Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết táng bất thường (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo, đồng nghiệp cùng cơ quan và các bạn khóa cao học 2016 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

PHAN TRẦN HÀ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

PHAN TRẦN HÀ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ MẠNG LIÊN LẠC PHÂN TỬ 3

1.1 Tổng quan về mạng liên lạc phân tử 3

1.1.1 Giới thiệu 3

1.1.2 Phân tử sinh học tự nhiên 3

1.1.3 Liên lạc phân tử trong hệ thống sinh học 6

1.2 Mô hình truyền thông phân tử 8

1.2.1 Tổng quan về mô hình truyền thông phân tử 8

1.2.2Mô hình truyền thông theo chuyển động Browni 11

1.2.3 Mô hình truyền thông có kết tán bất thường 17

1.2.3.1 Máy phát SN 18

1.2.3.2 Kênh 18

1.2.3.3 Máy thu 19

1.2.3.4 Thiết kế đầu thu tối ưu 22

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KÊNH THEO THUẬT TOÁN HUẤN LUYỆN TĂNG CƯỜNG 27

2.1 Giới thiệu 27

2.2 Mô hình đề xuất 27

2.3 Thuật toán huấn luyện sử dụng tối ưu hóa thông lượng 29

2.4 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 33

3.1 Mô tả hệ thống mô phỏng và các tham số hiệu năng quan trọng 33

3.2 Đánh giá ảnh hưởng độ tin cậy lên hệ thống 34

3.3 Đánh giá ảnh hưởng vận tốc trôi lên hệ thống 35

3.4 Đánh giá ảnh hưởng xác suất sự kiện xảy ra khuếch tán bất thường 37

3.4 Kết luận chương 39

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

4.1 Kết luận 40

4.2 Hướng phát triển 40

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

ATP Adenosine Triphosphate Hợp chất giàu năng lượng CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy

ISI Inter symbol Interference Nhiễu liên ký tự

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào – Nhiều đầu ra MISO Multiple Input Single Output Nhiều đầu vào – Một đầu ra

Ns Network state Trạng thái mạng

PDF Probability density function Hàm mật độ xác suất

SISO Single Input Single Output Một đầu vào – Một đầu ra

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phác thảo của một hệ thống truyền thông phân tử 4

kết hợp máy sinh học nano 4

Hình 1.2: Minh họa ba cách đơn giản để tạo ra một tín hiệu phân tử nhị phân 8

Hình 1.3: Một mô hình truyền thông phân tử 9

Hình 1.4: Mô hình kênh theo chuyển động Browni 11

Hình 1.5: Mô hình truyền thông với kết tán bất thường 17

Hình 1.6: Minh họa mô hình hệ thống, trong ví dụ này K = 3 18

Hình 1.7: Minh họa máy thu 21

Hình 2.1: Mô hình truyền thông với kết tán bất thường 27

Hình 3.1: Quy trình kiểm tra mô hình và thuật toán hệ thống đề xuất 33

Hình 3.2: Thông lượng với độ tin cậy 0.3 và 0.02 34

Hình 3.3: Thông lượng với độ tin cậy 0.5 và 0.9 35

Hình 3.4: Thông lượng với vận tốc trôi 0 m/s và 0.1 m/s 36

Hình 3.5: Thông lượng với vận tốc trôi 0.15 và 0.2 37

Hình 3.7: Thông lượng với pE = 0.7 và 0.8 39

MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt trong công nghệ mạng di động tế bào và mạng cảm biến không dây với số lượng người dùng ngày càng tăng, nhưng mạng có nhược điểm là các thiết bị phải đảm bảo chất lượng tín hiệu xuyên suốt, sử dụng hiệu quả phổ tần đã được cấp phép, tiết kiệm năng lượng

Từ những nguyên nhân trên, các nhà khoa học và giới công nghiệp trên thế giới đang nghiên cứu và tìm hiểu các hình thức truyền thông mới, trong đó nổi bật lên là mạng truyên thông phân tử, nó có ưu điểm tận dụng các quá trình hóa sinh trong tự nhiên mà không cần quan tâm đến phổ tần và mức năng lượng sử dụng trong mạng

