Design of a molecular nanocommunications system with suitable adressing and routing mechanisms

Abstract

Nanotechnology is a new and very promising area of research which will allow several new applications to be created in several fields, such as, biological, medical, environmental, military, agricultural, industrial and consumer goods. Although there are several sub-areas of research within the nanotechnology area, the main sub-areas in which the developed work was based were on target nanocommunications. The advances in this area will allow interconnected devices, at the nano-scale, to achieve collaborative tasks which will greatly change the paradigm in the fields described. In spite of this area of research being in its early stages and the various inherit challenges, there are several researches around the world that are contributing for the advances in different sub-areas, which translate in several small advances in the last years. This trend will enable nanocommunications applications to be a reality in a near future, which in turn motivates new researchers to embark on this area. Determined to learn more about this fascinating area, help the research community design and implement new concepts that can influence the path of this new research area, and the knowledge that advances in this area provides a huge impact, changing the paradigm in different fields, were the main motivations that influenced the pursue of the area of research. During the research and study phase, several new concepts were learned, namely, a completely new paradigm which establish communication through molecules, i.e., molecular communication. This new communication paradigm will open a window for several applications to be possible, thus all work performed aimed at this area specifically. After giving molecular communications a thorough research and studying all related concepts, the main challenges in this research area were targeted and solutions to solve them started to be planned. In this document a description of all the work done is presented, in which a molecular nanocommunications system is designed addressing several challenges mentioned in different research domains. Contrary to a traditional computer network, when designing a nanocommunication system there are several aspects that need to be addressed, and the answer for one obstacle is not always the best answer because these systems rely immensely on the synergy of all components of the nanonetwork, specially in molecular communications. Hence, the different components of the system were designed having the synergy with each other in mind. The most promising information's encoding technique was chosen, and from there several concepts were analysed in order to select the appropriate communications techniques, a topology design was created in order to provide the nanonetwork the capability to solve some challenges, while using inherit features from the communications techniques selected. Several challenges were addressed in the designed system, such as, the range scalability of a nanonetwork, the interaction with the micro and macro scales, reliability in the communication, error and flow control mechanisms, information encoding, and most importantly addressing and routing mechanisms. The whole system architecture is then analysed, and some information for the evaluation of the system designed is presented and discussed. Although several obstacles were met during the development, most of them were successfully overcome, but leaving a desire to continue work in the fascinating area. Since this research area is still on its infancy, it is very difficult to set a limit on the future work, but there are important aspects that could expand the concepts approached in this dissertation, such as, the creation of a simulation tool that would allow protocols to be tested, design and validate different protocols for different methods of communication and develop a simulation tool that would allow researchers to simulate a full molecular nanonetwork, with different communication techniques in simultaneous, different protocols, and the ability to connect them to traditional computer networks. In the whole process of this dissertation a lot was learned about this new communication paradigm. This area of research definitely left the appetite to keep researching, designing and creating solutions that can impact several fields of our daily lives. Although this area of research is still on its early stages, a lot of interesting concepts were learned, and some new concepts were envisioned and described. The design of a molecular communication system showed me how different this communication paradigm is from traditional computer networks, as well as all the challenges there are still ahead. In spite of that, thanks to envisioned techniques and manipulations of features the designed system is able to function, increasing the efficiency of transmission. When advances in nanotechnology and nanomachines manufacturing permit it, a bridge between nano-scale and micro/macro-scale will be created.

