林 林，黃 莉，孔 磊，劉富強(qiáng)，閆 浩

（1. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2. 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053；3. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

過(guò)去幾十年，通信技術(shù)的迅猛發(fā)展解決了人們對(duì)于通信的大量需求. 當(dāng)前的5G技術(shù)更是給人們帶來(lái)了高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低延時(shí)的全新通信體驗(yàn). 不僅如此，5G技術(shù)還將應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)大到了萬(wàn)物互聯(lián)，比如智能家居、智能車(chē)聯(lián)、智慧城市等，這將給人類(lèi)的生活帶來(lái)巨大變化. 6G在5G 的基礎(chǔ)上，將潛在應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步擴(kuò)大到“空天地?！?，幾乎涵蓋了人類(lèi)所能達(dá)到的所有地方［1～6］.

另外，納米技術(shù)的發(fā)展使人類(lèi)有能力制造出微納米尺度的器件，這些器件可以在人體內(nèi)或其他微小尺度場(chǎng)景進(jìn)行環(huán)境感知和操作. 科學(xué)家們希望將這些微納米器件通過(guò)信息交換進(jìn)行互聯(lián)，組成納米網(wǎng)絡(luò)（nanonetworks），以便在微小尺度環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù). 從通信角度來(lái)看，納米通信場(chǎng)景是由納米技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的全新通信場(chǎng)景［7，8］.

盡管傳統(tǒng)通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，但是將其應(yīng)用到納米通信場(chǎng)景中存在許多困難. 例如，電磁波通信器件很難做到微納米尺度且在人體內(nèi)生物兼容性不好；電磁波在水環(huán)境中衰減嚴(yán)重等［9～11］. 這些困難促使研究人員尋找適用于微納米尺度環(huán)境的納米通信方案.

研究人員注意到，自然界中早已存在納米通信場(chǎng)景，比如細(xì)胞間的通信、細(xì)菌間的通信等. 在這些通信場(chǎng)景中，通信雙方利用化學(xué)分子傳輸信息. 受這些通信場(chǎng)景啟發(fā)，Suda 等人［12］在2005 年首次提出了分子通信（molecular communication）的概念，使用分子作為信息載體，用以實(shí)現(xiàn)納米通信. 后來(lái)，分子通信領(lǐng)域的研究人員將利用微小粒子作為信息載體的通信機(jī)制統(tǒng)稱(chēng)為分子通信.

分子通信的概念一經(jīng)提出就受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)術(shù)界頂尖學(xué)者和大型公司紛紛加入對(duì)分子通信的研究，如佐治亞理工大學(xué)Aky?ildiz 教授的團(tuán)隊(duì)、德國(guó)埃爾朗根紐倫堡大學(xué)Schober 教授的團(tuán)隊(duì)等. IEEE 在2011 年成立了分子通信工作組P1906.1，在2019 年正式成立了分子、生物多尺度通信（molecular，biological and multi-scale communication）技術(shù)委員會(huì)（https：//mbmc.committees.comsoc.org/）. 因?yàn)榉肿油ㄐ判枰诤霞{米技術(shù)、生物技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)，所以，在這個(gè)新領(lǐng)域有非常多的未知知識(shí)亟待探索. 并且，由于分子通信與電磁波通信在物理設(shè)備、傳播方式等許多方面有很大不同，因此，研究人員有必要重新定義和研究分子通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中從物理層到應(yīng)用層的通信機(jī)制與傳輸協(xié)議.

大量研究人員的加入使得分子通信發(fā)展迅猛. 目前，分子通信理論已經(jīng)被廣泛研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)也取得了初步進(jìn)展，文獻(xiàn)［9，13～26］從不同角度對(duì)分子通信研究進(jìn)行了綜述. 盡管如此，構(gòu)建實(shí)際的分子通信系統(tǒng)還有大量問(wèn)題亟須解決. 為促進(jìn)分子通信領(lǐng)域更好發(fā)展，有必要對(duì)分子通信領(lǐng)域的基本概念與最新研究進(jìn)展進(jìn)行一次全面的梳理，理清發(fā)展脈絡(luò)，以便更好地掌握相關(guān)知識(shí)，把握未來(lái)的發(fā)展方向. 基于這一目的，本文對(duì)基于擴(kuò)散的分子通信的基本概念和研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研和闡述，包括信道模型、信號(hào)的編碼調(diào)制機(jī)制以及接收機(jī)制；此外，還介紹了分子通信系統(tǒng)的同步機(jī)制、移動(dòng)分子通信系統(tǒng)，以及分子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展；最后對(duì)分子通信待解決的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行討論，并對(duì)其未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望.

2 分子通信系統(tǒng)

與電磁波通信系統(tǒng)類(lèi)似，分子通信系統(tǒng)也由發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)3 個(gè)部分組成，如圖1 所示. 發(fā)射機(jī)將信源信息進(jìn)行編碼/調(diào)制，然后生成并釋放對(duì)應(yīng)的信號(hào)粒子；信號(hào)粒子經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，接收機(jī)對(duì)環(huán)境中的信號(hào)粒子進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)，然后進(jìn)行解碼和解調(diào)，恢復(fù)發(fā)射機(jī)傳輸?shù)男畔?

圖1 通信系統(tǒng)模型

分子通信系統(tǒng)與電磁波通信系統(tǒng)也存在不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

2.1 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)

與電磁波通信相比，分子通信系統(tǒng)在微小尺度環(huán)境中的部署不受收發(fā)設(shè)備尺寸限制. 在電磁波通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線(xiàn)尺寸與電磁波信號(hào)波長(zhǎng)存在比例關(guān)系，即天線(xiàn)尺寸越小，電磁波信號(hào)頻率越高，波長(zhǎng)越短，傳播過(guò)程中損耗越大. 如果需要在微小尺度環(huán)境中部署通信系統(tǒng)，比如說(shuō)人體內(nèi)，在一定頻率范圍內(nèi)，電磁波通信系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)尺寸的需求將會(huì)給系統(tǒng)的部署帶來(lái)很大的困難. 而分子通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)可由微尺度或納米尺度設(shè)備構(gòu)成，因此，在小尺度環(huán)境中的部署不受收發(fā)設(shè)備尺寸限制.

目前，分子通信系統(tǒng)中的微納米發(fā)射機(jī)與接收機(jī)主要考慮由基于納米材料或基于生物學(xué)的方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).

對(duì)于發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，基于納米材料的設(shè)計(jì)方法主要包括：（a）電刺激薄膜水凝膠法，利用電刺激薄膜水凝膠可實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)對(duì)信號(hào)粒子的調(diào)制釋放［27］；（b）納米多孔石墨烯膜法，使用具有生物相容性［28］和分子選擇性［29］的納米多孔石墨烯膜可實(shí)現(xiàn)防止信號(hào)泄露的發(fā)射機(jī)［30］；（c）微流體液滴法，考慮到微流體液滴技術(shù)用于通信的可行性［31］、微流控芯片的生物相容性［32］，可利用微流體液滴技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)［24］. 而基于生物學(xué)的設(shè)計(jì)方法則主要考慮使用可通過(guò)細(xì)菌結(jié)合交換質(zhì)粒DNA的基因工程細(xì)菌［33～35］、可產(chǎn)生并排泄病毒（用于傳輸DNA/RNA）的人造細(xì)胞［36～38］來(lái)設(shè)計(jì)具有釋放DNA/RNA分子的發(fā)射機(jī). 此外，還可以利用基于納米材料與生物學(xué)的混合方法來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī). 比如，將大腸桿菌附著在水凝膠上，當(dāng)光刺激細(xì)菌時(shí)，細(xì)菌將釋放信號(hào)粒子；水凝膠可以限制細(xì)菌的移動(dòng)，卻不影響信號(hào)粒子的移動(dòng)，這就形成了可釋放信號(hào)粒子的水凝膠基質(zhì)菌株發(fā)射機(jī)［39，40］.

對(duì)于接收機(jī)設(shè)計(jì)，基于納米材料的方法主要考慮應(yīng)用基于親和性的傳感器件——納米級(jí)生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管［41，42］檢測(cè)環(huán)境中的分子；基于生物學(xué)的方法則主要考慮利用合成生物學(xué)的方法，修改細(xì)胞中的基因回路或創(chuàng)建新的合成回路來(lái)改造細(xì)胞內(nèi)的生物網(wǎng)絡(luò)，形成具有分子傳感、接收和處理功能的分子通信接收機(jī)［43］.

2.2 信道

電磁波通信信道通常為自由空間，而分子通信信道是信號(hào)粒子可以自由傳播的液體或氣體環(huán)境. 在分子通信系統(tǒng)中，信號(hào)粒子可以通過(guò)多種傳輸機(jī)制在信道中傳播，包括擴(kuò)散［44～47］、間隙連接［48～50］、分子馬達(dá)［51］和細(xì)菌馬達(dá)［33，34，52，53］等. 其中，擴(kuò)散是小顆粒在流體或氣體介質(zhì)中由于與其他顆粒碰撞而進(jìn)行的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，是自然界中最主要的傳播機(jī)制之一. 間隙連接是相鄰細(xì)胞之間的一種通訊形式，信號(hào)粒子可以穿過(guò)連接相鄰細(xì)胞質(zhì)溶膠的小通道，從一個(gè)細(xì)胞進(jìn)入另一個(gè)細(xì)胞.鈣信號(hào)傳導(dǎo)就是相鄰細(xì)胞通過(guò)間隙連接傳輸信號(hào)的一個(gè)實(shí)例，相鄰細(xì)胞可利用該信號(hào)調(diào)節(jié)大量細(xì)胞過(guò)程，例如哺乳動(dòng)物細(xì)胞的受精、增殖和死亡. 分子馬達(dá)傳輸是指利用肌動(dòng)蛋白或微管細(xì)絲實(shí)現(xiàn)大信號(hào)分子的主動(dòng)運(yùn)輸［54］，這種類(lèi)型的傳輸機(jī)制主要用于細(xì)胞器之間的通訊［51］. 細(xì)菌馬達(dá)傳輸是另一種主動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制，例如，細(xì)菌可以轉(zhuǎn)動(dòng)它的鞭毛，驅(qū)動(dòng)其沿特定方向移動(dòng).

環(huán)境中的溫度、酶、PH 值等均有可能對(duì)信號(hào)粒子的物理或化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響粒子的傳播，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的通信可靠性.

2.3 信息載體

在電磁波通信系統(tǒng)中，信息載體是以光速在環(huán)境中傳播的電磁波. 而分子通信系統(tǒng)的信息載體是納米或者微米級(jí)粒子；并且，粒子種類(lèi)不唯一，粒子傳播速度由環(huán)境以及粒子自身特性決定. 一些可以作為信息載體的物質(zhì)如下.

（1）蛋白質(zhì). 蛋白質(zhì)是生命體的基本組成成分，在多種生命活動(dòng)中擔(dān)任信使，這種生物特性使得以基因工程細(xì)菌為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，以蛋白質(zhì)為信息載體的系統(tǒng)成為極具潛力的分子通信系統(tǒng)架構(gòu).

（2）核酸. 核酸包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）. 在自然界中，RNA/DNA 可作為遺傳信息的載體；RNA 還可作為細(xì)胞間的通訊信使，催化生物反應(yīng). 受此啟發(fā)，研究人員意識(shí)到可以利用基因編程技術(shù)使DNA/RNA 攜帶信息，用作分子通信的信息載體［26～28］，例如，將信息編碼到細(xì)菌的質(zhì)粒DNA 分子中，通過(guò)細(xì)菌結(jié)合時(shí)的質(zhì)粒交換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)信息的多跳傳輸［26］.

（3）元素離子. 在生命系統(tǒng)中，Na+，K+和Ca2+等元素離子參與了許多生命活動(dòng)進(jìn)程. 例如，Ca2+可作為細(xì)胞內(nèi)次級(jí)信使參與細(xì)胞的胞吐、凋亡和轉(zhuǎn)錄等. 考慮到離子可作為信使這一特性，在文獻(xiàn)［55～58］中，以Ca2+離子波為信息載體的分子通信系統(tǒng)被研究和討論.

（4）神經(jīng)遞質(zhì). 神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元細(xì)胞之間進(jìn)行信息傳遞的信息載體. 近年來(lái)，神經(jīng)接口的相關(guān)研究引起了廣泛關(guān)注，包括神經(jīng)修復(fù)技術(shù)、脊髓治療等. 神經(jīng)遞質(zhì)有望成為人造神經(jīng)鏈路與生物體神經(jīng)鏈路接口處的信息載體.

（5）激素. 激素是生物體的內(nèi)分泌腺或內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生的可作為信使傳遞信息、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌生理過(guò)程的化學(xué)物質(zhì)，在協(xié)調(diào)新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育等生理過(guò)程方面具有重要作用. 受激素的信使功能啟發(fā)，研究人員開(kāi)展了以激素為信息載體的分子通信研究［59，60］.

（6）信息素. 信息素（也被稱(chēng)為外激素）是個(gè)體分泌到體外，實(shí)現(xiàn)與其他同物種個(gè)體之間信息交流的化學(xué)物質(zhì). 螞蟻、蜜蜂和許多哺乳動(dòng)物使用信息素與同一物種的成員進(jìn)行交流，例如，蝴蝶可以使用信息素進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，其中信息的傳輸距離可以達(dá)到幾公里的范圍［61］. 信息素的生物特性使其成為分子通信研究人員設(shè)計(jì)長(zhǎng)距離分子通信系統(tǒng)時(shí)重點(diǎn)考慮的信息載體［7，62，63］.

（7）其他. 除了以上提及的幾種信號(hào)粒子外，還有其他類(lèi)型的粒子被提出用作分子通信的信息載體. 例如有機(jī)氫氟碳化合物［64］、治療性納米顆粒［65］和合成藥物［66］等.

總的來(lái)說(shuō)，與電磁波通信相比，分子通信在小尺度環(huán)境中更具部署優(yōu)勢(shì)；并且，分子通信應(yīng)用的信息載體在生物體內(nèi)具有與體內(nèi)細(xì)胞或組織交互的潛力，更具生物相容性. 因此，分子通信在構(gòu)建體內(nèi)通信系統(tǒng)方面更具潛力，在醫(yī)療領(lǐng)域的疾病診斷和治療［67～70］、藥物遞送［71～80］、建立人工免疫系統(tǒng)［81］等方面有巨大應(yīng)用前景.

3 信道

在分子通信系統(tǒng)中，信號(hào)粒子通過(guò)不同的傳輸機(jī)制在信道中傳播，不同傳輸機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的信道響應(yīng).如前文所述，研究人員考慮了多種信號(hào)粒子在信道中的傳輸機(jī)制，然而，到目前為止，擴(kuò)散是分子通信研究中最普遍考慮的傳輸機(jī)制. 這是因?yàn)榛跀U(kuò)散的分子通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：與基于間隙連接的分子通信不同，它不需要特殊的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；與基于馬達(dá)的分子通信不同，它不需要用于傳遞信號(hào)分子的外部能量. 此外，擴(kuò)散的簡(jiǎn)單性也使其成為一種有吸引力的傳播方案，尤其是對(duì)于計(jì)算資源有限的納米機(jī)器之間的通信系統(tǒng).因此，本文專(zhuān)注于對(duì)基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)進(jìn)行綜述.

本節(jié)將主要介紹分子通信擴(kuò)散信道［82～85］，以及擴(kuò)散信道中存在流動(dòng)介質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程時(shí)對(duì)應(yīng)的流—擴(kuò)散信道［86，87］、反應(yīng)—擴(kuò)散信道［88，89］以及流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道［90］.

3.1 擴(kuò)散信道

擴(kuò)散是最簡(jiǎn)單、研究最成熟的分子通信信號(hào)傳輸方式. 在擴(kuò)散分子通信信道中，發(fā)射機(jī)釋放的信號(hào)粒子通過(guò)擴(kuò)散在環(huán)境中傳播，粒子的移動(dòng)服從布朗運(yùn)動(dòng)規(guī)律［82］——在三維坐標(biāo)系中，假設(shè)每個(gè)信號(hào)粒子的單步步長(zhǎng)時(shí)間為Δt，在第n-1個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，信號(hào)粒子的位置是(xn-1,yn-1,zn-1)，在第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間里，信號(hào)粒子運(yùn)動(dòng)的位移是(Δxn,Δyn,Δzn)，那么在第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束時(shí)信號(hào)粒子的位置可以表示為

信號(hào)粒子的布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)程是馬爾可夫過(guò)程，每一個(gè)信號(hào)粒子當(dāng)前時(shí)刻的位置只與上一時(shí)刻的位置有關(guān)，與上一時(shí)刻之前的位置無(wú)關(guān). 也就是說(shuō)，在第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，粒子位置只與粒子在第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)始時(shí)的位置，以及在第n個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的位移有關(guān)，與之前時(shí)刻的粒子位置無(wú)關(guān). 每次信號(hào)粒子移動(dòng)的位移服從均值為0且方差為2DΔt的正態(tài)分布［91，92］，即

其中，D為擴(kuò)散系數(shù)，定義［93］如下：

其中，kB=1.38×10-23J/K 是玻爾茲曼常數(shù)；T是環(huán)境溫度；R是信號(hào)粒子的半徑；η是流體黏度，是一個(gè)常數(shù).

從式（2）可以看出，單個(gè)信號(hào)粒子在空間中的擴(kuò)散過(guò)程是隨機(jī)過(guò)程，粒子某一時(shí)刻在空間中的位置無(wú)法確定，單個(gè)粒子是否能傳播到達(dá)接收機(jī)無(wú)法確定. 然而，擴(kuò)散本質(zhì)上是趨于熱平衡的過(guò)程，是熵驅(qū)動(dòng)的過(guò)程. 信號(hào)粒子被釋放到環(huán)境中之后，會(huì)自發(fā)從高密度分布區(qū)域（高化學(xué)勢(shì)）擴(kuò)散到低密度分布區(qū)域（低化學(xué)勢(shì)），釋放自由能［91］. 雖然單個(gè)信號(hào)粒子擴(kuò)散過(guò)程中時(shí)空位置不確定，但是大量信號(hào)粒子的擴(kuò)散過(guò)程可以利用菲克定律近似刻畫(huà)，相應(yīng)的擴(kuò)散方程［91］為

其中，C代表信號(hào)粒子的濃度；?2是拉布拉斯算子，即?2= ??x2+ ??y2+ ??z2；D代表信號(hào)粒子的擴(kuò)散系數(shù).

在無(wú)界三維環(huán)境中，若信號(hào)粒子在初始時(shí)刻t=0，由位于(0,0,0)處的點(diǎn)源發(fā)射機(jī)釋放（當(dāng)信號(hào)粒子的傳輸距離相對(duì)于發(fā)射機(jī)的尺寸足夠大時(shí)，發(fā)射機(jī)尺寸可忽略不計(jì)），釋放的粒子數(shù)量為M. 對(duì)式（4）進(jìn)行求解，可以假設(shè)其邊界條件和初始條件為最簡(jiǎn)單的情況，即

式（6）表示距離發(fā)射機(jī)d處的粒子濃度隨時(shí)間的變化情況. 接收機(jī)可以根據(jù)在環(huán)境中某處檢測(cè)到的信號(hào)粒子的濃度變化情況，判斷發(fā)射機(jī)傳遞的信號(hào). 基于條件（5）的擴(kuò)散信道模型是目前分子通信研究中應(yīng)用最廣泛的信道模型，文獻(xiàn)［94～99］中的分子通信系統(tǒng)考慮的就是這個(gè)模型.

3.2 流—擴(kuò)散信道

在信號(hào)粒子的擴(kuò)散環(huán)境中，可能存在多種復(fù)雜情況，比如說(shuō)，傳輸介質(zhì)本身就處于流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)流動(dòng)特點(diǎn)可分為層流［100］、紊流［101］以及機(jī)械分散［102］. 例如，在體內(nèi)血管靶向藥物傳遞系統(tǒng)中，信號(hào)粒子的傳輸介質(zhì)就可能處于流動(dòng)狀態(tài). 在這種情況下，粒子的移動(dòng)情況會(huì)受到傳輸介質(zhì)的流動(dòng)影響.

目前分子通信主要研究了均勻流速或可獲取平均流速的傳輸介質(zhì)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊? 假設(shè)流動(dòng)介質(zhì)具有一個(gè)恒定方向和大小的流速v，則信道環(huán)境中的信號(hào)粒子在第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里的位移(Δxi,Δyi,Δzi)可以表示為

其中，vx，vy，vz分別是流速v在x,y,z方向上的分量［92］.從式（7）可以看出，粒子在流動(dòng)介質(zhì)中擴(kuò)散，除擴(kuò)散引起的位置變化外，介質(zhì)的流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致粒子的位置變化. 因此，環(huán)境中某位置處的信號(hào)粒子濃度變化（?C/?t）是介質(zhì)流動(dòng)和粒子擴(kuò)散綜合作用的結(jié)果，式（4）所示的擴(kuò)散方程［18］將變?yōu)?/p>

在無(wú)界三維環(huán)境中，利用條件（5）求解方程（8），可得任意時(shí)刻t(t>0)的流—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)為

式（9）對(duì)應(yīng)的信道響應(yīng)波形如圖2 所示. 由圖2 可看出，增加沿d方向的流速，可以縮短信道響應(yīng)脈沖時(shí)間，加快脈沖衰減速度，從而減小信號(hào)粒子在僅擴(kuò)散時(shí)的信號(hào)“長(zhǎng)尾效應(yīng)”（信號(hào)的低強(qiáng)度響應(yīng)尾部），從而降低碼間干擾（Inter Symbol Interference，ISI）. 同時(shí)，還可以增加流—擴(kuò)散信道響應(yīng)的峰值，進(jìn)而可以增加擴(kuò)散信道的覆蓋范圍.

圖2 信道響應(yīng)波形

3.3 反應(yīng)—擴(kuò)散信道

在擴(kuò)散環(huán)境中，信號(hào)粒子可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起粒子的數(shù)量變化，例如，環(huán)境中存在可以降解信號(hào)粒子的酶，能促使信號(hào)粒子轉(zhuǎn)化為其他種類(lèi)的粒子. 分子通信中通?？紤]的化學(xué)反應(yīng)有單粒子的分解反應(yīng)［103］、多粒子間的相互轉(zhuǎn)化［104］，以及酶促反應(yīng)［105］，且考慮反應(yīng)過(guò)程對(duì)于反應(yīng)物均是一級(jí)反應(yīng).

（1）分解反應(yīng)

假設(shè)傳輸?shù)男盘?hào)粒子是A 粒子. 單粒子的分解反應(yīng)是指A粒子直接轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)［106］，即

其中，κ是反應(yīng)速率常數(shù)；?代表其他物質(zhì). 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，A 粒子將逐漸轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，數(shù)量逐漸減少.若A 粒子的濃度為CA，分解反應(yīng)導(dǎo)致信道中某位置處的A粒子濃度變化情況［106］為

式（11）也叫作化學(xué)反應(yīng)速率方程，其中，化學(xué)反應(yīng)速率函數(shù)f(·)與反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)速率常數(shù)有關(guān). 考慮反應(yīng)（10）對(duì)于反應(yīng)物A為一級(jí)分解反應(yīng)，則f(CA,κ)=κCA(d,t). 那么，對(duì)于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時(shí)刻t=τ>0，求解方程（11）可得到反應(yīng)（10）導(dǎo)致的A粒子濃度變化情況為

（2）多粒子間的相互轉(zhuǎn)化

與單粒子的分解反應(yīng)不同，多粒子之間的相互轉(zhuǎn)化是指信號(hào)粒子在其他粒子存在的情況下，A粒子與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如：

其中，κ1為正向反應(yīng)速率；κ-1為逆向反應(yīng)速率. 當(dāng)信道環(huán)境中存在B粒子時(shí)，A粒子將會(huì)與B粒子反應(yīng)生成C、D 粒子. 若B、C、D 粒子的濃度分別為CB，CC和CD，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率方程，反應(yīng)（13）導(dǎo)致信道中某位置處的A粒子濃度變化情況［106］為

考慮反應(yīng)（13）對(duì)于反應(yīng)物A、B、C、D 均為一級(jí)反應(yīng)，則

反應(yīng)過(guò)程中，由于A，B，C，D 粒子的數(shù)量均處于變化中，即CB(d,t)，CC(d,t)，CD(d,t)也隨時(shí)間變化，因此，很難直接求解方程（14）的閉合解析式. 若增加假設(shè)條件：假設(shè)逆向反應(yīng)速率無(wú)窮?。é?1→0），B 粒子的濃度無(wú)窮大（CB→∞），即反應(yīng)過(guò)程中，B 粒子的濃度近似不變（CB(d,t)≈CB(d,t=0)）［107］，則方程（14）可以被簡(jiǎn)化為