ít ảnh hưởng đến môi trường và con người

Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên mô hình mạng truyền thông phân tử ở mức độ hạn chế, trong đó phân tử chuyển động ở điều kiện lý tưởng theo chuyển động Browni và số lượng máy phát và máy thu đơn giản Vì vậy, thực tiễn đòi hỏi phải có sự kết hợp nhiều số lượng máy phát và các phân tử truyền có thể thích ứng được các môi trường chuyển động khác nhau

Chính vì những yêu cầu cấp thiết trên, trong luận văn này sẽ giới thiệu đề tài mới

“Nghiên cứu mạng liên lạc phân tử với kết tán bất thường” bằng việc đưa ra một

mô hình truyền thông mới và sử dụng được trong môi trường kết tán bất thường xảy

ra, để giải quyết các yêu cầu thực tiễn đòi hỏi hiện nay

Luận văn sẽ được cấu trúc với các chương như sau

Chương 1: Tổng quan về mạng liên lạc phân tử

Nội dung chương 1, luận văn sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về mạng liên lạc phân tử, lịch sử phát triển, ứng dụng thực tế và mô hình truyền thông đang được nghiên cứu phổ biến

Chương 2: Nghiên cứu mô hình kênh theo thuật toán huấn luyện tăng cường

Nội dung chương 2, ta nghiên cứu mô hình kênh khi có khuếch tán bất thường xảy ra trong môi trường nhất định, đề xuất thuật toán huấn luyện để cho các phân tử

từ phía phát truyền đến phía thu là lớn nhất, từ đó tăng tốc độ truyền dẫn của kênh

Chương 3: Mô phỏng và kết quả

Chương này sử dụng mô phỏng Monte-Carlo và mô hình thuật toán huấn luyện

để xem xét các tham số tối ưu thông lượng mạng trên phân mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ thống

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Chương này nêu các vấn đề luận văn đã làm được và đề xuất hướng phát triển của luận văn

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ MẠNG LIÊN LẠC PHÂN TỬ

1.1 Tổng quan về mạng liên lạc phân tử

1.1.1 Giới thiệu

Về mặt lịch sử, các kỹ sư truyền thông đã xử lý các hình thức truyền thông điện từ: trong truyền thông đường dây đồng, các điện trường di chuyển dòng xuống dây; trong truyền thông vô tuyến, sóng điện từ phổ tần số vô tuyến truyền qua không gian trống; trong truyền thông sợi quang, bức xạ điện từ trong phổ nhìn thấy đi qua các sợi thủy tinh Tuy nhiên, luận văn này liên quan đến một hình thức giao tiếp hoàn toàn khác: truyền thông phân tử [1], trong đó các thông điệp được thực hiện dưới dạng các phân tử Như chúng ta sẽ thấy trong chương này, các hệ thống truyền thông phân tử có nhiều hình thức Ví dụ, các phân tử mang thông điệp có thể truyền qua môi trường lỏng thông qua chuyển động đơn giản của Brownian, hoặc chúng có thể được vận chuyển bằng động cơ phân tử; Thông điệp có thể được chuyển tải về

số lượng và thời gian của các phân tử không rõ ràng, hoặc tin nhắn có thể được ghi trực tiếp vào phân tử (như DNA); Các đặc tính nano của từng phân tử có thể rất quan trọng, hoặc chỉ có các tính chất vĩ mô của chúng (như nồng độ)

