分子通信研究綜述

黎作鵬，張菁，蔡紹濱，王勇，倪軍

(1.哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、感知和驅(qū)動(dòng)等任務(wù)的設(shè)備稱為納米機(jī)器(nano-machine)[1,2]。納米機(jī)器被認(rèn)為是納米尺度上最基本的功能設(shè)備[3]。由于個(gè)體納米機(jī)器僅能在有限的空間范圍內(nèi)執(zhí)行非常簡(jiǎn)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(jī)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(jī)器[1]。自然界中目前存在著各種數(shù)量巨大的“生物納米機(jī)器”(例如細(xì)胞)，它們能夠通過傳輸分子的方式實(shí)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(jìn)化的天然納米機(jī)器及系統(tǒng)為工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)與開發(fā)納米機(jī)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(rèn)為基于生物啟發(fā)的分子通信是實(shí)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(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化工作，將有力地推動(dòng)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(guó)內(nèi)外相關(guān)的重要學(xué)術(shù)活動(dòng)與科研項(xiàng)目；然后詳細(xì)地介紹分子通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中重點(diǎn)闡述基于生物啟發(fā)的信息分子傳輸機(jī)制；最后從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(gè)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(jī)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(jī)器(簡(jiǎn)稱發(fā)送器)生成能夠被接收方納米機(jī)器(簡(jiǎn)稱接收器)識(shí)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(jī)器(例如細(xì)胞)對(duì)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(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)比

2) 與量子通信技術(shù)的對(duì)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(xì)胞和分子級(jí)的通信機(jī)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(jìn)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(jī)性：粒子的無規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)、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(cè)的行為[17](例如隨機(jī)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(chǔ)9.2Mbit的信息，而硅基技術(shù)在相同區(qū)域上僅能存儲(chǔ)490bit的信息[13]。

生物兼容性[18]：生物啟發(fā)的分子通信機(jī)制使納米機(jī)器能夠直接與生物系統(tǒng)中的各種原生組件(例如細(xì)胞、組織和器官)進(jìn)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(shí)自然進(jìn)化也形成了對(duì)能量利用的高效性，例如肌球蛋白(一種運(yùn)載信息分子的工具)能夠以接近 100%的效率使用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)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(diǎn)，因此基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)獒t(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(duì)組織或器官的高分辨率感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)外來元素或病原體的識(shí)別與控制、對(duì)惡性細(xì)胞(例如癌細(xì)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(jī)制還有助于協(xié)調(diào)和控制藥物的釋放時(shí)間與劑量，實(shí)現(xiàn)嵌入人體的智能藥物容器與特定細(xì)胞之間的定向藥物投送[13]，能夠?yàn)橹委煷x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(cè)到使用傳統(tǒng)感知技術(shù)無法檢測(cè)的微小細(xì)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(jìn)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(cè)與防御[1]，或被應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造先進(jìn)的偽裝設(shè)備和軍服(例如，自調(diào)節(jié)溫度或檢測(cè)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(jì)算設(shè)備[13,17](例如酶晶體管、生物邏輯門和生物存儲(chǔ)器等)之間的信息互聯(lián)方式，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的功能架構(gòu)[11]，進(jìn)而更充分地發(fā)揮設(shè)備的并行計(jì)算潛力以及針對(duì)特定問題的處理速度和體積優(yōu)勢(shì)。另外分子通信技術(shù)還可以被應(yīng)用到片上實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)[22]，通過直接并精確地操縱樣本中的分子，實(shí)現(xiàn)在一塊芯片(mm～cm)上對(duì)醫(yī)學(xué)生物樣本進(jìn)行檢測(cè)與分析。

2.4 重要的研究活動(dòng)與科研項(xiàng)目

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

表2 分子通信領(lǐng)域的主要國(guó)際會(huì)議

國(guó)際上目前致力于分子通信技術(shù)研究的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)主要包括美國(guó)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(jī)構(gòu)承擔(dān)的重要科研項(xiàng)目。此外美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、愛荷華大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、日本國(guó)立情報(bào)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(jī)構(gòu)在分子通信領(lǐng)域的研究也取得了很大的進(jìn)展。

中國(guó)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(jì)90年代，中科院已經(jīng)開始進(jìn)行細(xì)胞分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與裝配研究。目前，國(guó)內(nèi)的一些高校和科研院所已經(jīng)開始與國(guó)外的相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)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(xiàng)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(jī)器。基于研發(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(jī)制與仿生有機(jī)材料相結(jié)合的方式[11]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具備簡(jiǎn)單計(jì)算、存儲(chǔ)、感知、驅(qū)動(dòng)及通信能力的納米機(jī)器，例如人工合成的類細(xì)胞結(jié)構(gòu)[25]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提出的模型，圖1通過與生物納米機(jī)器(活細(xì)胞)的對(duì)比說明了人工納米機(jī)器的一般功能架構(gòu)。納米機(jī)器的主要功能部件包括：①能夠通過運(yùn)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(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(chǔ)單元；⑤能夠?yàn)樗衅渌M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(jī)器之間接口的傳感器與執(zhí)行器單元。

圖1 人工納米機(jī)器和生物納米機(jī)器的功能架構(gòu)對(duì)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(jìn)(例如有機(jī)與無機(jī)材料結(jié)合[2])的納米機(jī)器。根據(jù)生物的啟發(fā)原理，理想的納米機(jī)器還將具備以下的基本功能[1,2]：①能夠同時(shí)執(zhí)行不同任務(wù)的多任務(wù)功能；②能夠同時(shí)使用多種分子傳輸機(jī)制進(jìn)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(qiáng)納米機(jī)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(shí)現(xiàn)自主地創(chuàng)造大量的納米機(jī)器，有助于提高納米機(jī)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(duì)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(xì)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(yùn)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(dòng)下運(yùn)輸信息分子的分子馬達(dá)(具有運(yùn)動(dòng)活性的蛋白質(zhì)大分子，包括驅(qū)動(dòng)蛋白、動(dòng)力蛋白和肌動(dòng)蛋白)[28]和細(xì)菌馬達(dá)(由自身的鞭毛或纖毛產(chǎn)生動(dòng)力的細(xì)菌)[13]

4) 引導(dǎo)分子：①能夠引導(dǎo)分子馬達(dá)運(yùn)動(dòng)的蛋白質(zhì)軌道，例如微管[29]和微絲[30](由微管蛋白或肌動(dòng)蛋白組成的細(xì)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(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，用于交換分子的物理通道)；③能夠驅(qū)使細(xì)菌馬達(dá)向特定納米機(jī)器運(yùn)動(dòng)的誘導(dǎo)劑分子(細(xì)菌沿環(huán)境中誘導(dǎo)劑分子的濃度梯度運(yùn)動(dòng)的特性被稱為細(xì)菌的趨藥性[31])；④能夠在納米機(jī)器之間傳遞電化學(xué)信號(hào)的神經(jīng)元細(xì)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(hù)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(yùn)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(gè)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(cè)到的信息分子上的過程。分子通信通常基于信息分子的類型、三維結(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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)中的信息編碼機(jī)制(例如編碼二進(jìn)制信息)[35]，也能夠根據(jù)信息載體所具有的化學(xué)信號(hào)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(kuò)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(yùn)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(dòng)的“被動(dòng)傳輸”方式或有化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的“主動(dòng)傳輸”方式進(jìn)行傳輸。表4列舉了2種傳輸方式的特征對(duì)比，基于生物啟發(fā)的信息分子傳輸機(jī)制將在3.3節(jié)中進(jìn)一步詳細(xì)描述。

表4 信息分子的被動(dòng)傳輸與主動(dòng)傳輸方式的特征對(duì)比

4) 接收是接收器檢測(cè)到被傳輸?shù)男畔⒎肿雍髮?duì)其進(jìn)行接收的過程。接收器可以采用“配體—受體結(jié)合”機(jī)制[18]接收信息分子(即由嵌入到細(xì)胞膜或接收器表面的能夠識(shí)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(jìn)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(jí)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(jì)算和決策功能[1]，因此，納米機(jī)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(jìn)而通過化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)，例如合成新的信息分子、轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或移動(dòng)等。

3.3 信息分子的傳輸機(jī)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(zhǎng)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(dòng)傳輸通信和主動(dòng)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(jī)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(jī)制包括基于自由擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制和基于分子馬達(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)制。

1) 基于自由擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制。自由擴(kuò)散是一種普遍的細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的分子傳輸機(jī)制[36]。基于自由擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的過程中創(chuàng)造了一個(gè)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(shí)，才會(huì)接收信息分子[38]。

圖3 基于自由擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制

2) 基于分子馬達(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)制。分子馬達(dá)廣泛地被用于細(xì)胞內(nèi)的分子傳輸[31]。在這種傳輸機(jī)制中，作為引導(dǎo)分子的微絲或微管通常從細(xì)胞的中心體出發(fā)，基于“動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性”(任意地伸長(zhǎng)或收縮)特性向細(xì)胞壁擴(kuò)散，自組織形成星形或隨機(jī)網(wǎng)格拓?fù)涞囊龑?dǎo)分子網(wǎng)絡(luò)[29]。分子馬達(dá)能夠在化學(xué)能的驅(qū)動(dòng)下以達(dá)到400mm/d的速度[1]沿引導(dǎo)分子運(yùn)動(dòng)，通過提供了信息分子的定向傳輸機(jī)制實(shí)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(jī)制[13])將封裝了信息分子的接口分子結(jié)合到分子馬達(dá)上。分子馬達(dá)在化學(xué)能的驅(qū)動(dòng)下沿引導(dǎo)分子運(yùn)動(dòng)，并能夠通過轉(zhuǎn)換到不同的引導(dǎo)分子上從而最終到達(dá)接收器。在接收器端，信息分子與分子馬達(dá)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(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)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(jī)制包括基于反應(yīng)擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制和基于細(xì)菌馬達(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)制。

1) 基于反應(yīng)擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制。間隙連接能夠協(xié)調(diào)相鄰細(xì)胞之間的行為，組成被稱為“細(xì)胞線[20]”的細(xì)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(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)特定的鈣庫(例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，簡(jiǎn)稱ER)中。Ca2+能夠通過連接納米機(jī)器的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的傳輸。如圖5所示，發(fā)送器合成并釋放初始化信號(hào)(例如被稱為“鈣激活分子”的三磷酸肌醇[1]，簡(jiǎn)稱IP3)，刺激鄰近的細(xì)胞釋放ER中的Ca2+。Ca2+通過間隙連接被擴(kuò)散，依次刺激相鄰細(xì)胞釋放各自ER中的Ca2+(即鈣誘導(dǎo)鈣釋放[40]，簡(jiǎn)稱 CICR)，使細(xì)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(shí)，細(xì)胞使用各種鈣泵移除內(nèi)部的Ca2+，以負(fù)反饋的方式降低Ca2+的濃度。由正反饋和負(fù)反饋組成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生了細(xì)胞間 Ca2+的類波脈沖信號(hào)[13]，使細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)能夠不斷地放大信號(hào)并以較高的頻率實(shí)現(xiàn)信息傳輸[41]。

圖5 基于反應(yīng)擴(kuò)散的被動(dòng)傳輸機(jī)制

2) 基于細(xì)菌馬達(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)制：長(zhǎng)期的進(jìn)化使細(xì)菌具備了高效率的機(jī)械(例如能夠產(chǎn)生動(dòng)力的鞭毛和纖毛)和復(fù)雜的技能(例如趨藥性使細(xì)菌能夠向其認(rèn)為具有最佳生存條件的位置運(yùn)動(dòng)[42])，另外通過“細(xì)菌結(jié)合”過程，細(xì)菌能夠吸附其他細(xì)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(xì)菌結(jié)合過程將信息分子(例如 DNA 分子)裝載到載體細(xì)菌中并釋放載體細(xì)菌；接收器通過釋放誘導(dǎo)劑分子指示載體細(xì)菌的移動(dòng)方向；當(dāng)載體細(xì)菌與接收器物理接觸后，通過細(xì)菌結(jié)合過程將信息分子傳送到接收器。

3.3.3 長(zhǎng)距分子通信

長(zhǎng)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(xì)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(dòng)物使用信息素在較長(zhǎng)距離上傳輸信息。信息素通信在本質(zhì)上屬于基于自由擴(kuò)散的被動(dòng)信息分子傳輸機(jī)制[27]。

