Development of practical receiver architectures for molecular communication in ınternet of nano things (IoNT)
Nano-nesnelerin internetinde moleküler haberleşme için pratik alıcı mimarilerinin geliştirilmesi
- Tez No: 983479
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, Moleküler Haberleşme (MH) alanında teorik yaklaşımlardan uygulanabilir alıcı mimarilerine geçişi hedeflemekte; bu kapsamda, Nano-Nesnelerin İnterneti için mekanik dönüştürme temelli ve biyo-esinli alıcı mimarilerinin geliştirilmesini ve bunların Her Şeyin İnterneti vizyonu ile bütünleştirilmesini ele almaktadır. Bu amaçla, eğilmeye duyarlı alan etkili transistör (Flexure-FET) biyosensörüne dayalı bir MH alıcısı önerilmiştir. Mekanik dönüştürme temelli yapısı sayesinde hem yüklü hem de nötr molekülleri algılayabilmektedir. Bu doğrultuda, bilginin moleküler ağırlıktaki değişimlerle kodlandığı ilk pratik Ağırlık Kaydırmalı Anahtarlama (WSK) modülasyonu önerilmiştir; analitik ve sayısal analizler sonucunda, biyolojik girişimin etkin olduğu koşullarda mekanik dönüştürme temelli moleküler haberleşmenin uygulanabilirliği gösterilmiştir. Reseptör-ligant etkileşimlerini ve moleküler sinyal girişimini modelleyen rekabetçi bağlanma modeli uygulanarak, sistemin güvenilirliği ve alıcının moleküler seçiciliği artırılmıştır. Bu model, karmaşık biyokimyasal haberleşme kanallarındaki moleküler girişim etkilerini dikkate almaktadır. Ayrıca, silindirik nanotel dizili alıcı tasarımıyla dağıtılmış elektromekanik bağlaşım ve ayarlanabilir geometrik yapı MH alıcısına entegre edilmiştir. Son aşamada, MH yaklaşımı koku temelli bir çerçevede yeniden ele alınmıştır. Bu yaklaşımda bilgi, koku molekülleriyle iletilmektedir ve bu yönüyle moleküler haberleşmenin uygulama perspektifini önemli ölçüde genişletmektedir. Her Şeyin İnterneti vizyonu doğrultusunda, mikro/nano ölçekteki moleküler sinyallerin tespitinden duyusal ve bilişsel süreçlere kadar uzanan bir iletişim köprüsü kurularak, insan merkezli ve akıllı haberleşme ağlarının gelişimine zemin hazırlanmaktadır. Bu tezde sunulan çalışmalar boyunca, mekanik dönüştürme temelli alıcıdan rekabetçi bağlanma modeline ve nanotel dizi tasarımına uzanan mimari gelişimler; algılama duyarlılığı, güvenilirliği ve fiziksel uygulanabilirliği kademeli olarak artırmaktadır. Rekabetçi bağlanma modelinin entegrasyonu ve silindirik nanotel dizili yapı, koku temelli moleküler haberleşme için gelecekteki işlevsel alıcı mimarilerinin geliştirilmesine zemin hazırlamaktadır. Bu tezde önerilen modeller ve mimariler; pratik, ölçeklenebilir ve biyouyumuyla MH sistemleri için bir temel sunmakta, Her Şeyin İnterneti vizyonu doğrultusunda geleceğin akıllı ve uyarlanabilir ağlarının gelişimine katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to bridge the gap between theoretical approaches and practical receiver architectures in the field of Molecular Communication (MC). Within this framework, it focuses on the development of mechanical transduction–based and bio-inspired receiver architectures for the Internet of Nano Things (IoNT) and their integration within the vision of the Internet of Everything (IoE). To this end, an MC receiver based on a Flexure-FET (flexure-sensitive field-effect transistor) biosensor is proposed. By exploiting mechanical transduction, the receiver achieves high-sensitivity detection of both charged and neutral molecules. Building on this capability, the first practical implementation of Weight Shift Keying (WSK) modulation is introduced, in which information is encoded through variations in molecular weight. Analytical modeling and numerical analyses confirm its effectiveness under biologically relevant interference conditions, demonstrating the feasibility of mechanical transduction–based MC. A competitive binding framework is applied to model receptor–ligand interactions and molecular interference, improving both system reliability and molecular selectivity. This framework accounts for multi-ligand dynamics in complex biochemical communication channels. In addition, a cylindrical nanowire array receiver design is proposed, integrating distributed electromechanical coupling and geometrically tunable properties into the MC receiver for enhanced scalability and performance. In the final stage, the MC framework is revisited within an odor-based context. In this approach, odor molecules serve as information carriers, broadening the scope and applicability of MC to more tangible and perceptual domains. Guided by the vision of the Internet of Everything (IoE), this framework establishes a communication bridge that spans from molecular signal detection at the micro/nanoscale to higher-level sensory and cognitive processes, paving the way for the evolution of human-centered and intelligent communication networks. Throughout this thesis, the architectural developments extending from the mechanically transducing receiver to the competitive binding model and the nanowire array design progressively enhance detection sensitivity, reliability, and physical realizability. The integration of the competitive binding framework and the cylindrical nanowire array structure lays the groundwork for future functional receiver architectures in odor-based MC. Overall, the proposed models and architectures provide a foundation for practical, scalable, and biocompatible MC systems, contributing to the advancement of next-generation adaptive and interconnected networks envisioned under the IoE.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of solution-gated graphene field-effect transistors and graphene hall sensors for developing microfluidic molecular communication receivers
Mikroakışkan moleküler haberleşme alıcılarının geliştirilmesi için çözüm kapılı grafen alan etkili transistörlerin ve grafen hall sensörlerinin üretimi ve karakterizasyonu
MARYAM KAHVAZI ZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
- Measurement-based antenna misalignment analysis and angle of arrival estimation for terahertz wireless communication systems
Kablosuz haberleşme sistemlerinde ölçüm tabanlı hatalı anten hizalaması analizi ve geliş açısı kestirimi
HASAN NAYİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Perceptual Shift Keying: A Novel Modulation Technique for Odor-Based Molecular Communication
Algısal kaydırmalı anahtarlama: Koku tabanlı moleküler haberleşme için yeni bir modülasyon tekniği
FATİH EFE BİLGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
İletişim BilimleriKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
- Bio-inspired communication theories and techniques for next-generation networks
Gelecek nesil ağlar için biyolojik esinli iletişim teorileri ve teknikleri
BARIŞ ATAKAN
Doktora
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR B. AKAN
- Applications of artificial intelligence for the security of networks
Ağ güvenliği için yapay zeka uygulamalari
SELEN GEÇGEL ÇETİN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT