Transceiver architectures and physical layer techniques for unconventional communications in the internet of everything

Abstract

This thesis explores the emerging Internet of Everything (IoE) framework, a transformative paradigm in Information and Communication Technologies (ICT) that extends human connectivity beyond traditional boundaries. The IoE conceptualizes a comprehensive network architecture that mirrors the complexity of interconnected systems in nature, integrating a diverse array of ICT technologies across different scales and environments. This advancement presents numerous opportunities but also poses significant challenges, particularly in aligning communication technology with the IoE's complex and dynamic nature. The thesis considers the challenges and the solutions at the physical layer/device level linked to unconventional communications essential for realizing the IoE. It focuses on two emerging communication paradigms: Molecular communications (MC) and Terahertz (THz)-band communications. These paradigms are key to expanding beyond the limitations of existing networks and are instrumental in actualizing the IoE. A comprehensive exploration is conducted into the challenges and potential solutions associated with these unconventional communications. The thesis first introduces the universal IoE transceiver, a novel device concept for integrating heterogeneous networks within the IoE framework. It discusses transceiver architectures based on graphene and related materials, which are promising for unconventional communication modalities, especially in the context of the Internet of Bio-Nano Things (IoBNT), an emerging subset of the IoE. The thesis further investigates advanced physical layer techniques for practical MC systems and explores effective solutions for facilitating THz-band communication in space. These in-depth studies aim to enhance connectivity and communication on a universal scale, shaping the future landscape of the IoE. The work presented provides pathways toward mitigating the complexities inherent in unconventional communications, thereby contributing to the advancement of IoE technologies.

Bu tez, insan bağlantısını geleneksel sınırların ötesine taşıyan Bilgi ve İletişim Teknolojilerinde (BİT) dönüştürücü bir yaklaşım olan, gelişmekte olan Her Şeyin İnterneti (IoE) çerçevesini incelemektedir. IoE, doğadaki birbirine bağlı sistemlerin karmaşıklığını yansıtan, farklı ölçeklerde ve ortamlarda çeşitli BİT teknolojilerini entegre eden kapsamlı bir ağ mimarisini kavramsallaştırmaktadır. Bu ilerleme çok sayıda fırsat sunmakla birlikte, özellikle iletişim teknolojisini IoE'nin karmaşık ve dinamik doğasıyla uyumlu hale getirme konusunda önemli zorluklar da ortaya çıkarmaktadır. Tez, IoE'nin gerçekleştirilmesi için gerekli olan geleneksel olmayan iletişimle bağlantılı fiziksel katman ve cihaz seviyesindeki zorlukları ve olası çözümleri ele almaktadır. Gelişmekte olan iki iletişim paradigmasına odaklanmaktadır: Moleküler iletişim (MC) ve Terahertz (THz) bandı iletişimi. Bu paradigmalar, mevcut ağların sınırlamalarının ötesine geçmenin anahtarıdır ve IoE'nin hayata geçirilmesinde etkilidir. Bu geleneksel olmayan iletişimlerle ilgili zorluklar ve potansiyel çözümler hakkında kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Tezde ilk olarak IoE çerçevesinde heterojen ağları entegre etmek için yeni bir cihaz konsepti olan evrensel IoE alıcı-vericisi tanıtılmaktadır. Özellikle IoE'nin gelişmekte olan bir alt kümesi olan Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (IoBNT) bağlamında, geleneksel olmayan iletişim modaliteleri için umut verici olan grafen ve ilgili malzemelere dayalı alıcı-verici mimarilerini tartışmaktadır. Tez ayrıca pratik biyosensör tabanlı MC sistemleri için gelişmiş fiziksel katman tekniklerini araştırmakta ve uzayda THz-bant iletişimini kolaylaştırmak için etkili çözümler araştırmaktadır. Bu derinlemesine çalışmalar, IoE'nin gelecekteki manzarasını şekillendirerek evrensel ölçekte bağlantı ve iletişimi geliştirmeyi amaçlamaktadır. Sunulan çalışma, geleneksel olmayan iletişimin doğasında var olan karmaşıklıkları azaltmaya yönelik yollar sunmakta ve böylece IoE teknolojilerinin ilerlemesine katkıda bulunmaktadır.