NANO AĞLARDA DİFÜZYON İLE HABERLEŞME ÜZERİNE GELİŞTİRİLMİŞ MODELLEMELER

Transkript

1 1 NANO AĞLARDA DİFÜZYON İLE HABERLEŞME ÜZERİNE GELİŞTİRİLMİŞ MODELLEMELER F. Nur KILIÇLI, M. Tuğrul ÖZŞAHİN, H. Birkan YILMAZ, M. Şükrü KURAN, Tuna TUĞCU Boğaziçi Üniversitesi, NetLab

2 İçerik 2 Giriş Difüzyonla Haberleşmenin tanımı Sembol Süresi Seçimi Modülasyon Teknikleri Girişim Çeşitleri Girişimin Modülasyon Teknikleri üzerindeki etkisi Enerji Modeli Gelecekte Yapılabilecek Çalışmalar

3 Giriş 3 Nano ağlar: İnsanlar tarafından nano ölçekteki sistemlere uygun fiziksel prensipler kullanılarak tasarlanmış iletişim sistemleridir. (IEEE ) Bir sistemin nano ağ sayılabilmesi için bir veya birden fazla bileşeninin nano ölçekte olması yeterlidir. Nano ölçek < 100 nm. Hücreler arası iletişim nano ağlara esin kaynağı olmaktadır.

4 Difüzyon ile haberleşme 4 kodlama, iletim, ilerleme, algılama ve kod çözme Taşıyıcı moleküllerin difüzyon yoluyla alıcı ve verici arasında iletilmesi ile bilgi aktarılması işlemidir.

5 Sembol süresi seçimi 5 Hedef: Optimum sembol süresi seçimi Uzun sembol süresi: yüksek yüzde ile doğru algılama, düşük haberleşme hızı Kısa sembol süresi: Yüksek haberleşme hızı, yüksek hata payı

6 Sembol süresi seçimi 6

7 Modülasyon Teknikleri 7 Yoğunluk Farkıyla Kodlama (YFK) Molekül Tipiyle Kodlama (MTK)

8 Yoğunluk Farkıyla Kodlama Gönderilmek istenen bilgi, birim zamanda gönderilen molekül yoğunluğu üzerinden kodlanmaktadır Gelen molekül yoğunluğu belli bir eşik değeri ile karşılaştırılır Eşik değeri sayısı, sembol tipi sayısını belirler 2 n - 1: eşik değeri sayısı n: sembol başına düşen bit sayısı n = 1 İkili YFK (iyfk) n = 2 Dörtlü YFK (dyfk) 8

9 Molekül Tipiyle Kodlama Gönderilmek istenen bilgi gönderilen molekülün tipine göre kodlanır ve tek eşik değeri vardır. Alıcı gelen bir tip molekülün yoğunluğunun belli bir eşik değeri aşması durumunda, o moleküle karşılık gelen sembolü algılar eşik sayısı tüm koşular için = 1 n: sembol başına düşen bit sayısı 2 n : faydalanılan molekül tipi sayısı n = 1 İkili MTK (imtk) n = 2 Dörtlü MTK (dmtk) 9

10 Performans değerlendirmesi 10

11 Girişim çeşitleri 11 Semboller Arası Girişim (SAG) Eş Kanal Girişimi (EKG)

12 Semboller arası girişim Verici hücre tarafından bir önceki sinyal için gönderilen moleküllerin bir kısmının ortamda kalmaya devam ederek gerekli zaman aralığından sonra alıcı hücreye ulaşmasıyla oluşur. 12

13 Eş kanal girişimi Bir verici hücrenin ortama bıraktığı taşıyıcı moleküllerin, Brown hareketi sonucu kastedilen alıcı hücreye değil, diğer bir verici hücrenin kastettiği alıcı hücreye ulaşmasından dolayı oluşur. 13

14 Girişimin iyfk üzerindeki etkisi 14

15 Girişimin imtk üzerindeki etkisi 15

16 Enerji Modeli 16 Egzositoz Enerji Modeli Elementler Enerji Hesaplaması Hücreler arası mesafenin veri sıklığına etkisi

17 Egzositoz 17 Kesecik ile zarın birleşmesi ile moleküllerin hücre dışına iletimi Keseciklerin hücre zarına taşınması Taşıyıcı moleküllerin yapı taşlarından sentezlenmesi Taşıyıcı bir kesecik üretilmesi

18 Enerji Modeli - Elementler 18 Hammaddeyi enerjiye dönüştürecek mitokondri benzeri bir güç kaynağı Aminoasitlerden hücre zarı proteinleri sentezleyecek endoplazmik retikulum benzeri bir fabrika Protein ve molekülleri koruyucu kılıfla saracak golgi cisimciği benzeri bir paketleyici Hücrenin bir arada durup çözülmemesini sağlayacak hücre zarı benzeri bir koruyucu kalkan

19 Enerji Hesaplaması Var olan enerji modelleri pil enerjisine dayandırıldığı için nano ve mikro ölçeklerde kullanım problemleri doğuracaktır. Sistem ürettiğinden fazla enerji tüketmemelidir. Sistem izin verilenden daha fazla enerjiyi iletişim için harcamamalıdır. E t = n. E s + n (E v + E c + E e ) c v E t : haberleşmeye harcanan toplam enerji E s : molekül sentezinde harcanan enerji E v : kesecik sentezinde harcanan enerji E c : keseciğin taşınmasında harcanan enerji E e : keseciğin dış çevreye salınmasında harcanan enerji c v : bir keseciğin içerisindeki molekül sayısı n : toplam gönderilen molekül sayısı 19

20 Mesafenin veri sıklığına etkisi 20 PwT = PwC + PwB PwT : toplam güç PwC : hücreler arası iletişimde kullanılan güç PwB : hücrenin diğer aktivitelerinde kullandığı güç

21 Gelecekte yapılabilecek çalışmalar 21 Difüzyon dinamiklerinin araştırılması ve analitik modeller üzerine odaklanılması Kalsiyum sinyalleşmesi için bir enerji modeli tanımlanması ve test edilerek literatüre kazandırılması

22 Sorularınız? 22

23 23 Kaynaklar - I.F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blazquez, Nanonetworks: a new communication paradigm, Computer Networks (Elsevier) Journal 52 (12) (2008) M. Pierobon, I.F. Akyildiz, A physical channel model for molecular communication in nanonetworks, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 28 (4) (2010) B. Atakan and O. Akan. On Channel Capacity and Error Compensation in Molecular Communication. Transactions on Computational Systems Biology X, pages 59-80, M. S. Kuran, H. B. Yilmaz, T. Tugcu, I. F. Akyildiz, Modulation techniques for communication via diffusion in nanonetworks Communications (ICC), 2011 IEEE International - T. Suda, M. Moore, T. Nakano, R. Egashira, and A. Enomoto. Exploratory Research on Molecular Communication between Nanomachines. In Genetic and Evolutionary Computaion Conference, (GECCO '05). ACM, June M. S. Kuran, H. B. Yilmaz, T. Tugcu, I. F. Akyildiz, Interference effects on modulation techniques in diffusion based nanonetworks Nano Communication Networks 3 (2012) M. S. Kuran, H. B. Yilmaz, T. Tugcu, B. Özerman Energy model for communication via diffusion in nanonetworks Nano Communication Networks 1 (2010) Conference on, IEEE - B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, 2007.