其中，κ=κ1CB(d,t=0). 也就是說(shuō)，可增加假設(shè)條件使多粒子之間的反應(yīng)被簡(jiǎn)化為單粒子反應(yīng). 那么，基于假設(shè)條件，對(duì)于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時(shí)刻t=τ>0，反應(yīng)（13）導(dǎo)致的A 粒子濃度近似變化情況為

（3）酶促反應(yīng)

不同于上述2種反應(yīng)，酶促反應(yīng)是指信道環(huán)境中存在可以加快信號(hào)粒子發(fā)生降解反應(yīng)的酶（E粒子）. 在不存在酶的情況下，A 粒子有很小的概率會(huì)自行降解為Ap粒子；但若存在酶，A粒子則會(huì)與E粒子發(fā)生反應(yīng)，生成中間物粒子，然后迅速降解為其他粒子，例如：

其中，EA 是中間物；κ1,κ-1,κ2分別對(duì)應(yīng)合成反應(yīng)速率、分解反應(yīng)速率和降解反應(yīng)速率. 由酶促反應(yīng)引起的環(huán)境中某位置處A粒子數(shù)量的變化情況為

考慮反應(yīng)（18）對(duì)于E，A，EA，以及AP粒子均為一級(jí)反應(yīng)，則

與方程（14）類(lèi)似，由于反應(yīng)過(guò)程中各物質(zhì)的數(shù)量均隨時(shí)間變化，很難獲得方程（19）的閉合解析式. 文獻(xiàn)［89］也增加了假設(shè)條件：降解反應(yīng)速率極快（κ2→∞），分解反應(yīng)速率極慢（κ-1→0），即反應(yīng)合成的EA 分子存在時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng). 在這種情況下，E 分子的濃度幾乎不變，即CE(d,t)≈CE(d,t=0)，則

其中，κ=κ1CE(d,t=0). 也就是說(shuō)，在滿(mǎn)足假設(shè)的條件下，酶促反應(yīng)也可以被簡(jiǎn)化為單粒子反應(yīng). 那么，對(duì)于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時(shí)刻t=τ>0，酶促反應(yīng)導(dǎo)致的A粒子濃度近似變化情況為

通過(guò)對(duì)化學(xué)反應(yīng)引起的信號(hào)粒子數(shù)量分析可知，反應(yīng)—擴(kuò)散信道中的化學(xué)反應(yīng)將會(huì)使擴(kuò)散的信號(hào)粒子數(shù)量處于時(shí)變狀態(tài)，即擴(kuò)散方程（4）中粒子濃度隨時(shí)間變化（?C/?t）是化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過(guò)程共同作用的結(jié)果.由于多粒子反應(yīng)和酶促反應(yīng)均可增加條件，將化學(xué)反應(yīng)速率方程轉(zhuǎn)變?yōu)榕c單粒子反相似的形式，因此本文主要考慮擴(kuò)散信道環(huán)境中的單粒子分解反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)擴(kuò)散方程［108］為

在無(wú)界三維環(huán)境中，利用條件（5）可求得任意時(shí)刻t(t>0)的反應(yīng)—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)為

與只存在擴(kuò)散的信道模型比較，化學(xué)反應(yīng)—擴(kuò)散信道模型中的信道脈沖響應(yīng)比僅擴(kuò)散時(shí)的信道脈沖響應(yīng)（6）增加了一個(gè)附加指數(shù)衰減項(xiàng). 這個(gè)衰減指數(shù)也可以減小信號(hào)粒子在僅擴(kuò)散時(shí)的“長(zhǎng)尾效應(yīng)”，從而降低ISI.

3.4 流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道

流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道是指?jìng)鬏敪h(huán)境中既含有流，又存在信號(hào)粒子的化學(xué)反應(yīng). 在這種情況下，環(huán)境中某位置的粒子數(shù)量變化是流、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過(guò)程共同作用的結(jié)果. 存在流（流速為v）和信號(hào)粒子的單粒子分解反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)為κ）的擴(kuò)散信道對(duì)應(yīng)的流—反應(yīng)—擴(kuò)散方程［90］應(yīng)為

在無(wú)界三維環(huán)境中，利用條件（5）可求得任意時(shí)刻t(t>0)的流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)［109］為

對(duì)信道進(jìn)行建模是分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分子通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)至關(guān)重要且具有挑戰(zhàn)性的先決步驟. 目前為止，已有大量文獻(xiàn)基于以上無(wú)界三維空間中的擴(kuò)散信道模型，對(duì)分子通信系統(tǒng)展開(kāi)了研究. 然而，無(wú)界三維擴(kuò)散信道模型是理想模型，在很多分子通信應(yīng)用環(huán)境中可能并不適用，尤其是在體內(nèi)環(huán)境中. 此外，分子通信的實(shí)際信道環(huán)境中可能存在不均勻和破壞性的流動(dòng)、障礙物、溫度波動(dòng)等，均會(huì)對(duì)信道模型產(chǎn)生影響.

近年來(lái)，越來(lái)越多的分子通信研究人員開(kāi)始考慮更加實(shí)際的信道模型. 受身體中特定實(shí)體的幾何形狀的啟發(fā)，研究人員對(duì)圓柱形信道空間［110～113］或球形信道空間［114，115］中的信道模型進(jìn)行了建模分析. 不僅如此，研究人員還考慮了信道邊界對(duì)傳輸信號(hào)的影響［116，117］；文獻(xiàn)［118］還提出了信號(hào)粒子在血管內(nèi)皮上協(xié)助擴(kuò)散的模型. 此外，考慮到信號(hào)粒子在環(huán)境中的擴(kuò)散并不一定服從菲克定律，文獻(xiàn)［119，120］建模和分析了信號(hào)粒子的異常擴(kuò)散傳輸過(guò)程. 文獻(xiàn)［121］還研究了同時(shí)存在流和擴(kuò)散時(shí)，流主導(dǎo)和擴(kuò)散主導(dǎo)2種情況下信號(hào)粒子的擴(kuò)散模型.

為了獲得能夠精確刻畫(huà)信號(hào)粒子在實(shí)際傳輸環(huán)境中的信道模型，分子通信研究人員將會(huì)逐漸把信道環(huán)境中的實(shí)際影響因素代入信道模型的構(gòu)建中. 與此同時(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分子信道建模也將成為接下來(lái)的研究要點(diǎn).

4 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)的任務(wù)是對(duì)信息進(jìn)行編碼調(diào)制，然后產(chǎn)生并釋放信號(hào)粒子. 在過(guò)去十余年里，分子通信研究人員主要對(duì)發(fā)射機(jī)的編碼調(diào)制方法進(jìn)行研究分析. 本節(jié)將介紹目前基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中的編碼與調(diào)制技術(shù).

4.1 調(diào)制

在基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中，信息可以被調(diào)制為信號(hào)粒子的濃度、種類(lèi)以及釋放時(shí)間等. 幾種調(diào)制方式的特征對(duì)比如表1所示.

表1 分子通信調(diào)制機(jī)制特征對(duì)比

（1）基于信號(hào)粒子濃度調(diào)制

類(lèi)比電磁波通信的幅移鍵控（ASK），文獻(xiàn)［64］提出了基于信號(hào)粒子濃度的調(diào)制機(jī)制CSK（Concentra?tion Shift Keying）. 信號(hào)被調(diào)制為不同的粒子釋放濃度，接收機(jī)可以根據(jù)檢測(cè)到的濃度是否超過(guò)閾值來(lái)解調(diào)信號(hào). 例如，對(duì)于二進(jìn)制濃度移位鍵控（BCSK）調(diào)制的信號(hào)，接收機(jī)可設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)接收機(jī)檢測(cè)到的信號(hào)濃度超過(guò)閾值，信號(hào)就被解調(diào)成“1”，反之為“0”. 當(dāng)傳輸M進(jìn)制CSK 調(diào)制信號(hào)時(shí)，假定傳輸n個(gè)比特，即M=2n，初始發(fā)送的信號(hào)粒子濃度有2n種；在接收端，有相應(yīng)的2n-1 個(gè)閾值用于信號(hào)解調(diào).n=1 時(shí)為BCSK（binary CSK），n=2 時(shí)為QCSK（Quadruple CSK）.

OOK（On-Off Keying）［122，123］是特殊的BCSK 調(diào)制方式，是針對(duì)分子通信提出的第一個(gè)，同時(shí)也是最簡(jiǎn)單的調(diào)制方式. 當(dāng)發(fā)送信號(hào)為“1”時(shí)，發(fā)射機(jī)發(fā)送信號(hào)粒子；當(dāng)發(fā)送信號(hào)為“0”時(shí)，發(fā)射機(jī)不發(fā)送任何信號(hào)粒子.

（2）基于信號(hào)粒子類(lèi)型調(diào)制

基于信號(hào)粒子濃度的調(diào)制機(jī)制主要是對(duì)單種信號(hào)粒子進(jìn)行調(diào)制. 在分子通信系統(tǒng)中，還可以利用不同種類(lèi)的信號(hào)粒子進(jìn)行調(diào)制，每種信號(hào)粒子代表一種符號(hào).

文獻(xiàn)［124］提出了MoSK（Molecule Shift Keying）機(jī)制，不同類(lèi)型的信號(hào)粒子代表不同的碼元符號(hào)，k進(jìn)制碼元符號(hào)可以用2k種不同類(lèi)型的信號(hào)粒子進(jìn)行表示.比如說(shuō)，當(dāng)傳輸2 進(jìn)制碼元時(shí)，需要2 種信號(hào)粒子分別表示“0”和“1”. 文獻(xiàn)［124］提出使用氫氟碳化合物（hydrofluorocarbons）來(lái)構(gòu)造不同類(lèi)型的分子，構(gòu)造分子包含固定的頭部和尾部結(jié)構(gòu)以及合成元素鏈，比特信息被編碼在合成元素鏈中. 如圖3 所示的4 種不同類(lèi)型的分子，合成元素鏈中每一個(gè)C 原子通過(guò)化學(xué)鍵與其他2 個(gè)原子相連，其中一個(gè)為H 原子，保持不變，另外一個(gè)原子決定這一比特的信息. 假設(shè)原子H 代表“0”、F 代表“1”，則4 個(gè)分子傳遞的信息分別為“00”“01”“10”“11”.

圖3 基于氫氟碳化合物的分子類(lèi)型鍵控調(diào)制

文獻(xiàn)［124］中提出的氫氟碳化合物分子可能存在同分異構(gòu)體的情況. 例如，如圖3 所示，傳遞信息“01”和“10”的分子就是同分異構(gòu)體. 與文獻(xiàn)［124］不同，文獻(xiàn)［125］則提出直接使用同分異構(gòu)體作為信號(hào)粒子，并提出了基于同分異構(gòu)體的信號(hào)粒子濃度調(diào)制機(jī)制ICSK（Isomer-based CSK）和信號(hào)粒子類(lèi)型調(diào)制機(jī)制IMOSK（Isomer-based MOSK）. 除此之外，文獻(xiàn)［25］還提出了一種新的調(diào)制技術(shù)即IRSK（Isomer-based Ratio Shift Key?ing），信號(hào)被調(diào)制為2 種信號(hào)分子的數(shù)量比率，比率不同代表發(fā)送的信號(hào)不同. 例如，二進(jìn)制IRSK（binary IRSK）用粒子數(shù)比率為0∶1 和1∶0 的2 種分子來(lái)分別表示信號(hào)“0”和“1”.

除信號(hào)粒子的種類(lèi)和數(shù)量外，信號(hào)粒子的釋放時(shí)間也可以用來(lái)調(diào)制信號(hào).

（3）基于信號(hào)粒子釋放時(shí)間調(diào)制

文獻(xiàn)［126］提出了脈沖位置調(diào)制PPM（Pulse Posi?tion Modulation）機(jī)制，用不同的脈沖波釋放時(shí)間代表不同的信號(hào). 例如，二進(jìn)制PPM 將一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔分成2 個(gè)相等時(shí)間段，當(dāng)發(fā)送信號(hào)為“1”時(shí)在前半段時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送脈沖波，發(fā)送信號(hào)為“0”時(shí)則在后半段時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送脈沖波. 在這之后，基于釋放時(shí)間的更加復(fù)雜的調(diào)制方案被提出. 文獻(xiàn)［87，127］提出了釋放時(shí)移鍵控RTSK（Release Time Shift Keying），信息被編碼到信號(hào)粒子的釋放時(shí)間間隔中. 文獻(xiàn)［128］則提出了TEC（Time-Elapse Communication）調(diào)制技術(shù)，也是將信息調(diào)制到脈沖信號(hào)的釋放時(shí)間間隔中. 不同于RTSK，TEC 機(jī)制僅將信息調(diào)制在其中的一段時(shí)間間隔上. 如圖4 所示，在TEC 中，2 個(gè)相鄰信號(hào)的釋放時(shí)間間隔由信號(hào)的傳輸時(shí)間td、信號(hào)在接收端的脈沖時(shí)間間隔tb，以及調(diào)制信息所需要的時(shí)間間隔共同決定. 接收機(jī)根據(jù)第二次收到信號(hào)的時(shí)間和第一次信號(hào)結(jié)束的時(shí)間來(lái)解調(diào)信息. 這種調(diào)制機(jī)制的缺陷是發(fā)射端和接收端需要提前知道信號(hào)的傳輸時(shí)間以及信號(hào)在接收端的脈沖長(zhǎng)度.

