擴散式分子通訊下之多重存取協定設計

Abstract

奈米科技是一個發展迅速的應用科學，並可被應用在多個領域，例 如生醫、軍事、環境工程。奈米機器在奈米科技中扮演著重要的腳色， 奈米機器可執行簡單的任務，像是感測、計算、產生化學反應等。然 而，由於奈米機器的尺寸較小，許多功能是受限的，像是電力及無法 裝載天線等，因此單一的奈米機器無法完成較複雜的任務。為了能完 成較複雜的任務，需要多個奈米機器合作，因此，許多奈米通訊技術 被提出，讓奈米機器能夠互相溝通。其中，分子通訊被認為是最有可 能大量應用的一種技術，因為分子通訊有很高的生物相容性。在分子 通訊中，擴散式分子通訊利用分子的在流體中的自然運動傳遞訊號， 因此具有節省能量的優點。在傳統通訊中，我們常使用載波感測多重 存取(CSMA)、分時多重存取(TDMA) 以及分頻多重存取(FDMA) 做為 多重使用者的存取協定。然而使用分子當作傳輸媒介時需考慮分子的 隨機運動以及高傳播延遲的的特性，這些特性使得傳統通訊中的多重 存取協定不適用於擴散式分子通訊。在本論文中，我們提出了兩個適 用於擴散式分子通訊的多重存取協定：多數量多重存取(multi-quantity multiple access) 以及數量種類多重存取(quantity-type multiple access)。 在協定中，我們規範了傳輸及接收機制。在一次性傳輸中，我們得到 了每個使用者最佳的分子傳輸數量能夠使得系統的錯誤率達到最低。 在連續性傳輸中，符號間干擾(inter-symbol interference) 會嚴重影響系 統效能，我們提出的演算法能夠大幅消除符號間干擾的影響。最後， 電腦模擬結果顯示，多數量多重存取以及數量種類多重存取是一種低 成本、高效率，並且適用在擴散式分子通訊的協定。

Nano-technology is an emerging applied science which has great applications on many areas, including biomedical science, military, environmental engineering and industry. In nano-technology, nano-machines play important roles to perform simple tasks such as sensing, computation and actuation. However, because of the tiny size and limited abilities of a single nanomachine, nano machines need a communication scheme to let them cooperate to accomplish a task. Among many communication techniques in nanotechnology, molecular communication is the most promising communication technique due to its high biocompatibility. In diffusion-based molecular communication, information molecules transport signals by random diffusion motion. In multiple users communication, the paradigms of multiple access control protocols, such as CSMA, TDMA and FDMA has long been used in electromagnetic communication. Nevertheless, unlike electromagnetic communication, due to the random movements and long propagation delay of information molecules, these paradigms are not feasible in diffusion based molecular communication. In the thesis, we propose two multiple access control protocols - the multi-quantity multiple access and the quantity-type multiple access in diffusion-based communication. In these two protocols, we provide the transmission scheme and detection rule in one-shot transmission. We also optimize the system in one-shot transmission. In serial transmission, we consider the ISI effect. We provide algorithms to cancel the ISI effect. Through simulation comparison, these two protocols are both low-cost and efficient.