Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi

Isik, Esme; er, Mehmet Bilal; TAĞLUK, Mehmet Emin

doi:10.17341/gazimmfd.915454

Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi

Mehmet Bilal ER, (İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya, Türkiye)

Mehmet Emin Tağluk, (İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya, Türkiye)

Esme Işık (Malatya Turgut Özal Üniversitesi, Optisyenlik Bölümü, Malatya, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

4 3

Yıl: 2022 Cilt: 37 Sayı: 2 Sayfa Aralığı: 967 - 984 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.915454 İndeks Tarihi: 29-07-2022

Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi

Öz:

Nano ve mikro ölçekteki sistemlerin iletişim mekanizmasını modellemek için canlıların kullandığı nano-ölçekteki elektro-kimyasal haberleşme sistemlerinden esinlenerek (biyolojik esinli) yeni haberleşme tekniklerinin geliştirilmesi üzerine son zamanlarda yoğun bir şekilde çalışma yapılmaktadır. Bilgi alışverişinde taşıyıcı olarak kimyasal sinyallerin kullanıldığı bu alan nano/mikro ölçekli haberleşme (NMÖH)olarak bilinmektedir. Moleküler haberleşme sistemlerinde iletim için kullanılan bilgi parçacıkları protein, DNA gibi biyolojik bileşenlerden oluşmaktadır. NMÖH konusu ile ilgili yapılacak çalışmaların, günümüzde henüz tedavisi olmayan bazı hastalıkların teşhis ve tedavinde kullanılan yeni nesil gibi nano-teknoloji alandaki gelişmelere büyük katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. Bu sebeple bu çalışmada, nano-ölçekli sistemlerde kullanılma potansiyeli olabilecek yeni bir NMÖH modeli yazılım tabanlı olarak Matlab ortamında geliştirilip analiz edilmiştir. Yazılım tabanlı olarak tasarlanan NMÖH modelinde, ilk olarak moleküllerin iletildiği difüzyon ortamı ve bu ortamda iletişim performansını etkileyen faktörlerden biri olan difüzyon sabiti Fick yasası gibi temel fizik kanunları kullanılarak yeniden türetilmiştir. Daha sonra ise alıcı topolojisi küre, küp ve dikdörtgen prizma gibi değişik formlarda denenerek alıcının sinyal iletim oranı arttırılmaya ve iletim sırasında meydana gelen moleküller arası girişim düşürülmeye çalışılmıştır. Küp alıcı modelinin kullanılması ile sinyal iletim oranının arttığı ve girişimin düştüğü görülmüştür. Önerilen NMÖH modelinin, başta Alzaymır olmak üzere hücrelerin yanlış ve/veya eksik iletişiminden kaynaklı birçok hastalığın teşhis ve tedavisinde kullanılabilecek potansiyelde olduğu düşünülmektedir.

Anahtar Kelime: molecule reception rate interference Molecular communication receiver Fick’s law

Interference and molecule reception probability analysis in nano/micro scale communication systems using Fick’s diffusion law

Öz:

Recently, too much afford has been conducted toward development of novel communication techniques (biological inspired) for implementing in nano and micro scale systems inspired from electro-chemical communication systems that naturally used by living beings. One of these techniques is known as nano/micro scale communication (NMSC) in which chemical signals are used as carriers for transmission of information through fluid media. The information carrier particles used in such communication systems consist of biological components such as DNA and protein components. Studies regarding NMSC are considered to highly contribute to the developments in the field of nano-technology which can be used to detect and treatment of the some unsolved illness yet. Therefore, in this study, software based a new NMSC model that could potentially be used in nano-scale systems were developed and analysed in terms of communication performance. Firstly, Diffusion constant which affect the communication performance of the software based NMSC model is derived using some Physics laws such as Fick’s. Secondly, different forms of receivers such as sphere, cube and rectangular prism topologies have been tried for increasing the rate of molecule reception and reducing the inter symbol interference of the receiver. It was observed that the signal transmission rate increased and the interference decreased with the use of a cube receiver model. The results obtained from the proposed NMSC model encourages one to think that such receiver models might have the potential for Alzheimer and many illness which cause missing and/or wrong communication of the cells.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Farsad, N., Molecular Communication, York university, Toronto, A.B.D, 2014.
2. Islam, M. Z., Islam, M. M., Asraf, A., A combined deep CNN-LSTM network for the detection of novel coronavirus (COVID-19) using X-ray images, Informatics Med. Unlocked, 20, 100412, 2020.
3. Tripathi, S. D., Krakowiak, P. A., Darsey, J. A., Computational Modeling Studies of the Beta-Amyloid Protein Binding to Develop Drugs for the Treatment of Alzheimers Disease, Current Trends in Biomedical Engineering & Biosciencesvol, 10 (5), 1–8, 2017.
4. Chang, G., Lin, L., Yan, H., Adaptive Detection and ISI Mitigation for Mobile Molecular Communication, IEEE Trans. Nanobioscience, 17 (1), 21–35, 2018.
5. Chouhan, L., Sharma, P. K., Molecular communication in three-dimensional diffusive channel with mobile nanomachines, Nano Commun. Netw., 24, 100296, 2020.
6. Er, M. B., Isik, E., Isik, I., Parkinson’s Detection Based on Combined CNN and LSTM Using Enhanced Speech Signals with Variational Mode Decomposition, Biomed. Signal Process. Control, 70, 2021.
7. Gürkahraman, K., Karakiş, R., Brain tumors classification with deep learning using data augmentation, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36 (2), 997–1011 2021.
8. Özgönül M.C., Seçmen M., Size-reduced printed logperiodic dipole antenna for wireless communication applications, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (3), 1631–1645, 2020.
9. Akkaya, A.., Yilmaz, H. B., Chae, C. B., Tugcu, T., Effect of receptor density and size on signal reception in molecular communication via diffusion with an absorbing receiver, IEEE Commun. Lett., 19 (2), 155– 158, 2015.
10. Einolghozati, A., Sardari, M., Fekri, F., Capacity of diffusion-based molecular communication with ligand receptors, IEEE Information Theory Workshop, ITW 2012, 85–89, 2012.
11. Felicetti, L., Femminella, M., Reali, G., Directional receivers for diffusion-based molecular communications. IEEE Access, 12, 1, 2018.
12. Yilmaz, H. B., Heren, A. C., Tugcu, T., Chae, C., ThreeDimensional Channel Characteristics for Molecular Communications With an Absorbing Receiver, IEEE Communications Letters, 19 (2), 155-158, 2015.
13. Deng, Y., Noel, A., Elkashlan, M., Nallanathan, A., Cheung, K. C., Cheung, Modeling and Simulation of Molecular Communication Systems with a Reversible Adsorption Receiver, IEEE Trans. Mol. Biol. MultiScale Commun., 1 (4), 347–362, 2015.
14. Deng, Y., Noel, A., Elkashlan, M., Nallanathan, A., Cheung, K. C., Molecular Communication with a Reversible Adsorption Receiver, 2016 IEEE International Conference on Communications, ICC 2016, 2016.
15. Yilmaz, H. B., Chae, C., Simulation Modelling Practice and Theory Simulation study of molecular communication systems with an absorbing receiver. Simul. Model. Pract. Theory, 49, 136–150, 2014.
16. Malak, D., Akan, O. B., Communication theoretical understanding of intra-body nervous nanonetworks, IEEE Commun. Mag., 52, 129–135, 2014.
17. Noel, A., Cheung, K. C., Schober, R., Optimal Receiver Design for Diffusive Molecular Communication With Flow and Additive Noise, 13 (3), 350-362, 2013.
18. Nakano, Tadashi, Andrew W. Eckford, T. H, Molecular Communication. Cambridge University Press, UK, 2013.
19. Alberts, L. J. B., Johnson A., Molecular Biology of the Cells, New York: Garland Science, 2002.
20. Lewis, J., Raff, M. & Roberts, K., Cell Biology. Annals of Botany Company, UK, 2003.
21. Walter, H. & Vreeburg, J., Fluid Sciences and Materials Science in Space - a European Perspective, Space Science Reviews, 50, 619, 1989.
22. Yilmaz, H. B., Chae, C.-B., Tepekule, B., Pusane, A. E., Arrival Modeling and Error Analysis for Molecular Communication via Diffusion with Drift, Roceedings of the 2nd ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, 2015.
23. Farsad, N., Yilmaz, H. B., Eckford, A., Chae, C.B., Guo, W., A Comprehensive Survey of Recent Advancements in Molecular Communication, IEEE Communications Surveys and Tutorials, 1-34, 2014.
24. Jacques, S., Prahl, S., Diffusion Theory: Fick’s 1st Law, Biomedical Optics, https://omlc.org/classroom/ece532/class5/ficks1.html. Yayın tarihi 1998. Erişim tarihi Eylül 11, 2019.
25. Schulten, K., Kosztin, I. & Street, N. M., Lectures in Theoretical Biophysics, Department of Physics and Beckman Institute University of Illinois at Urbana– Champaign, April 23, 2000.
26. Whittaker, E. T., Robinson, G., The Calculus of Observations: A Treatise on Numerical Mathematics, Dover Publications, New York, A.B.D., 1967.
27. Yilmaz, H. B., Heren, A. C., Tugcu, T., Chae C.B., 3-D Channel Characteristics for Molecular Communications with an Absorbing Receiver, IEEE Commun. Lett. 1–4, 2014.
28. Guo, W., Asyhari, T., Farsad, N., Yilmaz, H. B., Li, B., Eckford, A., Chae, C. B., Molecular communications: Channel model and physical layer techniques, IEEE Wirel. Commun., 23, (4), 120–127, 2016.
29. Eckford A. W., Nanoscale Communication with Brownian Motion, 41st Annual Conference on Information Sciences and Systems, 160–165, 2007.
30. Kiliçli, F. N., Özşahİn, M. T., Yilmaz, H. B., Kuran, M. Ş., Tuğcu, T., Nano Ağlarda Difüzyon İle Haberleşme Üzerine Geliştirilmiş Modeller, Akademik Bilişim, Antalya, Türkiye, 1-5, 23 - 25 Ocak 2013.
31. Akkaya, A. & Tugcu, T., dMCS: Distributed Molecular Communication Simulator, 8th International Conference on Body Area Networks 468-471, 2013.
32. Felicetti, L., Femminella, M. Reali, G., Smart Antennas for Diffusion-based Molecular Communications, Proc. Second Annu. Int. Conf. Nanoscale Comput. Commun, 2015.