圖6 基于細(xì)菌馬達(dá)的主動(dòng)傳輸機(jī)制

基于神經(jīng)元和基于毛細(xì)血管的分子通信以提供信號(hào)的物理傳輸鏈路方式實(shí)現(xiàn)“有線”的分子通信。神經(jīng)元能夠通過傳輸動(dòng)作電位(沿神經(jīng)元細(xì)胞的軸突傳輸?shù)碾娦盘?hào))和擴(kuò)散神經(jīng)遞質(zhì)分子(在神經(jīng)元細(xì)胞的突觸與其他神經(jīng)元細(xì)胞的樹突間自由擴(kuò)散的化學(xué)信號(hào))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(xì)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(zhǎng)度能夠達(dá)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(zhǎng)的空隙)作為接口連接到軸突[43]，因此神經(jīng)元細(xì)胞可以作為連接納米機(jī)器的信息通路。

圖7 基于神經(jīng)元的電化學(xué)信號(hào)傳輸機(jī)制

毛細(xì)血管是連接微動(dòng)脈和微靜脈的最細(xì)小血管(直徑為5～10μm)，主要功能是實(shí)現(xiàn)血液與周圍組織之間化學(xué)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換。基于毛細(xì)血管中的血流傳輸信息分子(例如荷爾蒙)可以實(shí)現(xiàn)不同納米機(jī)器之間長(zhǎng)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(jì)算機(jī)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(jì)與實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)3個(gè)方向論證和研究具有實(shí)用性的分子通信技術(shù)。

4.1 分子通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作為全新的通信技術(shù)，分子通信的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)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(jī)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，納米技術(shù)與合成生物學(xué)是推動(dòng)研究與開發(fā)納米機(jī)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(shì)。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(dá)的結(jié)合[2]，也可以被用于模擬神經(jīng)元[2]和實(shí)現(xiàn)向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)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(biāo)是建立與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類似的、可編程實(shí)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(xiàng)目建立了工程化的生物部件標(biāo)準(zhǔn)庫[49]，為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具備復(fù)雜功能的納米機(jī)器提供了豐富的生物組件模塊。

在納米尺度上，生物分子計(jì)算具有突出的優(yōu)勢(shì)[2]，例如DNA計(jì)算通過將信息編碼進(jìn)生物化學(xué)符號(hào)序列中，使用這些符號(hào)執(zhí)行運(yùn)算操作[50]。目前已經(jīng)開發(fā)了多種DNA自動(dòng)機(jī)模型[51]。而酶計(jì)算是另一種生物分子計(jì)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(jí)聯(lián)反應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)性和對(duì)輸入(刺激)的超敏感性可以研發(fā)基本的邏輯計(jì)算組件[52]。DNA計(jì)算和酶計(jì)算均有助于實(shí)現(xiàn)納米機(jī)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(jī)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(jī)制并利用仿生有機(jī)材料開發(fā)納米機(jī)器的技術(shù)。例如目前的生物納米技術(shù)已經(jīng)實(shí)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(jì)與開發(fā)納米機(jī)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(jī)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(jī)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(gè)體分子作為基本構(gòu)件，基于“分子識(shí)別”原理排列組裝成納米機(jī)器的技術(shù)[27]。目前這種技術(shù)已經(jīng)能夠制造具備簡(jiǎn)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。可以預(yù)見未來將能夠通過精確和可控的排列分子實(shí)現(xiàn)高效率地裝配納米機(jī)器。

4.1.2 分子傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1) 基于自由擴(kuò)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(jiǎn)單且能夠在較短距離上實(shí)現(xiàn)快速傳輸信息分子的優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)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(xiàn)[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(jī)器接觸，進(jìn)而接收或釋放信息分子。

2）基于分子馬達(dá)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的分子馬達(dá)能夠?yàn)樾畔⒎肿犹峁┛煽康亩ㄏ騻鬏敊C(jī)制，且具有傳輸速度較高、信息分子需求量較少的特點(diǎn)。目前的生物納米技術(shù)能夠從細(xì)胞中提取馬達(dá)蛋白，最近的研究已經(jīng)在試管內(nèi)建立了這種傳輸機(jī)制[13]，實(shí)驗(yàn)表明微管的長(zhǎng)度可以超過40μm[29]。

微管網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渑帕蟹绞绞沁@種傳輸系統(tǒng)的主要研究挑戰(zhàn)，文獻(xiàn)[29]受微管固有的動(dòng)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(dá)與微管之間的相互作用進(jìn)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(fù)端)，文獻(xiàn)[56]提出了顛倒微管和分子馬達(dá)的布局，使用在馬達(dá)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(diǎn)。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(dòng)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(shí)現(xiàn)分子馬達(dá)傳輸系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。配體—受體結(jié)合機(jī)制能夠精確地將信息分子裝載到分子馬達(dá)上[1]。文獻(xiàn)[33]和文獻(xiàn)[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(zhǎng)ssDNA與微管所連接的短 ssDNA類型相同且與接收器所連接的長(zhǎng) ssDNA在基對(duì)序列上完全互補(bǔ)，進(jìn)而利用DNA雜交技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息分子的自主裝載與卸載的方法。

3) 基于反應(yīng)擴(kuò)散的分子傳輸系統(tǒng)。文獻(xiàn)[20]通過實(shí)驗(yàn)證明了使用間隙連接將細(xì)胞排列成連接不同納米機(jī)器的通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。文獻(xiàn)[59]基于CICR過程設(shè)計(jì)了能夠放大被傳輸?shù)姆肿有盘?hào)的細(xì)胞中繼器。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(shì)、溫度或PH值，進(jìn)而形成對(duì)信號(hào)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(hào)分子(例如IP3)的方法調(diào)制Ca2+波，反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制能夠提供更靈活的信息傳輸方式[1]，實(shí)現(xiàn)在相對(duì)小的時(shí)間跨度上較長(zhǎng)距離的分子通信。

4) 基于細(xì)菌馬達(dá)的分子傳輸系統(tǒng)。由于每一種細(xì)菌都能對(duì)特定的誘導(dǎo)劑作出反應(yīng)并能夠與其他細(xì)胞(納米機(jī)器)交換遺傳物質(zhì)(信息分子)，因此細(xì)菌馬達(dá)作為一種良好的分子傳輸機(jī)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(xiàn)[4]分別提出了基于細(xì)菌馬達(dá)和基于催化納米馬達(dá)的 2種分子通信系統(tǒng)。前者將基因改造過的細(xì)菌存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(xì)菌染色體等方法在細(xì)菌結(jié)合過程中將DNA分組(編碼了信息的DNA分子)插入到細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中。當(dāng)載體細(xì)菌在誘導(dǎo)劑的作用下到達(dá)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(xì)菌馬達(dá)類似，催化納米馬達(dá)(鉑金納米棒)能夠通過催化環(huán)境中的化學(xué)能運(yùn)輸信息分子。催化納米馬達(dá)需要過氧化氫水溶液環(huán)境，并在預(yù)設(shè)磁場(chǎng)的引導(dǎo)下運(yùn)動(dòng)，因此適合于生物體外的應(yīng)用。文獻(xiàn)[42]提出了使用DNA處理器(DPU)編碼與解碼信息分子，并在細(xì)菌結(jié)合過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)信息分子的封裝與解封的細(xì)菌馬達(dá)傳輸技術(shù)。

5) 長(zhǎng)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(zhǎng)、速度高、低衰減和傳輸電化學(xué)信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)[8,27]。目前相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)神經(jīng)元通信的特性進(jìn)行了大量的研究，例如電化學(xué)信號(hào)傳輸機(jī)制[62]、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的連通性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。使用神經(jīng)元細(xì)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(hào)，以及能夠最小化信號(hào)間干擾的調(diào)度機(jī)制。文獻(xiàn)[43]設(shè)計(jì)了可以激活跨膜離子信號(hào)傳輸?shù)募{米設(shè)備與神經(jīng)元細(xì)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(hào)傳輸時(shí)段)的特性，提出了 TDMA傳輸調(diào)度機(jī)制，以保證由多個(gè)設(shè)備發(fā)送的信號(hào)能夠在最小干擾下成功到達(dá)接收器，并實(shí)現(xiàn)與神經(jīng)元上生物信號(hào)之間無沖突的并行傳輸。文獻(xiàn)[27]深入地討論和研究了基于信息素和毛細(xì)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?fù)浣Y(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(jiǎn)單的納米機(jī)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(jī)制，例如控制分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的放大和過濾、載體細(xì)菌的活動(dòng)等；3）缺少對(duì)降低隨機(jī)性對(duì)通信的影響和擴(kuò)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(biāo)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(jìn)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]。現(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(gè)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(xiàn)[63]進(jìn)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(jí)代表比特“0”和“1”[65,66]。接收器通過測(cè)量所接收信息分子的濃度值，并與預(yù)定的閾值進(jìn)行對(duì)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(shí)間導(dǎo)數(shù)dC(t)/dt)代表不同的符號(hào)[69,70]。文獻(xiàn)[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(shí)間的編碼。這種編碼以信息分子被釋放的時(shí)間代表比特值[71,72]，前提條件是納米機(jī)器需要具備精確的時(shí)鐘同步機(jī)制[73]。

5) 基于分子結(jié)構(gòu)序列的編碼。與目前在計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)中所廣泛使用的二進(jìn)制信息編碼方式不同，納米機(jī)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(shí)現(xiàn)四進(jìn)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(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[42]詳細(xì)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(biāo)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(dòng)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(dòng)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(xì)胞和器官級(jí)的動(dòng)力學(xué)模型和計(jì)算模型，這些模型為分子通信的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

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

1) 自由擴(kuò)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(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到濃度均勻狀態(tài)的過程。自由擴(kuò)散是一種最基本的信息分子運(yùn)動(dòng)方式，包括細(xì)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(xì)菌的誘導(dǎo)劑粒子均依靠這種方式進(jìn)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(kuò)散信道的編碼技術(shù)。自由擴(kuò)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(kuò)散過程[3,69]，并通常將分子運(yùn)動(dòng)建模為低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)[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(duì)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(kuò)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(zhǎng))[13]，另外，擴(kuò)散系數(shù)[66]和環(huán)境溫度[71]等因素也會(huì)影響到信道的特征。

2) 反應(yīng)擴(kuò)散是一種能夠通過化學(xué)反應(yīng)放大分子信號(hào)(增加被傳輸信息分子的數(shù)量)的擴(kuò)散過程[19]。基于間隙連接的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)主要依靠反應(yīng)擴(kuò)散方式增加Ca2+通信的可靠性。在針對(duì)Ca2+信號(hào)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)理論研究中，通常基于對(duì)常微分方程進(jìn)行數(shù)值積分描述Ca2+的時(shí)間動(dòng)力學(xué)特性，并通過偏微分方程特征化Ca2+的空間動(dòng)力學(xué)特性[78]。而能夠更精確地分析隨機(jī)效應(yīng)的隨機(jī)仿真方法(例如 Gillespie隨機(jī)仿真算法)也已經(jīng)被應(yīng)用于細(xì)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(kuò)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(shí)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(kuò)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(biāo)細(xì)胞。漂移擴(kuò)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(kuò)散是長(zhǎng)距離傳輸信息分子的有效方式，傳輸延遲和抖動(dòng)隨漂移速率的增加而降低[12]。

針對(duì)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(xì)菌的有偏隨機(jī)行走過程[42]。由于鞭毛能夠在化合物能量的驅(qū)動(dòng)下，通過順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)推動(dòng)細(xì)菌以一系列的定向游動(dòng)和翻滾所組成的運(yùn)動(dòng)過程向接收器移動(dòng)[74]。因此信道的特征化需要量化細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)方式、定向游動(dòng)和翻滾的距離、方向變化[77]及誘導(dǎo)劑的擴(kuò)散過程[74]等；②由于分子馬達(dá)以比較有規(guī)律的方式運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)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(hào)與化學(xué)信號(hào)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(shí)驗(yàn)證明在時(shí)間域中，神經(jīng)遞質(zhì)的濃度受動(dòng)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(huì)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(duì)分子信道噪聲的抽象研究首先需要個(gè)別化分析不同類型的噪聲源，并以統(tǒng)計(jì)學(xué)方式提供對(duì)噪聲源建模的封閉表達(dá)[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(jìn)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(kuò)散信道。針對(duì)基于分子濃度變化率編碼的信道，文獻(xiàn)[69,70]將由粒子的離散性和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)對(duì)信號(hào)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(jì)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(dòng)力學(xué)原理，建立能夠?qū)υ肼暜a(chǎn)生過程進(jìn)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(jī)過程和相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(jī)模型。文獻(xiàn)[71]將基于分子釋放時(shí)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(duì)新的通信產(chǎn)生被稱為“信道記憶”的干擾, 文獻(xiàn)[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(xiàn)[85]提出了使用降解酶分解冗余的信息分子，進(jìn)而降低信道記憶干擾的方法。

