Perceptual shift keying : a novel modulation technique for odor-based molecular communication

Abstract

Abstract: Odor-based molecular communication (OMC) has emerged as an innovative paradigm with substantial potential across diverse application domains. This thesis introduces Odor Perceptual Shift Keying (OPSK), a novel modulation technique that encodes information by strategically shifting perceptual dimensions of odor molecules, such as pleasantness, intensity, and edibility. OPSK's effectiveness is theoretically demonstrated through comprehensive analyses of system parameters, yielding promising results in terms of bit error rate and symbol rate across distances ranging from millimeters to kilometers. To bridge theoretical advancements with practical realization, the development of a macro-scale experimental OMC end-to-end testbed was contributed to, facilitating odor transmission using Arduino-controlled odor reservoirs, air compressors, and precise airflow management within plexiglass channels, along with sensor-based detection at the receiver using a Bosch BME688 Development Kit. Furthermore, to illustrate potential practical applications, interplant communication was explored, demonstrating how plants interact through molecular signals and symbiotic relationships with mycorrhizal fungi. A novel architecture leveraging these natural interactions for energy harvesting via glucose extraction was proposed and validated through comprehensive analyses. Collectively, these contributions establish OPSK as a viable and versatile molecular communication method, significantly expanding the applicability of OMC systems in both engineered and natural contexts.

Özet: Koku tabanlı moleküler iletişim (Odor-Based Molecular Communication, OMC), çeşitli uygulama alanlarında önemli bir potansiyel taşıyan yenilikçi bir paradigma olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez, koku moleküllerinin hoşluk, yoğunluk ve yenilebilirlik gibi algısal boyutlarını değiştirerek bilgi kodlayan, yeni bir modülasyon tekniği olan Koku Algısal Kaydırmalı Anahtarlamayı (Odor Perceptual Shift Keying, OPSK) tanıtmaktadır. OPSK'nin etkinliği, sistem parametreleri üzerine yapılan kapsamlı analizler aracılığıyla teorik olarak gösterilmiş, bit hata oranı ve sembol oranı açısından milimetreden kilometrelerce mesafeye kadar umut verici sonuçlar elde edilmiştir. Teorik ilerlemeler ile pratik uygulamalar arasında köprü kurmak amacıyla, makro ölçekte uçtan uca bir deneysel OMC test düzeneğinin geliştirilmiştir. Bu test düzeneği, Arduino kontrollü koku rezervuarları, hava kompresörleri ve pleksiglas kanallar içinde hassas hava akışı yönetimi kullanılarak koku iletimine, alıcıda ise Bosch BME688 Geliştirme Kiti aracılığıyla sensör tabanlı algılamaya imkân tanımaktadır. Ayrıca, potansiyel uygulamaları göstermek amacıyla, bitkiler arası iletişim konusu incelenmiş ve bitkilerin moleküler sinyaller ve mikoriza mantarlarıyla kurdukları simbiyotik ilişkiler yoluyla nasıl etkileşimde bulundukları ortaya konmuştur. Bu doğal etkileşimleri kullanarak glikoz ekstraksiyonu yoluyla enerji elde etmeye yönelik özgün bir mimari önerilmiş ve kapsamlı analizlerle doğrulanmıştır. Bütün bu katkılar, OPSK tekniğini uygulanabilir ve çok yönlü bir moleküler iletişim yöntemi olarak konumlandırmakta, OMC sistemlerinin hem mühendislik hem de doğal bağlamlarda kullanım alanını önemli ölçüde genişletmektedir.