APA	er M, TAĞLUK M, Isik E (2022). Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. , 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
Chicago	er Mehmet Bilal,TAĞLUK Mehmet Emin,Isik Esme Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. (2022): 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
MLA	er Mehmet Bilal,TAĞLUK Mehmet Emin,Isik Esme Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. , 2022, ss.967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
AMA	er M,TAĞLUK M,Isik E Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. . 2022; 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
Vancouver	er M,TAĞLUK M,Isik E Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. . 2022; 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
IEEE	er M,TAĞLUK M,Isik E "Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi." , ss.967 - 984, 2022. 10.17341/gazimmfd.915454
ISNAD	er, Mehmet Bilal vd. "Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi". (2022), 967-984. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.915454

APA	er M, TAĞLUK M, Isik E (2022). Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37(2), 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
Chicago	er Mehmet Bilal,TAĞLUK Mehmet Emin,Isik Esme Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37, no.2 (2022): 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
MLA	er Mehmet Bilal,TAĞLUK Mehmet Emin,Isik Esme Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.37, no.2, 2022, ss.967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
AMA	er M,TAĞLUK M,Isik E Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(2): 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
Vancouver	er M,TAĞLUK M,Isik E Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(2): 967 - 984. 10.17341/gazimmfd.915454
IEEE	er M,TAĞLUK M,Isik E "Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37, ss.967 - 984, 2022. 10.17341/gazimmfd.915454
ISNAD	er, Mehmet Bilal vd. "Fick difüzyon yasası kullanılarak nano/mikro ölçekli haberleşme sistemlerinde girişim ve molekül alım olasılığı analizi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37/2 (2022), 967-984. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.915454