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Análisis e implementación en NS3 de un modelo de propagación difusivo para comunicaciones moleculares

Abstract:

En esta investigación se realiza el análisis e implementación en Network Simulator-3 (NS-3) de un Modelo de Propagación Difusivo (MPD) para Molecular Communications (MCs). El trabajo se realiza a partir de la recomendación dada en el estándar Isitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1906.1-2015, en donde se busca crear un marco de referencia para MCs. El estándar provee un módulo de simulación en NS-3, el cual contiene únicamente los componentes de la estructura general de una MC y su interacción entre ellos. Los componentes mencionados son Message Carrier, Motion, Field, Perturbation y Specifity. La investigación realizada se centra en cuatro aspectos: modulación, movimiento de las moléculas, Interferencia Inter Símbolos (ISI) y demodulación. Para la modulación se modifica el componente Perturbation, en donde se implementa la modulación por desplazamiento de concentración (Modulación por Desplazamiento de Concentración (CSK)), el cual libera un número determinado de moléculas dependiendo del bit transmitido. Con respecto al movimiento de las moléculas, se implementa el modelo matemático Browniano dentro de la componente Motion. Se considera dos tipos de Brownian Motion (BM), el simple y con deriva. El primero hace referencia a un movimiento molecular libre; y el segundo hace referencia a un movimiento influenciado por la dirección del fluido en el que se mueve. Por otro lado, el elemento fundamental en la simulación es el medium, el cual gestiona los componentes Motion y Field. En el medium se implementa la ISI. Esta interferencia considera las moléculas que se quedan moviendo en el medio y que llegan al receptor fuera de tiempo. Por último, para la demodulación se ha modificado el receptor, de tal forma que utilice la técnica de detección de moléculas por amplitud. Esta técnica demodula la información dependiendo del número de moléculas que hayan llegado en un tiempo determinado. Todo el proceso mencionado, es aplicado en cuatro escenarios. Se considera un BM libre, un BM con deriva, un BM libre delimitado por el medio y un BM con deriva delimitado por el medio. Adicional a las modificaciones realizadas, se implementó un modelo de obtención de datos para el análisis de los resultados, dónde se captura el movimiento de las moléculas y en caso de que lleguen al receptor se registra el tiempo. Como resultado, se obtiene el tren de pulsos de la concentración de moléculas en función del tiempo en el receptor. También, se obtiene el tiempo delay, la amplitud del número de moléculas, el ancho de pulso y la capacidad de canal en función de la distancia en el receptor. Además, se comparan los resultados obtenidos con una investigación realizada en N3Sim para validar los resultados. Finalmente, se valida que la concentración en el receptor utilizando el MPD implementado cumple con el modelo matemático establecido por segunda Ley de Fick