NUMERICAL ANALYSIS OF THE ALVEOLAR SPACES AND HUMAN TISSUES FOR NANOSCALE BODY-CENTRIC WIRELESS NETWORKS

This paper investigates the propagation of Terahertz (THz) electromagnetic waves inside the human body and discusses a model of the system performance of Nanoscale Body-Centric Wireless Networks inside the alveolar spaces and human tissues. THz band wireless communication enables new applications especially in nanoscale wireless communication. The model developed in this paper calculates the total absorption loss, path loss and capacity properties of EM waves propagating through the Alveolar Spaces and Human Tissues in nanoscale environment for THz band wireless communication. Based on the modeling of noise level and path losses, the channel capacity is calculated. The results show that Wireless Nanosensor Networks (WNSNs) can communicate through the human body. According to the numerical analysis of the model several transmission windows which are ω1 = [0.01 THz – 0.5 THz], ω2 = [0.58 THz – 0.74 THz] and ω3 = [0.77 THz – 0.96 THz] have been found for Nanoscale Body-Centric Wireless Networks. The longest and lowest transmission window which is in the range of 0.01 THz – 0.5 THz values have been analyzed for blood, plasma, RCBs and water to design universal nanonode for Nanoscale Body-Centric Wireless Networks at gases in lungs and blood.

Nano Boyutlu Vücut Merkezli Kablosuz Ağların Alveolar Alanları ve İnsan Dokuları İçin Numerik Analiz

Bu makalede, insan vücudu içerisinde Terahertz (THz) elektromanyetik dalgalarının yayılımı araştırılmış ve alveolar boşlukları ve insan dokuları içindeki Nano Ölçekli Vücut Merkezli Kablosuz Ağların sistem performansının bir modeli tartışılmıştır. THz frekans bandı kablosuz iletişimde, özellikle nano ölçekli kablosuz iletişimde yeni uygulamalar sağlamaktadır. Bu makalede geliştirilen model, THz bandının kablosuz iletişimi için nano ölçek ortamında Alveoların boşluklarında ve insan dokularından yayılan EM dalgalarının toplam emilim kaybı, yol kaybı ve kapasite özelliklerini hesaplamaktadır. Gürültü seviyesi ve yol kayıplarının modellenmesine dayanarak, kanal kapasitesi de hesaplanmıştır. Sonuç olarak, Kablosuz Nano Telsiz Duyarga Ağlarının, insan vücudu üzerinden iletişim kurabildiği gösterilmektedir. Modelin sayısal analizine göre 3 iletim penceresi olan ω1 = [0.01 THz - 0.5 THz], ω2 = [0.58 THz - 0.74 THz] ve ω3 = [0.77 THz - 0.96 THz] bulunmuştur. Kablosuz Ağların THz iletişimde en uzun ve düşük geçiş penceresi olan olan 0.01 THz - 0.5 THz aralığı akçigerlerde ve kan için Nano Ölçekli Vücut Merkezli Kablosuz Ağlar evrensel nano düğüm tasarlayabilmek için modellenmiştir.

___

1. Abbasi, Q. H., et al. (2016), Terahertz channel characterization inside the human skin for nano-scale body-centric networks, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 6.3, 427-434. doi: 10.1109/TTHZ.2016.2542213

2. Akkas, M. A. (2016), Nano-sensor capacity and SNR calculation according to transmit power estimation for body-centric nano-communications, Wireless Systems within the Conferences on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACSSWS), 2016 3rd International Symposium on. IEEE. doi: 10.1109/IDAACSSWS.2016.7805785

3. Akkas, M. A. (2016), Terahertz Channel Modelling of Wireless Ultra-Compact Sensor Networks Using Electromagnetic Waves, IET Communications. doi: 10.1049/ietcom.2015.1202

4. Akkas, M. A., Akyildiz I. F., Radosveta S. (2012), Terahertz channel modeling of underground sensor networks in oil reservoirs, Global Communications Conference (GLOBECOM), 2012 IEEE. doi: 10.1109/GLOCOM.2012.6503169

