Molecular Communications System Design based on Magnetic Nanoparticles

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2023-12-05
Authors
Wicke, Wayan
Editor
Abstract

Inspired by the communication mechanisms used in natural systems, molecular communication (MC) is a new mode of communication for novel applications in biomedical or environmental engineering where electromagnetic waves, used in conventional communication systems, would be unsuitable. In contrast to conventional communication systems employing electromagnetic waves to carry information, e.g., by modulating their amplitude, frequency, or phase, MC systems employ signaling molecules where information may be embedded in the properties of the released particle ensemble, e.g., their number, type, and time of release by the transmitter. As a novel degree of freedom, the main objective of this dissertation is the design and analysis of MC systems employing magnetic nanoparticles (MNPs) as information carriers in a fluid environment. Thereby, the main advantage of MNPs composed of biochemical molecules is their magnetic property which allows them to be actively guided by a magnetic field as well as passively detected from the outside. Moreover, due to thermodynamic effects MNPs don’t agglomerate outside a magnetic field and can be designed for various applications, e.g., by tuning of their size. Motivated by these features, in this dissertation, we study how MNPs can be utilized for MC to cope with signal decay, inter-symbol interference (ISI), and potential time synchronization errors, as described in the following.

MNP-based MC in Bounded Environments: The disordered motion of signaling particles (diffusion) is one of the main impairments in MC systems. To mitigate the resulting signal attenuation, additional particle transport mechanisms directed towards the receiver are required. One directed transport mechanism, which is known from nanomedicine and which can be controlled externally, is the guiding of MNPs by a magnetic field. In this dissertation, we model the drift velocity of MNPs subject to a magnetic force in a bounded drift-diffusion system and study its beneficial impact on MC performance.

MC Driven by Laminar Flow: In a fluid environment, particle transport over larger distances is typically realized by means of fluid flow using vessels. For such scenarios, MC models usually assume a spatially homogeneous drift velocity (uniform drift) whereas most common flow systems exhibit a non-uniform (laminar) flow profile. In this dissertation, we study the relative importance of the particle transport by laminar flow and diffusion for MC in a cylindrical environment, particularly for scenarios where the particle transport is dominated by fluid flow.

Experimental Validation of MC Driven by Laminar Flow: While theoretical work is insightful, experiments are finally needed to validate communication models. In MC, several testbeds have been proposed which have been modeled either heuristically or in a data-driven fashion. For this dissertation, we consider data from an MC testbed using MNPs in a laminar flow system which has been developed at FriedrichAlexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). After extending our theoretical flow modeling framework based on insights gained from experimental data, we find that the experimental results favorably fit with the theoretical flow-driven MC model developed in this dissertation.

Pulse Shaping for MC via Particle Size: Next to ISI and signal attenuation, a fundamental impairment for communication are time synchronization errors. While time synchronization schemes can mitigate timing errors to some degree, communication designs robust to residual timing errors are necessary. One fundamental method for communication design is pulse shaping, i.e., optimization of the end-to-end received signal by the deliberate design of the transmitter. In this dissertation, we explore using the size of the signaling particles as a degree of freedom for pulse shaping and provide a framework to effectively select a particle mixture comprising differently sized particles at the transmitter.

It is noted that for the above modeling scenarios, we study the relevant physical phenomena and derive closed-form expressions for the end-to-end channel impulse response (CIR). All novel CIR expressions are validated by particle-based simulation (PBS) and communication performance is evaluated in terms of the symbol error rate (SER) for both simulated and, where applicable, experimental data.

Abstract

Inspiriert durch natürliche Kommunikationsmechanismen stellt molekulare Kommunikation (MK) eine neue Form der Kommunikation für neuartige Anwendungen in der Medizin- und Umwelttechnik dar, wo elektromagnetische Wellen, eingesetzt in konventionellen nachrichtentechnischen Systemen, ungeeignet wären. Während bei elektromagnetischen Wellen Information auf deren Amplitude, Frequenz und Phase aufgeprägt werden kann, wird für MK Information durch die Eigenschaften der Gesamtheit der ausgeschütteten Moleküle, etwa ihrer Anzahl, den verwendeten Molekültypen und der Zeitpunkte der Molekülausschüttung repräsentiert. Zur Erforschung eines neuartigen Freiheitsgrads, ist das wesentliche Anliegen dieser Dissertation der Entwurf und die Analyse von MK Systemen, welche magnetische Nanopartikel (MNPs) als Informationsträger in einem flüssigen Medium einsetzen. Dabei ist der wesentliche Vorteil von MNPs ihre magnetische Eigenschaft, durch welche sie aktiv mittels eines magnetischen Felds geführt und passiv von außen detektiert werden können. Darüber hinaus vermeiden thermodynamische EFfekte eine Agglomeration der MNPs außerhalb eines magnetischen Felds. Auch kann die Größe der MNPs angepasst werden. Motiviert durch diese Eigenschaften beschäftigt sich diese Dissertation mit dem Einsatz von MNPs für MK, um Signaldämpfung, Intersymbolinterferenz (ISI), sowie potentiellen Fehlern in der Zeitsynchronisation zu begegnen, wie im Folgenden beschrieben.

