بررسی تأثیر تغییر فاصله بین نانوماشین ها برافزایش کارآیی تحویل پیام با استفاده از ویژگی کموتاکسی و اتصال در شبکه‌ نانویی ارتباطی باکتری

محورهای موضوعی : پردازش چند رسانه ای، سیستمهای ارتباطی، سیستمهای هوشمند

طیبه رییسی اردلی ¹ , وحید ستاری نایینی ² , جواد محمد زاده ³

1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی کامپیوتر، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج ، ایران
2 - دانشیار، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان
3 - استادیار، گروه مهندسی کامپیوتر، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران

تاریخ دریافت : 1401/07/21 تاریخ پذیرش : 1402/03/25 تاریخ انتشار : 1401/10/01

کلید واژه: نانوماشین, شبکه‌های نانویی ارتباطی باکتری, ارتباطات مولکولی, فناوری نانو, شبکه‌های نانویی,

چکیده مقاله :

فناوری نانو حوزۀ جدیدی از فناوری به منظور توسعه و ساخت ماشین ها در مقیاس نانو است. ارتباطات ملکولی یک الگوی جدید برای نانوماشین‌هاست که در آن ارتباط با استفاده از اجزای بیولوژیکی تحقق می‌یابد. روش های ارتباط ملکولی ایرادهای عمده‌ای مانند ظرفیت خیلی کم یا نیاز به استقرار زیرساخت‌های پیچیده دارند. هدف از پژوهش حاضر توسعه قابلیت مسیریابی برای شبکه‌های نانویی ارتباطی باکتری با استفاده از دو ویژگی ذاتی باکتری شامل فرآیند کموتاکسی و اتصال می باشد. هدف از شبیه‌سازی در اشکال مختلف توپولوژی بررسی تأثیر تغییر فاصله بین نانوماشین‌ها و نیز فرآیند اتصال به منظور بهبود تحویل پیام می باشد. نتایج نشان داد که در تعداد پیام‌های موفق تحویل داده شده به مقصد برای فواصل بیشتر توپولوژی2 بهتر عمل می‌کند. مقایسه تعداد اتصالات انجام شده در فواصل متفاوت برای هر سه توپولوژی نشان داد که با افزایش تعداد باکتری‌ها تعداد اتصالات افزایش می‌یابد، اما در بازه‌های مختلف از نظر فاصلۀ بین نانوماشین‌ها با افزایش فاصله تعداد اتصالات انجام شده به دلیل کاهش میدان اثر ماده جاذب شیمیایی که به منظور جهت‌گیری حرکت باکتری مورد نیاز است،کاهش می‌یاید. نتایج شبیه‌سازی برای میانگین تأخیر پیام‌های رسیده نشان می دهد که برای هر سه توپولوژی با افزایش تعداد باکتری‌ها، میانگین تأخیر کاهش می‌یابد و با افزایش فاصله‌ بین نانوماشین‌ها میانگین تأخیر نیز افزایش می‌یابد. به طور کلی با بررسی موارد مطرح شده در شبکه‌های نانویی ارتباطی باکتری می‌توان چگونگی انتقال مفاهیم شبکه‌های ارتباطی را به شبکه‌های نانویی ارتباطی باکتری که در کاربردهای وسیع سودمندند، نشان داد.

چکیده انگلیسی:

Introduction: Nanomolecular network is used as a new connection pattern in nanomachines. These connections are possible using biological components in the environment. The molecular communications have important drawbacks, such as very low capacity or the need to deploy a complex infrastructure. One of the most effective approaches for this purpose is using bacteria to carry encrypted message among nanomachines.Method: The current research examines effective routing in bacterial communication nano networks based on changing the distance between nanomachines. The aim of this research is to develop routing capability for bacterial communication nano networks. For this purpose, two intrinsic characteristics of bacteria, including chemotaxis and conjugation, have been used. In order to analyze the efficiency of message delivery, simulation was done for several different topologies. The purpose of simulation in different forms of topology is to investigate the effect of changing the distance between nanomachines and also the connection process in order to improve message delivery.Results: The results of this research showed that in the number of successful messages delivered to the destination for longer distances, it can be seen that topology 2 performs better. The comparison of the number of connections made at different distances for all three investigated topologies showed that with the increase in the number of bacteria in All three topologies increase the number of connections made, but in different intervals in terms of the distance between the nanomachines, it can be seen that the number of connections decreases as the distance increases due to the reduction of the effect field of the chemical adsorbent, which is needed to direct the movement of the bacteria.By examining and evaluating the simulation results for the average delay of the messages reached to the destination by changing the distance between the nanomachines, it can be seen that for all three topologies, with the increase in the number of bacteria, the average delay decreases, and with the increase in the distance between the nanomachines, the average delay also decreases. It can be seen that topology 2 has the lowest latency in terms of average latency for longer distances.Discussion: By increasing the distance among nanomachines, the number of received messages at the destination decreases as well. One of the topologies results in better average latency in longer distances compared to the others, because of the hollow center in this topology.

