Übertragungsfunktionsbasierte Modelle für Molekulare Kommunikationssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rudolf Rabenstein; Professor Dr.-Ing. Robert Schober
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430166206

Molekulare Kommunikation (MK) ist ein gerade entstehendes Forschungsgebiet an der Schnittstelle von Natur- und Ingenieurswissenschaften. MK ist die vorherrschende Art der Kommunikation in natürlichen biologischen Systemen. Die Kommunikation zwischen Bakterien beim sog. „Quorum Sensing“ beruht z.B. auf diesem Prinzip. Synthetische MK-Systeme sollen zukünftig die Kommunikation zwischen Nanomaschinen (synthetische oder biologische Objekte mit Abmessungen im Nanometerbereich) ermöglichen und die Kommunikation mit biologischen Systemen erleichtern. Die Information wird bei der MK durch die Eigenschaften von Partikeln, wie Molekülen und Ionen, repräsentiert (z.B. Partikelkonzentration, Zeit der Partikelausschüttung, Partikeltyp). Die Entwicklung einer Kommunikations- und Informationstheorie für MK-Systeme, sowie die Entwicklung von entsprechenden Testbeds zur experimentellen Verifikation befinden sich noch in einem sehr frühen Stadium. In diesem Zusammenhang kommen leistungsfähigen und flexiblen analytischen Modellen und schnellen Simulationsmethoden zur Charakterisierung der räumlich-zeitlichen Verteilung (d.h. der Partikelkonzentration als Funktion von Raum und Zeit) der informationstragenden Partikel größte Bedeutung zu. Solche Modelle und Methoden sind sowohl für den kommunikations- und informationstheoretischen Entwurf von MK-Systemen und deren Analyse als auch für die Entwicklung von (oft sehr teuren) Testbeds unabdingbar. Die existierenden analytischen Modelle für MK-Systeme beschränken sich auf sehr einfache MK-Kanäle und basieren oft auf unrealistischen Vereinfachungen (z.B. keine räumliche Begrenzung, Punktquellen, transparente Empfänger). Darüber hinaus sind die existierenden Simulationsmethoden für MK-Systeme entweder exakt aber langsam (z.B. partikelbasierte Methoden) oder schnell, liefern aber keine Einblicke für den Systementwurf (z.B. numerische Lösung von partiellen Differentialgleichungen), d.h. sie erlauben es nicht den Einfluss der relevanten Kanalparameter (z.B. Rand- und Anfangsbedingungen, Reaktionskonstanten) zu beurteilen. Aus diesem Grund sollen im vorliegenden Projekt leistungsfähige und flexible analytische Modelle für die räumlich-zeitliche Verteilung der informationstragenden Partikel in MK-Systemen entwickelt werden. Die vorgeschlagenen, auf Übertragungsfunktionen basierenden analytischen Modelle erlauben tiefe Einblicke in den Einfluss aller relevanter Systemparameter und ermöglichen eine schnelle numerische Evaluation.Die erwarteten Ergebnisse des Projektes umfassen: (1) Einen neuartigen Ansatz zur Modellierung von MK-Systemen basierend auf Übertragungsfunktionen, (2) Übertragungsfunktionsmodelle („Transfer Function Models“, TFMs) für vier wichtige MK-Beispielsysteme, (3) eine kommunikationstheoretische Charakterisierung der MK-Beispielsysteme, (4) Methoden zur TFM-basierten Parameterschätzung für MK-Kanäle, und (5) eine Software-Bibliothek zur Simulation und Evaluation von MK-Systemen basierend auf TFMs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen