Yayılım Tabanlı Moleküler Haberleşme Nano Ağları İçin Bir Aktarım Modeli

Abstract

Nano ölçekli haberleşmenin tanıtımından sonra moleküler haberleşme, bilim adamları için cazip bir araştırma konusu haline çevrilmiştir. Nanoağların çok sayıda olası uygulamaları günümüzde moleküler haberleşmeyi daha da çekici kılmıştır. Bu olası uygulamalar biyomedikal alanında akıllı ilaç dağıtımı ve sağlık izleme sistemlerinden başlayıp, askeri ve çevresel alanlarda uygulanan hava kirliliğini izleme gibi uygulamalarla değişe bilir.Nanoağ, nanomakine veya moleküler makine gibi adlandırılan nanocihazlar arasında haberleşme veya iletişim biçimidir. Nanomakine, nanometre ölçekli bileşenlere dayanan yapay cihaz olarak düşünüle bilir. Moleküler haberleşme, nanomakinelerin algılaya, hesaplaya ve haberleşe bildiği iletişim türlerinden biridir. Transmisyon veya aktarma, yayılma/üreme ve resepsiyon - moleküler haberleşmede gönderici ve alıcı arasında bilgi değişimini sağlamak için üç ana aşamadır. Moleküler haberleşmenin önemli bir türü olan difüzyon tipli moleküler iletişim, serbest difüzyon yolu ile gönderici ve alıcı düğümleri arasında moleküllerin yayılmasına esaslanıyor. Difüzyon tipli moleküler iletişimde üç farklı aşama vardır. İlk aşama emisyon aşamasıdır. Bu aşamada, verici veya geçirici nanomakine veya gönderen düğüm çalışma ortamına parçacıklar yayar. İkinci faz veya aşama ise difüzyon sürecini oluşturmaktadır. Bu fazda vericiden yayılan hissecikler Brown hareketine tabidir. Son olarak, sonuncu aşama olan resepsiyon fazında alıcı nanomakine veya alıcı düğümler tüm parçacıkları yakalıyorlar. Bu tez boyunca, verici ve alıcı düğümler bir-biriyle temas halinde olan ve parçacıkları yakalayan düğümler olarak görülmüştür. Çalışma ortamı ise hiç bir molekülün veya başka bir parçacığın kaçıp kurtulamadığı sınırlı bir sistemdir. Ayrıca, transmisyon veya aktarma sürecinde verici düğümden ayrılan ve etrafa yayılan molekül ve parçacıklar, sınırlı çalışma ortamında dolaşıyor ve eğer bir parçacık çalışma ortamının sınırına ulaştığında, duvara değerek sisteme geri dönüyor. Bu nedenle, sınırlı çalışma ortamında parçacıkların sayısı zaman boyunca değişmezkalıyor. Belirli t zamanında verici düğüm tarafından serbest bırakılan parçacıkların toplam sayısı mdoeliın girdisini veya sinyalini göstermektedir.Daha sonra, model sinyali difüzyon yoluyla sınırlı akışkan alanda ilerler. Bu çalışmada, molekül ve tüm parçacıkların difüzyonu rastegele yürüyüşle elde edilmiştir.Bu nedenle, verici ve alıcı düğümler arasındakı parçacıkların ilerlemesi ve yayılımı benzersiz Brown hareketi ile gerçekleştirilmektedir. Verici düğümün kapasitesi, alıcı düğümün sinyal alımı üzerine yaptığı etkileri incelemek amacıyla sınırlandırılmış ve belli bir miktarın üzerinde olamaz hale getirilmiştir. Örneğin, eğer verici düğümün rezervuar kapasitesi doluysa, yeni gelen parçacık verici düğümden çıkan diğer parçacıklara çarpa bilir. Her parçacık, her bir eksen boyunca mutlak sıcaklık ve Boltzman sabitinin çarpımının yarısına eşit olan kinetik enerjiye sahiptir. Ve aynı zamanda, her parçacık, zamandan bağımsız olduğu kabul edilen kitle ve hıza da sahiptir. Modelin esas amaçlarından biri, verici düğümün alıcı düğüm üzerinde olan sinyal resepsiyon etkisini araştırmaktır. Alıcı düğüm, kendi aralığı dahilinde sinyal gücüne tabi olan konsantrasyonu ölçer. Bu tez çalışması,alıcı düğümlerin sinyal gücünün verici düğümler tarafındansınırlı bir çalışma alanında nasıl zayıflatıla-bilindiklerini araştırıp göz önüne sergiliyor. Alıcı düğümde gerçekleşen alıcı sinyalin analitik ifadesi grafiksel olarak gösterilmiştir; verici düğümlerinin ve onların vericilik performanslarının artan sonuçlarının etkileri bu çalışmada söz konusu olmuştur. Bilim adamları iki veya daha fazla verici düğümlerinden ibaret nanoağlar üzerinde çalışırken bu makale ve çalışmada ireli sürülen analitik ifadeni difüzyon sürece dayanan moleküler haberleşme ve iletişimlerde bu makaleyi referans olarak gösterip kolaylıkla kullana bilirler. Tezin geri kalanı ise şu şekilde düzenlenmiştir: I. bölümde giriş kısmı belirlenmiştir. II. bölümde ise tüm detaylı açıklamalarıyla model tasvirinden bahsedilmiştir. III.bölümde ise, iki veya daha fazla verici düğümün olduğu her durum için verici düğümün konsantrasyonunu veya yoğunluğunu hesaplayan analitik ifade gösterilmiştir. Simulasyon sonuçlari IV. bölümde açıklanmış ve detaylı şekilde anlatılmıştır. V. bölümde, difüzyon denklemi için sayısal bir çözüm üretmede kullanılansayısal yaklaşım denklemleri ile elde edilen kesin sonlu yöntemler anlatıldı. Bu bölümde alıcı düğümün sinyal gücünü ölçmek icin açık sayısal, kapalı sayısal ve Crank Nicolson şablonları kullanılmıstır. Açık sayısal ve Crank Nicolson şablonları ile elde edilen sonuçlar, kapalı sayısal şablon ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırıldığında daha iyi sonuçlar ürettiği görülmüstür. Son olarak, VI. bölümdeki sonuç kısmında ise IV. ve V. bölümdeki hesaplama sonuçlarını da kullanarak tüm sonuçlar grafiksel olarak çizilmiştir.

