stringtranslate.com

Наносеть

Наносеть или наномасштабная сеть — это набор взаимосвязанных наномашин (устройств размером несколько сотен нанометров или максимум несколько микрометров ), которые способны выполнять только очень простые задачи, такие как вычисления , хранение данных , считывание и приведение в действие. [1] [2] Ожидается, что наносети расширят возможности отдельных наномашин как с точки зрения сложности, так и диапазона работы, позволяя им координировать, обмениваться и объединять информацию. Наносети открывают новые возможности для применения нанотехнологий в биомедицинской области, исследованиях окружающей среды , военных технологиях, а также в промышленных и потребительских товарах . Наномасштабная связь определена в IEEE P1906.1 .

Коммуникационные подходы

Классические парадигмы коммуникации необходимо пересмотреть для наномасштаба. Две основные альтернативы для коммуникации в наномасштабе основаны либо на электромагнитной коммуникации, либо на молекулярной коммуникации.

Электромагнитный

Это определяется как передача и прием электромагнитного излучения от компонентов на основе новых наноматериалов . [3] Недавние достижения в области углеродной и молекулярной электроники открыли дверь новому поколению электронных наноразмерных компонентов, таких как нанобатареи , [4] наноразмерные системы сбора энергии , [5] нанопамять, [6] логические схемы в наномасштабе и даже наноантенны. [7] [8] С точки зрения коммуникации уникальные свойства, наблюдаемые в наноматериалах, будут определять конкретные полосы пропускания для излучения электромагнитного излучения, временную задержку излучения или величину излучаемой мощности для заданной входной энергии, среди прочего.

На данный момент были рассмотрены две основные альтернативы для электромагнитной связи в наномасштабе. Во-первых, экспериментально продемонстрировано, что возможно принимать и демодулировать электромагнитную волну с помощью нанорадио , т. е. электромеханически резонирующей углеродной нанотрубки , которая способна декодировать амплитудно- или частотно-модулированную волну. [9] Во-вторых, наноантенны на основе графена были проанализированы как потенциальные электромагнитные излучатели в терагерцовом диапазоне . [10]

Молекулярный

Молекулярная коммуникация определяется как передача и прием информации посредством молекул. [11] Различные методы молекулярной коммуникации можно классифицировать в соответствии с типом распространения молекул на коммуникацию, основанную на перемещении, основанную на потоке или основанную на диффузии.

При молекулярной коммуникации на основе пешеходных путей молекулы распространяются по заранее определенным путям с использованием веществ-носителей, таких как молекулярные моторы . [12] Этот тип молекулярной коммуникации также может быть достигнут с использованием бактерий E. coli в качестве хемотаксиса . [13]

В молекулярной коммуникации на основе потока молекулы распространяются посредством диффузии в жидкой среде, поток и турбулентность которой управляемы и предсказуемы. Гормональная коммуникация через потоки крови внутри человеческого тела является примером такого типа распространения. Распространение на основе потока также может быть реализовано с использованием носителей, движение которых может быть ограничено в среднем вдоль определенных путей, несмотря на демонстрацию случайной составляющей. Хорошим примером этого случая являются феромонные молекулярные коммуникации на больших расстояниях. [14]

В молекулярной коммуникации на основе диффузии молекулы распространяются посредством спонтанной диффузии в жидкой среде. В этом случае молекулы могут подчиняться только законам диффузии или также могут быть затронуты непредсказуемой турбулентностью, присутствующей в жидкой среде. Феромональная коммуникация, когда феромоны высвобождаются в жидкую среду, такую ​​как воздух или вода, является примером архитектуры на основе диффузии. Другие примеры такого рода транспорта включают кальциевую сигнализацию между клетками, [15] а также кворумное восприятие среди бактерий. [16]