Truyền thông phân tử là phương pháp truyền thông chủ yếu giữa các vi sinh vật, bao gồm các tế bào trong cơ thể người Trong thập kỷ qua, truyền thông phân tử mới được nghiên cứu trong các tài liệu kỹ thuật hiện đại Mục tiêu ở chương này là giới thiệu phương pháp truyền thông phân tử một cách khái quát rõ ràng nhất và các

mô hình truyền thông đang được nghiên cứu hiện nay

1.1.2 Phân tử sinh học tự nhiên

Truyền thông phân tử là một giải pháp sinh học lấy cảm hứng cho vấn đề truyền thông Giao tiếp này có thể được thiết kế theo hai cách: thứ nhất, một thiết bị hoàn toàn nhân tạo có thể được thiết kế để giao tiếp bằng cách sử dụng các phân tử tín hiệu ở [1]; và thứ hai, khả năng truyền thông phân tử hiện có của một vi sinh vật thiết kế (ví dụ, một vi khuẩn với DNA tùy chỉnh) có thể được sử dụng ở [2] Đáng chú ý, cả hai robot nano và vi khuẩn nhân tạo đều nằm trong khả năng của công

nghệ hiện đại [3] Do đó kỹ thuật truyền thông nano, như truyền thông phân tử, là cần thiết để cho phép hợp tác và mở ra tiềm năng phát triển của các hệ thống này Máy sinh học nano [1] có thể được định nghĩa như sau:

•Nguyên vật liệu: Một máy nano sinh học được làm bằng các vật liệu sinh học (ví

dụ, protein, axit nucleic, liposome, tế bào sinh học) hoặc lai các vật liệu sinh học và phi sinh học

•Kích thước: Kích thước nanô-sinh học có kích thước từ kích thước phân tử đến

kích thước điển hình của tế bào sinh học (~ 100 μm)

• Chức năng: Một chức năng của máy nano sinh học được giới hạn trong tính toán

đơn giản (ví dụ, tích hợp hai loại tín hiệu đầu vào để tạo ra một tín hiệu đầu ra), cảm nhận đơn giản (ví dụ chỉ cảm nhận một hoặc hai loại phân tử) và hoạt động đơn giản (ví dụ, Chuyển động)

Hình 1.1 cho biết tổng quan về hệ thống truyền thông phân tử liên quan đến thiết bị sinh học nano Trong truyền thông phân tử, thông tin được mã hóa vào các phân tử (và được giải mã) chứ không phải là các điện tử hoặc sóng điện từ Thứ nhất, một nguồn thông tin tạo ra thông tin để mã hóa các phân tử và kích hoạt một nhóm các máy sinh học nano sinh ra để bắt đầu truyền các phân tử mã hoá thông tin Các phân tử mã hoá thông tin sau đó truyền lên trong môi trường và được phát hiện bởi một nhóm máy thu sinh học nano Những máy sinh học nano nhận có thể chuyển các phân tử đến các máy sinh học nano kế tiếp hoặc có thể đưa chúng tới một bộ giải mã thông tin để giải mã

Hình 1.1: Phác thảo của một hệ thống truyền thông phân tử

kết hợp máy sinh học nano

Lĩnh vực công nghệ nano thường được bắt nguồn từ nhà vật lý đoạt giải Nobel - Richard Feynman, và bài giảng nổi tiếng vào năm 1959 của ông cho Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ, có tựa đề “Có rất nhiều thứ ở phía dưới” [1] Feynman lập luận rằng các định luật vật lý cho phép các thiết bị rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với công nghệ hiện đại đã có thể sản xuất Từ năm 1959, tầm nhìn của Feynman về sự thu nhỏ cực đại

đã được thực hiện trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như mạch tích hợp và kính hiển

vi Hơn nữa, các lĩnh vực nghiên cứu mới, chẳng hạn như các hệ thống cơ điện cực nhỏ, đã được sinh ra để mở rộng sự thu nhỏ này thành robot học [4]

