Data compression and run-length-limited ISI-mitigation (RLIM) coding for molecular communication

Abstract

Abstract: Molecular Communication (MC) enables information transfer at the nanoscale by encoding messages into sequences of released molecules, but its practical deployment is hindered by two fundamental constraints: the high cost of molecule releases and severe inter-symbol interference (ISI) arising from residual molecules in the diffusion channel. This thesis develops coding techniques to tackle each challenge. We first introduce source‐coding schemes that reduce both average code length and molecule usage. Building on an MC-adapted Huffman baseline (MoHuffman), we propose Optimized Molecular Prefix Coding (MoPC) to select a prefix codebook with minimal expected length and fewest number of 1-symbols. To push compression further, we derive Molecular Arithmetic Coding (MoAC) using an existing constrained arithmetic coding construction scheme and show its superior efficiency over substitution arithmetic coding (SAC), our different adaptation of arithmetic source coding to MC. Finally, we design Molecular Arithmetic with Prefix Coding (MoAPC) to ensure unique decodability under finite-precision arithmetic. Using two nucleotide alphabets, we then demonstrate that MoAPC has a better compression ratio than MoPC. Through MC simulations, the effectiveness of the proposed methods is also shown. To mitigate ISI at the channel coding level, we develop an infinite family of Run-Length-Limited ISI-Mitigation (RLIM) codes with a corresponding built-in error correction algorithm. We then demonstrate, via binomial and diffusion channel simulations, that RLIM codes reduce bit-error rate compared to prominent coding schemes. Together, these contributions lay a comprehensive foundation for reliable and efficient diffusion-based Molecular Communication.

Özet: Moleküler Haberleşme (MH), bilgi mesajlarını salınan molekül dizilerine kodlayarak nano ölçekte bilgi aktarımını mümkün kılar; ancak gerçek hayatta uygulanabilirliği, molekül salınımının yüksek maliyeti ve difüzyon kanalındaki zamanla biriken moleküllerden kaynaklanan şiddetli semboller arası girişim (ISI) olmak üzere iki temel kısıtlamayla engellenmektedir. Bu tez, her bir zorluğu ele alan kodlama teknikleri geliştirmektedir. Öncelikle ortalama kod uzunluğunu ve molekül tüketimini düşüren kaynak-kodlama şemaları tanıtıyoruz. MH'ye uyarlanmış Huffman temelli bir yöntem (MoHuffman) üzerinden, beklenen kod uzunluğunu en aza indiren ve "1" sembolü sayısını mümkün olduğunca azaltan Optimize Moleküler Önek Kodlama'yı (MoPC) öneriyoruz. Sıkıştırmayı bir adım daha ileri taşımak için, var olan bir kısıtlı aritmetik kodlama inşa yapısından yararlanarak Moleküler Aritmetik Kodlama'yı (MoAC) geliştiriyor ve bunun, aritmetik kaynak kodlamanın MH'ye farklı bir uyarlamamız olan Yerine Koymalı Aritmetik Kodlama'ya (SAC) göre üstün verim sunduğunu gösteriyoruz. Ayrıca, sonlu hassasiyetli aritmetikte benzersiz çözülebilirliği garanti altına almak amacıyla Önek Kodlamalı Moleküler Aritmetik Kodlama'yı (MoAPC) tasarlıyoruz. İki adet nükleotit alfabesi kullanarak MoAPC'nin MoPC'den daha yüksek sıkıştırma oranı sağladığını gösteriyoruz. Yaptığımız MH simülasyon sonuçları da önerdiğimiz yöntemlerin yararlılığını doğrulamaktadır. ISI'yı kanal kodlama katmanında hafifletmek için, Koşu Uzunluğu Sınırlı ISI-Azaltım (RLIM) sonsuz kod ailesini gömülü hata düzeltme algoritması ile birlikte geliştiriyoruz. Binom ve difüzyon kanalı simülasyonları, RLIM kodlarının öne çıkan diğer kodlama yöntemlerine kıyasla bit-hata oranını düşürdüğünü göstermektedir. Bütün bu katkılar, difüzyona dayalı Moleküler İletişim için güvenilir ve verimli bir temel oluşturmaktadır.