Modellierung, Entwurf, und Implementierung eines molekularen Kommunikationssystems - Phase 2: Medienmodulationsbasierte Molekulare Kommunikation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Andreas Burkovski, Ph.D.; Professorin Dr. Kathrin Castiglione; Professor Dr.-Ing. Robert Schober; Professor Dr. Heinrich Sticht
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290825040

Die molekulare Kommunikation (MK) ermöglicht über den Austausch von informationstragenden Signalpartikeln Nachrichtenübertragung in Umgebungen, in denen herkömmliche Kommunikationskonzepte, die auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen beruhen, versagen. Obwohl MK bei natürlichen Kommunikationssystemen weit verbreitet ist, befinden sich die Erforschung des Entwurfs und die experimentelle Verifizierung synthetischer MK-Systeme in einem sehr frühen Stadium. In der ersten Phase dieses Projekts wurden die Modellierung, das Design und die experimentelle Verifizierung von MK-Systemen erforscht und ein erstes biologisches Testbed erfolgreich demonstriert. Allerdings haben die bisher vorgeschlagenen MK-Systeme den wesentlichen praktischen Nachteil, dass die Signalpartikel vom Sender emittiert werden und daher für eine kontinuierliche Übertragung regelmäßig nachgefüllt werden müssen, was insbesondere in mikroskaligen und medizinischen Anwendungen schwierig oder gar unmöglich ist. Um diese Einschränkung zu vermeiden, soll in der zweiten Phase dieses Projekts das neue Konzept der Medienmodulation für MK untersucht werden. Bei der Medienmodulation überträgt der Sender seine Nachricht indem er die Eigenschaften bereits im Kanal vorhandener Signalpartikel ändert. Im einfachsten Fall können die Signalpartikel zwei verschiedene Zustände annehmen und die übertragene Information (z. B. Bit 0 oder 1) wird durch den Zustand repräsentiert.In diesem Projekt werden die Vor- und Nachteile medienmodulationsbasierter MK-Systeme untersucht. Zu diesem Zweck sollen zunächst analytische Modelle für solche Systeme entwickelt werden. Da die Praktikabilität und Eigenschaften der Medienmodulation von der Verfügbarkeit geeigneter Signalpartikel abhängen, werden drei verschiedene Realisierungsoptionen betrachtet, nämlich auf Phosphorylierung beruhende MK-Systeme als natürliches Beispiel für medienmodulationsbasierte MK, auf funktionalisierten Polymersomen beruhende MK-Systeme als geeignete synthetische Option und redoxbasierte MK-Systeme. Ausgehend von den jeweiligen analytischen Modellen werden entsprechende Modulations-, Detektions- und Schätzverfahren entwickelt. Um die vorgeschlagenen Modelle und Systementwurfskonzepte experimentell zu verifizieren, wird ein Testbed für polymersomenbasierte MK konzipiert und implementiert, wobei Polymersomen mit auf der Oberfläche immobilisierten photoschaltbaren grün fluoreszierenden Proteinen (GFP) als Signalpartikel dienen sollen.Die erwarteten Ergebnisse dieses Projekts umfassen: (1) allgemeine kommunikationstheoretische Modelle für medienmodulationsbasierte MK-Systeme, (2) neuartige Modulations-, Detektions- und Schätzverfahren für Medienmodulation, (3) das erste polymersomenbasierte MK-Testbed weltweit, (4) die simulative und experimentelle Verifikation von Medienmodulation sowie der entwickelten kommunikationstheoretischen Modelle und Systementwurfskonzepte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen