黎作鵬，張菁，蔡紹濱，王勇，倪軍

(1.哈爾濱工程大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.愛荷華大學(xué) 計算機科學(xué)系，愛荷華州 愛荷華城 52242；3.愛荷華大學(xué) 卡佛醫(yī)學(xué)院，愛荷華州 愛荷華城 52242)

1 引言

近年來，快速發(fā)展的納米技術(shù)為工程領(lǐng)域研究與開發(fā)納米尺度(1～100nm)尺寸的設(shè)備提供了有力工具。筆者將由納米尺度尺寸的組件組成、整體尺寸在納米尺度或微米尺度范圍內(nèi)、能夠執(zhí)行計算、數(shù)據(jù)存儲、感知和驅(qū)動等任務(wù)的設(shè)備稱為納米機器(nano-machine)[1,2]。納米機器被認為是納米尺度上最基本的功能設(shè)備[3]。由于個體納米機器僅能在有限的空間范圍內(nèi)執(zhí)行非常簡單的任務(wù)，因此為了能夠在更大的范圍上完成更復(fù)雜的任務(wù)，需要納米機器之間通過信息共享，以合作的方式組成分布式的納米網(wǎng)絡(luò)(nano-networks)[1,4]。納米網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，例如體域納米網(wǎng)絡(luò)[5](body area nano-networks)。納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將奠定未來研究與開發(fā)納米尺度互聯(lián)網(wǎng)(nanoscale Internet)[2]和納米物聯(lián)網(wǎng)(Internet of nano-things)[6]的基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的通信技術(shù)(例如電磁波或聲波)由于受到收發(fā)器體積和能耗等因素的制約而無法直接應(yīng)用于納米機器[1]。自然界中目前存在著各種數(shù)量巨大的“生物納米機器”(例如細胞)，它們能夠通過傳輸分子的方式實現(xiàn)信息交換[7]，合作地組成穩(wěn)定高效的生物納米網(wǎng)絡(luò)[8]。這些經(jīng)過數(shù)十億年進化的天然納米機器及系統(tǒng)為工程領(lǐng)域設(shè)計與開發(fā)納米機器和納米網(wǎng)絡(luò)提供了參考模型[9]。由于不受收發(fā)器的體積和能耗等因素的制約[10]，并且適用于許多特定的應(yīng)用環(huán)境中(例如人體內(nèi))，因此學(xué)術(shù)界普遍認為基于生物啟發(fā)的分子通信是實現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)最可行的通信技術(shù)之一[3]。作為現(xiàn)有通信系統(tǒng)在納米尺度的補充[1]，目前分子通信已經(jīng)吸引了相關(guān)學(xué)術(shù)科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，例如，2011年成立的 IEEE P1906.1標準工作組(IEEE COM/Nanoscale and molecular communications working group)正在開展分子通信的基本定義、概念模型、通用術(shù)語和協(xié)議的標準化工作，將有力地推動分子通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用推廣。

本文首先系統(tǒng)地歸納分子通信的定義、特性及基于分子通信納米網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，并列舉國內(nèi)外相關(guān)的重要學(xué)術(shù)活動與科研項目；然后詳細地介紹分子通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中重點闡述基于生物啟發(fā)的信息分子傳輸機制；最后從系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、理論研究和基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3個方向總結(jié)和分析分子通信的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，并展望未來的研究方向。

2 分子通信的概述

2.1 分子通信的定義

分子通信的原理與機制來源于自然界中的納米尺度生物通信過程，本文從通信工程技術(shù)的角度歸納出基于生物啟發(fā)的分子通信的定義。

分子通信(molecular communication)是一種使用生物化學(xué)分子作為信息載體的短距離通信技術(shù)[11]，信息的載體分子被稱為信息分子(information molecules)[8]。在分子通信系統(tǒng)中，由信息的發(fā)送方納米機器(簡稱發(fā)送器)生成能夠被接收方納米機器(簡稱接收器)識別并接收的信息分子，并基于信息分子的物理或化學(xué)特性編碼信息[1,12]。發(fā)送器釋放的信息分子通過流體(液體或氣體)介質(zhì)[3]被傳送到接收器后，由接收器接收并以特定的方式解碼信息，例如通常將觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)的過程看作是自然界中的生物納米機器(例如細胞)對編碼了化學(xué)狀態(tài)等信息的信息分子的解碼[12]。

2.2 分子通信的特性

通過與傳統(tǒng)通信技術(shù)及新興的量子通信技術(shù)進行對比，能夠系統(tǒng)地描述分子通信的關(guān)鍵特性。

1) 與傳統(tǒng)通信技術(shù)的對比[11,13]

分子通信與基于電磁波或聲波的傳統(tǒng)通信技術(shù)之間存在許多差異，如表1所示。

表1 分子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)的特性對比

2) 與量子通信技術(shù)的對比

量子通信是一種基于量子力學(xué)的基本原理、以量子態(tài)作為信息載體的通信技術(shù)[14]。目前分子通信的研究主要關(guān)注于細胞和分子級的通信機制與特性，盡管與量子通信存在本質(zhì)區(qū)別，但是未來在原子或亞原子空間中開展分子通信的進一步研究將同樣需要以量子力學(xué)原理作為基礎(chǔ)[15,16]。

3) 分子通信的其他特性

隨機性：粒子的無規(guī)則布朗運動、溫度或 PH的變化以及環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)等因素使信息分子在傳輸過程中可能出現(xiàn)不可預(yù)測的行為[17](例如隨機分解與降解)。

信息承載量大：特定類型的信息分子可以承載大量信息，例如大腸桿菌的染色體(一種信息分子)在2μ2區(qū)域可以存儲9.2Mbit的信息，而硅基技術(shù)在相同區(qū)域上僅能存儲490bit的信息[13]。

生物兼容性[18]：生物啟發(fā)的分子通信機制使納米機器能夠直接與生物系統(tǒng)中的各種原生組件(例如細胞、組織和器官)進行相互作用。

高能效：分子通信系統(tǒng)可以從環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)中獲取充足的能量[19]，以支持信息傳輸。同時自然進化也形成了對能量利用的高效性，例如肌球蛋白(一種運載信息分子的工具)能夠以接近 100%的效率使用化學(xué)能進行機械作業(yè)[20]。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域

分子通信的研究意義將主要通過納米網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到體現(xiàn)。基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事和環(huán)境等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1) 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：由于在組件體積、生物兼容性和生物穩(wěn)定性等方面具有突出的優(yōu)點，因此基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)能夠為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供低侵入性的微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)[21]，例如，被移植到人體中的納米傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在分子尺度上提供對組織或器官的高分辨率感知，進而實現(xiàn)對疾病的早期診斷和預(yù)防；由納米傳感器與納米執(zhí)行器組成的納米體域網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對外來元素或病原體的識別與控制、對惡性細胞(例如癌細胞)的定位并作出相應(yīng)反應(yīng)[5]，從而有力地支持人體的免疫系統(tǒng)功能。精確的分子傳輸機制還有助于協(xié)調(diào)和控制藥物的釋放時間與劑量，實現(xiàn)嵌入人體的智能藥物容器與特定細胞之間的定向藥物投送[13]，能夠為治療代謝疾病(例如糖尿病)或緩解神經(jīng)變性疾病(例如老年癡呆癥)提供有效的幫助。

2) 工業(yè)領(lǐng)域：基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)能夠被應(yīng)用于食品質(zhì)量和水質(zhì)的監(jiān)控過程中[11]，例如，納米傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠檢測到使用傳統(tǒng)感知技術(shù)無法檢測的微小細菌或有毒物質(zhì)；此外在新材料的加工過程中[1]，通過將納米網(wǎng)絡(luò)嵌入到纖維材料內(nèi)可以獲得更先進的智能材料。

3) 軍事領(lǐng)域：基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)能夠被應(yīng)用于核生化(NBC)的監(jiān)測與防御[1]，或被應(yīng)用于設(shè)計與制造先進的偽裝設(shè)備和軍服(例如，自調(diào)節(jié)溫度或檢測士兵傷情)[18]等用途。

4) 環(huán)境領(lǐng)域：生物啟發(fā)的納米網(wǎng)絡(luò)可以解決許多目前技術(shù)無法解決的環(huán)境問題，例如生物降解[21]、生物多樣性控制[1]和空氣污染監(jiān)控等。

除此之外，分子通信還能夠在許多其他領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。例如，分子通信技術(shù)通過提供生物分子計算設(shè)備[13,17](例如酶晶體管、生物邏輯門和生物存儲器等)之間的信息互聯(lián)方式，能夠增強系統(tǒng)的功能架構(gòu)[11]，進而更充分地發(fā)揮設(shè)備的并行計算潛力以及針對特定問題的處理速度和體積優(yōu)勢。另外分子通信技術(shù)還可以被應(yīng)用到片上實驗室(lab-on-a-chip)[22]，通過直接并精確地操縱樣本中的分子，實現(xiàn)在一塊芯片(mm～cm)上對醫(yī)學(xué)生物樣本進行檢測與分析。

2.4 重要的研究活動與科研項目

分子通信的概念于2005年被提出[23]，目前在國際上已經(jīng)成為受到相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域、科研機構(gòu)和政府部門廣泛且高度重視的研究課題，例如，美國國家科學(xué)基金(NSF)在2008年舉辦了分子通信技術(shù)研討會[24]，并開始資助相關(guān)研究項目。表2列舉了近年來與分子通信相關(guān)的主要國際會議。

表2 分子通信領(lǐng)域的主要國際會議

國際上目前致力于分子通信技術(shù)研究的學(xué)術(shù)機構(gòu)主要包括美國佐治亞理工學(xué)院和加州大學(xué)歐文分校、日本大阪大學(xué)前沿研究中心、西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)和土耳其中東科技大學(xué)等，表3列舉了由這些機構(gòu)承擔(dān)的重要科研項目。此外美國橡樹嶺國家實驗室、愛荷華大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、日本國立情報通信研究所和NTT DoCoMo研發(fā)中心、加拿大多倫多大學(xué)、約克大學(xué)、愛爾蘭沃特福德理工學(xué)院等學(xué)術(shù)機構(gòu)在分子通信領(lǐng)域的研究也取得了很大的進展。

中國目前也已經(jīng)開始重視分子通信及相關(guān)領(lǐng)域的研究與發(fā)展，例如在20世紀90年代，中科院已經(jīng)開始進行細胞分子機器的設(shè)計與裝配研究。目前，國內(nèi)的一些高校和科研院所已經(jīng)開始與國外的相關(guān)學(xué)術(shù)機構(gòu)合作開展分子通信和納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究工作。

表3 分子通信領(lǐng)域的重要科研項目

3 分子通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 分子通信的系統(tǒng)組件

分子通信系統(tǒng)通常由以下基本組件構(gòu)成。

1) 納米機器?；谘邪l(fā)及制造能力的發(fā)展現(xiàn)狀，目前主要通過將生物啟發(fā)機制與仿生有機材料相結(jié)合的方式[11]設(shè)計并實現(xiàn)具備簡單計算、存儲、感知、驅(qū)動及通信能力的納米機器，例如人工合成的類細胞結(jié)構(gòu)[25]。根據(jù)文獻[1]提出的模型，圖1通過與生物納米機器(活細胞)的對比說明了人工納米機器的一般功能架構(gòu)。納米機器的主要功能部件包括：①能夠通過運行指令控制所有其他組件執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的處理與控制單元；②能夠存儲指令和數(shù)據(jù)的存儲單元；③由能夠發(fā)送和接收信息分子的收發(fā)器組成通信單元；④信息分子的合成與存儲單元；⑤能夠為所有其他組件供能(例如通過化學(xué)反應(yīng))的能量單元；⑥充當(dāng)環(huán)境與納米機器之間接口的傳感器與執(zhí)行器單元。

圖1 人工納米機器和生物納米機器的功能架構(gòu)對比

隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，可以預(yù)見未來將能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(例如有機與無機材料結(jié)合[2])的納米機器。根據(jù)生物的啟發(fā)原理，理想的納米機器還將具備以下的基本功能[1,2]：①能夠同時執(zhí)行不同任務(wù)的多任務(wù)功能；②能夠同時使用多種分子傳輸機制進行通信的多通信接口功能；③能夠在無外界干預(yù)的條件下將一些無序的元素組成有組織結(jié)構(gòu)的自裝配功能；④能夠在無外界干預(yù)的條件下使用外部元素復(fù)制自身的自復(fù)制功能。多任務(wù)和多通信接口功能有助于增強納米機器所執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性；自裝配和自復(fù)制功能可以實現(xiàn)自主地創(chuàng)造大量的納米機器，有助于提高納米機器所執(zhí)行任務(wù)的規(guī)模性。

2) 信息分子：用來編碼信息的功能分子，與傳統(tǒng)通信技術(shù)中信息分組的功能相同[13]。信息分子需要具備對環(huán)境噪聲和干擾的化學(xué)穩(wěn)定性與頑健性。常用的信息分子包括蛋白質(zhì)分子[11]、細胞內(nèi)信使分子(例如Ca2+)[26]、DNA/RNA分子[13]、神經(jīng)遞質(zhì)[9]、內(nèi)分泌荷爾蒙分子[11]和信息素分子[27]等。

3) 運輸分子：包括能夠承載并在化學(xué)能(例如三磷酸腺苷(ATP)水解)的驅(qū)動下運輸信息分子的分子馬達(具有運動活性的蛋白質(zhì)大分子，包括驅(qū)動蛋白、動力蛋白和肌動蛋白)[28]和細菌馬達(由自身的鞭毛或纖毛產(chǎn)生動力的細菌)[13]

4) 引導(dǎo)分子：①能夠引導(dǎo)分子馬達運動的蛋白質(zhì)軌道，例如微管[29]和微絲[30](由微管蛋白或肌動蛋白組成的細胞骨架)；②能夠調(diào)節(jié)信息分子傳輸?shù)牡鞍踪|(zhì)通道，例如間隙連接[19](連通相鄰細胞的細胞質(zhì)，用于交換分子的物理通道)；③能夠驅(qū)使細菌馬達向特定納米機器運動的誘導(dǎo)劑分子(細菌沿環(huán)境中誘導(dǎo)劑分子的濃度梯度運動的特性被稱為細菌的趨藥性[31])；④能夠在納米機器之間傳遞電化學(xué)信號的神經(jīng)元細胞[8]等。

5) 接口分子：能夠在傳輸過程中隱藏信息分子的化學(xué)和物理特性[32]，保護信息分子不受環(huán)境噪聲干擾[33]的分子容器(例如脂質(zhì)囊泡)。

運輸分子、引導(dǎo)分子和接口分子的使用為分子通信提供了信息分子傳輸?shù)目煽啃员ＷC。

3.2 分子通信的過程

本文基于Shannon的通信模型[34]建立了能夠描述一般性通信過程的分子通信模型，如圖2所示。

圖2 分子通信模型

分子通信的基本通信過程包括信息的編碼、發(fā)送、傳輸、接收和解碼5個主要步驟。

1) 編碼是發(fā)送器將信源產(chǎn)生的消息翻譯到能夠被接收器檢測到的信息分子上的過程。分子通信通?；谛畔⒎肿拥念愋汀⑷S結(jié)構(gòu)(例如蛋白質(zhì)分子)[18]、序列信息(例如DNA/RNA分子)[13]、釋放時間、數(shù)量(濃度)或濃度變化率[3]等物理或化學(xué)特性編碼信息。分子通信既可以實現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)中的信息編碼機制(例如編碼二進制信息)[35]，也能夠根據(jù)信息載體所具有的化學(xué)信號屬性編碼與化學(xué)狀態(tài)或化學(xué)現(xiàn)象相關(guān)的功能性信息。

2) 發(fā)送是發(fā)送器將信息分子釋放到傳輸介質(zhì)中的過程。發(fā)送器可以通過打開能夠向外擴散信息分子的通道(例如間隙連接)釋放信息分子[13]，或先將信息分子封裝到接口分子中，然后借助運輸分子和引導(dǎo)分子釋放信息分子。

3) 傳輸是信息分子通過流體(液體或氣體)介質(zhì)從發(fā)送器被傳送到接收器的過程。信息分子可以通過無化學(xué)能驅(qū)動的“被動傳輸”方式或有化學(xué)能驅(qū)動的“主動傳輸”方式進行傳輸。表4列舉了2種傳輸方式的特征對比，基于生物啟發(fā)的信息分子傳輸機制將在3.3節(jié)中進一步詳細描述。

表4 信息分子的被動傳輸與主動傳輸方式的特征對比

4) 接收是接收器檢測到被傳輸?shù)男畔⒎肿雍髮ζ溥M行接收的過程。接收器可以采用“配體—受體結(jié)合”機制[18]接收信息分子(即由嵌入到細胞膜或接收器表面的能夠識別并結(jié)合特定類型分子的受體蛋白捕捉信息分子)或通過打開分子通道(例如間隙連接)使信息分子進入接收器[13]。

5) 解碼是接收器通過被接收的信息分子重建(恢復(fù))信源產(chǎn)生消息的過程。接收器可以根據(jù)被接收的信息分子解碼數(shù)字信息。由于化學(xué)反應(yīng)(例如酶級聯(lián)反應(yīng))也能夠被用來執(zhí)行許多傳統(tǒng)信息與通信系統(tǒng)所執(zhí)行的復(fù)雜計算和決策功能[1]，因此，納米機器可以將信息分子中編碼的與化學(xué)狀態(tài)、現(xiàn)象或過程相關(guān)的信息解碼成化學(xué)反應(yīng)，進而通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動執(zhí)行特定任務(wù)，例如合成新的信息分子、轉(zhuǎn)發(fā)信號、存儲數(shù)據(jù)或移動等。

3.3 信息分子的傳輸機制

根據(jù)信息分子傳輸距離的不同可以將分子通信分為短距(nm～μm)通信、中距(μm～mm)通信和長距(mm～m)通信[4]；根據(jù)信息分子傳輸方式的不同可以將分子通信分為被動傳輸通信和主動傳輸通信。本節(jié)結(jié)合2種分類方式介紹主要的信息分子傳輸機制。

3.3.1 短距分子通信

能夠?qū)崿F(xiàn)短距分子通信的信息分子傳輸機制包括基于自由擴散的被動傳輸機制和基于分子馬達的主動傳輸機制。

1) 基于自由擴散的被動傳輸機制。自由擴散是一種普遍的細胞內(nèi)或細胞間的分子傳輸機制[36]?；谧杂蓴U散的分子通信在本質(zhì)上是一種使信息分子向任意方向運動的廣播通信方式[37]。如圖3所示，發(fā)送器向周圍環(huán)境中釋放信息分子，信息分子在經(jīng)歷無規(guī)則布朗運動的過程中創(chuàng)造了一個圍繞發(fā)送器的濃度梯度，使發(fā)送器位置的濃度值最高。接收器裝有特定類型的受體，僅當(dāng)相應(yīng)類型的信息分子以足夠高的濃度出現(xiàn)在接收器的周圍時，才會接收信息分子[38]。

圖3 基于自由擴散的被動傳輸機制

2) 基于分子馬達的主動傳輸機制。分子馬達廣泛地被用于細胞內(nèi)的分子傳輸[31]。在這種傳輸機制中，作為引導(dǎo)分子的微絲或微管通常從細胞的中心體出發(fā)，基于“動態(tài)不穩(wěn)定性”(任意地伸長或收縮)特性向細胞壁擴散，自組織形成星形或隨機網(wǎng)格拓撲的引導(dǎo)分子網(wǎng)絡(luò)[29]。分子馬達能夠在化學(xué)能的驅(qū)動下以達到400mm/d的速度[1]沿引導(dǎo)分子運動，通過提供了信息分子的定向傳輸機制實現(xiàn)單播或多播方式的分子通信[39]。如圖4所示，發(fā)送器合成接口分子(例如囊泡)，并通過特定的方式(例如芽生機制[13])將封裝了信息分子的接口分子結(jié)合到分子馬達上。分子馬達在化學(xué)能的驅(qū)動下沿引導(dǎo)分子運動，并能夠通過轉(zhuǎn)換到不同的引導(dǎo)分子上從而最終到達接收器。在接收器端，信息分子與分子馬達分離(例如以囊泡融合[39]方式)，并被接收器所接收。

圖4 基于分子馬達的主動傳輸機制

3.3.2 中距分子通信

能夠?qū)崿F(xiàn)中距分子通信的信息分子傳輸機制包括基于反應(yīng)擴散的被動傳輸機制和基于細菌馬達的主動傳輸機制。

1) 基于反應(yīng)擴散的被動傳輸機制。間隙連接能夠協(xié)調(diào)相鄰細胞之間的行為，組成被稱為“細胞線[20]”的細胞網(wǎng)絡(luò)。鈣離子(Ca2+)是生物系統(tǒng)中最重要的信息分子之一[26]，通常被儲存在細胞內(nèi)特定的鈣庫(例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，簡稱ER)中。Ca2+能夠通過連接納米機器的細胞網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)較長距離的傳輸。如圖5所示，發(fā)送器合成并釋放初始化信號(例如被稱為“鈣激活分子”的三磷酸肌醇[1]，簡稱IP3)，刺激鄰近的細胞釋放ER中的Ca2+。Ca2+通過間隙連接被擴散，依次刺激相鄰細胞釋放各自ER中的Ca2+(即鈣誘導(dǎo)鈣釋放[40]，簡稱 CICR)，使細胞網(wǎng)絡(luò)內(nèi) Ca2+的濃度以正反饋的方式增加。當(dāng)濃度增加到一定閾值時，細胞使用各種鈣泵移除內(nèi)部的Ca2+，以負反饋的方式降低Ca2+的濃度。由正反饋和負反饋組成的鏈式反應(yīng)產(chǎn)生了細胞間 Ca2+的類波脈沖信號[13]，使細胞網(wǎng)絡(luò)能夠不斷地放大信號并以較高的頻率實現(xiàn)信息傳輸[41]。

圖5 基于反應(yīng)擴散的被動傳輸機制

2) 基于細菌馬達的主動傳輸機制：長期的進化使細菌具備了高效率的機械(例如能夠產(chǎn)生動力的鞭毛和纖毛)和復(fù)雜的技能(例如趨藥性使細菌能夠向其認為具有最佳生存條件的位置運動[42])，另外通過“細菌結(jié)合”過程，細菌能夠吸附其他細胞并交換遺傳物質(zhì)(例如DNA)[13]。如圖6所示，發(fā)送器通過細菌結(jié)合過程將信息分子(例如 DNA 分子)裝載到載體細菌中并釋放載體細菌；接收器通過釋放誘導(dǎo)劑分子指示載體細菌的移動方向；當(dāng)載體細菌與接收器物理接觸后，通過細菌結(jié)合過程將信息分子傳送到接收器。

3.3.3 長距分子通信

長距分子通信主要包括基于信息素、基于神經(jīng)元和基于毛細血管的通信。信息素是僅能被同類的受體接收并引發(fā)特定行為的分子化合物[1]。昆蟲(例如螞蟻、蜜蜂)或許多哺乳動物使用信息素在較長距離上傳輸信息。信息素通信在本質(zhì)上屬于基于自由擴散的被動信息分子傳輸機制[27]。

圖6 基于細菌馬達的主動傳輸機制

基于神經(jīng)元和基于毛細血管的分子通信以提供信號的物理傳輸鏈路方式實現(xiàn)“有線”的分子通信。神經(jīng)元能夠通過傳輸動作電位(沿神經(jīng)元細胞的軸突傳輸?shù)碾娦盘?和擴散神經(jīng)遞質(zhì)分子(在神經(jīng)元細胞的突觸與其他神經(jīng)元細胞的樹突間自由擴散的化學(xué)信號)2種形式相互轉(zhuǎn)換地傳輸信息，是現(xiàn)有速度最快的分子傳輸方式[43]。神經(jīng)元細胞具有基于神經(jīng)突觸自組織成網(wǎng)絡(luò)的能力[44]，且軸突的長度能夠達到1m。如圖7所示，由于納米收發(fā)器能夠通過神經(jīng)元的郎飛結(jié)(髓鞘間大約1μm長的空隙)作為接口連接到軸突[43]，因此神經(jīng)元細胞可以作為連接納米機器的信息通路。

圖7 基于神經(jīng)元的電化學(xué)信號傳輸機制

毛細血管是連接微動脈和微靜脈的最細小血管(直徑為5～10μm)，主要功能是實現(xiàn)血液與周圍組織之間化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的交換?；诿氀苤械难鱾鬏斝畔⒎肿?例如荷爾蒙)可以實現(xiàn)不同納米機器之間長距離的信息傳輸[28]。

4 分子通信的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

分子通信是涉及生物學(xué)(主要包括分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué))、化學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)、通信工程和電子工程等學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域。目前的主要研究方向包括：分子通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、分子通信的理論研究和基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即分別從通信工程、信息論和計算機網(wǎng)絡(luò)3個方向論證和研究具有實用性的分子通信技術(shù)。

4.1 分子通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

作為全新的通信技術(shù)，分子通信的研究重點是設(shè)計和實現(xiàn)能夠滿足通信工程領(lǐng)域需求的通信系統(tǒng)，包括能夠以精確和高效的方式實現(xiàn)發(fā)送、傳輸和接收信息分子，并處理相應(yīng)信息的最優(yōu)分子通信組件和信息分子傳輸系統(tǒng)。

4.1.1 納米機器的設(shè)計與實現(xiàn)

目前，納米技術(shù)與合成生物學(xué)是推動研究與開發(fā)納米機器的最重要的基礎(chǔ)學(xué)科。納米技術(shù)能夠制造和控制分子或原子尺度的物質(zhì)。例如碳納米管[45]是一種重要的納米材料，可以被用于制造多種電子元件，其中，碳納米管晶體管和碳納米管傳感器[46]相比硅基元件具有體積更小、處理速度更快等突出優(yōu)勢。另外在生物學(xué)領(lǐng)域中，碳納米管能夠?qū)崿F(xiàn)與DNA或分子馬達的結(jié)合[2]，也可以被用于模擬神經(jīng)元[2]和實現(xiàn)向細胞內(nèi)運輸藥物[47]等功能，因此有助于開發(fā)多種分子通信系統(tǒng)的功能組件[2]。合成生物學(xué)的目標是建立與傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)類似的、可編程實現(xiàn)預(yù)定功能的人工生物系統(tǒng)[48]。目前不同的研究領(lǐng)域可以合作生產(chǎn)生物組件，例如MIT的BioBricks項目建立了工程化的生物部件標準庫[49]，為設(shè)計與實現(xiàn)具備復(fù)雜功能的納米機器提供了豐富的生物組件模塊。

在納米尺度上，生物分子計算具有突出的優(yōu)勢[2]，例如DNA計算通過將信息編碼進生物化學(xué)符號序列中，使用這些符號執(zhí)行運算操作[50]。目前已經(jīng)開發(fā)了多種DNA自動機模型[51]。而酶計算是另一種生物分子計算模式。酶是生物化學(xué)反應(yīng)中必不可少的催化劑，利用酶級聯(lián)反應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)性和對輸入(刺激)的超敏感性可以研發(fā)基本的邏輯計算組件[52]。DNA計算和酶計算均有助于實現(xiàn)納米機器的處理、控制及通信功能，并有助于開發(fā)分子通信協(xié)議[53]。

基于以上相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科及相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，在目前或?qū)砉こ填I(lǐng)域能夠通過生物混合技術(shù)、自頂向下技術(shù)和自底向上技術(shù)制造納米機器。

1) 生物混合技術(shù)也被稱為濕技術(shù)[1]，是一種基于生物啟發(fā)機制并利用仿生有機材料開發(fā)納米機器的技術(shù)。例如目前的生物納米技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)用脂質(zhì)雙分子層組成球形囊泡，通過將功能蛋白(例如受體蛋白或基因調(diào)控蛋白)和生物酶等化學(xué)成分嵌入到囊泡中，制造出能夠合成并釋放信息分子的發(fā)送器和接收信息分子并作出相應(yīng)反應(yīng)的接收器[54,55]。生物混合技術(shù)是現(xiàn)階段設(shè)計與開發(fā)納米機器最可行的方法。

2) 自頂向下技術(shù)也被稱為干技術(shù)[27]，是一種通過縮小微設(shè)備 (例如微電子設(shè)備和微機電系統(tǒng))的尺寸開發(fā)納米尺度設(shè)備和組件的技術(shù)。目前將這種技術(shù)應(yīng)用于納米機器制造仍處于早期階段[1]。

3) 自底向上技術(shù)也被稱為分子裝配技術(shù)，是一種通過將個體分子作為基本構(gòu)件，基于“分子識別”原理排列組裝成納米機器的技術(shù)[27]。目前這種技術(shù)已經(jīng)能夠制造具備簡單的交換和記憶功能的納米結(jié)構(gòu)[1]，但更多的相關(guān)研發(fā)工作仍以理論研究為主?？梢灶A(yù)見未來將能夠通過精確和可控的排列分子實現(xiàn)高效率地裝配納米機器。

4.1.2 分子傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1) 基于自由擴散的分子傳輸系統(tǒng)。由于無需額外的能量源和通信設(shè)施，因此這種分子傳輸系統(tǒng)具有簡單且能夠在較短距離上實現(xiàn)快速傳輸信息分子的優(yōu)點。發(fā)送器可以通過選擇特定類型的信息分子和設(shè)定信息分子濃度的方式選擇目標接收器[38]。另外由于信息分子易受傳輸環(huán)境的影響，因此通常需要使用接口分子封裝信息分子，使其與環(huán)境隔離。文獻[32,33]提出了使用嵌入間隙連接蛋白的囊泡作為接口分子的方法，通過間隙連接與納米機器接觸，進而接收或釋放信息分子。

2）基于分子馬達的分子傳輸系統(tǒng)。研究證明，通過將微管種子嵌入到發(fā)送器[29]，利用微管的動態(tài)不穩(wěn)定性可以自組織形成連接發(fā)送器與接收器的軌道網(wǎng)絡(luò)[39]。沿微管網(wǎng)絡(luò)運動的分子馬達能夠為信息分子提供可靠的定向傳輸機制，且具有傳輸速度較高、信息分子需求量較少的特點。目前的生物納米技術(shù)能夠從細胞中提取馬達蛋白，最近的研究已經(jīng)在試管內(nèi)建立了這種傳輸機制[13]，實驗表明微管的長度可以超過40μm[29]。

微管網(wǎng)絡(luò)的拓撲排列方式是這種傳輸系統(tǒng)的主要研究挑戰(zhàn)，文獻[29]受微管固有的動態(tài)不穩(wěn)定性行為的啟發(fā)，提出了利用微管的聚合和解聚，以自組織方式建立微管網(wǎng)絡(luò)的方法，并利用分子馬達與微管之間的相互作用進一步重組已經(jīng)形成的微管網(wǎng)絡(luò)，從而改善通信性能。由于難以排列微管的極性(微管的正端或負端)，文獻[56]提出了顛倒微管和分子馬達的布局，使用在馬達蛋白上滑行的微管作為信息分子載體的方法，從而避免了微管排列過程中的技術(shù)難點。目前類似的系統(tǒng)已經(jīng)在人工環(huán)境中得到廣泛研究，例如研究可以成功地控制微管蛋白在預(yù)置的顯微光刻軌道網(wǎng)絡(luò)上的劃動方向[57,58]，使這種受控的系統(tǒng)可以為分子通信提供可靠的信息分子傳輸方式。

能夠無外部干預(yù)地裝載和卸載信息分子是實現(xiàn)分子馬達傳輸系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。配體—受體結(jié)合機制能夠精確地將信息分子裝載到分子馬達上[1]。文獻[33]和文獻[56]則提出了通過將短ssDNA(單鏈DNA)連接到微管上，并使被連接到信息分子上的長ssDNA與微管所連接的短 ssDNA類型相同且與接收器所連接的長 ssDNA在基對序列上完全互補，進而利用DNA雜交技術(shù)實現(xiàn)信息分子的自主裝載與卸載的方法。

3) 基于反應(yīng)擴散的分子傳輸系統(tǒng)。文獻[20]通過實驗證明了使用間隙連接將細胞排列成連接不同納米機器的通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。文獻[59]基于CICR過程設(shè)計了能夠放大被傳輸?shù)姆肿有盘柕募毎欣^器。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過 20種的間隙連接蛋白，不同的間隙連接蛋白能夠組成具有不同分子滲透性和選擇性的通道[13]，并可以根據(jù)各種內(nèi)部和外部因素改變這些特性[13]，例如Ca2+濃度、膜電勢、溫度或PH值，進而形成對信號的過濾和交換功能，控制或調(diào)節(jié)信息分子的傳輸方向和傳輸距離。因此，通過采用編碼初始化信號分子(例如IP3)的方法調(diào)制Ca2+波，反應(yīng)擴散機制能夠提供更靈活的信息傳輸方式[1]，實現(xiàn)在相對小的時間跨度上較長距離的分子通信。

4) 基于細菌馬達的分子傳輸系統(tǒng)。由于每一種細菌都能對特定的誘導(dǎo)劑作出反應(yīng)并能夠與其他細胞(納米機器)交換遺傳物質(zhì)(信息分子)，因此細菌馬達作為一種良好的分子傳輸機制得到了廣泛研究[60,61]。目前的研究大多使用無害且已知完整基因組序列的大腸桿菌(E.coli)。文獻[4]分別提出了基于細菌馬達和基于催化納米馬達的 2種分子通信系統(tǒng)。前者將基因改造過的細菌存儲在網(wǎng)關(guān)節(jié)點中，基于生物學(xué)領(lǐng)域廣泛研究的質(zhì)粒、噬菌體或人造細菌染色體等方法在細菌結(jié)合過程中將DNA分組(編碼了信息的DNA分子)插入到細菌的細胞質(zhì)中。當(dāng)載體細菌在誘導(dǎo)劑的作用下到達接收器并與之結(jié)合后，接收器使用限制性內(nèi)切酶或采用DNA雜交技術(shù)從質(zhì)粒中提取DNA分組。與細菌馬達類似，催化納米馬達(鉑金納米棒)能夠通過催化環(huán)境中的化學(xué)能運輸信息分子。催化納米馬達需要過氧化氫水溶液環(huán)境，并在預(yù)設(shè)磁場的引導(dǎo)下運動，因此適合于生物體外的應(yīng)用。文獻[42]提出了使用DNA處理器(DPU)編碼與解碼信息分子，并在細菌結(jié)合過程中實現(xiàn)對信息分子的封裝與解封的細菌馬達傳輸技術(shù)。

5) 長距分子傳輸系統(tǒng)。基于神經(jīng)元的分子通信系統(tǒng)具有傳輸距離長、速度高、低衰減和傳輸電化學(xué)信號等優(yōu)點[8,27]。目前相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)對神經(jīng)元通信的特性進行了大量的研究，例如電化學(xué)信號傳輸機制[62]、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的連通性與拓撲結(jié)構(gòu)等。使用神經(jīng)元細胞作為分子通信組件需要具備能夠人工調(diào)用和抑制神經(jīng)元信號，以及能夠最小化信號間干擾的調(diào)度機制。文獻[43]設(shè)計了可以激活跨膜離子信號傳輸?shù)募{米設(shè)備與神經(jīng)元細胞之間的接口，并根據(jù)神經(jīng)元具有的“不應(yīng)期” (即無信號傳輸時段)的特性，提出了 TDMA傳輸調(diào)度機制，以保證由多個設(shè)備發(fā)送的信號能夠在最小干擾下成功到達接收器，并實現(xiàn)與神經(jīng)元上生物信號之間無沖突的并行傳輸。文獻[27]深入地討論和研究了基于信息素和毛細血管的信息分子傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，例如通信模型的建立和系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)等。

綜上所述，目前已經(jīng)建立了多種分子通信系統(tǒng)的概念模型和基本框架，但是還處在研究的早期階段，尤其是許多生物通信過程還沒有被完全理解，因此仍存在許多挑戰(zhàn)，主要包括：1）簡單的納米機器還不具備復(fù)雜的信息處理與控制能力，不能精確地修改信息分子以編碼信息及精確地控制信息分子的釋放與接收；2）缺少有效的傳輸控制機制，例如控制分子馬達的運動、細胞網(wǎng)絡(luò)對信號的放大和過濾、載體細菌的活動等；3）缺少對降低隨機性對通信的影響和擴大通信距離等能夠有效地改善通信性能的方法的深入研究。

4.2 分子通信的理論研究

隨著相關(guān)研究的不斷深入，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開始重視分子通信理論基礎(chǔ)的建立。分子通信的理論研究目標是從通信原理的角度研究并分析分子通信系統(tǒng)中信息傳輸?shù)奶卣饕?guī)律，進而確定通信性能(信道容量)并探索提高通信質(zhì)量的方法，最終建立完善的分子(納米尺度)信息論[2,8]?，F(xiàn)階段的研究核心是圍繞不同的編碼與調(diào)制技術(shù)開展分子通信的信道特征化及噪聲建模的研究。

4.2.1 編碼與調(diào)制技術(shù)

目前在分子通信系統(tǒng)中，主要被研究和使用的信息編碼與調(diào)制技術(shù)包括以下5個方面。

1) 基于分子類型的編碼。這種編碼技術(shù)使用不同類型的信息分子代表不同的比特值[18]。接收器基于相應(yīng)受體的反應(yīng)(配體—受體結(jié)合)判斷被發(fā)送的信息。文獻[63]進一步提出了基于不同類型信息分子的傳輸順序編碼比特值的方法。

2) 基于分子濃度的編碼。這種編碼技術(shù)類似于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的振幅調(diào)制(AM)技術(shù)[64]，使用信息分子的不同濃度級代表比特“0”和“1”[65,66]。接收器通過測量所接收信息分子的濃度值，并與預(yù)定的閾值進行對比后確定被發(fā)送的比特值[67]。

3) 基于分子濃度變化率的編碼。這種編碼技術(shù)類似于傳統(tǒng)通信中的頻率調(diào)制(FM)[68]技術(shù)，使用信息分子的濃度變化率(濃度C的時間導(dǎo)數(shù)dC(t)/dt)代表不同的符號[69,70]。文獻[68]提出了基于分子電路的具備頻率選擇能力的解碼方案。

4) 基于分子釋放時間的編碼。這種編碼以信息分子被釋放的時間代表比特值[71,72]，前提條件是納米機器需要具備精確的時鐘同步機制[73]。

5) 基于分子結(jié)構(gòu)序列的編碼。與目前在計算機通信系統(tǒng)中所廣泛使用的二進制信息編碼方式不同，納米機器將能夠基于DNA的核苷酸（腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤）序列實現(xiàn)四進制信息編碼技術(shù)[4,74]。這種編碼技術(shù)通過承載大量的信息而提高信道的吞吐量[56]，并具有良好的抗噪性[75]。文獻[4]和文獻[42]詳細地描述了基于 DNA序列編碼信息和分組封裝的基本方法。

4.2.2 信道的特征化

分子通信的信道特征化目標是建立信息分子或信息分子載體在流體傳輸環(huán)境中的動力學(xué)模型，通過獲得的模型量化分析信道的平均傳輸延遲、抖動和分組丟失率等相應(yīng)的通信特征。生物物理學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了大量從量子、分子到細胞和器官級的動力學(xué)模型和計算模型，這些模型為分子通信的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

擴散是信息分子運動的重要形式，因此擴散信道是分子通信的研究重點。根據(jù)信息分子的運動特征，通常將擴散信道分為自由擴散信道、反應(yīng)擴散信道和漂移擴散信道3種類型。

1) 自由擴散是在無化學(xué)反應(yīng)作用的情況下，信息分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動，最終達到濃度均勻狀態(tài)的過程。自由擴散是一種最基本的信息分子運動方式，包括細胞內(nèi)信使分子、信息素和神經(jīng)遞質(zhì)在內(nèi)的許多種類的信息分子及細菌的誘導(dǎo)劑粒子均依靠這種方式進行傳輸，而且基于分子類型、基于分子濃度或濃度變化率的編碼都是主要應(yīng)用于自由擴散信道的編碼技術(shù)。自由擴散信道的特征化研究目前主要通過 Fick定律描述信息分子的擴散過程[3,69]，并通常將分子運動建模為低雷諾數(shù)運動[76](雷諾數(shù)是用來量化特定流量條件下慣性力與粘性力的相對重要性的無量綱數(shù)[77]，流體環(huán)境中的分子受到的粘性力大于慣性力)。相關(guān)研究表明自由擴散信道的平均傳輸延遲受到發(fā)送器與接收器之間距離的極大影響(隨距離的平方增長)[13]，另外，擴散系數(shù)[66]和環(huán)境溫度[71]等因素也會影響到信道的特征。

2) 反應(yīng)擴散是一種能夠通過化學(xué)反應(yīng)放大分子信號(增加被傳輸信息分子的數(shù)量)的擴散過程[19]?；陂g隙連接的細胞網(wǎng)絡(luò)主要依靠反應(yīng)擴散方式增加Ca2+通信的可靠性。在針對Ca2+信號傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)理論研究中，通常基于對常微分方程進行數(shù)值積分描述Ca2+的時間動力學(xué)特性，并通過偏微分方程特征化Ca2+的空間動力學(xué)特性[78]。而能夠更精確地分析隨機效應(yīng)的隨機仿真方法(例如 Gillespie隨機仿真算法)也已經(jīng)被應(yīng)用于細胞網(wǎng)絡(luò)中 Ca2+信道的特征化研究中[78]。相關(guān)研究表明反應(yīng)擴散信道的傳輸延遲能夠隨放大器數(shù)量的增加而降低，同時也能夠隨被放大器釋放的分子數(shù)量的增加而降低[12]。

3）漂移擴散是信息分子隨方向性漂移被連續(xù)傳輸?shù)倪^程[71]，例如荷爾蒙隨血流被傳播到分布在人體內(nèi)的目標細胞。漂移擴散信道的特征化需要充分考慮流體介質(zhì)的速率因素[79]。相關(guān)研究證明漂移擴散是長距離傳輸信息分子的有效方式，傳輸延遲和抖動隨漂移速率的增加而降低[12]。

針對其他類型分子信道的特征化研究還包括：①建模低雷諾數(shù)環(huán)境中載體細菌的有偏隨機行走過程[42]。由于鞭毛能夠在化合物能量的驅(qū)動下，通過順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)推動細菌以一系列的定向游動和翻滾所組成的運動過程向接收器移動[74]。因此信道的特征化需要量化細菌運動的控制參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)方式、定向游動和翻滾的距離、方向變化[77]及誘導(dǎo)劑的擴散過程[74]等；②由于分子馬達以比較有規(guī)律的方式運動，因此通信過程更具確定性，通常以仿真方法研究其信道特征[80]，重點是抽象分析信息分子的裝載與卸載過程[81]、受力因素和環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)因素[82]等；③特征化神經(jīng)元通信中的電信號與化學(xué)信號的轉(zhuǎn)換過程。通常將輸入與輸出之間的關(guān)系假設(shè)為波爾茲曼分布[83]。實驗證明在時間域中，神經(jīng)遞質(zhì)的濃度受動作電位的影響表現(xiàn)出矩形脈沖行為[83]。

4.2.3 噪聲建模

信息分子在傳輸過程中可能會經(jīng)歷各種非確定性因素的影響，例如分子間碰撞或與環(huán)境中其他類型分子的化學(xué)反應(yīng)及熱噪聲等，這些影響因素通常被描述為分子信道噪聲。針對分子信道噪聲的抽象研究首先需要個別化分析不同類型的噪聲源，并以統(tǒng)計學(xué)方式提供對噪聲源建模的封閉表達[70]，然后以類似傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)中的加性、乘性或其他不同特性的噪聲進行分類和系統(tǒng)描述[15]。

目前的噪聲建模研究主要集中于分子擴散信道。針對基于分子濃度變化率編碼的信道，文獻[69,70]將由粒子的離散性和隨機運動對信號的發(fā)送、傳輸和接收過程產(chǎn)生的噪聲分別定義為粒子采樣噪聲、粒子計數(shù)噪聲和接收噪聲，并采用雙重方式建立噪聲模型，包括：1)根據(jù)物理、生物學(xué)和化學(xué)動力學(xué)原理，建立能夠?qū)υ肼暜a(chǎn)生過程進行數(shù)學(xué)分析并包含所有相關(guān)物理變量的物理模型；2)根據(jù)由物理模型生成的數(shù)據(jù)，建立能夠通過隨機過程和相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)捕捉噪聲現(xiàn)象，分析總結(jié)噪聲產(chǎn)生原因和特征的隨機模型。文獻[71]將基于分子釋放時間編碼的信道定義為加性逆高斯分布噪聲信道，并建立了噪聲模型。

另外，環(huán)境中積累的信息分子將對新的通信產(chǎn)生被稱為“信道記憶”的干擾, 文獻[65]通過指數(shù)衰減法和接收器移除法減少了環(huán)境中過多的信息分子,文獻[85]提出了使用降解酶分解冗余的信息分子，進而降低信道記憶干擾的方法。

生物系統(tǒng)對噪聲和干擾具有高度的適應(yīng)性和頑健性，并能夠利用噪聲改善通信性能[2]，例如生物系統(tǒng)可以通過隨機共振現(xiàn)象檢測噪聲環(huán)境中的弱信號，進而實現(xiàn)長距離通信[86]。因此，分子通信的研究可以參考生物系統(tǒng)的噪聲處理機制。

綜上所述，目前的理論研究集中于開發(fā)基本的編碼與調(diào)制技術(shù)，建立通信過程的描述與分析模型[3]、信道特征化及信道容量分析模型[87～93]和噪聲模型等。仍存在的主要挑戰(zhàn)包括：1)大多數(shù)模型相對簡單且基于一些不實際的假設(shè)(例如發(fā)送器與接收器完全同步且無化學(xué)反應(yīng)的影響)，因此不能完全真實地抽象信道特征；2)將香農(nóng)的信息論原理應(yīng)用到納米尺度通信仍有待討論(例如量化流體信道中的信噪比存在一定的難度)；3)基于主動傳輸方式分子通信的相關(guān)理論研究還較少。

4.3 基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，納米網(wǎng)絡(luò)具有如下特征：1）大部分或全部節(jié)點的體積及節(jié)點間距離需要以納米計量，個體節(jié)點僅能執(zhí)行非常簡單的任務(wù)且節(jié)點數(shù)量巨大[2]；2）由于難以在納米尺度對每個節(jié)點實施精確控制，理想的納米網(wǎng)絡(luò)需要具備自裝配和自組織能力[1]；3）基于分子通信的特性，需要全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計模式[11]；4）在許多應(yīng)用環(huán)境(例如生物組織)中，節(jié)點是運動的[1]。盡管硬件研發(fā)仍面臨著許多挑戰(zhàn)，但是在納米網(wǎng)絡(luò)的初期探索階段，同步開展面向硬件和面向網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究工作是非常有益的。目前已經(jīng)存在一些在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模或運行機制上與納米網(wǎng)絡(luò)具有相似特征的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于對相關(guān)技術(shù)的理解和參考，并結(jié)合納米網(wǎng)絡(luò)的自身特征，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開始了納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。

4.3.1 相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、片上網(wǎng)絡(luò)和主動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在一定程度上奠定納米網(wǎng)絡(luò)的研究基礎(chǔ)。

1) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與納米網(wǎng)絡(luò)都是“資源受限”的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[94]，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠為納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供研究參考。另外，許多應(yīng)用需要傳感器節(jié)點向體積更小化方向發(fā)展，例如醫(yī)用納米傳感器[95]，說明納米網(wǎng)絡(luò)必然是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向之一。

2) 片上網(wǎng)絡(luò)：隨著更多組件能夠被集成到同一芯片上，為了改善組件之間的互聯(lián)或信息路由，片上網(wǎng)絡(luò)提供了構(gòu)建小尺度通信網(wǎng)絡(luò)的先進技術(shù)[2]，成為納米網(wǎng)絡(luò)研究的重要推動力之一。

3) 主動網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點的自裝配特性對納米網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的建立產(chǎn)生了重要影響。主動網(wǎng)絡(luò)是一種允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)據(jù)分組執(zhí)行自定義計算，具有自適應(yīng)、動態(tài)和智能化特性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[96]，能夠支持實現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)的自裝配或自進化機制[2]。

4.3.2 納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進展

目前在納米網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的建立和低層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)等方面已經(jīng)取得了初步的研究成果。

1)網(wǎng)絡(luò)拓撲：穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對改善包含大量異構(gòu)節(jié)點的納米網(wǎng)絡(luò)性能非常重要。文獻[4]提出的分層拓撲結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)和納米機器2類節(jié)點組成，每個網(wǎng)關(guān)負責(zé)管理若干納米機器。納米機器與網(wǎng)關(guān)之間采用自由擴散分子傳輸機制進行通信，網(wǎng)關(guān)之間基于細菌馬達傳輸DNA分組實現(xiàn)信息交換。文獻[44]基于生物免疫系統(tǒng)的啟發(fā)提出了由移動納米機器和信息站組成的ad hoc納米網(wǎng)絡(luò)(MAMNET)，并采用受神經(jīng)元啟發(fā)的電化學(xué)通信機制實現(xiàn)信息共享。

2) 物理層技術(shù)：4.1節(jié)和4.2節(jié)已經(jīng)分別討論了納米網(wǎng)絡(luò)的物理層問題。另外分子通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)(例如電磁波)之間的通信接口也是需要探索的重要問題[2]。神經(jīng)元的電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換機制可以作為不同通信系統(tǒng)接口的研究參考[43]。未來具備多通信接口和相應(yīng)信號轉(zhuǎn)換機制的納米機器可以實現(xiàn)分子納米網(wǎng)絡(luò)與其他類型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(例如研發(fā)中的基于碳納米管天線[97]和太赫茲波段的電磁納米網(wǎng)絡(luò)[95])之間的互聯(lián)。

3) 鏈路層技術(shù)：鏈路層尋址、差錯控制和同步機制是目前的研究重點。鏈路層尋址可以通過基于信息分子的種類[36]、接收器釋放特定類型的誘導(dǎo)劑[31]、DNA標簽[98]或定位接收器位置[99]等方式實現(xiàn)。差錯控制機制可以通過在DNA分子中增加附加編碼序列實現(xiàn)差錯校驗與糾正[50]；通過優(yōu)化信息分子的發(fā)送速率最大化信息分子按序傳輸概率[100]或最小化誤差率[93]；通過發(fā)送冗余分子提高信噪比并降低誤差率[65]等方式實現(xiàn)?！叭后w感應(yīng)”是細菌通過釋放并同時檢測環(huán)境中的自誘導(dǎo)劑的濃度，確定周圍同類細菌的數(shù)量并同步群體行為(例如形成生物膜)的機制，為納米網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點同步機制提供了良好的研究模型[61]。

4) 網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)：以多跳方式轉(zhuǎn)發(fā)信息能夠支持長距離的分子通信。文獻[101]提出了基于細菌馬達通信的納米網(wǎng)絡(luò)機會路由機制。但是目前網(wǎng)絡(luò)層的研究多局限于靜態(tài)路由表機制[42,91]，不適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運動和網(wǎng)絡(luò)條件的變化[12]。文獻[102]分別提出了基于DNA和基于體液免疫的數(shù)據(jù)庫機制來存儲地址信息，初步考慮了網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，能夠作為實現(xiàn)動態(tài)路由系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5) 節(jié)點定位：特定的應(yīng)用(例如精確醫(yī)療技術(shù))對節(jié)點定位技術(shù)提出了需求。與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相似，納米網(wǎng)絡(luò)也可以基于分子信號的特征實現(xiàn)測距及定位。目前已經(jīng)提出了基于信號傳輸延遲[103]和基于分子濃度或頻率(濃度變化率)衰減[104]的測距技術(shù)。文獻[99]提出了基于一組錨節(jié)點建立坐標系統(tǒng)，并通過測量相對于每個錨節(jié)點之間的距離確定納米機器位置的方法。

6) 仿真工具：評估網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能需要適合的仿真工具。目前納米網(wǎng)絡(luò)專用的仿真工具還很少，例如NanoNS是基于計算機網(wǎng)絡(luò)仿真器建立的納米網(wǎng)絡(luò)物理層仿真工具[105]；由MoNaCo項目組(如表3所示)開發(fā)的 NanoSim是一種開源的納米網(wǎng)絡(luò)仿真器，可以驗證信號的衰減、延遲和噪聲模型以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；N3Sim是一種用于驗證基于擴散的分子信道模型仿真框架[106]。

綜上所述，目前納米網(wǎng)絡(luò)的研究集中于論證網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向和探索底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于極有限的節(jié)點計算與存儲能力為納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，并且通信原理的差異也使許多傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法無法被應(yīng)用到納米網(wǎng)絡(luò)，因此如何基于網(wǎng)絡(luò)特性構(gòu)建合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和系統(tǒng)，開發(fā)高效、實用和易擴展的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及將拓撲管理、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)管理、資源優(yōu)化等相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用拓展到納米網(wǎng)絡(luò)研究中是有待解決的重要問題。

5 結(jié)束語

基于生物啟發(fā)的分子通信是一種全新的短距通信技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)通信技術(shù)在納米尺度應(yīng)用的缺點，為納米機器提供高效可靠的信息交換方式，支持納米網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。本文從概念、特性、應(yīng)用領(lǐng)域、系統(tǒng)組成和通信機制等方面對分子通信作出了深入歸納與詳細描述，并著重剖析了分子通信的研究與發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，分子通信及相關(guān)領(lǐng)域的研究正處于起步階段，綜合研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，本文對未來分子通信總體的研究與發(fā)展趨勢展望如下。

1) 設(shè)計與實現(xiàn)完善的分子通信系統(tǒng)。①進一步探索具有分布式網(wǎng)絡(luò)特征的生物系統(tǒng)和機制(例如生物免疫系統(tǒng)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等)，確定更適合的生物/納米材料，以分子電子學(xué)、NEMS和生物/分子計算技術(shù)為基礎(chǔ)并應(yīng)用生物啟發(fā)方法設(shè)計與實現(xiàn)分子通信的組件與系統(tǒng)及其與生物系統(tǒng)(例如細胞)和IT系統(tǒng)(例如傳感器網(wǎng)絡(luò))之間的接口，并開展生理條件下的實驗驗證。②研發(fā)能夠使納米網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從環(huán)境中(例如人體內(nèi))收獲具備高能效和低散熱特征的能量源。③系統(tǒng)地開發(fā)信息分子的獲取/合成、處理和回收的方式與方法。④設(shè)計不僅能夠放大 Ca2+信號，還能夠應(yīng)用于其他類型信號的放大器/中繼器；優(yōu)化和拓展更具優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的分子馬達傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計基于多種傳輸方式的混合分子傳輸機制和更復(fù)雜的雙向通信(目前的研究關(guān)注于單向通信)模式，以提高分子通信的效能。⑤模擬細菌在分子級的通信原理和趨藥性機制研發(fā)可控的自推進信息分子載體。⑥研究基于生物啟發(fā)的組件集成方法(例如自組織與反饋控制機制[24])，并解決系統(tǒng)級問題(例如頑健性、穩(wěn)定性)，基于系統(tǒng)工程理論構(gòu)建分子通信的體系架構(gòu)。

2) 深化理論研究：①研究與實現(xiàn)對環(huán)境噪聲具有頑健性并能夠提高信息傳輸速率的編碼技術(shù)，例如基于信息分子 3D 結(jié)構(gòu) (例如蛋白質(zhì)) 的編碼被認為是一種具有優(yōu)勢和挑戰(zhàn)的編碼技術(shù)。②為了增強信道特征模型的可應(yīng)用性并最終建立完善的分子 (納米尺度) 信息論，需要建立能夠結(jié)合動力學(xué)特征(例如分子的運動和環(huán)境的變化)并擴展到多級尺度(例如分子、原子和亞原子)的、體現(xiàn)更微觀的生物及物理結(jié)構(gòu)所蘊含信息特征的數(shù)學(xué)模型和計算模型。③進一步優(yōu)化已有的噪聲與干擾模型，并基于生物啟發(fā)方法開發(fā)分子信息的差錯控制技術(shù)。另外生物系統(tǒng)的隨機性本質(zhì)也提供了理論分析與建模的研究空間。④研究相關(guān)基礎(chǔ)理論與先進仿真技術(shù)的結(jié)合機制，開發(fā)標準化的建模和測試工具，將分子通信技術(shù)的研發(fā)工作從傳統(tǒng)的生物學(xué)實驗平臺平移到高性能的計算機仿真平臺上，為多學(xué)科領(lǐng)域共同探索分子通信技術(shù)提供有效的研發(fā)平臺與工具。

3)構(gòu)建基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)：依托或結(jié)合較成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展納米網(wǎng)絡(luò)的研究是一種可行的方法。例如結(jié)合無線體域網(wǎng)(WBAN)與納米網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 “體域納米網(wǎng)絡(luò)”，這樣的網(wǎng)絡(luò)既能夠彌補由于低生物兼容性導(dǎo)致的WBAN規(guī)模較小的缺點，同時又可以通過采用“集中式處理”和“生物啟發(fā)”的研究路線緩解由于納米機器極有限的處理與存儲能力所帶來的研究挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高分辨率感知等醫(yī)學(xué)應(yīng)用。建議的研究方案包括：①設(shè)計雙層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)(包括基于IEEE 802.15.6標準的匯聚節(jié)點層和基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)層)、電化學(xué)信號轉(zhuǎn)換機制和完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧模型。②開發(fā)適合于規(guī)劃和控制數(shù)量巨大的納米機器的網(wǎng)絡(luò)拓撲管理機制，例如參考“群體感應(yīng)”機制設(shè)計節(jié)點分簇算法。③開發(fā)輕量級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中，適合分子信道的 MAC協(xié)議、動態(tài)路由協(xié)議或協(xié)議的跨層設(shè)計是有待解決的問題，并基于底層協(xié)議設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)可靠端到端信息傳輸?shù)母邔訁f(xié)議。④針對納米網(wǎng)絡(luò)具備的特定功能(例如基于分子診斷的異常檢測[46])開發(fā)應(yīng)用層技術(shù)，例如由匯聚節(jié)點對納米機器采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合等“在網(wǎng)處理”。此外，其他相關(guān)的納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也需要適時開展討論與研究。

未來的納米網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的諸多領(lǐng)域，有效地緩解中國目前在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、環(huán)境和國防建設(shè)等領(lǐng)域面臨的巨大壓力，對國家的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于分子通信是實現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，所以非常有必要在這個全新的科研領(lǐng)域中開展深入的研究與探索，自主開發(fā)新技術(shù)，并力爭走在世界的前列。

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