圖4 TEC調(diào)制

除以上幾種調(diào)制機(jī)制以外，還有通過(guò)連續(xù)釋放不同類(lèi)型的信號(hào)粒子以傳輸碼元符號(hào)的分子陣列通信（molecular array-based communication）機(jī)制［129］，以及利用空間域的自由度來(lái)傳達(dá)信息的調(diào)制技術(shù)［130～132］. 另外，考慮到信號(hào)粒子傳播緩慢，直接將大量信息編碼到DNA 的堿基序列中的核苷酸移位鍵控NSK（Nucleotide Shift Keying）也被提出. 文獻(xiàn)［133］將數(shù)據(jù)高密度地編碼至合成DNA 中以存儲(chǔ)大量信息，側(cè)面印證了NSK 的可行性.

4.2 信道編碼

在傳統(tǒng)通信技術(shù)中，編碼包括信源編碼和信道編碼. 信源編碼是為了對(duì)離散輸入源進(jìn)行有效表示，信道編碼則是為了通過(guò)引入冗余位來(lái)控制信道噪聲導(dǎo)致的錯(cuò)誤. 由于分子通信中的信源編碼與傳統(tǒng)通信中的信源編碼并沒(méi)有區(qū)別，因此，本文主要討論信道編碼.

與傳統(tǒng)電磁通信系統(tǒng)不同，分子通信系統(tǒng)主要基于微納米尺度，需要使用復(fù)雜度較低的編碼方式，以降低對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能要求；并且，分子通信系統(tǒng)中的信號(hào)粒子傳輸時(shí)間延遲對(duì)通信的可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，粒子擴(kuò)散的隨機(jī)性也使信號(hào)容易受到ISI 的影響. 因此，電磁通信中的信道編碼技術(shù)是否適用于分子通信還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證.

目前，漢明碼是研究最多的用于分子通信的編碼.文獻(xiàn)［134］應(yīng)用經(jīng)典漢明碼在分子通信中引入了糾錯(cuò)功能，并表明，使用經(jīng)典漢明碼可以在傳輸距離為1 微米的情況下提供約1.7 dB 的編碼增益. 為了使?jié)h明碼更加適用于分子通信，文獻(xiàn)［135］考慮了分子通信信道的特性，將信道解碼的理想距離函數(shù)由漢明距離函數(shù)替換成了分子編碼距離函數(shù)，并證明了使用分子編碼距離函數(shù)生成的碼的性能優(yōu)于漢明碼. 但這種編碼機(jī)制存在缺陷——基于分子編碼距離函數(shù)的漢明碼在編碼及解碼過(guò)程中需要大量的計(jì)算資源. 除了對(duì)漢明碼在分子通信中的性能進(jìn)行研究，文獻(xiàn)［136］還考慮了編碼的能量模型，提出了可對(duì)通信速率和能量效率進(jìn)行權(quán)衡的最小能量漢明碼.

另外，歐幾里得幾何低密度奇偶校驗(yàn)EG-LDPC（Euclidean Geometry Low Density Parity Check）碼和循環(huán)里德穆勒C-RM（Cyclic Reed-Muller）碼在分子通信中的可行實(shí)現(xiàn)方式也在文獻(xiàn)［137］中被提出. 其與漢明碼做了對(duì)比，結(jié)果表明，在信噪比較低時(shí)，LDPC 擁有最低的能量成本.

要想實(shí)現(xiàn)信號(hào)粒子的編碼、調(diào)制、釋放，以及發(fā)射機(jī)部署，發(fā)射機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)的條件.（a）小型化：要求設(shè)備是微米級(jí)或納米級(jí)，以適用于分子通信的應(yīng)用場(chǎng)景.（b）具有信號(hào)粒子的生成裝置或存儲(chǔ)空間：由于設(shè)備尺寸的限制，存儲(chǔ)的信號(hào)粒子數(shù)量有限，粒子的補(bǔ)給可能直接影響系統(tǒng)的通信速率與通信質(zhì)量.（c）生物相容性：分子通信系統(tǒng)被設(shè)想了許多具有潛力的應(yīng)用場(chǎng)景，例如靶向藥物傳遞、神經(jīng)修復(fù)等，要求設(shè)備可以植入生物組織，這就要求設(shè)備能夠適應(yīng)生物體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境并且對(duì)生物體不會(huì)造成侵害.（d）能夠控制發(fā)射：信號(hào)粒子的發(fā)射速率精度、在未釋放信號(hào)粒子期間的粒子泄露情況等將會(huì)影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量，這就要求發(fā)射機(jī)能夠有效控制發(fā)射過(guò)程. 然而，到目前為止，還未實(shí)現(xiàn)任何人工的微尺度/納米尺度的分子通信系統(tǒng)，分子通信發(fā)射機(jī)的物理設(shè)計(jì)還面臨著巨大的挑戰(zhàn). 并且，利用濃度、信號(hào)粒子類(lèi)型、釋放時(shí)間等提出的各種調(diào)制編碼方案，大多利用的是基于發(fā)射機(jī)為一個(gè)理想的點(diǎn)源信道模型，接收機(jī)能夠完美地、選擇性地檢測(cè)多個(gè)分子. 這些調(diào)制編碼機(jī)制在實(shí)際條件下的性能仍然是未知的.

近年來(lái)，受合成生物學(xué)和工程細(xì)胞的快速發(fā)展的啟發(fā)，研究人員開(kāi)始設(shè)想利用基因電路構(gòu)建分子通信系統(tǒng)［20，138］. 文獻(xiàn)［43］提出了一種基于遺傳電路功能和脈沖幅度調(diào)制結(jié)合的閾值檢測(cè)基因工程細(xì)菌分子通信生物收發(fā)器. 文獻(xiàn)［139］則利用遺傳電路設(shè)計(jì)了具有奇偶校驗(yàn)編碼的生物細(xì)胞之間的分子通信系統(tǒng). 此外，研究人員還對(duì)基于合成生物電路的分子通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)［140］通過(guò)識(shí)別正、負(fù)輸出信號(hào)樣本，分析了由自由擴(kuò)散連接的雙層細(xì)菌合成邏輯電路的信道容量.

合成生物學(xué)與工程細(xì)胞的結(jié)合在實(shí)現(xiàn)分子通信微納米尺度的發(fā)射機(jī)部署、信號(hào)的編碼調(diào)制與釋放方面具有巨大的潛力.

5 接收機(jī)

接收機(jī)的任務(wù)是識(shí)別并檢測(cè)信道的輸出，獲取信號(hào)粒子攜帶的信息. 接收機(jī)是通信系統(tǒng)中的重要組成部分，決定通信的有效性和可靠性.

5.1 接收機(jī)的組成

接收機(jī)由2 個(gè)功能單元組成，即分子天線(xiàn)單元（molecular antenna）和處理單元（processing unit）. 分子天線(xiàn)單元由識(shí)別器（recognition unit）和轉(zhuǎn)換器（trans?ducer）2 部分組成. 識(shí)別器是介于信道和接收機(jī)之間的“接口”，主要功能是建立選擇性連接（識(shí)別信號(hào)粒子類(lèi)型）以及檢測(cè)到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)粒子數(shù)目，前者可以最小化由其他信號(hào)粒子帶來(lái)的干擾，后者能用于解調(diào)和估計(jì)信道參數(shù). 轉(zhuǎn)換器的作用與識(shí)別器密切相關(guān)，它將識(shí)別器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可處理的形式，比如電信號(hào)、光信號(hào)、化學(xué)信號(hào)等. 處理單元接收到轉(zhuǎn)換器的信號(hào)以后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)解調(diào)技術(shù)恢復(fù)原始信號(hào).

因?yàn)樾〕叽缃邮赵O(shè)備存在計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源，以及能源有限等問(wèn)題，所以，分子通信接收機(jī)的功能和物理設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下條件.

（1）現(xiàn)場(chǎng)操作和信息處理能力：接收機(jī)可以不需要外部宏觀(guān)設(shè)備或控制器也能獨(dú)立處理信息.

（2）連續(xù)操作：識(shí)別器識(shí)別信號(hào)粒子之后應(yīng)返回到初始狀態(tài)，并能無(wú)錯(cuò)誤地繼續(xù)檢測(cè)之后接收到的信號(hào)粒子.

（3）無(wú)標(biāo)記檢測(cè)：接收器能在信號(hào)粒子的固有特性基礎(chǔ)上識(shí)別粒子，不需要對(duì)粒子進(jìn)行標(biāo)記或做任何其他準(zhǔn)備.

（4）小型化：接收機(jī)由納米/微米尺度的組件構(gòu)成，以便于集成到納米機(jī)器中.

（5）生物相容性：生物醫(yī)療是分子通信設(shè)想的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，這就要求部署在生物體內(nèi)的設(shè)備不會(huì)對(duì)生命系統(tǒng)產(chǎn)生任何毒性；并且，設(shè)備與環(huán)境之間不會(huì)產(chǎn)生任何生理反應(yīng)，也不得引起免疫排斥等；同時(shí)，環(huán)境不會(huì)隨著時(shí)間的推移降低設(shè)備的性能.

（6）能源效率：由于小尺度設(shè)備的能源有限，因此必須優(yōu)化接收機(jī)對(duì)能源的應(yīng)用.

5.2 接收機(jī)的檢測(cè)

接收機(jī)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)是通信過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響通信質(zhì)量. 在檢測(cè)過(guò)程中，接收機(jī)根據(jù)識(shí)別器獲取的信道輸出（接收機(jī)附近環(huán)境中的信號(hào)粒子信息），來(lái)判決發(fā)射機(jī)傳遞的信號(hào). 例如，在用OOK 進(jìn)行信號(hào)調(diào)制的通信系統(tǒng)中，接收機(jī)可以設(shè)定一個(gè)信號(hào)濃度判決閾值，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)粒子濃度，判斷發(fā)送信號(hào)是“0”還是“1”.

5.2.1 接收機(jī)的分類(lèi)

根據(jù)檢測(cè)過(guò)程是否影響信號(hào)粒子的傳播，目前被廣泛采用的基于擴(kuò)散的分子通信接收機(jī)主要分為2類(lèi)：一類(lèi)是穿透型接收機(jī)（passive receiver）［141］，如圖5（a）所示；另一類(lèi)是吸附型接收機(jī)（absorbing receiver）［60］，如圖5（b）所示.