生物系統(tǒng)對(duì)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(jī)共振現(xiàn)象檢測(cè)噪聲環(huán)境中的弱信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(jī)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(duì)簡(jiǎn)單且基于一些不實(shí)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(shí)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(dòng)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(diǎn)的體積及節(jié)點(diǎn)間距離需要以納米計(jì)量，個(gè)體節(jié)點(diǎn)僅能執(zhí)行非常簡(jiǎn)單的任務(wù)且節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大[2]；2）由于難以在納米尺度對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)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(jì)模式[11]；4）在許多應(yīng)用環(huán)境(例如生物組織)中，節(jié)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)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(yùn)行機(jī)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(duì)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(dòng)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?yàn)榧{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(diǎn)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(jìn)技術(shù)[2]，成為納米網(wǎng)絡(luò)研究的重要推動(dòng)力之一。

3) 主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)：節(jié)點(diǎn)的自裝配特性對(duì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一種允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)分組執(zhí)行自定義計(jì)算，具有自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)和智能化特性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[96]，能夠支持實(shí)現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)的自裝配或自進(jìn)化機(jī)制[2]。

4.3.2 納米網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展

目前在納米網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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?fù)洌悍€(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)改善包含大量異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的納米網(wǎng)絡(luò)性能非常重要。文獻(xiàn)[4]提出的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)和納米機(jī)器2類節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)管理若干納米機(jī)器。納米機(jī)器與網(wǎng)關(guān)之間采用自由擴(kuò)散分子傳輸機(jī)制進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)之間基于細(xì)菌馬達(dá)傳輸DNA分組實(shí)現(xiàn)信息交換。文獻(xiàn)[44]基于生物免疫系統(tǒng)的啟發(fā)提出了由移動(dòng)納米機(jī)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(jī)制實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制的納米機(jī)器可以實(shí)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(cuò)控制和同步機(jī)制是目前的研究重點(diǎn)。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(biāo)簽[98]或定位接收器位置[99]等方式實(shí)現(xiàn)。差錯(cuò)控制機(jī)制可以通過在DNA分子中增加附加編碼序列實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。“群體感應(yīng)”是細(xì)菌通過釋放并同時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的自誘導(dǎo)劑的濃度，確定周圍同類細(xì)菌的數(shù)量并同步群體行為(例如形成生物膜)的機(jī)制，為納米網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步機(jī)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(zhǎng)距離的分子通信。文獻(xiàn)[101]提出了基于細(xì)菌馬達(dá)通信的納米網(wǎng)絡(luò)機(jī)會(huì)路由機(jī)制。但是目前網(wǎng)絡(luò)層的研究多局限于靜態(tài)路由表機(jī)制[42,91]，不適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)條件的變化[12]。文獻(xiàn)[102]分別提出了基于DNA和基于體液免疫的數(shù)據(jù)庫機(jī)制來存儲(chǔ)地址信息，初步考慮了網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，能夠作為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5) 節(jié)點(diǎn)定位：特定的應(yīng)用(例如精確醫(yī)療技術(shù))對(duì)節(jié)點(diǎn)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(hào)的特征實(shí)現(xiàn)測(cè)距及定位。目前已經(jīng)提出了基于信號(hào)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(cè)距技術(shù)。文獻(xiàn)[99]提出了基于一組錨節(jié)點(diǎn)建立坐標(biāo)系統(tǒng)，并通過測(cè)量相對(duì)于每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間的距離確定納米機(jī)器位置的方法。

6) 仿真工具：評(píng)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(jì)算機(jī)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(xiàng)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(yàn)證信號(hào)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(yàn)證基于擴(kuò)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(diǎn)計(jì)算與存儲(chǔ)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(shí)用和易擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及將拓?fù)涔芾怼⒕W(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(diǎn)，為納米機(jī)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(jī)制等方面對(duì)分子通信作出了深入歸納與詳細(xì)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(duì)未來分子通信總體的研究與發(fā)展趨勢(shì)展望如下。

1) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)完善的分子通信系統(tǒng)。①進(jìn)一步探索具有分布式網(wǎng)絡(luò)特征的生物系統(tǒng)和機(jī)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(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)并應(yīng)用生物啟發(fā)方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分子通信的組件與系統(tǒng)及其與生物系統(tǒng)(例如細(xì)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?xiàng)l件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)不僅能夠放大 Ca2+信號(hào)，還能夠應(yīng)用于其他類型信號(hào)的放大器/中繼器；優(yōu)化和拓展更具優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)的分子馬達(dá)傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)基于多種傳輸方式的混合分子傳輸機(jī)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(xì)菌在分子級(jí)的通信原理和趨藥性機(jī)制研發(fā)可控的自推進(jìn)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(jī)制[24])，并解決系統(tǒng)級(jí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(rèn)為是一種具有優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)的編碼技術(shù)。②為了增強(qiáng)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(dòng)力學(xué)特征(例如分子的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境的變化)并擴(kuò)展到多級(jí)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(yùn)含信息特征的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算模型。③進(jìn)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(cuò)控制技術(shù)。另外生物系統(tǒng)的隨機(jī)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(jìn)仿真技術(shù)的結(jié)合機(jī)制，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的建模和測(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)平移到高性能的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)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(tái)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(bǔ)由于低生物兼容性導(dǎo)致的WBAN規(guī)模較小的缺點(diǎn)，同時(shí)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(jī)器極有限的處理與存儲(chǔ)能力所帶來的研究挑戰(zhàn)，實(shí)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(jì)雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(包括基于IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的匯聚節(jié)點(diǎn)層和基于分子通信的納米網(wǎng)絡(luò)層)、電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(jī)器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾頇C(jī)制，例如參考“群體感應(yīng)”機(jī)制設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)分簇算法。③開發(fā)輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中，適合分子信道的 MAC協(xié)議、動(dòng)態(tài)路由協(xié)議或協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)是有待解決的問題，并基于底層協(xié)議設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)[46])開發(fā)應(yīng)用層技術(shù)，例如由匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)納米機(jī)器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(guó)目前在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、環(huán)境和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域面臨的巨大壓力，對(duì)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于分子通信是實(shí)現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，所以非常有必要在這個(gè)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(zhēng)走在世界的前列。

[1] AKYILDIZ I F, BRUNETT F, BLAZQUEZ C.Nanonetworks： a new communication paradigm[J].Computer Networks Journal, 2008, 52(12)：2260-2279.