На основе макроскопической теории [17] идеальной (свободной) диффузии импульсный отклик одноадресного молекулярного канала связи был описан в статье [18] , в которой было установлено, что импульсный отклик идеального диффузионного молекулярного канала связи испытывает временное расширение. Такое временное расширение оказывает глубокое влияние на производительность системы, например, при создании межсимвольной интерференции (ISI) на принимающей наномашине. [19] Для обнаружения молекулярного сигнала, кодированного концентрацией, были предложены два метода обнаружения, названные обнаружением на основе выборки (SD) и обнаружением на основе энергии (ED). [20] В то время как подход SD основан на амплитуде концентрации только одного образца, взятого в подходящий момент времени в течение длительности символа, подход ED основан на общем накопленном количестве молекул, полученных в течение всей длительности символа. Для того чтобы уменьшить влияние ISI, была проанализирована схема молекулярной связи на основе контролируемой ширины импульса. [21] Работа, представленная в [22], показала, что можно реализовать многоуровневую амплитудную модуляцию на основе идеальной диффузии. Также было проведено комплексное исследование импульсной двоичной [23] и синусной [24] [25] [26] [27] молекулярной коммуникационной системы с кодированием концентрации.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ JM Jornet и M. Pierobon (ноябрь 2011 г.). «Наносети: новый рубеж в коммуникациях». Communications of the ACM . 54 (11): 84–89. doi :10.1145/2018396.2018417. S2CID  240230920.
  2. ^ Буш, С.Ф. (2010). Наномасштабные сети связи . Artech House. ISBN 9781608070039.
  3. ^ Rutherglen, C.; Burke, PJ (2009). «Наноэлектромагнетизм: цепи и электромагнитные свойства углеродных нанотрубок». Small . 5 (8): 884–906. doi :10.1002/smll.200800527. PMID  19358165.
  4. ^ Curtright, AE; Bouwman, PJ; Wartane, RC; Swider-Lyons, KE (2004). «Источники питания для нанотехнологий». Международный журнал нанотехнологий . 1 : 226–239. Bibcode :2004IJNT....1..226C. doi :10.1504/IJNT.2004.003726.
  5. ^ Ван, ZL (2008). «На пути к самопитающимся наносистемам: от наногенераторов к нанопьезотронике». Advanced Functional Materials . 18 (22): 3553–3567. doi :10.1002/adfm.200800541. S2CID  43937604.
  6. ^ Bennewitz, R.; Crain, JN; Kirakosian, A.; Lin, JL; McChesney, JL; Petrovykh, DY; Himpsel, FJ (2002). "Память атомного масштаба на поверхности кремния". Nanotechnology . 13 (4): 499–502. arXiv : cond-mat/0204251 . Bibcode :2002Nanot..13..499B. doi :10.1088/0957-4484/13/4/312. S2CID  15150349.
  7. ^ Берк, Питер Дж.; Ли, Шэндун; Ю, Чжэнь (2006). «Количественная теория характеристик антенн на основе нанопроволок и нанотрубок». Труды IEEE по нанотехнологиям . 5 (4): 314–334. arXiv : cond-mat/0408418 . Bibcode : 2006ITNan...5..314B. doi : 10.1109/TNANO.2006.877430. S2CID  2764025.
  8. ^ Берк, Питер Дж.; Ратерглен, Крис; Ю, Чжэнь (2006). "Антенны из углеродных нанотрубок" (PDF) . В Лахтакиа, Ахлеш; Максименко, Сергей А (ред.). Наномоделирование II . Том 6328. стр. 632806. doi :10.1117/12.678970. S2CID  59322398. Архивировано (PDF) из оригинала 10 июня 2021 г. . Получено 10 июня 2021 г. .
  9. ^ Атакан, Б.; Акан, О. (июнь 2010 г.). «Наномасштабные сети ad hoc на основе углеродных нанотрубок». Журнал IEEE Communications . 48 (6): 129–135. doi :10.1109/MCOM.2010.5473874. S2CID  20768350.
  10. ^ Jornet, JM; Akyildiz, Ian F. (апрель 2010 г.). «Наноантенны на основе графена для электромагнитной нанокоммуникации в терагерцовом диапазоне». Proc. Of EUCAP 2010, Четвертая европейская конференция по антеннам и распространению радиоволн, Барселона, Испания : 1–5. ISSN  2164-3342. Архивировано из оригинала 19 января 2018 г. . Получено 10 июня 2021 г. .
  11. ^ T. Nakano; A. Eckford; T. Haraguchi (2013). Молекулярная коммуникация . Cambridge University Press. ISBN 978-1107023086.
  12. ^ Мур, М.; Эномото, А.; Накано, Т.; Эгашира, Р.; Суда, Т.; Каясуга, А.; Кодзима, Х.; Сакакибара, Х.; Оива, К. (март 2006 г.). «Проект молекулярной системы связи для наномашин с использованием молекулярных двигателей». Труды Четвертой ежегодной конференции IEEE по всепроникающим вычислениям и коммуникациям и семинары .