圖5 兩種不同類(lèi)型的接收機(jī)

（1）穿透型接收機(jī)

穿透型接收機(jī)擁有讓信號(hào)粒子自由通過(guò)的表面結(jié)構(gòu)，對(duì)粒子的檢測(cè)過(guò)程不影響粒子的傳播，在分子通信中被廣泛應(yīng)用. 假設(shè)接收機(jī)為半徑是r、體積是VR（VR=(4/3)πr3）的球狀接收機(jī)，點(diǎn)源發(fā)射機(jī)與接收機(jī)球心的初始距離向量為dr0. 對(duì)于穿透型接收機(jī)，由于檢測(cè)過(guò)程并不影響信號(hào)粒子的傳播，因此其表面以及內(nèi)部的任意一點(diǎn)均為檢測(cè)區(qū)域. 將接收機(jī)檢測(cè)區(qū)域的任意一點(diǎn)與點(diǎn)源發(fā)射機(jī)的距離向量表示為dr，以擴(kuò)散信道為例，則接收機(jī)內(nèi)任意一點(diǎn)預(yù)期可檢測(cè)到的信號(hào)粒子濃度為（6）所示的C(dr,t)，即

令發(fā)射機(jī)釋放的信號(hào)粒子個(gè)數(shù)M=1，則有

h(dr,t)可以理解為在任意時(shí)刻t>0 時(shí)，單個(gè)信號(hào)粒子到達(dá)與發(fā)射機(jī)距離向量為dr處的接收機(jī)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)的概率. 那么在任意時(shí)刻t>0時(shí)，單個(gè)信號(hào)粒子被接收機(jī)檢測(cè)到的概率可以表示為

其中，ν表示接收機(jī)檢測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的所有dr. 當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，即dr0=‖dr0‖相對(duì)于接收機(jī)的尺寸足夠大時(shí)，可以假設(shè)接收機(jī)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)粒子濃度均勻分布，即C(dr,t)≈C(dr0,t)，則h(dr,t)≈h(dr0,t)，那么，積分（29）的解［99，142，143］為

若發(fā)射機(jī)在t=0 時(shí)刻釋放了M個(gè)信號(hào)粒子，則在任意時(shí)刻t>0 時(shí)，穿透型接收機(jī)可檢測(cè)到的信號(hào)粒子數(shù)量的期望值為

（2）吸附型接收機(jī)

吸附型接收機(jī)通常被假設(shè)為實(shí)體，其表面覆蓋了大量接收器. 一旦信號(hào)粒子到達(dá)接收機(jī)并與受體結(jié)合，粒子就會(huì)從環(huán)境中移除并成為接收機(jī)可識(shí)別的信號(hào). 相比穿透型接收機(jī)，吸附型接收機(jī)更接近實(shí)際情景.

與穿透型接收機(jī)不同，吸附型接收機(jī)的檢測(cè)區(qū)域僅為其表面，并且，吸附型接收機(jī)在檢測(cè)到環(huán)境中的信號(hào)粒子后，就會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)粒子移除. 也就是說(shuō)，接收機(jī)表面的信號(hào)粒子濃度為0. 以擴(kuò)散信道為例，信號(hào)粒子的擴(kuò)散方程除具有式（5）中的初始條件和邊界條件以外，還有接收機(jī)帶來(lái)的邊界條件，即

其中，dr為接收機(jī)表面的任意一點(diǎn)與點(diǎn)源發(fā)射機(jī)的距離向量；ν表示接收機(jī)檢測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的所有dr. 假設(shè)接收機(jī)可以完全吸收所有到達(dá)接收機(jī)表面的信號(hào)粒子，利用式（5）和式（32）中的初始條件與邊界條件求解擴(kuò)散方程，可以推導(dǎo)得到單個(gè)信號(hào)粒子到達(dá)接收機(jī)表面并且被吸收的概率［60，144］為

那么，若發(fā)射機(jī)在t=0 時(shí)刻釋放了M個(gè)信號(hào)粒子，則在任意時(shí)刻t>0 時(shí)，吸附型接收機(jī)可檢測(cè)到的信號(hào)粒子數(shù)量的期望值為

由于吸附型接收機(jī)會(huì)影響信號(hào)粒子的傳輸，當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)吸附型接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)將會(huì)相互干擾，多個(gè)吸附型接收機(jī)的模型可參考文獻(xiàn)［145］.

由于信號(hào)粒子傳輸?shù)碾S機(jī)性，接收機(jī)實(shí)際檢測(cè)到的信號(hào)粒子數(shù)量并非其期望值. 當(dāng)發(fā)射機(jī)釋放的信號(hào)粒子個(gè)數(shù)M足夠大時(shí)，任意時(shí)刻到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)粒子數(shù)量服從參數(shù)為接收信號(hào)期望值的非平穩(wěn)泊松過(guò)程［98，109］，即

5.2.2 噪聲

在接收端，信號(hào)還會(huì)受到噪聲的干擾，這種干擾會(huì)影響到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)粒子的濃度/數(shù)量以及時(shí)間特性. 以O(shè)OK 調(diào)制機(jī)制為例，在連續(xù)傳輸多個(gè)信號(hào)時(shí)，假設(shè)傳輸?shù)男盘?hào)是s[i]?{0,1}，由于信號(hào)粒子傳輸?shù)碾S機(jī)性，之前傳輸?shù)男盘?hào)粒子可能會(huì)殘留在信道中，對(duì)當(dāng)前的接收信號(hào)產(chǎn)生影響，也就是ISI［146］. 假設(shè)信源每隔時(shí)間T發(fā)送一次信號(hào)，則接收機(jī)可檢測(cè)到的ISI 信號(hào)粒子數(shù)量的期望值為

在僅發(fā)送一次信號(hào)的情況下，ISI將不存在.

除ISI 外，許多接收信號(hào)模型增加了加性噪聲，表示接收信號(hào)可能受到的干擾. 例如，文獻(xiàn)［147］將來(lái)源于環(huán)境中其他源的同種粒子帶來(lái)的環(huán)境噪聲建模為噪聲粒子數(shù)量服從參數(shù)為nnoise(t)的泊松模型. 在這種情況下，接收機(jī)在任意時(shí)刻檢測(cè)到信號(hào)粒子數(shù)量為

文獻(xiàn)［141］還考慮了由信號(hào)粒子的總體離散性質(zhì)以及潛在的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)帶來(lái)的采樣噪聲和計(jì)數(shù)噪聲. 其中，計(jì)數(shù)噪聲屬于高斯白噪聲，其方差隨著信號(hào)值的變化而變化，是一個(gè)時(shí)變值；計(jì)數(shù)噪聲服從均值為0、方差為σ2(t)的正態(tài)分布，并且在三維環(huán)境中該方差［98］為

其中，y(t)是接收信號(hào)粒子濃度的期望值；r是接收機(jī)的半徑.

除以上幾種噪聲源之外，還有多種產(chǎn)生噪聲的方式. 比如，由接收設(shè)備自身因素導(dǎo)致的噪聲；粒子在一定環(huán)境下自動(dòng)降解；多個(gè)發(fā)送器一起發(fā)送信號(hào)粒子，接收器無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別與自己配對(duì)設(shè)備發(fā)送的粒子等. 這些噪聲在具體的通信場(chǎng)景中的影響都值得研究人員進(jìn)一步分析.

5.2.3 檢測(cè)技術(shù)

在檢測(cè)過(guò)程中，接收機(jī)通常使用2 種方法采集信號(hào)：一種是對(duì)具體時(shí)刻到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)粒子的數(shù)量/濃度進(jìn)行采樣［95］；另一種是記錄某一時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)粒子總數(shù)量（也叫作信號(hào)粒子的能量）［148］. 接收機(jī)通過(guò)這些數(shù)據(jù)恢復(fù)發(fā)射機(jī)傳遞的信號(hào).例如，接收機(jī)將檢測(cè)到的OOK 調(diào)制信號(hào)的能量或濃度幅值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若幅值或能量超過(guò)閾值，則判定發(fā)送信號(hào)是“1”，否則是“0”［149］. 然而，由于噪聲以及ISI 的影響，實(shí)際接收信號(hào)存在誤差，可能導(dǎo)致接收機(jī)判決錯(cuò)誤. 為了克服噪聲和ISI 對(duì)信號(hào)的影響，研究人員提出了多種檢測(cè)技術(shù).

（1）符號(hào)檢測(cè)

符號(hào)檢測(cè)是指接收機(jī)僅利用當(dāng)前時(shí)間間隔內(nèi)采集到的信號(hào)進(jìn)行判決，這種檢測(cè)方式適用于當(dāng)前接收信號(hào)受ISI的影響較小、ISI的影響可以被近似建?；蚪邮諜C(jī)可以簡(jiǎn)單存儲(chǔ)之前時(shí)隙檢測(cè)判決得到的符號(hào)碼元等幾種情況. 文獻(xiàn)［94］將ISI 用高斯分布近似表示，通過(guò)設(shè)定固定閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前信號(hào)的檢測(cè)判決. 由于檢測(cè)閾值會(huì)直接影響到誤碼率，因此，文獻(xiàn)［150］根據(jù)接收機(jī)存儲(chǔ)的之前傳輸?shù)姆?hào)碼元，判斷ISI 對(duì)當(dāng)前時(shí)隙信號(hào)的影響，利用判決閾值與誤碼率之間的閉合表達(dá)式，通過(guò)最小化誤碼率獲取最佳判決閾值. 文獻(xiàn)［109，151，152］則是構(gòu)建了檢測(cè)閾值與信噪比之間的關(guān)系，通過(guò)最大化信噪比，獲取檢測(cè)閾值. 因?yàn)镮SI 和其他噪聲源對(duì)每個(gè)符號(hào)時(shí)間間隔的影響存在差別，所以，固定的檢測(cè)閾值存在缺陷，自適應(yīng)閾值檢測(cè)方法相繼被提出. 根據(jù)之前傳輸?shù)姆?hào)碼元判斷ISI 對(duì)當(dāng)前時(shí)隙的影響，自適應(yīng)調(diào)整閾值的檢測(cè)方法在文獻(xiàn)［95，148，153～156］中被提出.

（2）序列檢測(cè)

序列檢測(cè)是指接收機(jī)根據(jù)一組碼元序列的檢測(cè)信號(hào)恢復(fù)獲得發(fā)射機(jī)傳遞的信號(hào)，其最優(yōu)接收決策規(guī)則是在所有接收樣本的聯(lián)合似然條件下，選擇最有可能的序列，通常采用極大似然估計(jì)法獲得接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的序列. 序列檢測(cè)的缺陷在于序列越長(zhǎng)，其復(fù)雜度越高. 以二進(jìn)制調(diào)制機(jī)制為例，若序列長(zhǎng)度為m，則對(duì)應(yīng)有2m組可能的序列值，接收機(jī)需要確定發(fā)送信號(hào)為2m組序列其中一組的可能性；并且，序列越長(zhǎng)，接收樣本的聯(lián)合似然條件越復(fù)雜，求解越困難.

常用于降低分子通信中序列檢測(cè)算法復(fù)雜度的是Viterbi 算法，該算法構(gòu)建了一個(gè)網(wǎng)格圖，網(wǎng)格的每條路徑代表一個(gè)候選序列. 當(dāng)接收到新樣本時(shí)，接收機(jī)可以通過(guò)使用Viterbi 算法丟棄不太可能的序列，從而降低序列檢測(cè)器的復(fù)雜度和網(wǎng)格搜索的序列數(shù)量. 文獻(xiàn)［75］利用最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則和最大似然準(zhǔn)則獲取接收信號(hào)的各網(wǎng)格路徑的權(quán)重. 由于最大后驗(yàn)概率和極大似然檢測(cè)器的復(fù)雜性會(huì)隨著ISI 長(zhǎng)度的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此，文獻(xiàn)［25］提出了一種基于最小均方誤差準(zhǔn)則的次優(yōu)線(xiàn)性均衡器，用來(lái)降低ISI 對(duì)接收信號(hào)的影響. 為了提高次優(yōu)檢測(cè)的性能，文獻(xiàn)［25］還提出了一種非線(xiàn)性均衡器，即決策反饋均衡器，其性能優(yōu)于線(xiàn)性均衡器. 使用Viterbi 算法的近最優(yōu)極大似然序列檢測(cè)器在文獻(xiàn)［71］中也被提出. 文獻(xiàn)［114］還考慮了存在流或酶的情況下的最優(yōu)極大似然檢測(cè)器.

（3）ISI消除

為了克服ISI 對(duì)接收信號(hào)的影響，研究人員還提出了基于接收機(jī)或基于發(fā)射機(jī)的ISI消除方案.

基于接收機(jī)的ISI 消除方案主要有：推遲接收信號(hào)采樣時(shí)間以減少之前時(shí)隙殘留信號(hào)對(duì)當(dāng)前時(shí)隙信號(hào)的影響［157］；利用基于信號(hào)脈沖導(dǎo)數(shù)的信號(hào)檢測(cè)方法降低ISI對(duì)高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)男盘?hào)造成的影響［158］.

基于發(fā)射機(jī)的ISI消除方案主要有以下幾種.

（a）在信號(hào)發(fā)送時(shí)，先發(fā)送A粒子，然后在預(yù)定延遲后發(fā)送B 粒子；接收機(jī)通過(guò)接收到A 粒子和B 粒子的數(shù)量差對(duì)符號(hào)進(jìn)行解碼，從而消除ISI帶來(lái)的影響［159］.

（b）使用不同種類(lèi)的信號(hào)粒子分別表示連續(xù)傳輸?shù)男盘?hào)以降低ISI［160］.

（c）使用分子躍遷鍵控調(diào)制技術(shù)——傳輸“0”時(shí)不發(fā)射信號(hào)粒子，傳輸“1”時(shí)，釋放A 或B 粒子，釋放種類(lèi)取決于傳輸比特“1”后面是“0”還是“1”，以抑制ISI 并提高數(shù)據(jù)速率［161］.

