Moleküler haberleşme sistemlerinde alıcı kestirim yöntemleri

Abstract

Nanoteknoloji atomik, moleküler veya makromoleküler seviyelerdeki teknolojilerin incelenmesi, geliştirilmesi ve uygulanması olarak tanımlanır. Nanoteknolojinin temel fonksiyonel birimi nanomakinelerdir. Nanomakineler birkaç nanometreden birkaç mikrometreye kadar değişen boyutlarda olabilen otonom makinelerdir. Nanomakineler algılama, hesaplama, haberleşme ve çalıştırma gibi basit görevleri yapabilen nano ölçekte bileşenlerden oluşmaktadır. Tek bir nanomakine, boyutu ve basit yapısından dolayı sadece sınırlı görevleri yerine getirebilmektedir. Öte yandan, bir kaç nanomakine daha karmaşık görevleri yerine getirebilmek için bir ağ üzerinden iş birliği yapabilir. Bu ağlar nano ağlar olarak adlandırılmaktadır. Nano ağ, nanomakinelerin birbirleri ile haberleşerek iş birliği yaptığı ve bu sayede sağlık ölçümü, akıllı ilaç gönderimi, nano ölçekteki çevrelerde biyolojik ve kimyasal saldırıların tespiti gibi daha karmaşık görevlerin yerine getirilebildiği bir sistemdir. Enerji, sağlık, çevre, gıda ve tekstil gibi birçok kullanım alanına sahip olan nanomakineler, karmaşık görevleri yerine getirebilmek için birbirleri ile haberleşmeye ihtiyaç duymaktadırlar. Nanomakineler için literatürde mekanik, akustik, elektromanyetik ve moleküler haberleşme sistemleri gibi birçok haberleşme sistemi önerilmiştir. Bu sistemlerden çoğu nano ölçekli rejim ile ilgili güç, boyut ve karmaşıklık kısıtlamaları sebebiyle uygulanamaz olarak tanımlanmıştır. Öte yandan moleküler haberleşme nanomakineler için en uygun çözüm olarak öngörülmüştür. Moleküler haberleşme, nanomakinelerin akışkan bir ortamda kimyasal işaretler veya moleküller kullanarak haberleşebildiği bir sistemdir. Moleküler haberleşmede gönderici nanomakine, bilgiyi moleküllere kodlayarak akışkan ortama gönderir. Ortamda yayılan bilgi molekülleri alıcı nanomakine ile etkileşime girer. Alıcı nanomakine bilgi moleküllerini sezerek bilgiyi çözer ve uygulamaya yönelik görevleri yerine getirir. Nanomakineler için iyon işaretleşmesi, aktif taşıma, bakteri tabanlı haberleşme ve difüzyon tabanlı haberleşme gibi çeşitli moleküler haberleşme sistemleri araştırılmıştır. Bu haberleşme sistemlerinden difüzyon tabanlı moleküler haberleşme enerji-verimli bir haberleşme sistemidir. Difüzyon tabanlı moleküler haberleşme, moleküllerin akışkan ortamda difüzyon ile pasif bir şekilde yayıldığı moleküler haberleşme sistemlerinden biridir. Difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemlerinde, moleküllerin rastgele difüzyon yayılımından dolayı, klasik radyo frekansı (RF) tabanlı haberleşmeye göre semboller arası girişim daha fazladır. Bu da haberleşme sisteminin güvenirliğini azaltmaktadır. Bunun yanı sıra, nanomakineler nano ölçekli otonom makineler olduğundan, enerji, boyut, hesaplama kabiliyeti açısından belirli kısıtlamalara sahiptirler. Nanomakinelerin sahip olduğu bu kısıtlamalar ve difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemlerindeki yüksek semboller arası girişimden dolayı, difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemlerinde, güvenilir ve uygulanabilir bir haberleşme için düşük hesaplama karmaşıklığına ve yüksek bit hata oranı performansına sahip alıcı kestirim yöntemleri gerekmektedir. Bu tezde, difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemlerinde model tabanlı ve yapay zeka tabanlı alıcı kestirim yöntemleri araştırılmaktadır. Bu kapsamda, difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemi için literatürde önerilen alıcı kestirim yöntemleri verilmiş, model ve yapay zeka tabanlı alıcı kestirim yöntemleri önerilmiştir. Literatürde önerilen en büyük olabilirlik dizi kestirim yöntemi, göz ardı edilen ISI terimlerinin oluşturduğu DC yanlılık hesaba katılarak değiştirilmiş ve bit hata performansı açısından daha iyi olan Viterbi dal metrikleri elde edilmiştir. Değiştirilmiş Viterbi algoritmasının, literatürde önerilen klasik Viterbi algoritması ile aynı hesaplama karmaşıklığına sahip olduğu gösterilmiştir. Öte yandan, değiştirilmiş Viterbi algoritması, klasik Viterbi