Makroskopische Diffusionbasiert Molekulare Kommunikation mit Hilfe einer Suspension von Relays

• Antragsteller: Dr. Jens Kirchner
• Subject Area: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Term: since 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 525287907

Ziel ist die Entwicklung und die Analyse eines neuartigen Modells für makroskopische diffusionsbasierte molekulare Kommunikation auf Basis einer Suspension von Relays, d.h. einer großen Anzahl an Relays in einem insbesondere flüssigen Medium. Damit soll erstmals molekulare Kommunikation ohne aktiven Stofftransport auf Zentimeter- und Meterskala ermöglicht werden. Durch Verzicht auf aktiven Transport sollen Signalverzerrungen und damit Intersymbolinterferenz, wie sie beispielsweise bei laminarem Fluss auftritt, vermieden werden. Als biologisches Vorbild für die Relayzellen dienen Nervenzellen mit der Ausbildung eines Aktionspotentials und einer anschließenden Refraktärzeit, wobei eine sich ausbreitende Erregungswelle im Gewebe entsteht. Dabei sollen an einem abstrahierten Zellmodell die für eine Datenübertragung geeigneten bzw. optimalen Parameterbereiche bestimmt werden. Eine möglichst exakte Nachbildung der zellbiologischen Prozesse wird dagegen nicht angestrebt. Modellseitig wird ein stochastischer Ansatz verfolgt, bei dem die Stochastizität im Gegensatz zum Literaturstand in den zufällig verteilten Positionen der Relayzellen besteht, also den Quellen der sich überlagernden Diffusionsprozesse. Ferner soll der Einfluss des Rauschens der Molekülkonzentration und einer stochastischen Variation der Relayzellparameter untersucht werden. Anders als in bisherigen Ansätzen soll eine große Anzahl von Relayzellen betrachtet werden, was erst den Einsatz von Diffusion auf makroskopischen Distanzen erlaubt und den Übergang von einem Modell mit diskreten Relays zu einer Kontinuumsbetrachtung ermöglichen soll. Auf diese Weise soll die Übertragung eines ’1’-Symbols als Ausbreitung einer Erregungswelle im Medium erfolgen und damit neben aktivem Stofftransport und einem reinen Diffusionsprozess eine dritte Form der molekularen Datenübertragung bilden. Über die Analyse der Leistungsfähigkeit zur Datenübertragung in Abhängigkeit von den Systemparameter hinaus sollen Optionen zur Umsetzung des Modells in einen Versuchsaufbau diskutiert werden.

• DFG Programme: Sachbeihilfen