（d）通過(guò)增加酶降低環(huán)境中殘留的信號(hào)粒子的濃度，減少I(mǎi)SI對(duì)信號(hào)的影響［89］.

（4）非相干檢測(cè)

很多檢測(cè)方法要求知道信道響應(yīng)，并根據(jù)信道響應(yīng)設(shè)計(jì)檢測(cè)器. 然而，信道、接收機(jī)、發(fā)送機(jī)任意一方的微小干擾都可能導(dǎo)致信道響應(yīng)的很大變化，例如，信道溫度的隨時(shí)間變化將會(huì)導(dǎo)致粒子的擴(kuò)散系數(shù)（或者擴(kuò)散的速率）變成一個(gè)時(shí)變函數(shù)，從而導(dǎo)致信道響應(yīng)隨時(shí)間變化；并且，在已知信道參數(shù)的條件下，精確地估計(jì)信道響應(yīng)也極度困難. 因此，無(wú)需信道信息的低復(fù)雜度非相干檢測(cè)方案對(duì)于分子通信檢測(cè)非常重要.

非相干檢測(cè)方案不僅可以避免獲取或估計(jì)信道響應(yīng)的挑戰(zhàn)，還可以避免如序列檢測(cè)中的復(fù)雜計(jì)算［162］.文獻(xiàn)［162～165］提出利用多種非相干指標(biāo)來(lái)表征接收信號(hào)的瞬態(tài)特征，例如接收信號(hào)的局部幾何形狀、連續(xù)符號(hào)形狀和能量差異；此外，文獻(xiàn)［163］中還設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的組合方案以實(shí)現(xiàn)更可靠的信號(hào)檢測(cè). 基于無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)的非相干檢測(cè)方案也在文獻(xiàn)［166］中被提出.文獻(xiàn)［167］則提出了利用相鄰時(shí)間間隔之間累積濃度的差異進(jìn)行非相干檢測(cè). 文獻(xiàn)［168］提出只利用信道脈沖響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征檢測(cè)信號(hào). 文獻(xiàn)［169］提出利用恒定組合碼，對(duì)沒(méi)有統(tǒng)計(jì)/瞬時(shí)信道脈沖響應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行極大似然檢測(cè).

除以上4種主要的檢測(cè)機(jī)制外，研究人員還討論分析了避免進(jìn)行同步的基于信號(hào)峰值的異步檢測(cè)的方案［170］、基于信號(hào)頻率域的檢測(cè)方案［171］，以及中繼傳輸系統(tǒng)中的檢測(cè)機(jī)制［172］. 雖然研究人員已經(jīng)提出了多種信號(hào)檢測(cè)方法，但是，要將檢測(cè)算法部署到實(shí)際應(yīng)用中仍面臨很大挑戰(zhàn). 更低復(fù)雜度、應(yīng)用于更全面的系統(tǒng)、考慮了更全面的環(huán)境影響因素的檢測(cè)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究探索.

（5）誤碼率

在通信系統(tǒng)中，誤碼率和信道容量［173～176］是評(píng)估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù). 其中，對(duì)于分子通信中的誤碼率，以濃度鍵控調(diào)制技術(shù)為例，接收機(jī)首先檢測(cè)信號(hào)脈沖響應(yīng)的峰值，之后將檢測(cè)到的峰值與預(yù)先設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，從而解調(diào)出發(fā)送信號(hào). 決策規(guī)則可以寫(xiě)成

其中，c是接收到的信號(hào)峰值；?是閾值；Y是解調(diào)后的輸出. 利用這個(gè)決策規(guī)則，誤碼率可以寫(xiě)成

其中，Pe(1|0)代表發(fā)射機(jī)發(fā)送信號(hào)“0”接收機(jī)解調(diào)信號(hào)后輸出“1”的概率；Pe(0|1)代表發(fā)射機(jī)發(fā)送信號(hào)“0”接收機(jī)解調(diào)信號(hào)后輸出“1”的概率.

在噪聲分析中可知，在不考慮ISI 的情況下，噪聲主要是高斯噪聲. 假設(shè)發(fā)送信號(hào)“0”和“1”的高斯噪聲的方差分別為和，那么

其中，c0和c1別是發(fā)送信號(hào)“0”和“1”的分子濃度的均值；Q(·)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的右尾函數(shù). 假設(shè)發(fā)送信號(hào)“0”和“1”的概率分別為p0和p1，并且p1=1-p0，誤碼率Pe可以推導(dǎo)為

如本節(jié)所述，研究人員已經(jīng)提出了多種分子通信檢測(cè)方案. 然而，這些方案在設(shè)想的小尺度設(shè)備上依舊很難實(shí)現(xiàn)；并且，這些檢測(cè)方案主要是基于理想接收機(jī)設(shè)計(jì)的——接收機(jī)的架構(gòu)和形狀簡(jiǎn)單，能夠完全檢測(cè)其附近的信號(hào)粒子. 因此，這些檢測(cè)方案在實(shí)際系統(tǒng)中的性能是不確定的. 盡管當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)始研究更加實(shí)際的接收機(jī)，但還只是處于起步階段，開(kāi)發(fā)的接收信號(hào)模型還不夠復(fù)雜，無(wú)法反映許多復(fù)雜性. 要實(shí)現(xiàn)微納米尺度的接收機(jī)，還需要分子通信研究人員結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)展更多的研究，并對(duì)檢測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化升級(jí).

6 同步

在通信系統(tǒng)中，同步是信息可靠傳遞的重要條件.同步是指對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，使它們?cè)跁r(shí)間上存在統(tǒng)一性或一致性，其目的是使通信雙方協(xié)調(diào)一致地工作. 目前為止，分子通信研究人員對(duì)同步機(jī)制的研究主要基于擴(kuò)散分子通信系統(tǒng). 分子通信中的同步主要包括以下3種.

（1）符號(hào)同步：接收機(jī)確定傳輸信號(hào)符號(hào)間隔的開(kāi)始時(shí)刻，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳采樣信號(hào)至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)可靠通信鏈路的關(guān)鍵要求之一.

（2）時(shí)鐘同步：對(duì)要求精確時(shí)間信息或者一致時(shí)鐘的通信雙方進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，使得兩者的時(shí)鐘一致，進(jìn)而完成兩者之間的協(xié)同合作，比如，在要求納米設(shè)備同時(shí)釋放藥物的應(yīng)用中，使設(shè)備之間的時(shí)鐘保持一致和準(zhǔn)確是多個(gè)設(shè)備同時(shí)運(yùn)作的基礎(chǔ).

（3）振蕩同步：利用系統(tǒng)中的負(fù)反饋機(jī)制或閾值觸發(fā)機(jī)制引起全局同頻或同時(shí)響應(yīng)，主要用于納米網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)之間的同步.

6.1 符號(hào)同步

在基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中，由于粒子擴(kuò)散是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程，發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間總是存在不可忽略的時(shí)間延遲，如圖6 所示. 這種時(shí)間延遲將會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法確定接收信號(hào)所在時(shí)間間隔的開(kāi)始時(shí)刻，無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣. 因此，在檢測(cè)之前，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的符號(hào)同步非常重要.

圖6 發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間延遲

文獻(xiàn)［177］提出了基于信號(hào)粒子種類(lèi)調(diào)制的通信系統(tǒng)中的盲同步方案. 在該系統(tǒng)中，因?yàn)樾盘?hào)粒子運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，所以，之前釋放的多種信號(hào)粒子可能會(huì)在當(dāng)前時(shí)隙到達(dá)接收機(jī)，導(dǎo)致接收機(jī)上多個(gè)檢測(cè)不同信號(hào)粒子的天線(xiàn)都檢測(cè)到信號(hào). 由于所有信號(hào)粒子在當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)接收機(jī)的概率服從與傳輸時(shí)間相關(guān)的高斯分布，因此，接收機(jī)可以利用多種信號(hào)粒子在當(dāng)前時(shí)刻的采樣值構(gòu)建似然函數(shù)，然后應(yīng)用極大似然估計(jì)法，估計(jì)出信號(hào)粒子的傳輸時(shí)間，進(jìn)而確定接收信號(hào)的符號(hào)開(kāi)始時(shí)刻.

文獻(xiàn)［178，179］則進(jìn)一步考慮了發(fā)射機(jī)因尺寸和能量限制，可能沒(méi)有配備內(nèi)部時(shí)鐘，并且無(wú)法按照固定頻率釋放信號(hào)粒子的情況. 在這種情況下，發(fā)送信號(hào)的釋放時(shí)刻是一個(gè)隨機(jī)值，信號(hào)之間的時(shí)間間隔是隨機(jī)值，每一個(gè)接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的開(kāi)始時(shí)刻均是隨機(jī)值. 針對(duì)這一情況，文獻(xiàn)［178，179］考慮了以下幾種確定信號(hào)釋放時(shí)刻的方案.

（1）極大似然估計(jì)法：因?yàn)樾盘?hào)采樣值服從參數(shù)為接收信號(hào)期望值的泊松分布，而接收信號(hào)期望值只與信號(hào)的傳輸時(shí)間相關(guān)，所以，可以通過(guò)極大似然估計(jì)法估計(jì)得到當(dāng)前接收信號(hào)的最大概率傳輸時(shí)間，進(jìn)而確定信號(hào)的釋放時(shí)刻.

（2）線(xiàn)性濾波法：因?yàn)榻邮招盘?hào)期望值只與傳輸時(shí)間相關(guān)，所以，可以通過(guò)線(xiàn)性濾波法估計(jì)得到信號(hào)采樣值與期望值乘積之和最大時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸時(shí)間，進(jìn)而確定信號(hào)的釋放時(shí)刻.

（3）峰值觀(guān)測(cè)法：因?yàn)榻邮招盘?hào)期望值的峰值時(shí)間與信號(hào)的傳輸時(shí)間無(wú)關(guān)，是一個(gè)可以直接獲得的確定值，所以，可以將采樣信號(hào)的峰值時(shí)刻減去信號(hào)期望值的峰值時(shí)刻，獲得信號(hào)的釋放時(shí)刻.

（4）閾值觸發(fā)法：設(shè)定檢測(cè)信號(hào)的最小閾值，當(dāng)采樣信號(hào)高于這個(gè)閾值時(shí)，即認(rèn)為其為信號(hào)的釋放時(shí)刻.

幾種方案中，極大似然估計(jì)法的誤差最小，但是，它的計(jì)算復(fù)雜度也最高.

綜合考慮文獻(xiàn)［177］和文獻(xiàn)［178，179］中提到的信號(hào)粒子存在未知傳輸時(shí)間延遲、發(fā)射機(jī)沒(méi)有配備內(nèi)部時(shí)鐘，并且無(wú)法以固定頻率釋放信號(hào)粒子的情況，文獻(xiàn)［180，181］提出了另一種符號(hào)同步方法：發(fā)射機(jī)同時(shí)釋放2種類(lèi)型的粒子，擴(kuò)散速度更快的粒子作為同步信號(hào)粒子，擴(kuò)散速度更慢的信號(hào)粒子用于攜帶信息；接收機(jī)根據(jù)2個(gè)同步信號(hào)粒子的峰值時(shí)間，可以確定發(fā)射機(jī)兩次釋放粒子的時(shí)間間隔，進(jìn)而確定對(duì)信號(hào)粒子的采樣時(shí)間間隔.

除上述幾種符號(hào)同步機(jī)制外，考慮到基于粒子釋放時(shí)間調(diào)制的系統(tǒng)對(duì)于符號(hào)同步錯(cuò)誤更加敏感，文獻(xiàn)［182～184］還提出了基于線(xiàn)性時(shí)不變泊松信道的分子通信系統(tǒng)的符號(hào)同步方案. 由于同步誤差值服從特定分布，接收機(jī)可以根據(jù)檢測(cè)信號(hào)構(gòu)建似然函數(shù)，利用極大似然估計(jì)法估計(jì)出同步誤差，進(jìn)而確定檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間間隔.

6.2 時(shí)鐘同步

在分子通信系統(tǒng)中，不同設(shè)備在同一時(shí)刻可能具有不同時(shí)鐘值，即設(shè)備的時(shí)鐘值存在差異，這將影響多個(gè)設(shè)備之間的協(xié)同合作，因此，對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘同步非常重要.