Molecular communication has been an attractive topic for researchers afterthe introduction of the nanoscale communications. Numerous potential applications of nanonetworks make molecular communication even more appealing.These potential applications range from biomedical applications, such as intelligent drug delivery and health monitoring systems, to military and environmentalapplications such as air pollution monitoring. Nanonetworks is a communication between nanodevices, called nanomachines or molecular machine. A nanomachine can be definedas an artificial device that relies on nanometer-scale components.Molecular communication is one of the types of nanonetworks in which nanomachines are able to sense, calculate, actuate and intercommunicate. Transmission, propagation and reception are the three main stages to provide information exchange between sender and receiver in molecular communication. Diffusion based molecular communication that is an essential type of molecular communication, relies on propagation of molecules between sender and receiver nodes through free diffusion. There are three different phases in diffusion based molecular communication. The first phase is named emission process. In this phase, the transmitter nanomachine or the sender node emits particles into the medium. The second phase is composed of diffusion process. In this part, emitted particles by the transmitter node are subject to Brownian motion. Finally, the last phase, the reception process in which the receiver nanomachine or receiving node absorb or capture all particles within its range. Throughout this thesis, the harvester and receiver nodes have been considered as absorbers that capture particles which are in contact with their range. For the working operating environment is a bounded confined one, no particle escapes from it. Furthermore, particles released by the transmitter node during transmission process, circulate in the bounded operating environment and when a particle reaches the edge or boundary of the working environment, it is bounced back into the working environment. Therefore, the total number of particles within the bounded operating environment remains unchanged along the time. The amount of particles to be released by the transmitter node at a certain time t represents the input or the signal of the model. Afterwards, the signal of the model propagates in the bounded fluidic space via diffusion. In this work, the diffusion of particles is achieved via random walk. Therefore, the propagation of particles between transmitter and receiver nodes is uniquely accomplished via Brownian motion. Harvester nodes have been assigned a limited harvesting capacity that cannot exceed a certain amount of particles in order to investigate their impact upon the signal reception at the receiving node. For example, if the harvesting node reservoir capacity is full, a new particle reaching its range will result to hitting one particle from the harvester reservoir. A particle has a kinetic energy along each axis, which is the half of the product of the absolute temperature and Boltzmann’s constant. And also it has a mass and speed or velocity that has been assumed to be unchanged and independent of time. The model is to investigate the impact of the harvester nodes on signal reception at the receiver node. The receiver node measures the concentration within its range, which is subject to the signal strength. This thesis investigates how harvesting nodes can degrade the signal strength of the receiver node in a confined space. The analytic expression of the received signal at the receiver node has been drawn; the effects of the increasing number of harvesting nodes and the harvesting rate have been discussed in this work.Scientists in diffusion based molecular communication may use that analytic expression proposed in this current paper when dealing with nanonetworks composed of more than two receiving nodes. The signal received in terms of concentrations at the receiver node has been approximated using finite difference methods and the accuracy of each numerical scheme (Explicit, Implicit and Crank Nicolson) has been computed and compared to the analytic solutions. The rest of the thesis is organized as follows. The introduction is given in section I. The model description is presented in section II. In section III, the analytic expression that computes the concentration of receiver node in a scenario of multiple harvesters is proposed. The results are discussed in section IV. The section V provides the approximations on the signal received at the receiver nanomachine. Finally, a conclusion has been drawn based on the results obtained at sections IV and V in section VI.