Trong khi đó, từ lâu người ta đã nhận ra rằng các vi sinh vật, bao gồm cả tế bào

và vi khuẩn, thu được thông tin từ môi trường của chúng bằng cách thu thập các chất hoá học được gửi đi bởi hàng xóm của chúng Một ví dụ đơn giản là cảm giác túc số, trong đó vi khuẩn gửi các thông điệp phân tử đến nhau để ước lượng quần thể; Vi khuẩn có thể hành động dựa trên ước tính này, chẳng hạn như hình thành một vùng lãnh địa hoặc tìm kiếm một số lượng lớn các loài của chúng Hơn nữa, các phương tiện mà các tế bào gửi tin nhắn đến nhau và kiểm soát hành vi của những tế bào khác là một khu vực nghiên cứu tốt về sinh học được gọi là báo hiệu

tế bào

Với sự nghiên cứu kéo dài hàng thập kỷ của các nhà khoa học, lịch sử truyền thông phân tử cũng có nhiều đặc điểm riêng biệt nổi bật

Thiên nhiên đã phát triển các dạng nano sinh học khác nhau - các thiết bị quy

mô nhỏ gồm các phân tử sinh học phản ứng hóa học Đơn giản chỉ cần được gọi là máy sinh học nano [1], chúng bao gồm các phân tử được tìm thấy nhiều trong các sinh vật sống, chẳng hạn như carbohydrate, lipid, protein và axit nucleic Chúng nằm trong khoảng nano mét tới khoảng micro mét và do đó không nhìn thấy được bằng mắt người Chúng là những cỗ máy có khả năng tương tác sinh hóa với các phân tử, một số ví dụ về máy nano sinh học bao gồm: các phân tử protein xúc tác phản ứng hóa học (tức là các enzyme), điều hoà dòng chảy của các phân tử (các kênh vận chuyển) hoặc tạo ra chuyển động sử dụng năng lượng hóa học (các protein vận động); Các phân tử deoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic acid (RNA) chứa

thông tin di truyền; Các túi nhỏ trung gian vận chuyển các phân tử protein trong tế bào; Và virut xâm nhập tế bào sinh học để nhân rộng Các máy sinh học nano được

mở rộng tới các tế bào di động cung cấp các chức năng cụ thể bên trong tế bào và thậm chí toàn bộ các tế bào được tạo ra từ hàng tỷ máy nano sinh học, có khả năng tương tác với nhiều phân tử trong môi trường

Một máy sinh học nano đơn có thể được xem như một đơn vị chức năng tương tác với các tín hiệu phân tử Máy sinh học nano có thể phản ứng với tín hiệu đầu vào bằng cách truyền tín hiệu đầu ra, thay đổi trạng thái nội bộ của nó, hoặc sửa đổi chức năng của nó Ví dụ, một enzym, một chất xúc tác phản ứng hóa học, phản ứng với các phân tử chất nền cụ thể bằng cách tạo ra các phân tử sản phẩm Một phân tử DNA, đã lưu trữ thông tin di truyền, đáp ứng các tín hiệu phân tử trong tế bào bằng cách thay đổi trạng thái của nó bằng cách chuyển đổi và tắt các gen đặc biệt Một tế bào gốc, một tế bào sinh học được tìm thấy trong tất cả các sinh vật đa bào, phản ứng với các tín hiệu phân tử trong môi trường bằng cách phân biệt thành các tế bào chuyên biệt với các chức năng đặc biệt (ví dụ, tế bào cơ)

1.1.3 Liên lạc phân tử trong hệ thống sinh học

Ta muốn một hệ thống truyền thông phân tử hoạt động cần phải có những yêu cầu cụ thể làm nền tảng để hệ thống hoạt động ổn định

Thứ nhất, ta cần phải rõ ràng định nghĩa "giao tiếp" Tôi tập trung vào truyền thông nhân tạo, nơi mà một thông điệp nhân tạo cần phải được chuyển tải từ điểm này đến điểm khác Một thông điệp có thể được rời rạc (như một dãy bit, như trong một gói tin IP), hoặc liên tục (như một dạng sóng tương tự, như trong AM radio), nhưng bây giờ, ta sẽ giả định rằng thông điệp là rời rạc Trong hình thức truyền thông đơn giản nhất, có hai đầu cuối: một máy phát, gửi tin nhắn; và một máy thu, nhận được tin nhắn Cho đến nay, điều này là chung cho tất cả bất kỳ hệ thống truyền thông điểm-điểm nào, không chỉ thông tin liên lạc phân tử mà còn có thể được khái quát hóa: trong một thiết lập mạng, có thể có nhiều người gửi và người nhận, và một thiết bị đầu cuối có thể là cả người gửi và người nhận tin nhắn khác nhau