MNP-basierte MK in örtlich begrenzten Umgebungen: Die unorganisierte Bewegung der Signalpartikel (Diffusion) ist eine der Hauptherausforderungen für MKSysteme. Um der resultierenden Signaldämpfung zu begegnen sind auf den Empfänger gerichtete Transportmechanismen erforderlich. Ein aus der Nanomedizin bekannter und extern kontrollierbarer gerichteter Transportmechanismus ist die Führung von MNPs durch ein magnetisches Feld. In dieser Dissertation modellieren wir den Drift von MNPs unter dem Einfluss einer magnetischen Kraft zusätzlich zur Diffusion in einem örtlich begrenzten MK-System.

MK geleitet durch laminare Strömung: In einem flüssigen Medium wird gerichteter Partikeltransport typischerweise durch leitungsbasierte Flüssigkeitsströmung realisiert. Für solche Systeme nehmen bisherige MK-Modelle oft einen örtlich homogenen Drift an, wohingegen in den meisten Strömungssystemen ein ungleichförmiges Strömungsprofil vorherrscht. In dieser Dissertation betrachten wir die relative Bedeutung von laminarer Strömung und Diffusion für den Partikeltransport in einem zylindrischen System, insbesondere für strömungsgetriebene Szenarien.

Experimentelle Validierung von MK durch laminare Strömung: Neben theoretischer Arbeit sind schlussendlich Experimente zur Validierung von Kommunikationsmodellen wichtig. Auch für MK wurden bereits einige experimentelle Systeme vorgestellt, die entweder heuristisch oder datengetrieben modelliert worden sind. Für diese Dissertation verwenden wir Daten aus einem MK-System auf Basis von MNPs in einem laminaren Strömungssystem, welches an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) entwickelt wurde. Nach entsprechender Erweiterung unseres theoretischen Modellierungsansatzes auf Basis von experimentell gewonnenen Erkenntnissen, stellen wir eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und dem in dieser Dissertation für MK entwickelten theoretischen Signalmodell fest.

Pulsformung für MK durch die Partikelgröße: Neben ISI und Signaldämpfung sind vor allem Fehler in der Zeitsynchronisation ausschlaggebend für die Kommunikationsqualität. Während Abtastungenauigkeiten zu einem gewissen Grad beseitigt werden können, sind generell robuste Kommunikationsverfahren für relevante Zeitfehler notwendig, beispielsweise über eine Pulsformung, d.h. die Optimierung des Empfangssignals durch den gezielten Entwurf des Senders. In dieser Dissertation untersuchen wir die Partikelgröße als Freiheitsgrad zur Pulsformung und stellen einen Ansatz zur effektiven Auswahl von verschieden großen Partikeln am Sender vor.

Es sei angemerkt, dass für die obigen Modellierungsszenarien die relevanten physikalischen Gesetzmäßigkeiten betrachtet und geschlossene Lösungen für die Kanalimpulsantwort hergeleitet werden. Alle neuen Ausdrücke für die Kanalimpulsantwort und die Kommunikationsqualität bezüglich der Symbolfehlerrate werden durch partikelbasierte Simulation und, wo möglich, auf Basis von experimentellen Daten, ausgewertet.

Citation
W. Wicke, A. Ahmadzadeh, V. Jamali, H. Unterweger, C. Alexiou, and R. Schober, “Magnetic nanoparticle-based molecular communication in microfluidic environments,” IEEE Trans. NanoBioscience, vol. 18, no. 2, pp. 156–169, Apr. 2019. W. Wicke, T. Schwering, A. Ahmadzadeh, V. Jamali, A. Noel, and R. Schober, “Modeling duct flow for molecular communication,” in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2018, pp. 206–212. W. Wicke, H. Unterweger, J. Kirchner, L. Brand, A. Ahmadzadeh, D. Ahmed, V. Jamali, C. Alexiou, G. Fischer, and R. Schober, “Experimental system for molecular communication in pipe flow with magnetic nanoparticles,” IEEE Trans. Mol. Biol. Multi-Scale Commun., vol. 8, no. 2, pp. 56–71, Jun. 2022. W. Wicke, R. C. Felsheim, L. Brand, V. Jamali, H. M. Loos, A. Buettner, and R. Schober, “Pulse shaping for MC via particle size,” IEEE Trans. Mol. Biol. Multi-Scale Commun., vol. 9, no. 2, pp. 227–232, Aug. 3, 2023.
DOI
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