Molecular communications techniques for the internet of bio-nano things

Abstract

The ”Internet of Bio-Nano Things” (IoBNT) is a new networking paradigm defined as the interconnection of nanoscale devices. IoBNT is a revolutionizing concept that will likely enable a wide range of applications, in particular, it is envisioned that healthcare systems will be transformed with the development and integration of body-centric networks into future generations of communication systems. Within this context, molecular communications (MC) emerge as the most promising way of transmitting information for in-body communications, due to being inherently biocompatible, energy-efficient, and robust in physiological conditions. One of the biggest challenges is how to minimize the effects of environmental noise and reduce intersymbol interference (ISI) which can be very high in an MC via diffusion scenario. Analogous to traditional communications, channel coding is one of the most promising types of techniques for addressing this problem. This work is based on the study and evaluation of novel energy efficient and low complexity coding, modulation and detection schemes for MC. With a special focus on the implementation of Tomlinson, Cercas, Hughes (TCH) codes as a new attractive approach for the MC environment, due to the particular codeword properties which enable simplified detection. Simulation results show that TCH codes are more effective for these scenarios when compared to other existing alternatives, without introducing too much complexity or processing power into the system. Furthermore, an experimental macroscale proof-of-concept is described, which uses pH as the information carrier and demonstrates that the proposed TCH codes can improve the reliability in this type of communication channel.

A ”Internet das Coisas” Bio-Nano é um novo paradigma de rede definido como a interconexão de dispositivos nano escala. Este é um conceito revolucionário que espectavelmente permitirá uma vasta gama de aplicações. Em particular, prevê-se que os sistemas de saúde sejam transformados com a integração de redes centradas no corpo, em futuras gerações de sistemas de comunicação. Neste contexto, as comunicações moleculares (CM) emergem como a forma mais promissora de transmitir informação, devido ao facto de serem intrinsecamente biocompatíveis, eficientes em termos energéticos e robustos em condições fisiológicas. Um dos maiores desafios é como minimizar os efeitos do ruído ambiental e reduzir a interferência intersimbólica que pode ser muito elevada num cenário de CM por difusão. A codificação de canal é um dos tipos de técnicas mais promissoras para abordar este problema. Este trabalho baseia-se na avaliação da modulação, da deteção e de novos esquemas de codificação energeticamente eficientes e de baixa complexidade aplicados em CM. Com especial foco, na implementação de códigos Tomlinson, Cercas, Hughes (TCH) como uma nova abordagem para um ambiente de CM, devido às suas particulares propriedades das palavras de código, que permitem uma deteção simplificada. Os resultados das simulações mostram que os códigos TCH são mais eficazes para estes cenários quando comparados com outras alternativas existentes, sem introduzir demasiada complexidade ou poder de processamento no sistema. Adicionalmente, é descrita uma experiência macroscópica, que utiliza o pH como portador de informação, demonstrando que os códigos TCH propostos podem melhorar a fiabilidade para CM.