Để truyền đạt, máy phát tạo ra một thay đổi thể chất đối với môi trường của nó,

và sự thay đổi đó phải đo được ở người nhận Một lần nữa, điều này đúng với bất kỳ

hệ thống truyền thông nào: ví dụ, máy phát không dây tạo ra trường EM thay đổi dọc theo một ăng-ten, có thể được phát hiện trong một ăng-ten tại máy thu Tuy nhiên, trong truyền thông phân tử, sự thay đổi phải là phân tử: máy phát giải phóng các phân tử thành một môi trường chia sẻ, nó truyền đến (và được phát hiện bởi) máy thu

Để chuyển tải các thông điệp riêng biệt, mỗi thông điệp có thể liên quan đến tín hiệu phân tử: một mô hình phân tử duy nhất cho mỗi thông điệp có thể phân biệt được ở người nhận Hơn nữa, phải có một cách để người nhận quyết định gửi tin nhắn nào, dựa trên tín hiệu mà nó đo được Ví dụ, giả sử chúng ta muốn gửi một thông điệp bao gồm một bít, 0 hoặc 1 Ta có thể làm điều này bằng nhiều cách, nhưng dưới đây là ba khả năng [1]:

• Điều chế với số lượng: Giả sử chúng ta có n 0 phân tử có sẵn ở máy phát Chúng ta có thể gửi bít 0 bằng cách giải phóng các phân tử bằng không, hoặc bít 1 bằng cách giải phóng n phân tử Nếu người nhận, nhận thấy 0 phân tử, nó có thể kết luận rằng bít 0 đã được gửi; Nếu ta quan sát được ít nhất một phân tử, nó có thể kết luận rằng bít 1 đã được gửi đi

• Điều chế với nhận dạng: nghĩa là ta có hai loại phân tử có sẵn ở máy phát, A

và B (nơi người nhận có thể phân biệt A từ B) Ta có thể gửi một bít 0 bằng cách giải phóng phân tử A, hoặc bít 1 bằng cách giải phóng phân tử B Người nhận sẽ quyết định bít 0 hoặc bít 1 nếu nó quan sát thấy A hoặc B, tương ứng

• Điều chế với thời gian: nghĩa là ta có một phân tử duy nhất có sẵn ở máy

phát Chúng ta có thể gửi bít 0 bằng cách giải phóng phân tử đó ngay bây giờ, hoặc chúng ta có thể gửi bít 1 bằng cách đợi t 0giây trước khi giải phóng phân tử Người nhận sẽ quyết định xem bít 0 hoặc bít 1 đã được gửi bằng cách đo thời gian đến của phân tử

Ví dụ đơn giản, được minh họa trong Hình 1.2, đóng gói rất nhiều kỹ thuật chung mà tôi sẽ mô tả trong suốt chương này Ví dụ, generalizing [1] là một tín hiệu

số lượng, hoặc ta có thể thao tác các nồng độ của các phân tử trong môi trường có nhiều "thành phần sinh học" tồn tại để phát và nhận các phân tử mang tin báo Kết quả là các hệ thống truyền thông phân tử thường dựa vào sinh học là chủ yếu

Hình 1.2: Minh họa ba cách đơn giản để tạo ra một tín hiệu phân tử nhị phân

Chúng ta cũng thấy rằng việc truyền các phân tử từ máy phát đến máy thu phải diễn ra thông qua khuếch tán [1], [4] và [5]: điều này có thể được xem như chuyển động Browni rời rạc, đối với một số lượng nhỏ các phân tử; hoặc sự khuếch tán liên tục, đối với một số lượng lớn các phân tử Sau đó, ta sẽ thấy rằng sự khuếch tán là một nguồn bóp méo và hạn chế đáng kể đối với các hệ thống truyền thông phân tử:

ví dụ, chuyển động của Browni rời rạc có thể làm cho các phân tử mang tin báo bị mất, hoặc các phân tử mất một thời gian dài khó xác định; Hoặc là, sự khuếch tán liên tục là một tiến trình rất chậm, làm hạn chế tốc độ truyền thông tin

