D ˙ IFÜZYON BAZLI MOLEKÜLER ˙ ILET ˙ I¸ S ˙ IMDE YEN ˙ IB ˙ IR MODÜLASYON TEKN ˙ I ˘ G ˙ I VE VER ˙ IML ˙ IL ˙ IK ANAL ˙ IZLER ˙ I A NOVEL MODULATION TECHNIQUE IN DIFFUSION BASED MOLECULAR COMMUNICATION AND ITS PERFORMANCE ANALYSIS Burcu Tepekule 1 , Ali Emre Pusane 1 , H. Birkan Yılmaz 2,3 ve Tuna Tu˘ gcu 3 1 Elektrik-Elektronik Mühendisli˘ gi Bölümü, Bo˘ gaziçi Üniversitesi, ˙ Istanbul, Türkiye 2 School of Integrated Technology, Yonsei Üniversitesi, Seul, Kore 3 Bilgisayar Mühendisli˘ gi Bölümü, Bo˘ gaziçi Üniversitesi, ˙ Istanbul, Türkiye {burcu.tepekule, ali.pusane, birkan.yilmaz, tugcu}@boun.edu.tr Özetçe —Moleküler ileti¸ sim, bilginin nano ölçekte moleküller yoluyla iletimini konu alan biyoloji temelli bir ara¸ stırma dalıdır. ˙ Ileti¸ simin difüzyon yoluyla olması nedeniyle moleküler ileti¸ simde kar¸ sıla¸ sılan en büyük problemlerden biri simgeler arası giri¸ simdir. Bu problemi önlemek amacıyla kullanılan en genel çözüm, simge süresini uzun tutarak giri¸ sime sebep olacak molekül sayısını azaltmaya çalı¸ smaktır. Öte yandan, simge süresini uzun tutmak, kısa mesafelerde bile çok dü¸ sük aktarım hızlarında ileti¸ simi zorunlu kılmaktadır. Bu çalı¸ smada, difüzyon ile iletim gerçekle¸ stirilen kanallarda veri aktarım hızını arttırmak için yeni bir modülasyon tekni˘ gi önerilmi¸ stir. Önerilen modülasyon tekni˘ gi birden fazla molekül tipi kullanarak simgeler arası giri¸ simde azalma sa˘ glamakta ve standart modülasyona göre daha dü¸ sük simge hata olasılı˘ gına neden olmaktadır. Anahtar Kelimeler—difüzyon yolu ile ileti¸ sim, moleküler ileti¸ sim, nano-a˘ glar, simgeler arası giri¸ sim. Abstract—Molecular communication (MC) is a promising bio-inspired paradigm, in which molecules are used to encode, transmit, and receive information at the nanoscale. One of the main challenges in MC is the inter symbol interference (ISI) caused by the nature of the diffusion channel. One of the main solutions to this problem is to keep the symbol duration as long as possible and avoid all the molecules that may cause ISI in the next symbol duration. On the other hand, long symbol durations lead to very low data rates, even for very short distances. In this paper, a novel molecular communication scheme for diffusion-based communication channels is proposed in order to increase the data rate. The proposed technique employs multiple molecule types simultaneously to reduce the ISI and achieve a better symbol error rate compared to that of the standard modulation technique. Keywords—communication via diffusion, molecular communication, nanonetworks, inter symbol interference. Bu bildirideki çalı¸ smalar TÜB ˙ ITAK 112E011 nolu proje kapsamında desteklenmi¸ stir. 978-1-4799-4874-1/14/$31.00 c 2014 IEEE I. GIRI¸ S Difüzyon ile ileti¸ sim, ta¸ sıyıcı moleküllerin difüzyon yoluyla alıcı ve verici arasında iletilmesi ile bilgi aktarılması i¸ slemidir. Difüzyon ile ileti¸ sim sistemi be¸ s ana adımdan olu¸ smaktadır: kodlama, iletim, yayılma, algılama ve de¸ sifre etme [1]. Verici, iletilmek istenen bilgiyi ta¸ sıyıcı moleküller aracılı ˘ gıyla kodlayarak kullanılan kodlama tekni˘ gine göre zaman aralı˘ gı ayarlı bir ¸ sekilde sıvı ortama salar ve alıcıya ula¸ stırmaya çalı¸ sır. ˙ Iletilmek istenen bilgi, moleküllerin bir veya birkaç özelli˘ gi temel alınarak kodlanabilir. Moleküller difüzyon dinamiklerine göre sıvı ortamda yayılır ve alıcının yüzeyindeki duyargalar veya reseptörler tarafından sezinirler. Bu sürecin genel yapısı ¸ Sekil 1’de verilmi¸ stir. ¸ Sekil 1: Difüzyon yolu ile ileti¸ sim. Verici tarafından bir önceki zaman aralı˘ gında ta¸ sınan bilgi için gönderilen moleküllerin bir kısmı difüzyon kanalının yapısı itibariyle ortamda kalmaya devam ederek alıcıya sonraki zaman aralıklarında da ula¸ sabilir ve simgeler arası giri¸ sime sebep olabilir. Bu sorun, simge süresi uzun tutularak bir noktaya kadar çözülebilse de halihazırda dü¸ sük olan veri aktarım hızını daha da dü¸ sürdü˘ gü için yeni çözümlerin bulunması zorunlu hale gelmi¸ stir [2]. Bu çalı¸ smada, dü¸ sük simge süreleri (yüksek veri hızları) için simgeler arası giri¸ simi azaltan yeni bir modülasyon tekni˘ gi önerilmi¸ stir. Birden fazla molekül tipinin birlikte kullanımını da içeren bu teknik, simgeler arası giri¸ sime neden olan artık molekül sayısını azaltarak simge hata olasılı˘ gını dü¸ sürmeyi amaçlamı¸ stır. Bildirinin geri kalanı ¸ su ¸ sekilde düzenlenmi¸ stir: Bölüm 2’de difüzyon kanalının özellikleri, ileti¸ sim 1110 2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)