在時(shí)鐘同步過(guò)程中，時(shí)鐘參考設(shè)備發(fā)送自身時(shí)鐘信息，接收方根據(jù)這一信息調(diào)整自身時(shí)鐘，消除設(shè)備之間的時(shí)鐘差，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步. 然而，由于粒子擴(kuò)散緩慢，攜帶時(shí)鐘信息的信號(hào)傳輸時(shí)間不可忽略. 針對(duì)這一情況，當(dāng)前時(shí)鐘同步方案主要基于通信雙方可多次互換時(shí)鐘信息的系統(tǒng)，如圖7 所示，設(shè)備根據(jù)接收到的多個(gè)時(shí)鐘值，估計(jì)出設(shè)備之間的時(shí)鐘差，并調(diào)整自身時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步. 在進(jìn)行雙向信息交換過(guò)程中，因?yàn)樾盘?hào)粒子存在未知的傳輸時(shí)延，所以，接收方接收到發(fā)送方時(shí)鐘信息的時(shí)刻，相對(duì)于信息釋放時(shí)刻存在較大時(shí)間延遲. 因此，克服時(shí)間延遲的影響，并獲取設(shè)備之間的時(shí)鐘差，是實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的關(guān)鍵.

圖7 雙向交換自身時(shí)鐘信息

文獻(xiàn)［185，186］根據(jù)信號(hào)粒子的傳輸時(shí)延服從逆高斯分布，構(gòu)建了關(guān)于設(shè)備之間時(shí)鐘差的似然函數(shù)，利用極大似然估計(jì)法估計(jì)出設(shè)備之間的時(shí)鐘差. 文獻(xiàn)［187］則是利用雙向交換時(shí)鐘信息過(guò)程中，信號(hào)粒子正向傳輸時(shí)延（如圖7 中的節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B）和逆向傳輸時(shí)延（如圖7 中的節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A）的時(shí)間差服從高斯分布，構(gòu)建關(guān)于設(shè)備之間時(shí)鐘差的似然函數(shù)，然后用極大似然估計(jì)法估計(jì)出時(shí)鐘差. 除固定通信系統(tǒng)外，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)還可能存在移動(dòng)的情況，文獻(xiàn)［188］提出了一個(gè)節(jié)點(diǎn)以固定速度移動(dòng)情況下的時(shí)鐘同步機(jī)制. 固定節(jié)點(diǎn)同時(shí)釋放2種不同類(lèi)型的信號(hào)粒子，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將接收到粒子時(shí)的時(shí)鐘信息反饋給固定節(jié)點(diǎn). 因?yàn)樾盘?hào)粒子在2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)延服從高斯分布，所以，固定節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)建時(shí)鐘差相關(guān)的傳輸時(shí)延似然函數(shù)，利用多輪與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)信息交換時(shí)的時(shí)鐘值，估計(jì)得到設(shè)備之間的時(shí)鐘差.

除了2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接交換時(shí)鐘信息外，文獻(xiàn)［189］還提出了基于參考時(shí)鐘設(shè)備的多節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步.如圖8 所示，在系統(tǒng)中，參考時(shí)鐘設(shè)備（節(jié)點(diǎn)P）同時(shí)釋放信號(hào)粒子到達(dá)2 個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于參考設(shè)備與2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，因此，粒子到達(dá)2 個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間也不同. 不過(guò)，這2 個(gè)傳輸時(shí)間的差值服從高斯分布，可以通過(guò)多輪信號(hào)傳遞，構(gòu)建關(guān)于2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘誤差的傳輸時(shí)間差似然函數(shù). 通過(guò)極大似然估計(jì)法，可以獲得2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘差.

圖8 雙向交換接收到參考時(shí)鐘信息的時(shí)鐘值

由于雙向傳輸時(shí)鐘信號(hào)過(guò)程中正向和逆向傳輸環(huán)境很難保持一致，例如，在存在流的環(huán)境中逆向傳輸存在困難，因此，單向傳輸時(shí)鐘信息的同步機(jī)制在文獻(xiàn)［190］中被提出. 由于單個(gè)信號(hào)脈沖在接收端的輸出具有相應(yīng)的幅值時(shí)間特征，接收機(jī)可以通過(guò)對(duì)單個(gè)信號(hào)在接收機(jī)的多個(gè)時(shí)間采樣，估計(jì)出信號(hào)粒子的傳輸時(shí)延. 根據(jù)時(shí)鐘信息中包含的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘以及傳輸時(shí)延，接收機(jī)可以獲得設(shè)備之間的時(shí)鐘差，調(diào)整自身時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步. 在文獻(xiàn)［191～194］中，環(huán)境中存在流、信號(hào)粒子需要合成時(shí)間以及發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均移動(dòng)的情況下的時(shí)鐘同步也相繼被研究.

6.3 振蕩同步

分子通信中的振蕩同步主要被用于同步網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同合作. 最早提出的振蕩同步系統(tǒng)是文獻(xiàn)［195］中的合成基因網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)細(xì)胞通過(guò)合成基因網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)產(chǎn)生某種信號(hào)粒子或者抑制粒子的產(chǎn)生，形成全局細(xì)胞響應(yīng)，達(dá)到同步的目的. 在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的合成基因生成的信號(hào)粒子會(huì)產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔?，減少細(xì)胞內(nèi)該粒子的進(jìn)一步合成，并且，粒子還會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入其他細(xì)胞中，作用于其他細(xì)胞內(nèi)的粒子合成. 當(dāng)環(huán)境中的信號(hào)粒子高于或低于相應(yīng)濃度閾值時(shí)，所有細(xì)胞都會(huì)停止生成或繼續(xù)生成信號(hào)粒子. 然而，這種振蕩同步主要通過(guò)生物體內(nèi)的特定生物細(xì)胞實(shí)現(xiàn).

受自然界啟發(fā)，納米網(wǎng)絡(luò)的振蕩同步機(jī)制在文獻(xiàn)［196～198］中被進(jìn)一步研究. 網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)利用細(xì)菌的群體感應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的振蕩同步. 細(xì)菌通過(guò)感知環(huán)境中引誘劑分子的濃度，估計(jì)環(huán)境中的細(xì)菌數(shù)量.當(dāng)環(huán)境中的引誘劑分子濃度達(dá)到某一個(gè)閾值時(shí)，細(xì)菌菌落將會(huì)表現(xiàn)出全局同步行為，例如生成膜、產(chǎn)生熒光等. 在群體感知細(xì)菌納米網(wǎng)絡(luò)中，可以通過(guò)觀(guān)察由閾值觸發(fā)的基因表達(dá)產(chǎn)生的現(xiàn)象，觀(guān)測(cè)系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)同步.

與群體感知同步機(jī)制中的閾值觸發(fā)不同，文獻(xiàn)［199～201］采用的是與文獻(xiàn)［195］類(lèi)似的負(fù)反饋機(jī)制.在外界刺激下，信號(hào)粒子開(kāi)始由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并擴(kuò)散到環(huán)境中、隨著粒子濃度升高并達(dá)到某閾值，粒子的生成會(huì)受到抑制，多個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)停止生成信號(hào)粒子；當(dāng)粒子濃度低于某閾值時(shí)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)又繼續(xù)生成信號(hào)粒子. 系統(tǒng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)在這種振蕩同步機(jī)制下，表現(xiàn)為同步/同頻地產(chǎn)生/停止產(chǎn)生信號(hào)粒子，環(huán)境中的信號(hào)粒子呈現(xiàn)周期性波動(dòng). 利用閾值觸發(fā)機(jī)制或負(fù)反饋機(jī)制，文獻(xiàn)［202～204］還設(shè)計(jì)了信號(hào)粒子濃度呈周期變化的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)法預(yù)知環(huán)境狀況的條件下的自動(dòng)同頻響應(yīng).

如本節(jié)所述，研究人員已經(jīng)提出了多種分子通信同步機(jī)制. 然而，其中的符號(hào)同步和時(shí)鐘同步機(jī)制對(duì)于有限能力的微納米設(shè)備來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜，這些同步方案依賴(lài)穩(wěn)定的信道脈沖響應(yīng)，而實(shí)際的通信信道卻并非如此. 此外，其中的振蕩同步機(jī)制，除依賴(lài)特定的細(xì)胞外，在實(shí)際系統(tǒng)中的性能也暫時(shí)無(wú)法預(yù)知. 實(shí)際通信系統(tǒng)中的同步性能，還需要研究人員進(jìn)一步完善，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)性能.

7 移動(dòng)分子通信

同傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信一樣，分子通信系統(tǒng)中也存在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)不斷移動(dòng)的情況，并且，對(duì)于許多分子通信應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種移動(dòng)是必不可少的. 例如在身體健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，需要利用納米機(jī)器在體內(nèi)不斷移動(dòng)，采集環(huán)境中的信息，如某些物質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)或者濃度水平，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些疾病的監(jiān)控.

在最初提出的納米尺度移動(dòng)通信場(chǎng)景中，信號(hào)僅在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)碰撞或緊鄰時(shí)才開(kāi)始傳遞［205，206］. 在文獻(xiàn)［205］中，信息傳遞需要通過(guò)節(jié)點(diǎn)碰撞、粘附之后的神經(jīng)通信完成；文獻(xiàn)［206］中的信息傳遞則是在納米機(jī)器彼此緊鄰時(shí)，通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster reso?nance energy transfer）實(shí)現(xiàn). 然而，這樣的通信場(chǎng)景需要使用特定的細(xì)胞，并且需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行碰撞或緊鄰，在系統(tǒng)的部署中存在局限性.

無(wú)需發(fā)射機(jī)和接收機(jī)碰撞的移動(dòng)分子通信系統(tǒng)隨即被提出. 文獻(xiàn)［207］提出使用細(xì)菌作為移動(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，細(xì)菌的移動(dòng)過(guò)程被建模為一個(gè)獨(dú)立同分布模型，即在每個(gè)時(shí)隙中，細(xì)菌在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立同分布地選擇其新位置. 文獻(xiàn)［208］則考慮了發(fā)射機(jī)或接收機(jī)自身具有固定移動(dòng)速度的模型，移動(dòng)距離與移動(dòng)時(shí)間有關(guān). 但是目前研究最廣泛的還是隨機(jī)游走模型：與信號(hào)粒子擴(kuò)散時(shí)的移動(dòng)狀況類(lèi)似，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的移動(dòng)過(guò)程為維納過(guò)程，具有獨(dú)立高斯分布［209，210］，在時(shí)間間隔τ內(nèi)移動(dòng)的位移服從均值為0、方差為2Dτ的高斯分布，其中D為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的擴(kuò)散系數(shù).

與固定分子通信系統(tǒng)相比，在無(wú)需碰撞接觸的移動(dòng)分子通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離隨時(shí)間持續(xù)變化，這將導(dǎo)致信號(hào)粒子的傳播距離無(wú)法確定，進(jìn)而無(wú)法確定粒子到達(dá)接收機(jī)的情況. 對(duì)于基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)，收發(fā)機(jī)的移動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致信道脈沖響應(yīng)（6）的距離向量d變?yōu)闀r(shí)變量. 在任意時(shí)刻t由發(fā)射機(jī)釋放的信號(hào)粒子，經(jīng)過(guò)傳播時(shí)間τ后的信道脈沖響變?yōu)?/p>

其中，Dm為信號(hào)粒子的擴(kuò)散系數(shù). 從式（46）可以看出，移動(dòng)分子通信系統(tǒng)的信道響應(yīng)是一個(gè)時(shí)變過(guò)程. 文獻(xiàn)［211，212］對(duì)移動(dòng)分子通信的信道進(jìn)行了建模分析，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的擴(kuò)散系數(shù)分別為Dt和Dr，在一個(gè)信號(hào)符號(hào)時(shí)間間隔內(nèi)，假設(shè)初始時(shí)刻t0時(shí)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離向量為d(t0)，當(dāng)信號(hào)粒子的傳播時(shí)間為τ時(shí)，系統(tǒng)的信道脈沖響應(yīng)為

其中，D′為接收機(jī)和信號(hào)粒子的等效擴(kuò)散系數(shù)，且D′=Dm+Dr［213］.