1.2 Mô hình truyền thông phân tử

1.2.1 Tổng quan về mô hình truyền thông phân tử

Yêu cầu bắt đầu trong nghiên cứu truyền thông phân tử là tổng hợp các quy trình truyền thông và phát triển một mô hình cơ bản của truyền thông phân tử Một loạt các thiết kế và cơ chế truyền thông phân tử xuất hiện trong các hệ thống sinh học (ví dụ, các tế bào sinh học tự nhiên truyền thông qua việc truyền các phân tử khuếch tán, các vật liệu vận chuyển bằng protein nano bằng cách tự truyền lên các

sợi filament) Việc khai thác các hệ thống truyền thông phân tử tự nhiên có thể giúp xác định các thành phần và quy trình chính và cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và phân tích các hệ thống truyền thông phân tử

Mô hình cơ bản của truyền thông phân tử có thể được mô tả dựa trên mô hình truyền thông của Shannon (Hình 1.3) Nó bao gồm các thành phần hoạt động như các phân tử thông tin đại diện cho thông tin (hoặc một thông điệp) được truyền đi, phía gửi có máy tạo sinh học nano giải phóng các phân tử thông tin, nơi nhận có máy sinh học nano phát hiện các phân tử thông tin và môi trường, trong đó các phân

tử thông tin lan truyền từ phía gửi đến nơi nhận Nó cũng có thể bao gồm các loại máy nano sinh học đặc biệt khác có chức năng như các phân tử vận chuyển để di chuyển các phân tử thông tin, hướng dẫn các phân tử hướng chuyển động của các phân tử vận chuyển, các phân tử giao diện cho phép một phân tử vận chuyển phân loại các phân tử thông tin một cách có chọn lọc và giải quyết các phân tử, gắn với các phân tử thông tin hoặc các phân tử giao diện để chỉ định máy thu sinh học nano

Hình 1.3: Một mô hình truyền thông phân tử

Các quá trình truyền thông chung bao gồm: (1) mã hóa thông tin vào một phân tử thông tin của phía gửi máy sinh học nano, (2) gửi phân tử thông tin vào môi trường, (3) sự truyền lan của phân tử thông tin qua môi trường, (4) (5) giải mã phân tử thông tin thành một phản ứng hóa học tại máy thu nhận sinh học nano:

(1) Mã hóa: là quá trình trong đó một người gửi chuyển thông tin (hoặc một

thông điệp) thành các phân tử thông tin mà người nhận máy sinh học-nano có thể phát hiện được Thông tin có thể được mã hoá dưới nhiều hình thức khác nhau trong các phân tử thông tin, chẳng hạn như trong cấu trúc ba chiều của phân tử thông tin [1], trong các phân tử cụ thể tạo thành các phân tử thông tin (ví dụ DNA được hình thành) hoặc ví dụ như số lượng các phân tử thông tin trên một đơn vị thể tích của các phân tử dung môi được điều biến theo thời gian (ví dụ, một nơ-ron có thể tạo ra đột biến neurotransmitter ở một tần số nhất định) [1]

(2) Gửi: là quá trình mà phía gửi - máy sinh học nano giải phóng các phân tử

thông tin vào môi trường Một máy sinh học nano có thể giải phóng các phân

tử thông tin bằng các phân tử thông tin không bắt buộc từ người gửi (ví dụ như bằng cách nảy bọt khí nếu nơi gửi là một tế bào sinh học) hoặc bằng cách

mở một cửa phân tử thông qua đó các phân tử thông tin khuếch tán đi (ví dụ, bằng cách mở một kênh ion trên màng của phía gửi) [1] Một máy sinh học nano cũng có thể xúc tác một phản ứng hóa học tạo ra các phân tử thông tin ở nơi khác