[2] BUSH S F.Nanoscale Communication Networks[M].Boston： Artech House Press, 2010.

[3] PIEROBON M, AKYILDIZ I F.A physical end-to-end model for molecular communication in nanonetworks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2010, 28 (4)：602-611.

[4] GREGORI M.A new nanonetwork architecture using flagellated bacteria and catalytic nanomotors[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2010, 28 (4)：612-619.

[5] ATAKAN B, AKAN O, BALASUBRAMANIAM S.Body area nanonetworks with molecular communications in nanomedicine[J].IEEE Communications Magazine, 2012, 50(1)：28-34.

[6] AKYILDIZ I F, JORNET J M.The Internet of nano-things[J].Wireless Communications, 2010, 17(6)：58-63.

[7] LIU J Q.Molecular informatics of nano-communication based on cells：a brief survey[J].Nano Communication Networks, 2010, l(1)：118-125.

[8] DERYA M.Molecular communication nanonetworks inside human body[J].Nano Communication Networks, 2012, 3(1)：19-35.

[9] FALKO D, OZGUR B A.A survey on bio-inspired networking[J]. Computer Networks, 2010, 54(6)：881-900.

[10] NAKANO T.Biologically inspired network systems： a review and future prospects[J].IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 2011, 41(5)：630-643.

[11] SATOSHI H, YUKI M.Molecular communication：harnessing biochemical materials to engineer biomimetic communication systems[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(1)：20-30.

[12] NAKANO T, MOORE M J, WEI F.Molecular communication and networking： opportunities and challenges[J].IEEE Transactions on Nanobioscience, 2011, 11(2)：135-148.

[13] NAKANO T, MOORE M J.Molecular Communication Technology as a Biological ICT[M].Berlin： Springer, 2011.

[14] 周并舉, 劉小娟, 詹杰.雙光子通道中任意初態(tài)原子比特周期量子回聲的調(diào)控[J].通信學(xué)報(bào), 2012, 33(3)：177-182.ZHOU B J, LIU X J, ZHAN J.Control of the periodical quantum echo of atom bit with arbitrary initial states in two-photon channel[J].Journal on Communications, 2012, 33(3)：177-182.

[15] ALFANO G.On information transmission among nanomachines[A].Proc of Nano-Nets 06[C].Lausanne, Switzerland, 2006.1-5.

[16] JALIL M A.Molecular transporter generation for quantum-molecular transmission via an optical transmission line[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(2)：96-101.

[17] HIYAMAM S.Molecular communication[A].Proc of NSTI Nanotechnology Conference[C].Boston, USA, 2005.391-394.

[18] NAKANO T.Molecular communication paradigm overview[J].Next Generation Information Technology, 2011, 2 (1)：9-16.

[19] NAKANO T, SUDA T, KOUJIN T,et al.Molecular communication through gap junction channels[J].Transactions on Computational Sys-tems Biology X, 2008, 54(10)：81-99.

[20] NAKANO T.Molecular communication through gap junction channels：system design, experiments and modeling[A].Proc of 2nd BIONETICS[C].Budapest, Hungary, 2007.139-146.

[21] YASIR M, ANJUM M.Molecular communication for nanoscale communication networks[A].Proc of the 8th International Conference on Frontiers of Information Technology[C].Islama-bad, Pakistan,2010.213-217.

[22] MORITANI Y.Molecular communication for health care applications[A].Proc of PERCOM 06[C].Pisa, Italy, 2006.549-553.

[23] SUDA T.Exploratory research on molecular communication between nanomachines[A].Proc of Genetic and Evolutionary Computation Conference[C].Washington DC, USA, 2005.27-31.

[24] NAKANO T.NSF Workshop on Molecular Communication/Biological Communications Technology[R].NSF Report, 2008.

[25] SASAKI Y, SHIOYAMA Y.A nanosensory device fabricated on a liposome for detection of chemical signals[J].Biotechnology and Bioengineering, 2010, 105(1)：37-43.

[26] NAKANO T.Information transfer through calcium signaling[A].Proc of Nano-Net’09[C].Lucerne, Switzerland, 2009.29-33.

[27] GINE L P, AKYILDIZ I F.Molecular communication options for long range Nanonetworks[J].Elsevier Computer Networks,2009, 53(16)：2753-2766.

[28] MOORE M J, ENOMOTO A.A design of a molecular communication system for nanomachines using molecular motors[A].Proc of PERCOM 06[C].Pisa, Italy, 2006.554-559.

[29] ENOMOTO A, MOORE M J, SUDA T,et al.Design of self-organizing microtubule networks for molecular communication[J].Nano Communication Networks, 2011, 2(1)：16-24.

[30] ENOMOTO A.A molecular communication system using a network of cytoskeletal filaments[A].Proc of 9th Nanotechnology Conference and Trade Show[C].Boston, USA, 2006.725-728.

[31] GAO Y L, LAKSHMANAN S, SIVALUMAR R.On attractant scheduling in networks based on bacterial communication[A].Proc of 1st IEEE MoNaCom[C].Shanghai, China, 2011.419-424.

[32] MORITANI Y, HIYAMA S, NOMURA S M,et al.A communication interface using vesicles embedded with channel forming proteins in molecular communication[A].Proc of BIONETICS’07[C].Budapest,Hungary, 2007.147-149.

[33] HIYAMA S.A biochemically-engineered molecular communication system[A].Proc of NanoNet’08[C].Boston, USA, 2009.85-94.