5. Akyildiz I. F., Josep M. J., and Chong H. (2014), Terahertz band: Next frontier for wireless communications, Physical Communication 12, 16-32. doi: 10.1016/j.phycom.2014.01.006

6. Akyildiz, I. F., Zhi S., and Mehmet C. V. (2009) "Signal propagation techniques for wireless underground communication networks." Physical Communication 2.3, 167-183. doi: 10.1016/j.phycom.2009.03.004

7. Akyildiz, I., et al., (2015), The internet of bio-nano things, Communications Magazine, IEEE 53.3 32-40. doi: 10.1109/MCOM.2015.7060516. doi: 10.1109/JSAC.2010.100509 doi: 10.1109/JSAC.2010.100509

8. Akyildiz, Ian F., Fernando B., Cristina, B. (2008), Nanonetworks: A new communication paradigm, Computer Networks 52.12 2260-2279. doi: 10.1016/j.comnet.2008.04.001

9. Akyildiz, Ian F., Josep M. J. (2010) Electromagnetic wireless nanosensor networks." Nano Communication Networks, 1.1 3-19. doi: 10.1016/j.nancom.2010.04.001

10. Bush, S. F. (2010) Nanoscale Communication Networks, Artech House.

11. Couch, I. I., and W. Leon. (1994), Modern Communication Systems: principles and applications. Prentice Hall PTR.

12. Demirhan K., et al. . (February 26, 2010), In vivo deep tissue imaging with long wavelength multiphoton excitation. Proc. SPIE 7569, Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences X, 75692R, doi:10.1117/12.842292

13. Feynman, R. P. (1960) "There's plenty of room at the bottom." Engineering and science 23.5: 22-36.

14. Friis, H. T. (1946), A note on a simple transmission formula, Proceedings of the IRE, 34.5, 254-256.

15. Goldsmith. (2005), A. Wireless communications, Cambridge university press.

16. Goody, R. M., and Yuk L. Y. (1989), Atmospheric radiation: theoretical basis, Atmospheric radiation: theoretical basis, 2nd ed., by Richard M. Goody and YL Yung. New York, NY: Oxford University Press, 1989.

17. Javed, I. T., Ijaz H. N. (2013), Frequency band selection and channel modeling for WNSN applications using simplenano, Communications (ICC), 2013 IEEE International Conference on. IEEE. doi: 10.1109/ICC.2013.6655509

18. Jornet J. M, and Akyildiz I. F. (2011), Channel modeling and capacity analysis for electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band, Wireless Communications, IEEE Transactions on 10.10, 3211-3221. doi: 10.1109/TWC.2011.081011.100545

19. Jornet, J. M., Akyildiz I. F. (2013), Graphene-based plasmonic nano-antenna for terahertz band communication in nanonetworks, IEEE Journal on selected areas in communications, 31.12, 685-694. doi: 10.1109/JSAC.2013.SUP2.1213001

20. Kleine, T., Tadao N. (2011): A review on terahertz communications research, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 32.2, 143-171. doi: 10.1007/s10762-010-9758-1

21. Llatser I., et al. (2012), Characterization of graphene-based nano-antennas in the terahertz band, 2012 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). doi: 10.1109/EuCAP.2012.6206598

22. Llatser, I., et al. (2012) Graphene-based nano-patch antenna for terahertz radiation, Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, 10.4, 353-358. doi: 10.1016/j.photonics.2012.05.011

23. Nakano, T. et al. (2012) Molecular communication and networking: Opportunities and challenges, IEEE transactions on nanobioscience, 11.2, 135-148. doi: 10.1109/TNB.2012.2191570

24. Petrov, V., D. Moltchanov, and Y. Koucheryavy. (2015), Interference and SINR in Dense Terahertz Networks, Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2015 IEEE 82nd. IEEE. doi: 10.1109/VTCFall.2015.7390991

25. Pierobon, M., Akyildiz, Ian F. (2010) A physical end-to-end model for molecular communication in nanonetworks, Selected Areas in Communications, IEEE Journal on 28.4 602-611. doi: 10.1109/JSAC.2010.100509

26. Rappaport, Theodore S.(1996), Wireless communications: principles and practice. Vol. 2. New Jersey: Prentice Hall PTR.

