Effects of electromagnetic fields on performance of molecular communications

Abstract

Bu tez, elektromanyetik alan altında moleküler haberleşme (MH) sistemlerinin performansının analizine odaklanmaktadır. Bu tezin amacı, elektromanyetik (EM) alan altında moleküler davranışı modellemek ve incelemektir. Tez, elektromanyetizmanın teorik açıklaması ile başlamaktadır. EM alanın parçacıklar üzerindeki ana etkileri hareket yönü ve termal değişiklikler olarak kabul edilir. EM alanın hareket yönüne etkisi EM kuvvetler açısından incelenmektedir. Uygulanan elektromanyetik kuvvetler farklı parçacık türleri için de anlatılmaktadır. EM alanın manyetik parçacıklar üzerindeki etkisi ayrıntılı olarak analiz edilmektedir. Ayrıca, moleküllerin EM alan altındaki hareketleri maruz kaldıkları dört temel kuvvet dikkate alınarak analiz edilmektedir. EM alanın termal etkilerini anlamak için EM alan ve parçacıklar arasındaki enerji transferi incelenmektedir. Tezin ikinci bölümünde, manyetik molekülleri kullanarak bilgi aktaran MH sistemleri incelenmektedir. EM alanın difüzyon hızı üzerindeki etkisini anlamak için moleküllerin tipi ve EM alanın konfigürasyonu incelenmektedir. Manyetik moleküllerin difüzyon hızı ve konsantrasyonundaki değişimi modellemek için manyetik alan gradyan ve konsantrasyon gradyan manyetik kuvvetlerinin etkileri analiz edilmektedir. Tezin son kısmı, EM alan altında moleküler dinamiklere odaklanmaktadır. Termal değişikliklerin moleküler reaksiyon hızı ve bağlanma kinetiği üzerindeki etkisi, reaksiyon-difüzyon sistemleri ile modellenmektedir. EM alanın neden olduğu sıcaklık değişiminin etkisini belirlemek için spesifik reaksiyon hız sabiti analiz edilmektedir. Moleküllerin hareketi Langevin'in difüzyon modeli ile modellenmektedir. Molekülün hızının ve pozisyonunun olasılık dağılım fonksiyonları, EM alanın altında moleküler davranışı anlamak ve modellemek için analiz edilmektedir. Ayrıca, EM alan altında difüzyon tipini analiz etmek için moleküllerin ortalama karesel pozisyonları kullanılmaktadır.

This thesis analyzes molecular communication (MC) systems' performance under electromagnetic fields. The aim of the thesis is to model and study molecular behavior under electromagnetic fields (EMF). The thesis starts with the theoretical explanation of classic electromagnetism. The directional and thermal changes are the main effects of EMF on particles. The directional effects of EMF are studied with regard to electromagnetic forces. The applied electromagnetic forces are presented for different types of particles. The effect of EMF on magnetically susceptible particles is analyzed in particular. Furthermore, molecular movement is analyzed by considering four fundamental forces on diffusing molecules under EMF. The energy transfer between EMF and particles is studied to understand the thermal effects of EMF. An MC scheme that transmits information with magnetically susceptible molecules is studied in the second part of the thesis. The molecular type and the configuration of EMF are studied to understand the effect of EMF on the diffusion rate. The effects of magnetic field gradient (MFG) and concentration gradient magnetic force (CGMF) are analyzed to model the change in the diffusion rate and concentration of magnetically susceptible molecules. The last part of the thesis focuses on molecular dynamics under EMF. The effect of thermal changes on the molecular reaction rate and binding kinetics is modeled with reaction-diffusion systems. The specific reaction rate constant is analyzed to determine the effect of temperature change caused by the EMF. The movement of molecules is modeled by Langevin's diffusion model. The probability distribution functions of the molecule's velocity and displacement are studied to understand and model the molecular behavior under EMF. Moreover, the mean-squared displacement is employed to analyze the diffusion type under EMF.