Schémas avancés de détection et de synchronisation pour les communications moléculaires

Advanced Detection and Synchronization Schemes for Molecular Communications

• Auteur / Autrice : Xuewen Qian
• Direction : Marco Di Renzo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, information et communications
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Jalel Ben Othman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lin Chen, Valeria Loscri, Yansha Deng, Trung Q. Duong
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lin Chen, Valeria Loscri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détection du signal

Détecteurs

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Communications moléculaires

Réseaux de neurones artificiels

Détecteur

K-Means

Synchronisation

Borne inférieure de Cramer-Rao

Molecular communications

Artificial neural networks

Detector

K-Means

Synchronization

Cramer-Rao lower bound

Résumé

Avec une capacité améliorée à manipuler la matière aux échelles nano et micro via des techniques biologiques et chimiques synthétiques, il existe de nouvelles opportunités pour relever des défis allant du diagnostic et du traitement des maladies à la protection de l'environnement. Un cadre clé pour développer ces outils est le nano-réseau, où les réseaux sont constitués de dispositifs à l'échelle nanométrique qui fonctionnent dans des environnements à l'échelle nanométrique à micrométrique et effectuent des tâches simples telles que la détection et l'actionnement. L'efficacité du nano-réseau dépend cependant fortement de la capacité des appareils à se coordonner entre eux. Les communications moléculaires ont été proposées comme moyen prometteur de coordination dans les nano réseaux. Dans les communications moléculaires, les informations entre les appareils sont échangées via des molécules qui sont respectivement émises et absorbées par l'émetteur et le récepteur. Les principes de base des communications moléculaires sont basés sur des aspects fondamentaux et interdisciplinaires qui englobent la physique, la chimie, la biologie, ainsi que d'autres domaines de recherche tels que la pharmacologie, la microfluidique et la médecine. Cependant, il existe plusieurs défis dans le développement de techniques de traitement du signal et de communication pour le codage et le décodage d'informations, ainsi que dans le développement d'implémentations pratiques pour les réseaux à l'échelle nanométrique et micro basés sur les communications moléculaires. Dans la présente thèse, nous abordons deux questions fondamentales qui concernent la conception et l'optimisation de la conception du récepteur, qui englobent la détection des données et la synchronisation temporelle. Plus précisément, nous proposons des algorithmes innovants qui ne nécessitent pas d'informations sur l'état des canaux et tiennent compte des interférences entre symboles. De plus, nous caractérisons leurs performances par des analyses mathématiques et des simulations numériques.

With an improved ability to manipulate the matter at the nano and micro scales via synthetic biological and chemical techniques, there exist new opportunities to address challenges ranging from disease diagnosis and treatment to environmental protection. A key framework to develop these tools is nano networking, where networks are made of nanoscale devices that operate in nano to micrometer scale environments and perform simple tasks such as sensing and actuation. The effectiveness of nano networking strongly depends, however, on the ability of the devices to coordinate among themselves. Molecular communications have been proposed as a promising means of coordination in nano networks. In molecular communications, the information between devices is exchanged via molecules that are emitted and absorbed by the transmitter and receiver, respectively. The basic principles of molecular communications are based on fundamental and interdisciplinary aspects that encompass physics, chemistry, biology, as well as other research areas including pharmacology, microfluidics, and medicine. However, there are several challenges in developing signal processing and communication techniques for encoding and decoding information, as well as developing practical implementations for nano and micro scale networks based on molecular communications. In the present thesis, we tackle two fundamental issues that are concerned with the design and optimization of the receiver design, which encompass data detection and time synchronization. More precisely, we propose innovative algorithms that do not necessitate channel state information and account for inter-symbol interference. In addition, we characterize their performance through mathematical analysis and numerical simulations.