(3) Sự lan truyền: là quá trình trong đó các phân tử thông tin di chuyển từ phía

gửi thông qua môi trường đến nơi nhận Một phân tử thông tin có thể khuếch tán thụ động qua môi trường mà không sử dụng năng lượng hóa học, hoặc tích cực truyền bá, ví dụ bằng cách sử dụng một phân tử vận chuyển (ví dụ như một protein động cơ) tiêu thụ năng lượng ATP [1] Trong quá trình nhân giống, một phân tử giao diện cũng có thể là cần thiết để bảo vệ các phân tử thông tin khỏi nhiễu trong môi trường Ví dụ, một phân tử thông tin có thể được chứa trong một phân tử giao diện dựa trên chất lỏng và lan truyền qua môi trường, vỏ phân tử giúp ngăn ngừa các phân tử thông tin phản ứng hóa học với các phân tử khác bên ngoài túi [3]

(4) Nhận: là quá trình mà máy thu nhận sinh học nano, nhận được các phân tử

thông tin truyền lên trong môi trường Một lựa chọn đầu cho một máy thu

nano sinh học để nắm bắt các phân tử thông tin là có một cấu trúc bề mặt thấm qua các phân tử thông tin Ví dụ, màng tế bào của một tế bào sinh học

có thể thấm qua một số loại phân tử tín hiệu, và do đó các phân tử tín hiệu lan truyền trong môi trường có thể vào tế bào và trực tiếp liên kết với các thụ thể bên trong tế bào [1] Một lựa chọn thứ hai là sử dụng các thụ thể bề mặt có khả năng gắn kết với một loại phân tử thông tin cụ thể và gây ra các phản ứng

ở bề mặt, gây ra các phản ứng trong máy thu sinh học nano [6] Tuy nhiên, một lựa chọn khác là sử dụng các kênh bề mặt (ví dụ, các kênh cổng hóa học) cho phép các phân tử thông tin trong môi trường chảy vào máy thu sinh học nano [6]

(5) Giải mã: là quá trình trong đó máy thu nhận sinh học-nano, khi thu được các

phân tử thông tin, phản ứng với các phân tử Các phản ứng hóa học để giải

mã có thể dẫn đến việc tạo ra các phân tử mới (ví dụ, thông qua phản ứng enzym), tạo ra chuyển động, thay đổi hình thái của máy thu sinh học nano và thay đổi chức năng hóa học [2] Nếu một phân tử mới được tạo ra và thải ra môi trường, nơi nhận máy sinh học-nano sẽ hoạt động với vai trò là phía gửi, dẫn đến việc truyền thông phân tử đa bước

1.2.2 Mô hình truyền thông theo chuyển động Browni

Ta có một mô hình kênh như hình 1.4:

Hình 1.4: Mô hình kênh theo chuyển động Browni

Một phân tử từ phía phát, khuếch tán tự do trong chất lỏng cho đến khi nó đến

máy thu Kể từ khi chuyển động là quá trình ngẫu nhiên, sự xuất hiện của phân tử

xảy ra ở một thời gian ngẫu nhiên, thời gian lan truyền ngẫu nhiên, được gọi là thời

gian đến đầu tiên, đây là một nguồn đáng kể biến dạng cho hầu hết mọi mạng phân

tử

Máy phát Tx, phát ra các phân tử m ở lần x[ ,x x1 2, ,x m] và các phân tử này lần

đầu xuất hiện vào các thời điểm y[ ,y y1 2, ,y m] Với phân tử xi, thời gian đến yi