algoritmasına göre daha iyi bit hata oranı performansı göstermektedir. Değiştirilmiş Viterbi algoritması önerilen alıcı kestirim yöntemlerinin bit hata oranı performansları için temel ölçüt olarak kullanılmıştır. İşarete bağımlı gözlem gürültüsünün varyansı yerine bu varyansın istatistiksel ortalaması kullanılarak durağan kanallarda geçerli olan Wiener filtre difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemi için bir alıcı kestirim yöntemi olarak önerilmiştir. Durağan ve doğrusal olmayan kanallarda kullanılabilen genişletilmiş Kalman filtre, difüzyon tabanlı moleküler haberleşme için ilk kez bir alıcı kestirim yöntemi olarak önerilmiştir. Literatürde önerilen en az ortalama kareler hatası (MMSE) alıcı kestirim yöntemi, Wiener ve Kalman filtrelerinin bit hata oranı (BER) performansları için temel ölçüt olarak kullanılmıştır. Önerilen alıcı kestirim yöntemlerinin BER performansları ayrıca literatürde önerilen uyarlamalı eşik ve sabit eşik kestirim yöntemleri ile karşılaştırılmıştır. Diğer yandan, hesaplama karmaşıklığı Viterbi algoritmasına göre daha düşük olan genişletilmiş Kalman filtrenin, alıcı ve verici arasındaki uzaklık azalırken yada vericiden gönderilen molekül sayısı yüksekken Viterbi algoritmasından daha iyi BER performansı gösterdiği gözlemlenmiştir. Dahası, genişletilmiş Kalman filtre, Viterbi algoritmasından daha az durum sayısına sahipken bile, Viterbi algoritmasından daha iyi BER performansı göstermiştir. Wiener filtre, uyarlamalı eşik değeri kestirim yönteminden daha iyi BER performansı gösterirken, belirli koşullar altında sabit eşik değeri kestirim yöntemi ile benzer BER performansına sahip olduğu görülmüştür. Wiener filtrenin daha düşük hesaplama karmaşıklığı ile MMSE kestirim yönteminden daha iyi bir BER performansına sahip olduğu gösterilmiştir. Dahası, belirli bir bit süresi için sadece iki uzunluklu sonlu dürtü yanıtlı (finit impulse response, FIR) Wiener filtre yeterli bir BER performansı göstermiştir. Öte yandan, genişletilmiş Kalman filtre, ortalama kare hatasını minimize eden diğer alıcı kestirim yöntemleri MMSE ve Wiener filtreden daha iyi BER performansı göstermiştir. Sonuç olarak, lineer hesaplama karmaşıklığına sahip Wiener filtre ve karesel hesaplama karmaşıklığa sahip Kalman filtre moleküler haberleşme için yüksek BER performansı gösteren alıcı kestirim yöntemleri olarak önerilmiştir. Model tabanlı alıcı kestirim yöntemlerinin bir çoğu alıcıda kanal durum bilgisine (channel state information, CSI) ihtiyaç duymaktadır. Moleküler haberleşme kanalında gözlem gürültüsü vericiden gönderilen işarete istatistiksel olarak bağımlıdır. Bundan dolayı moleküler haberleşme kanalının durumu zamanla değişmektedir ve kanal durum bilgisinin alıcıda kestirimi zordur. Ayrıca, kanal durum bilgisinin alıcıdaki kestiriminin hassasiyeti, model tabanlı alıcı kestirim yöntemlerinin performansını etkileyebilmektedir. Öte yandan, yapay zeka tabanlı alıcı kestirim yöntemleri, alıcıda kanal durum bilgisine (CSI) ihtiyaç duymamakta, sadece alıcıya gelen işareti kullanarak kestirim yapmaktadır. Makine öğrenmesi ve derin öğrenme modelleri alıcıda kanal durum bilgisine ihtiyaç duymadan difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemi için yapay zeka tabanlı alıcı kestirim yöntemi olarak kullanılabilir. Bu tezde, karar ağacı, çok modelli rastgele örnekleme, karar ağacı ormanı ve uyarlamalı takviyeli sınıflandırma makine öğrenmesi algoritmaları difüzyon tabanlı moleküler haberleşme sistemi için önerilmiş ve BER performansları literatürde önerilen sabit eşik kestirim yöntemi ve ileri beslemeli tam bağlantılı yapay sinir ağı alıcı kestirim yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Tek bir karar ağacı kullanıldığı zaman, yapay sinir ağı ve sabit eşik değeri kestirim yöntemlerinin karar ağacı algoritmasından daha iyi BER performansına sahip olduğu görülmüştür. Öte yandan, çok modelli rastgele örnekleme, karar ağacı ormanı ve uyarlamalı takviyeli sınıflandırma gruplama yöntemlerinin yapay sinir ağı ve sabit eşik değeri kestirim yöntemlerinden daha iyi BER performansına sahip olduğu görülmüştür.