Nanotecnologia é uma nova e promissora área de investigação que irá permitir a criação de diversas novas aplicações em vários campos, tais como: biológico, médico, ambiental, militar, agrícola, industrial e bens de consumo. Apesar de haver diversas subáreas de investigação dentro da grande área de nanotecnologia, as principais subáreas em que o trabalho desenvolvido se foca, direcionam-se para nanocomunicações. Os avanços nesta área vão permitir dispositivos interconetados, à escala nano, alcançar a colaboração em tarefas que irão mudar o paradigma nos campos descritos. Apesar de esta área de investigação ainda estar nas etapas iniciais e de todos os obstáculos inerentes, existem diversos projetos de investigação pelo mundo fora que contribuem para os avanços nas diferentes subáreas, que directamente levam a que nos últimos anos se tenham feito vários pequenos avanços. Esta tendência vai permitir que aplicações que usem nanocomunicações sejam uma realidade num futuro próximo, que por sua vez motiva mais investigadores a embarcar nesta área. Determinado a aprender mais sobre esta área fascinante, ajudar a comunidade científica a projetar e implementar novos conceitos que podem influenciar o caminho que esta nova área de investigação pode tomar, e saber que os avanços feitos nesta área podem ter um grande impacto, mudando o paradigma em diversos campos, foram as principais motivações que influenciaram a seguir esta área de investigação. Durante a fase de investigação e estudo, diversos novos conceitos foram aprendidos, nomeadamente, um paradigma de comunicação completamente novo, que estabelecia a comunicação através de moléculas, ou seja, comunicação molecular. Este novo paradigma de comunicação vai permitir que inúmeras aplicações sejam possíveis, sendo o principal objetivo do trabalho desenvolvido. Depois de efetuar uma investigação cuidadosa sobre as comunicações moleculares, e estudar os conceitos relacionados, os principais desafios desta área de investigação foram definidos como objectivos e soluções para os resolver começaram a ser planeadas. Todo o trabalho desenvolvido é descrito neste documento, no qual um sistema de nanocomunicações moleculares é projetado abordando diversos desafios mencionados em diferentes trabalhos de investigação. Contrariamente às redes tradicionais de computadores, quando se projeta um sistema de nanocomunicações há diversos aspetos que precisam de ser atendidos, e a resolução para um problema nem sempre é a melhor solução, pois estes sistemas dependem imenso na sinergia de todas as características da nanorede, especialmente em nanocomunicações moleculares. Portanto, os diferentes componentes do sistema foram projetados atendendo a sinergia entre eles. A técnica mais promissora para codificar a informação foi selecionada, e a partir daí diversos conceitos foram analisados de maneira a escolher o método mais apropriado de comunicação molecular, uma topologia foi projetada de maneira a fornecer à nanorede capacidades para resolver alguns obstáculos herdados das técnicas de comunicação escolhidas. Diversos desafios foram atendidos no sistema projetado, tais como: a escalabilidade do alcance da nanorede, as interações com a escala micro e macro, a fiabilidade da comunicação, mecanismos de controlo de erro e fluxo, a codificação da informação, e de forma mais importante, mecanismos de endereçamento e encaminhamento. Em seguida, toda a arquitetura do sistema é analisada e informação para a avaliação do mesmo é apresentada e discutida. Apesar de terem sido encontrados alguns obstáculos durante o desenvolvimento, a maior parte foi ultrapassada, mas deixando uma vontade de continuar a trabalhar nesta área fascinante. Como esta área de investigação ainda está na sua infância, há imensas alternativas que podem ser alcançadas, então, é difícil de estabelecer um limite para o trabalho futuro. No entanto, há aspetos importantes que podem expandir os conceitos abordados nesta dissertação. Estes aspetos são a criação de uma ferramenta de simulação que permita testar protocolos de comunicação num ambiente de nanocomunicações, projetar e validar diferentes protocolos para diversos métodos de comunicação molecular e desenvolver uma ferramenta de simulação que permita investigadores simular uma nanorede molecular completa, que integre diferentes técnicas de comunicação molecular em simultâneo, diferentes protocolos, e ainda a habilidade de estabelecer uma ligação com redes tradicionais de computadores. Em todo o processo desta dissertação, muito foi aprendido sobre este novo paradigma de comunicação. Esta área de investigação definitivamente deixou uma vontade de continuar a investigar, projetar e implementar soluções que podem ter impacto em diversos campos do nosso dia-a-dia. Apesar de esta área de investigação estar ainda nas suas etapas iniciais, muitos conceitos interessantes foram aprendidos, e novos conceitos foram imaginados e descritos. A conceção deste sistema de nanocomunicações moleculares mostrou-me o quanto diferente este novo paradigma é em relação às tradicionais redes de computadores, e ainda todos os obstáculos que ainda se encontram por ultrapassar. Mesmo assim, graças a todas a técnicas imaginadas e manipulação de características, o sistema projetado pode funcionar, aumentando a eficiência da transmissão, e quando os avanços em nanotecnologia e fabrico de nanomáquinas o permitir, vai ser possível estabelecer uma ligação entre a escala nano e a escala micro/macro.