ở đó n : là thời gian lan truyền đến đích đầu tiên i

Giả sử: x xuất hiện tương ứng với i y đến Nếu các phân tử không thể phân biệt i

được, các hàng đến có thể xảy ra theo một thứ tự khác, không rõ bên nhận

Bên phát liên lạc bằng cách chọn các vectơ khác x của thời gian mở Sau đó, bên

thu phải phân biệt x đã được gửi bằng cách quan sát thời điểm hỏng của y Điều

này được thực hiện bằng cách tính toán sự phân bố có điều kiện f Y X| ( | )y x , sự phân

bố các đầu ra cho các đầu vào

Ta coi n là thời gian lan truyền ngẫu nhiên cho mỗi phân tử riêng lẻ có thể xem i

như là nhiễu trắng Gọi f N( )n đại diện cho sự phân bố thời gian đến đầu tiên, sau

đó giả sử các phân tử có thể phân biệt, do đó đầu ra yi tương ứng với đầu vào xi,

hàm pdf của yi cho xi được viết là:

Ví dụ: Một mạng liên lạc phân tử được thiết kế để truyền một bit đơn, x đại diện

cho thời gian giải phóng một phân tử Trong đó: x = 0s tương ứng bít “0”; x = 60s

x y

  

  

Chọn bit 1 vì có xác suất cao hơn, khi đóP err 0,136

● Tính xác suất lỗi và dung lượng kênh

Từ mô hình ở Hình 1.2 ta xây dựng ý tưởng:

- Bộ truyền hoàn toàn kiểm soát vị trí ban đầu và thời gian giải phóng phân tử

- Máy thu (Rx) hoàn toàn đo thời gian đến và vị trí của phân tử khi lần đầu tiên đến máy thu

- Ở lần đầu tiên đến của phân tử, máy thu hấp thụ các phân tử và loại bỏ nó khỏi

hệ thống

Gọi x[ , , ,x x1 2 x m] chứa 1 vectơ thời gian giải phóng phân tử, một phân tử khó bị biến dạng, được giải phóng ở x ,1 1 phân tử được giải phóng ở x …(nếu 2

không có tổn thất, ta có thể giả sử x được sắp xếp theo thứ tự tăng dần)

Gọi n là 1 vectơ của các lần đến đầu tiên của chuyển động Browni độc lập, được phân bố đồng nhất, thì người quan sát tất cả các phân tử của x n Tuy nhiên, máy thu không quan sát yếu tố này theo thứ tự mà bên phát đã gửi, mà nó quan sát chúng theo thứ tự đến, nghĩa là bên thu quan sát vectơy:

( )

Ở đây hàm sort sắp xếp các vectơ theo thứ tự tăng dần vì phải đối phó trường hợp vectơ x , y có thể có 1 phân tử được giải phóng ở thời điểm x có đến trước ở 1

vị tríy hoặc ở cuối vị trí 1 y (hay bắt cứ vị trí nào) Kết quả, kênh không còn độc n

lập với nhau, kênh này có nhớ Nên ta cần tìm hàm pdf đa biến f Y X| ( | )y x , thể hiện các xác suất đầu vào, đầu ra dưới dạng vectơ Gọi F F i j,  biểu diễn ma trận n n , trong đó:

Ở đây argMaxx đưa ra các đối số x tối đa các biểu thức (như trái ngược max,

cho giá trị lớn nhất) Bằng xem xét, ( )

MAP y

x



là lời giải thích có thể xảy ra nhất cho

x khi quan sát đượcy

Ta viết lại xác suất lỗi như sau:

● Dung lượng: ta có x đại diện cho 1 biến ngẫu nhiên rời rạc có giá trị với hàm pmg p X( )x Entropy của x viết là H x( ) được cho bởi:

2

1( ) ( ) log

Lưu ý: pdf ngoài biểu thức loglà pdf chung, không phải pdf có điều kiện Từ đó:

- Thông tin lẫn nhau giữa x và y viết là I X Y( , ) có thể viết bằng ba cách:

1( | ) ( ) ( ) log

Thay thế n  – y x và để cho H N đại diện cho entropy của sự phân bố thời  

gian đến đầu tiên, ta có ( ) ( ) log2 1 ( ) ( ) ( )

1.2.3 Mô hình truyền thông có kết tán bất thường

Hình 1.5: Mô hình truyền thông với kết tán bất thường