[34] SHANNON C E.A mathematical theory of communication[J].Bell System Technical Journal, 1948, 27(3)：379-423.

[35] UPAL M.Characterization of intersymbol interference in concentration coded unicast molecular communication[A].Proc of CCECE’11[C].Ontario, Canada, 2011.164-168.

[36] AKYILDIZ I F.Propagation models for nano communication networks[A].Proc of 4th EuCAP[C].Barcelona, Spain,2010.1-5.

[37] EKFORD A W.Microchannel molecular communication with nanoscale carriers： brownian motion versus active transport[A].Proc of ICN-B’10[C].Hong Kong, China, 2010.854-858.

[38] THOMAS P J.The diffusion mediated biochemical signal relay channel[A].Proc of NIPS’03 [C].Vancouver, Canada, 2003.1-8.

[39] MOOREM J, ENOMOTOA.Molecular communication： unicast communication on a microtubule topology[A].IEEE International Conference on SMC’08[C].Singapore, 2008.18-23.

[40] BERRIDGE M J.The AM and FM of calcium signaling[J].Nature,1997, 386(6627)：759-760.

[41] VERKHRATSKY A.Calcium signaling in glial cells[J].Trends in Neurosciences, 1996, 19(8)：205-212.

[42] COBO L C.Bacteria-based communication in nanonetworks[J].Nano Communication Networks, 2010,1(4)：244-256.

[43] BALASUBRAM S, NOREEN T.Development of artificial neuronal networks for molecular communication[J].Nano Communication Networks, 2012, 2(2)：150-160.

[44] GUNEY A, ATAKAN B.Mobile ad hoc nanonetworks with collision based molecular communication[J].IEEE Transactions on Mobile Computing, 2011, 11(3)：353-366.

[45] YOSHIKAZU H.Growth of suspended carbon nanotube networks on 100-nm-scalesilicon pillars[J].Applied Physics Letters, 2002, 81(12)：2261-2263.

[46] SIAVASH G, FARSHAD L, ALI M.Carbon modeling and analysis of abnormality detectoin in biomolecular nano-networks[J].Nano Communication Networks, 2012, 3(4)：229-241.

[47] BIANCO A.Applications of carbon nanotubes in drug deliver[J].Current Opinion in Chemical Biology, 2005, 9(6)：674-679.

[48] WEISS R.Synthetic biology： from bacteria to stem cells[A].Design Automation Conference[C].San Diego, USA, 2007.634-635.

[49] RON W, SUBHAYU B.Genetic circuit building blocks for cellular computation, communications, and signal processing[J].Natural Computing, 2003, 2(1)：47-84.

[50] WALSH F, BALASUBRAMANIAM S.Hybrid DNA and enzymatic based computation for address encoding, link switching and error correction in molecular communication[A].Proc of 3rd Nano-Net[C].Boston, USA, 2008.28-38.

[51] BENENSON Y.An autonomous molecular computer for logical control of gene expression[J].Nature, 2004,429(6990)：423-429.

[52] STETTER M, SCHURMANN B.Logical nanocomputation in enzyme reaction networks[A].Proc of 1st BIONETICS[C].Lugano, Switzerland, 2006.1-7.

[53] FRANK W, BALASUBRAM S.Synthetic protocols for nano sensor transmitting platforms using enzyme and DNA based computing[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(1)：50-62.

[54] DOKTYCZ M J, SIMPSON M L.Nano-enabled synthetic boilogy[J].Molecular Systems Biology, 2007, 3(125)：1-10.

[55] MUKAI M, MARUO K.Propagation and amplification of molecular information using a photo-responsive molecular switch[J].Super Molecular Chemistry, 2009, 21(3)：284-291.

[56] HIYAMA S, ISOGAWA Y, SUDA T,et al.A design of an autonomous molecule loading/transporting/unloading system using DNA hybridization and bio-molecular linear motors[A].Proc of ENS’ 05[C].Paris,France, 2005.1-6.

[57] HIRATSUKA Y, TADA T.Controlling the direction of kinesindriven microtubule movements along micro lithographic tracks[J].Biophysical Journal, 2001, 81(3)：1555-1561.

[58] FARSAD N.Quick system design of vesicle based active transport molecular communication by using a simple transport model[J].Nano Communication Networks, 2010, 2(4)：175-188.

[59] NAKANO T.Repeater design and modeling for networks[A].Proc of 1st IEEE MoNaCom[C].Shanghai, China, 2011.501-506.

[60] ARIFLER D.Link layer modeling of bio-inspired communication in nanonetworks[J].Nano Communication Networks, 2011, 2(4)：223-229.

[61] ABADAL S, AKYILDIZ I F.Automata modeling of quorum sensing for nano communication networks[J].Nano Communication Networks,2011, 2 (1)：74-83.

[62] KOTSAVASILOGLOU C.Modeling signal transmission and robustness in biological neural networks[A].Proc of MABE'08[C].Acapulco,Mexio, 2008.80-85.

[63] ATAKAN B, GALMES S, AKAN B O B.Nanoscale communication with molecular arrays in nanonetworks[J].IEEE Transactions on Nanobioscience, 2012,11(2)：149-160.

[64] MOHAMMAD U M.On the characterization of binary concentration-encoded molecular communication in nanonetworks[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(4)：289-300.

[65] MOORE M J, SUDA T, OIWA K.Molecular communication： modeling noise effects on information rate[J].IEEE Transaction Nanobioscience, 2009, 8 (2)：169-180.

[66] KURAN M S, YILMAZ H B.Interference effects over modulation techniques in communication via diffusion system[J].Nano Communications Networks, 2012, 3(1)：65-73.

[67] ATAKAN B, AKAN O B.An information theoretical approach for molecular communication[A].Proc of BIONETICS’07[C].Budapest,Hungary, 2007.33-40.

[68] CHOU C T.Molecular circuits for decoding frequency coded signals in nano-communication networks[J].Nano Communications Networks,2011, 3(1)：46-56.

[69] MASSIMILIANO P, AYILDIZ I F.Diffusion-based noise analysis for molecular communication in nanonetworks[J].IEEE Transactions on Signal Processing, 2011, 59(6)：2532-2547.

[70] MASSIMILIANO P.Noise analysis in ligand-binding reception for molecular communication in Nanonetworks[J].IEEE Transactions on Signal Processing, 2011, 59(9)：4168-4182.

