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

Abstract

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 nano-teknoloji alandaki gelişmelere büyük katkılar sağlayacağı düşünülmektedir. Bu sebeple, nano-ölçekli sistemlerde kullanılma potansiyeli olabilecek yeni bir NMÖH modeli yazılım tabanlı olarak Matlab ortamında geliştirilerek burada 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.

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.