  13. ^ Грегори, М.; Акйылдиз, Ян Ф. (май 2010 г.). «Новая архитектура наносети с использованием жгутиковых бактерий и каталитических наномоторов». Журнал IEEE по избранным областям в коммуникациях . 28 (4): 612–619. doi :10.1109/JSAC.2010.100510. S2CID  15166214.
  14. ^ Parcerisa, L.; Akyildiz, Ian F. (ноябрь 2009 г.). «Варианты молекулярной связи для наносетей дальнего действия». Computer Networks . 53 (16): 2753–2766. doi :10.1016/j.comnet.2009.08.001. hdl : 2099.1/8361 .
  15. ^ Barros, MT (2017). «Ca2+-signaling-based molecular communication systems: design and future research directions». Nano Communication Networks . 11 : 103–113. doi :10.1016/j.nancom.2017.02.001. Архивировано из оригинала 23 апреля 2024 г. Получено 16 августа 2017 г.
  16. ^ "Проблема молекулярной коммуникации". Обзор технологий (блог Physics ArXiv) . 28 июня 2010 г. Архивировано из оригинала 20 января 2021 г. Получено 10 июня 2021 г.
  17. ^ Берг, ХК (1993). Случайные блуждания в биологии . Princeton University Press. ISBN 9780691000640.
  18. ^ Mahfuz, MU; Makrakis, D.; Mouftah, H. (20–23 января 2010 г.). «Характеризация молекулярного канала связи для наномасштабных сетей» (PDF) . Proc. 3rd International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing (BIOSIGNALS-2010) . Валенсия, Испания: 327–332. Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2015 г. . Получено 10 июня 2021 г. .
  19. ^ Mahfuz, MU; Makrakis, D.; Mouftah, HT (2010). «О характеристике бинарной концентрационной-кодируемой молекулярной коммуникации в наносетях». Nano Communication Networks . 1 (4): 289–300. doi :10.1016/j.nancom.2011.01.001. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Получено 6 мая 2012 г.
  20. ^ Mahfuz, MU; Makrakis, D.; Mouftah, HT (26–29 января 2011 г.). «Об обнаружении двоичной концентрационной одноадресной молекулярной коммуникации в наносетях» (PDF) . Proc. 4th International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing (BIOSIGNALS-2011) . Рим, Италия: 446–449. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2021 г. . Получено 10 июня 2021 г. .
  21. ^ Mahfuz, MU; Makrakis, D.; Mouftah, HT (8–11 мая 2011 г.). «Характеризация межсимвольной интерференции в одноадресной молекулярной коммуникации с концентрационным кодированием». 2011 24-я Канадская конференция по электротехнике и вычислительной технике (CCECE) . Ниагарский водопад, Онтарио. стр. 000164–000168. doi :10.1109/CCECE.2011.6030431. ISBN 978-1-4244-9788-1. S2CID  18387617.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  22. ^ Махфуз, MU; Макракис, D.; Муфтах, HT (8–11 мая 2011 г.). «О характеристиках концентрационно-кодированной многоуровневой амплитудно-модулированной одноадресной молекулярной коммуникации». 2011 24-я Канадская конференция по электротехнике и вычислительной технике (CCECE) . Ниагарский водопад, Онтарио. стр. 000312–000316. doi :10.1109/CCECE.2011.6030462. ISBN 978-1-4244-9788-1. S2CID  1646397.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  23. ^ Mahfuz, MU; Makrakis, D.; Mouftah, HT (15–18 августа 2011 г.). «Комплексное исследование одноадресной молекулярной связи с кодированием концентрации с передачей бинарных импульсов». 2011 11-я Международная конференция IEEE по нанотехнологиям . Портленд, Орегон, США. стр. 227–232. doi :10.1109/NANO.2011.6144554. ISBN 978-1-4577-1516-7. S2CID  23577179.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  24. ^ Махфуз, MU; Макракис, D.; Муфтах, HT (26–29 октября 2011 г.). «Транзиентная характеристика концентрационно-кодируемой молекулярной коммуникации с помощью синусоидальной стимуляции». Труды 4-го Международного симпозиума по прикладным наукам в области биомедицинских и коммуникационных технологий . Барселона, Испания. стр. 1–6. doi :10.1145/2093698.2093712. ISBN 9781450309134. S2CID  3490172.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  25. ^ Акилдиз, Ян Ф.; Брунетти, Ф.; Бласкес, К. (июнь 2008 г.). «Наносети: новая коммуникационная парадигма». Компьютерные сети . 52 (12): 2260–2279. дои : 10.1016/j.comnet.2008.04.001.
  26. ^ Akyildiz, Ian F.; Jornet, JM (июнь 2010 г.). «Электромагнитные беспроводные наносенсорные сети». Nano Communication Networks . 1 (1): 3–19. doi :10.1016/j.nancom.2010.04.001.
  27. ^ Akyildiz, Ian F.; Jornet, JM (декабрь 2010 г.). «Интернет нановещей». IEEE Wireless Communications . 17 (6): 58–63. doi :10.1109/MWC.2010.5675779. S2CID  6919416.


Внешние ссылки