27. Rothman, L. S., et al. (2009), The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 110.9, 533-572. doi: 10.1016/j.jqsrt.2009.02.013

28. The beer-lambert law. Journal of chemical education, 1962, 39.7: 333.

29. Yang K. et al. (2015), Numerical analysis and characterization of THz propagation channel for body-centric nano-communications, Terahertz Science and Technology, IEEE Transactions on 5.3, 419-426. doi: 10.1109/TTHZ.2015.2419823

30. Yang, K. et al. (2016), Effects of non-flat interfaces in human skin tissues on the in-vivo tera-hertz communication channel, Nano Communication Networks, 8, 16-24. doi: 10.1016/j.nancom.2015.09.001

31. Zarepour, E. et al. (2015), Reliability Analysis of Time-Varying Wireless Nanoscale Sensor Networks, the proceedings of 15th IEEE Conference on Nanotechnology (IEEE-NANO), Rome, Italy. doi: 10.1109/NANO.2015.7388697 doi: 10.1109/ICC.2013.6655509
Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi-Cover
  • ISSN: 2148-4147
  • Yayın Aralığı: Yılda 3 Sayı
  • Başlangıç: 2002
  • Yayıncı: BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ > MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
Sayıdaki Diğer Makaleler

ASENKRON MOTOR EKSENEL KAÇIKLIK ARIZALARININ SHANNON ENTROPİSİ İLE ANALİZİ

Abdurrahman ÜNSAL, Selahattin GÜÇLÜ

ÜÇ BOYUTLU DOKUMA KUMAŞ TAKVİYELİ SANDVİÇ KOMPOZİTLERDE YÜZEYLERDEKİ ELYAF KATMAN SAYISININ EĞİLME DAVRANIŞINA ETKİSİ

Rukiye ERTAN, Abdil KUŞ, İsmail DURGUN

ÇANAKKALE BOĞAZI AKINTI TÜRBİN MODELLENMESİ

Muzaffer YÜCEL, İsmail TARHAN

BAŞLANGIÇ EĞRİLİK KUSURLARININ MESNETLENME DURUMU VE MODÜL SAYISINA GÖRE DÜZLEMSEL ÇİFT TABAKALI UZAY KAFES SİSTEMLERİN DAVRANIŞINA ETKİSİ

Mojibullah NOORİ, Nurten TOPALOĞLU, Mustafa TEMŞİ, Hakan TÜRKER

BİLEK REHABİLİTASYONU İÇİN DÜŞÜK MALİYETLİ BİR TAŞINABİLİR ROBOTİK CİHAZIN GELİŞTİRMESİ VE KONTROLÜ

İbrahim KARABIYIK, Ergin KILIÇ, Atilla BAYRAM

ÜÇ BOYUTLU DOKUMA KUMAġ TAKVĠYELĠ SANDVĠÇ KOMPOZĠTLERDE YÜZEYLERDEKĠ ELYAF KATMAN SAYISININ EĞĠLME DAVRANIġINA ETKĠSĠ

Rukiye ERTAN, Abdil KUŞ, İsmail DURGUN

YÜZEY KORUYUCU REÇİNENİN DÖĞER TÜFÜ VE İSCEHİSAR ANDEZİTİNİN KILCAL SU EMME POTANSİYELİ ÜZERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ

MUSTAFA YAVUZ ÇELİK, Murat SERT, Zeyni ARSOY

Kendiliğinden Yerleşen Betonla Yapılan Kolon-Kiriş Birleşimlerinde Donatı Oranı Etkisinin Değerlendirilmesi

Hamid FARROKH GHATTE

Nano Boyutlu Vücut Merkezli Kablosuz Ağların Alveolar Alanları ve İnsan Dokuları İçin Numerik Analiz

Mustafa Alper AKKAŞ

CERRAHİ UYGULAMALARDA MEDİKAL GÖRÜNTÜLEMENİN ÖNEMİ VE ÜÇ BOYUTLU ANATOMİK MODEL KULLANIMI

Hakan Burçin ERDOĞUŞ