Long-Lasting Nanoscale Wireless Communications with Energy-Harvesting

The advance of nanotechnologies recently promoted the development of nanodevices enabling promising applications in different fields. Given the restricted size of nano-devices, the scientific literature introduced two novel communication paradigms for their interaction: terahertz band communications and molecular communications. However, the design of long-lasting transmission schemes (i.e., supported by renewable energy sources) in this context still represents an open research topic. In the last years, piezoelectric nanogenerators emerged as a turning point in the design of energy-aware and energy harvesting transmission schemes at the nanoscale. Accordingly, this thesis considers their adoption in electromagnetic communications in the terahertz band and in diffusion-based molecular communications, proposing power control strategies based on feedback control theory. Here, the transmission power is dynamically set proportionally to the available energy budget by using a closed-loop control scheme. Furthermore, concerning the diffusion-based molecular communications, this thesis proposes a novel methodology for optimally tuning the number of molecules to release on a per-frame basis, while guaranteeing the simplicity of the transmission process, energy constraints and target Bit Error Rate values. To this end, the thesis also formulates an optimization problem willing to minimize an objective function depending on the available energy budget and the number of enqueued packets. Computer simulations are used to validate the formulated analytical models, depict the behavior of the proposed approaches in conceivable scenarios, and demonstrate the unique ability of the conceived approaches to ensure the expected performance level.

Il progresso tecnologico innescato dalle nanotecnologie ha recentemente promosso lo sviluppo di nanodispositivi che abilitano differenti nuove promettenti applicazioni in diversi campi. Data la dimensione limitata dei nano-dispositivi, la letteratura scientifica ha introdotto due nuovi paradigmi di comunicazione per la loro interazione: comunicazioni nella banda dei terahertz e comunicazioni molecolari. Tuttavia, la progettazione di schemi di trasmissione di lunga durata (cioè supportati da fonti energetiche rinnovabili) in questo contesto rappresenta ancora un argomento di ricerca inesplorato. Negli ultimi anni, i nanogeneratori piezoelettrici sono emersi come un punto di svolta nella progettazione di schemi di trasmissione basati sulla raccolta di energia su scala nanometrica. Di conseguenza, questa tesi considera la loro adozione nelle comunicazioni elettromagnetiche in banda terahertz e nelle comunicazioni molecolari basate sulla diffusione, proponendo strategie di controllo della potenza in trasmissione basate sulla teoria del controllo in retroazione. Nel dettaglio, la potenza di trasmissione viene impostata dinamicamente in modo proporzionale al budget energetico utilizzando uno schema di controllo ad anello chiuso. Inoltre, per quanto riguarda le comunicazioni molecolari basate sulla libera diffusione, questa tesi propone una nuova metodologia per calcolare il numero di molecole ottimale da rilasciare per ogni frame, garantendo sia la semplicità del processo di trasmissione che i vincoli energetici e i valori di Bit Error Rate predefiniti. A tal fine, la tesi formula anche un problema di ottimizzazione con lo scopo di minimizzare una funzione obiettivo dipendente dalla quantità di energia disponibile e dal numero di pacchetti in coda. Le simulazioni sono state utilizzate per convalidare i modelli analitici formulati, rappresentare il comportamento degli approcci proposti in scenari realistici e dimostrare la capacità unica degli approcci concepiti di garantire il livello di prestazioni previsto.