[71] SRINIVAS K V, ADVE R S.Molecular communication in fluid media：the additive inverse gaussian noise channel[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2010, 58(7)：4678-4692.

[72] KADLLOR S, ADVE R S, ECKFORD A W.Molecular communication using brownian motion with drift[J].IEEE Transactions on Nano-Bioscience, 2011,11(2)：89-99.

[73] ECKFORD A W.Nanoscale communication with brownianmotion[A].Proc of CISS 07[C].Baltimore, USA, 2007.160-165.

[74] GREGORI M, LLASTER I.Physical channel characterization for medium-range nano-networks using flagellated bacteria[J].Journal of Computer Networks, 2011, 55(3)：102-107.

[75] WALSH F, BALASUBRAM S.Review of communication mechanisms for biological nano and MEMS devices[A].Proc of Bionetics’07[C].Budapest, Hungary, 2007.307-312.

[76] GARRALDA N, LLATSER J, CABELLOS A,et al.Diffusion based physical channel identification in molecular nanonetworks[J].Nano Communication Networks, 2011, 2(4)：196-204.

[77] GREGORI M, LLATSER J.Physical channel characterization for medium-range nanonetworks using catalytic nanomotors[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(2)：102-107.

[78] NAKANO T, LIU J Q.Design and analysis of molecular relay channels： an information theoretic approach[J].IEEE Transactions on Nanobioscience, 2010, 9(3)：213-221.

[79] KADLLOR S.A framework to study the molecular communication system[A].Proc of ICCCN’ 09[C].San Francisco, USA, 2009.1-6.

[80] FARSAD N, ECKFORD A W.A simple mathematical model for information rate of active transport molecular communication[A].Proc of 1st MoNaCom[C].Shanghai, China, 2011.473-478.

[81] FARSAD N, ECKFORD A W.Information rates of active propagation in microchannel molecular communication[A].Proc of 5th ICST[C].Boston, USA, 2010.16-21.

[82] ECKFORD A W.Timing Information Rates for Active Transport-Molecular Communication[R].Nano Network Report, 2009.

[83] GALLUCCIO L, PALAZZO S.Modeling signal propagation in nano-machine-to-neuron communications[J].Nano Communication Networks, 2011, 2(4)：213-222.

[84] KURAN M S, YILMAZ H B, TUGCU T,et al.Energy model for communication via diffusion in nanonetworks[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(2)：86-95.

[85] DOGU A.Capacity analysis of a diffusion-based short-range molecular nanocommunication channel[J].Computer Networks, 2011, 55(6)：1426-1434.

[86] KARIG D K, SIUTI P, DAR R,et al.Model for biological communication in a nano-fabricated cell-mimic driven by stochastic resonance[J].Nano Communication Network, 2011, 2(1)：39-49.

[87] ECKFORD A W.Achievable information rates for molecular communication with distinct molecules[A].Proc of BIONETIC-S’07[C].Budapest, Hungry, 2007.313-315.

[88] ATAKAN B, AKAN O B.On molecular multiple-access, broadcast,and relay channels in nanonetworks[A].Proc of BIONET-ICS’08[C].Brussels, Belgium, 2008.67-74.

[89] ATAKAN B, AKAN O B.Deterministic capacity of information flow in molecular nanonetworks[J].Nano Communication networks, 2010,1(1)：31-42.

[90] PIEROBON M, AKYILDIZ I F.Information capacity of diffusionbased molecular communication in nanonetworks[A].Proc of 1st INFOCOM[C].Shanghai, China, 2011.506-510.

[91] ECKFORD A W.Molecular communication： physically realistic models and achievable information rates[J].IEEE Transactions on Information Theory, 2008, 54(12)：460-487.

[92] MIORANDI D.A stochastic model for molecular communications[J].Nano Communication Networks, 2011, 2(4)：205-212.

[93] ATAKAN B, AKAN O B.On channel capacity and error compensation in molecular communication[J].Transactions on Computational System Biology X, 2008, 54(10)：59-80.

[94] 馬祖長(zhǎng), 孫怡寧, 梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].通信學(xué)報(bào),2004,25 (4)：114-124.MA Z C, SUN Y N, MEI T.Survey on wireless sensor networks[J].Journal on Communications, 2004, 25(4)：114-124.

[95] AKYILDIZ I F.Electromagnetic wireless nanosensor networks[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(1)：3-19.

[96] BUSH S F.Toward in vivo nanoscale communication networks： utilizing an active network architecture[J].Frontiers of Computer Science in China, 2011, 5(3)：316-326.

[97] KOKSAL C E.Design and analysis of systems based on RF receivers with multiple carbon nanotube antennas[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(3)：160-172.

[98] HIYAMA S.Micropatterning of different kinds of biomaterialsas a platform of a molecular communication system[A].Proc of 1st IEEE MoNaCom[C].Shanghai, China, 2011.479-484.

[99] MOORE M J, NAKANO T.Addressing by beacon distances using molecular communication[J].Nano Communication Networks, 2011,1(2)：161-173.

[100] NAKANO T.In-sequence molecule delivery over an aqueous medium[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(3)：181-188.

[101] PIETRO L, SATISHARAN B.Opportunistic routing through conjugation in bacteria communication nanonetwork[J].Nano Communication Networks, 2011,3(1)：19-35.

[102] CAKIR A R, OKTUG S.A nanonetwork environment with messaging and humoral immunity-based database implementation[J].Nano Communication Networks, 2011, 4(2)：189-198.

[103] MORE M J, NAKANO T.Measuring distance from single spike feedback signals in molecular communication[J].IEEE Transactions on Signal Processing, 2012, 60(7)：3576-3587.

[104] MORE M J, NAKANO T.Measuring distance with molecular communication feedback protocols[A].Procof 5th BIONETIC-S[C].Boston, USA, 2010.1-13.

[105] GUL E, ATAKAN B, AKAN O.Nanons： a nanoscale network simulator framework for molecular communications[J].Nano Communication Networks, 2010, 1(2)：138-156.

[106] LLATSER I, PASCUAL I, GARRALDA N,et al.N3Sim： A Simulation Framework for Diffusion-Based Molecular Communication[R].IEEE Technical Committee on Simulation Report, 2011.