由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在任意符號(hào)時(shí)間間隔開(kāi)始時(shí)刻距離向量d(t0)均不同. 假設(shè)在t=0時(shí)刻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始位置分別為(xt0,yt0,zt0)和(xr0,yr0,zr0)，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始距離為

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在有限時(shí)間間隔t=t0內(nèi)在各方向的位移分別為

則在經(jīng)過(guò)有限時(shí)間間隔t0后發(fā)射機(jī)的位置為

接收機(jī)的位置為

則

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離為

由于xr-xt，yr-yt，zr-zt均是均值不為0 的正態(tài)分布，因此

信號(hào)傳輸?shù)牟淮_定使得適用于固定分子通信系統(tǒng)中的檢測(cè)機(jī)制、同步機(jī)制等不能直接應(yīng)用于移動(dòng)分子通信系統(tǒng)中. 研究人員們對(duì)移動(dòng)分子通信系統(tǒng)展開(kāi)了許多研究，例如，移動(dòng)分子通信系統(tǒng)中接收信號(hào)的均值與方差［214］、誤碼性能［215］和首次碰撞時(shí)間［216］. 另外，適用于移動(dòng)分子通信的調(diào)制機(jī)制［217］、同步機(jī)制［188，191，192］、距離估計(jì)［218］和檢測(cè)機(jī)制［92，219～222］也被進(jìn)一步研究. 但是，對(duì)移動(dòng)分子通信的深入研究還有很大空間，例如，具有復(fù)雜變化因素的實(shí)際信道環(huán)境中的移動(dòng)系統(tǒng)，以及實(shí)際的微納米設(shè)備在信道中的移動(dòng)模型，均需研究人員進(jìn)一步研究.

8 分子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

近些年來(lái)，分子通信在理論層面已經(jīng)取得了許多突破性進(jìn)展. 然而，由于分子通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)部署需要通信工程師、機(jī)械工程師、化學(xué)工程師和生物工程師協(xié)作完成，并且運(yùn)作所需的實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高，絕大多數(shù)理論成果沒(méi)有在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，這極大地限制了分子通信研究前進(jìn)的腳步. 近年來(lái)，許多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域展開(kāi)了研究，以探索分子通信的實(shí)用性.

文獻(xiàn)［223］制作了首個(gè)桌面分子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（test?bed），該平臺(tái)使用酒精金屬氧化物傳感器作為接收機(jī)，使用一套電控的噴射設(shè)備構(gòu)成發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由開(kāi)放平臺(tái)Arduino微控制器控制. 在這個(gè)平臺(tái)上，文本消息被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列并進(jìn)行開(kāi)關(guān)鍵控OOK調(diào)制，即信號(hào)“1”和“0”分別被表示為噴射酒精和不噴射酒精，然后使用桌面風(fēng)扇引導(dǎo)發(fā)射機(jī)釋放的酒精分子傳播.這個(gè)系統(tǒng)在2014年IEEE INFOCOM進(jìn)行了展示［224］.

雖然分子通信是受生物學(xué)和自然所啟發(fā)而產(chǎn)生的科學(xué)，但是作為信息載體的信號(hào)粒子不需要被限制在那些自然界出現(xiàn)的粒子［18］. 生物相容性磁性納米顆粒是在生物技術(shù)中已經(jīng)具有良好運(yùn)用的人造顆粒之一［225］，這些粒子可通過(guò)增加其大小或涂層來(lái)進(jìn)行定制，以適應(yīng)特定的應(yīng)用. 文獻(xiàn)［226］設(shè)計(jì)了一種可穿戴式磁性粒子檢測(cè)器，該檢測(cè)器可作為部署在人體內(nèi)部的分子通信系統(tǒng)與部署在外部的信號(hào)處理單元之間的接口，該系統(tǒng)采用磁性納米粒子作為信號(hào)載體，可以通過(guò)射頻諧振電路來(lái)對(duì)血管中發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行檢測(cè).

文獻(xiàn)［227，228］進(jìn)一步將文獻(xiàn)［226］中的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為一個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái). 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以最初為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的超順磁性氧化鐵納米粒子為信息載體. 信號(hào)粒子分散在水懸浮液并儲(chǔ)存在注射器中，該注射器與內(nèi)徑為0.4 mm 的導(dǎo)管相連，導(dǎo)管的尾端連接至一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的蠕動(dòng)泵，以確保粒子在管中的移動(dòng)，該泵可以以5.26 mL/min 的流速提供離散的抽水動(dòng)作.通過(guò)一個(gè)Y 型連接器將帶有顆粒的管的末端與另一個(gè)半徑為0.75 mm 的提供背景流速的水流管相連，恒定的背景水流速度由另一個(gè)泵控制. 隨后，Y 型連接器的出口進(jìn)入信道模塊，信道管的內(nèi)半徑也為0.75 mm，該信道中的流速為背景流速和顆粒注入流速之和，在顆粒注射過(guò)程中為10.26 mL/min，在其余時(shí)間內(nèi)為5 mL/min. 在接收端，管道穿過(guò)一個(gè)用于檢測(cè)的感應(yīng)線(xiàn)圈，當(dāng)磁性粒子在磁化計(jì)的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正比于磁性粒子數(shù)目強(qiáng)度的電信號(hào)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和處理產(chǎn)生的電信號(hào)，即可完成對(duì)發(fā)送信號(hào)的檢測(cè).

文獻(xiàn)［229，230］展示了一種基于光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái). 細(xì)菌視紫紅質(zhì)是一種獨(dú)特的光敏蛋白，具有光致變色和光驅(qū)質(zhì)子泵功能. 光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)是自然界中已知最快的光反應(yīng)之一. 利用一個(gè)光子的能量，質(zhì)子可以在不到45 μs 的時(shí)間內(nèi)通過(guò)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移［231］. 該實(shí)驗(yàn)的調(diào)制器基礎(chǔ)是E.coli 細(xì)菌細(xì)胞膜上細(xì)菌視紫紅質(zhì)的會(huì)對(duì)輸入的光信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng). 裝有細(xì)菌懸液的玻璃管安裝在光隔離培養(yǎng)箱中，以保持實(shí)驗(yàn)的背景環(huán)境，LED 光源聚焦在細(xì)菌懸浮液上，并通過(guò)Arduino 微控制器和電腦進(jìn)行控制.發(fā)送的信號(hào)通過(guò)OOK 調(diào)制方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的光信號(hào).當(dāng)光源在照亮細(xì)菌質(zhì)膜泵中的細(xì)菌視紫紅質(zhì)時(shí)，質(zhì)子從細(xì)菌向外擴(kuò)散到周?chē)慕橘|(zhì)中，導(dǎo)致環(huán)境中的PH 值降低. 細(xì)菌對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)可通過(guò)細(xì)菌懸浮液中部署的pH 傳感器所檢測(cè)到的pH 值變化信號(hào)體現(xiàn)，通過(guò)對(duì)PH值信號(hào)的處理最終完成信號(hào)的解調(diào).

同樣采用觀(guān)測(cè)PH 值來(lái)接收信號(hào)，文獻(xiàn)［232］中模擬人體血管的環(huán)境來(lái)檢測(cè)葡萄糖濃度，發(fā)送端由一個(gè)包含葡萄糖水溶液的注射器和一個(gè)裝有鹽溶液的注射器構(gòu)成，兩者分別利用各自連接的泵提供液體在導(dǎo)管中的流速，同樣采用OOK 調(diào)制方式（有無(wú)葡萄糖溶液的釋放）. 在接收端，將基于InGaZnO（氧化銦鎵鋅）的電解質(zhì)門(mén)控場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為傳感器，通過(guò)在晶體管表面固定一定濃度的葡萄糖氧化酶，并且利用葡萄糖的分解反應(yīng)［233］

該反應(yīng)右側(cè)產(chǎn)生的氫離子會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基中的PH值變化，通過(guò)測(cè)量局部PH值的變化來(lái)估算葡萄糖的濃度，最后對(duì)葡萄糖濃度變化的曲線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)處理來(lái)解調(diào)信號(hào).

文獻(xiàn)［234］利用羅丹明6G（Rhodamine 6G）（一種熒光染料）作為信息載體，設(shè)計(jì)了一個(gè)平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖9 所示. 發(fā)送端通過(guò)OOK 調(diào)制（釋放或者不釋放羅丹明6G）將羅丹明6G 釋放進(jìn)入有泵驅(qū)動(dòng)的水箱中. 接收端利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，用激光照亮含有羅丹明6G 的水流，再用高速攝像機(jī)記錄接收機(jī)處不同時(shí)刻的發(fā)光圖像，以熒光亮度作為接收信號(hào)的強(qiáng)度，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析和解調(diào).

圖9 平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[234]

文獻(xiàn)［235］設(shè)計(jì)了一種微觀(guān)的基于合成分子通信的調(diào)制器，如圖10所示，通過(guò)電化學(xué)和電溶解技術(shù)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為生物DNA 信號(hào)，通過(guò)一些化學(xué)流程將DNA固定在多層金薄膜上. 系統(tǒng)可通過(guò)電信號(hào)刺激使DNA從多層薄膜上釋放，釋放DNA 的量取決于電信號(hào)的強(qiáng)度. 因此，發(fā)送端電信號(hào)的有無(wú)直接影響容器環(huán)境中的DNA 濃度. 接收端利用Nanodrop（可在幾秒鐘內(nèi)量化DNA，RNA和蛋白質(zhì)樣品的試劑盒）對(duì)環(huán)境中的DNA濃度進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)檢測(cè)到的DNA 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解調(diào)出發(fā)送的信號(hào).

圖10 基于合成分子通信的調(diào)制系統(tǒng)[235]

文獻(xiàn)［236～238］提出了基于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO）分子通信平臺(tái). 在這個(gè)裝置中，發(fā)射器和接收器配備了多個(gè)噴霧和接收機(jī)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率. 結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率是SISO分子通信平臺(tái)的1.78倍.

盡管分子通信在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有一定進(jìn)展，但是目前依舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)小尺度通信系統(tǒng). 主要困難在于尚未實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能的微觀(guān)發(fā)射裝置和接收裝置. 分子通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的物理架構(gòu)設(shè)計(jì)將成為實(shí)現(xiàn)小尺度通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn).

9 總結(jié)與展望

分子通信是一個(gè)涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、納米技術(shù)的多學(xué)科交叉方向. 本文主要從分子通信基本概念、信道、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、同步、移動(dòng)分子通信，以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等幾個(gè)方面對(duì)分子通信系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納和總結(jié). 分子通信研究人員在理論層面已經(jīng)開(kāi)展了大量研究工作，盡管如此，分子通信的研究依然面臨巨大的挑戰(zhàn). 一方面，當(dāng)前的研究主要集中于對(duì)分子通信理論層面的研究，但是，理論的正確性與可靠性需要實(shí)際通信系統(tǒng)驗(yàn)證. 然而，由于分子通信的跨學(xué)科屬性以及昂貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)主要是宏觀(guān)系統(tǒng)，構(gòu)建小尺度的分子通信系統(tǒng)依然存在很大困難. 另一方面，現(xiàn)有的理論分析中應(yīng)用的系統(tǒng)模型主要是基于理想狀態(tài)，例如，無(wú)限大的通信環(huán)境、信號(hào)粒子的擴(kuò)散系數(shù)保持恒定等，但是，實(shí)際環(huán)境中存在多種復(fù)雜的變化，更實(shí)際的通信模型需要分子通信研究人員更進(jìn)一步研究分析.

為了使分子通信系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)際化并能真正部署到應(yīng)用環(huán)境中，未來(lái)分子通信的研究需要做到一下幾點(diǎn).

（1）多學(xué)科交叉進(jìn)一步完善分子通信系統(tǒng)，從化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)等方面對(duì)分子通信系統(tǒng)進(jìn)行更深層的探究. 目前分子通信已經(jīng)搭建了基礎(chǔ)的理論體系，但是在應(yīng)用上還需要與各個(gè)學(xué)科交叉，需要納米技術(shù)的支持，也需要結(jié)合生物學(xué)中的特性來(lái)完成更高效的通信，構(gòu)建實(shí)際的分子通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

（2）在實(shí)驗(yàn)中完善理論體系. 在分子通信系統(tǒng)的研究中，大多數(shù)理論體系都是建立在理想的模型下，然而，在實(shí)際通信中會(huì)有許多不確定因素，現(xiàn)有理論不一定能夠保證正常通信. 除此之外，還需要基于實(shí)際的通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)性能，調(diào)整對(duì)應(yīng)的調(diào)制機(jī)制、編碼機(jī)制和檢測(cè)機(jī)制等. 同時(shí)，還需要對(duì)分子通信的實(shí)現(xiàn)環(huán)境進(jìn)行研發(fā)，設(shè)置參數(shù)探究不定因素對(duì)分子通信系統(tǒng)通信的影響. 最后根據(jù)現(xiàn)有理論基礎(chǔ)與仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的建模工具，設(shè)立計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，從而為后續(xù)研究跨學(xué)科共同開(kāi)發(fā)提供工具.