منابع و مأخذ:

 

•  Sasitharan Balasubramaniam, "Opportunistic routing through conjugation in bacteria communication nanonetwork." Nano Communication Networks pp. 36-45, 2012.


•  Maria Gregori, Llatser Ignacio, Albert Cabellos-Aparicio, Alarcón Eduard. "Physical channel characterization for medium-range nanonetworks using catalytic nanomotors." Nano Communication Networks , pp. 102-107, 2 0201.


•  Ian F Akyildiz, Brunetti Fernando, Blázquez Cristina. "Nanonetworks: A new communication paradigm." Computer Networks,  pp 2260-2279, 2008.


•  Atakan, Baris, and Ozgur B. Akan. "Deterministic capacity of information flow in molecular nanonetworks." Nano Communication Networks 1, no. 1 (2010): 31-42.


•  Arash Einolghozati, Mohsen Sardari, Ahmad Beirami, Faramarz Fekri. "Data gathering in networks of bacteria colonies: Collective sensing and relaying using molecular communication." In 2012 Proceedings IEEE INFOCOM Workshops, . IEEE, pp. 256-26,12012.


• Yunlong Gao, Lakshmanan Sriram, Sivakumar Raghupathy. "On attractant scheduling in networks based on bacterial communication." In 2011 IEEE Conference on Computer Communications Workshops (INFOCOM WKSHPS), IEEE, pp. 419-424., 2011.


•  Daniel A Fletcher, Julie A. Theriot. "An introduction to cell motility for the physical scientist." Physical biology pp.1, 2004.


•  Julius Adler, "Chemoreceptors in Bacteria: Studies of chemotaxis reveal systems that detect attractants independently of their metabolism." Science pp. 1588-1597 ,1969.


•  Albert Mestres Sugrañes, I. F. Akyildiz. "Capacity and delay of bacteria-based communication in nanonetworks." PhD diss., Universitat Politècnica de Catalunya. Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona. Departament d'Arquitectura de Computadors, 2012 (Enginyeria de Telecomunicació),pp ,2012.


• Albert Mestres Miller, Melissa B , Bassler Bonnie L. "Quorum sensing in bacteria." Annual Reviews in Microbiology, pp. 165-199, 2001.


• Howard C Berg, A. Brown Douglas. "Chemotaxis in Escherichia coli analysed by three-dimensional tracking." Nature 239 , pp. 500-504, 1972.


• Llatser Gregor, I. Cabellos-Aparicio, A. Alarcón, E. “Physical channel characterization for medium-range nanonetworks using catalytic nanomotors,” Nano Communication Networks (Elsevier Journal), pp. 779–791 , 2010.


• Maria Gregori, Ian F. Akyildiz. "A new nanonetwork architecture using flagellated bacteria and catalytic nanomotors." IEEE Journal on selected areas in communications pp. 612-619, 2010.

 

• Mavrid opoulos, S Nicopolitidis “Using Bacterial Concentration as Means of Dissipating Information through Chemotaxis,” Nano Communication Networks, pp.1–8, 2017.


• Dinç, Fatih, Matija Medvidović, and Leander Thiele. "Effective Geometry Monte Carlo: A Fast and Reliable Simulation Framework for Molecular Communication." IEEE Access , pp.28635-28650,2019


• Sasitharan Balasubramaniam, "Multi-hop conjugation based bacteria nanonetworks." IEEE Transactions on nanobioscience pp. 47-59, 2013.


• Vitaly Petrov, Sasitharan Balasubramaniam, Yevgeni Koucheryavy, Mikael Skurnik. "Forward and reverse coding for bacteria nanonetworks." In 2013 First International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), pp. 74-78. IEEE, 2013.


• Petrov, V. April. Feasibility study of the THz band for communications between wearable electronics. In 2015 17th Conference of Open Innovations Association (FRUCT) (pp. 157-162). IEEE,pp. 157-162. 2015


• Khaled A Harras, Kevin C. Almeroth. "Transport layer issues in delay tolerant mobile networks." In NETWORKING 2006. Networking Technologies, Services, and Protocols; Performance of Computer and Communication Networks; Mobile and Wireless Communications Systems: 5th International IFIP-TC6 Networking Conference, Coimbra, Portugal, May 15-19, 2006. Proceedings Springer Berlin Heidelberg 5, pp. 463-475, 2006.


• Kärger, Jörg, ed. Diffusion Fundamentals: Leipzig 2005. Leipziger Universitätsverlag, 2005.


• Edward M Purcell, "Life at low Reynolds number." American journal of physics, pp. 3-11. 1977.


• M. Purcell "Life at Low Reynolds Number," American Journal of Physics pp. 3-11, 1977.


• Pierobon, I.F. Akyildiz, "A Physical Channel Model for Molecular Communication in Nanonetworks," To appear in IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC) on BIO-INSPIRED NETWORKING, pp:602-611, 2008.


• E. Berg” coli in Motion” 1 edition, New York, Springer-Verlag. pp , 2003.