Modellierung, Entwurf, und Implementierung eines molekularen Kommunikationssystems

Neuartige Anwendungen in der Biologie, Nanotechnologie und Medizin erfordern Kommunikation zwischen Objekten und Maschinen mit Abmessungen im Nano- und Mikrometerbereich. Traditionelle auf Elektromagnetismus basierende Ansätze für den Entwurf von Kommunikationssystemen sind für solch kleine Größenordnungen nicht geeignet. In der Natur ist die Kommunikation zwischen Nano/Mikro-Objekten, wie z.B. Bakterien und anderen Zellen, weitverbreitet. Dabei kommen oft Signalmoleküle als Träger der Nachrichten zum Einsatz, so dass eine Art natürliches molekulares Kommunikationssystem entsteht. Diese Beobachtung hat Wissenschaftler dazu bewogen, Molekulare Kommunikation (MK) auch als Basis für technische Mikro-Kommunikationssysteme zu untersuchen, wobei Nano/Mikroknoten durch das Ausschütten und Detektieren von Signalmolekülen miteinander kommunizieren. Die in den letzten Jahren stetig wachsende Literatur auf diesem Gebiet beleuchtet hauptsächlich theoretische Aspekte und eine Testbed-Implementierung eines Mikro-MK-Systems wurde noch nicht berichtet. Deshalb ist eine experimentelle Verifizierung der bisher entwickelten Theorien und der dafür gemachten Annahmen nicht möglich. Außerdem sind die existierenden kommunikationstheoretischen Modelle für die Komponenten von MK-Systemen entweder zu kompliziert um nützlich für den Systementwurf zu sein, oder sie basieren auf stark vereinfachenden Annahmen, die die Gültigkeit der damit erzielten Ergebnisse in Zweifel ziehen. Darüberhinaus wurden grundlegende Aspekte wie Kanalschätzung und Detektion ohne Kanalzustandsinformation für MK noch nicht untersucht, sind aber unabdingbar für den Betrieb solcher Systeme. MK ist inhärent ein interdisziplinäres Forschungsgebiet. Einerseits ist Expertise in Kommunikationstheorie und Signalverarbeitung für den Entwurf der grundlegender Funktionalitäten eines MK-Systems, wie Modulation, Schätzung und Detektion, notwendig. Andererseits erfordern der Entwurf und die Implementierung der Komponenten eines MK-Systems Expertise in Chemie und Biologie. Um dem Rechnung zu tragen haben wir für dieses Projekt ein Team von Forschern mit Expertise in der Nachrichtentechnik (R. Schober), Signalverarbeitung (R. Rabenstein), Biochemie (A. Burkovski) und Synthetischen Biologie (H. Sticht) zusammengestellt. Diese kollektive Expertise wird genutzt um die folgenden vier Ziele umzusetzen:1) Entwicklung einfacher aber hinreichend exakter kommunikationstheoretischer Modelle für den Sender, Empfänger und Kanal eines MK-Systems.2) Entwurf neuer Detektions- und Kanalschätzverfahren für MK-Systeme. 3) Entwicklung des weltweit ersten Testbeds für Mikro-MK-Systeme.4) Experimentelle Verifizierung der entwickelten kommunikatonstheoretischen Modelle und Verfahren.

 

In Zusammenarbeit mit

Professor Dr. Andreas Burkovski, Ph.D. 
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Department Biologie
Lehrstuhl für Mikrobiologie

Professor Dr.-Ing. Robert Schober
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Lehrstuhl für Digitale Übertragung

Professor Dr. Heinrich Sticht
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Emil-Fischer-Zentrum
Institut für Biochemie
Professur für Bioinformatik

Deutsche Forschungsgemeinschaft