diversidade molecular é defendida como alternativa para melhorar o desempenho da comunicação. Neste sentido, este manuscrito apresenta a tese de que empregar múltiplas moléculas beneficia a comunicação sintética entre bio-dispositivos incorporados aos tecidos celulares. As estratégias de comunicação devem respeitar as características biológicas dos meios de transmissão visto que as abordagens tradicionais são inviáveis para o sistema proposto. A comunicação multiportadora objetiva um melhor desempenho que a transmissão com portadora única. O controle de erro adaptativo visa mensurar e lidar com os ruídos da CM e o controle de acesso ao meio promover a implementação de um sistema de CM em que diversos bio-dispositivos se comuniquem independentemente e de forma controlada visando minimizar a interferência co-canal. Para verificar a viabilidade da tese, foram realizados estudos para a caracterização matemática da comunicação natural e validação das técnicas propostas considerando um ambiente semelhante ao celular. Sem perda de generalidade, a proposta foi investigada considerando as células astrócitos e moléculas de Ca2+ e inositol trifosfato – IP3. Os resultados demonstram que os blocos básicos com técnicas que recorrem à diversidade molecular beneficiam a CM em termos de capacidade, redução do path loss e probabilidade de erro (cerca de 10% comparado com o uso de portadora única) validando a tese definida.Abstract: Advances in bioengineering and nanotechnology have led to the emergence of cellsized devices capable of detecting and acting on their environment. However, due to the low computational capacity of these devices, it is a great challenge to provide synthetic communication between them. On the other hand, biological systems inspire promising approaches to engineering data communication in nanonetworks. An example is the exchange of information between cells based on the transformation, propagation, and reception of molecules through biochemical and physical processes, following the molecular communication (MC) paradigm. In cells, the natural components are similar to the parts of data communication systems (e.g., transmitter, encoding, and memory). In the literature, cell signaling-based networks focus on single-user and single-carrier approaches (based on calcium – Ca2+), which brings advances in the field of MC research, but it still requires improvements as the results of the analyses point to low communication performance. The low data transmission rate is a natural feature of MC, caused by stochastic information propagation and excess molecular noise. This work aims to fulfill the needs of this new network paradigm by providing a theoretical model of the building blocks for the development of multi-user and multi-carrier cell signaling-based molecular communication. As natural cells exhibit a variety of molecules, the use of molecular diversity is advocated as an alternative to improve communication performance. Thus, this manuscript presents the thesis that employing multiple molecules benefits the synthetic communication between bio-devices incorporated into cellular tissue. The multi-carrier communication aims to perform better than single-carrier transmission. The adaptive error control seeks to achieve a reliable MC system. The medium access control promotes the implementation of a molecular communication system in which several bio-devices communicate independently and in a controlled way to minimize interference. To verify the feasibility of this thesis, studies were carried out to mathematically characterize the components of natural communication and the cellular environment. The MC proposal was investigated without loss of generality, considering astrocyte cells and Ca2+ and inositol triphosphate (IP3) molecules. The results demonstrate that the building blocks with molecular diversity techniques benefit the communication in terms of capacity and path loss and improve up to 10% of the error probability, validating the hypothesis.1 recurso online : PDF.application/pdfSistemas de transmissão de dadosCiência da ComputaçãoSistema de comunicação molecular multiportadora para nanorredes multiusuárioinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - LIGIA FRANCIELLE BORGES.pdfapplication/pdf3438532https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/76912/1/R%20-%20T%20-%20LIGIA%20FRANCIELLE%20BORGES.pdf870f594c90800333854498b393365575MD51open access1884/769122022-11-03 12:17:11.134open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/76912Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082022-11-03T15:17:11Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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