分子通信中的定向通信机制研究
发布时间：2020-12-18 18:00
分子通信(Molecular Communication,MC),是一种利用生物或化学信号在微观通信实体之间进行信息交换的技术。分子通信的信号载体通常是纳米尺度下的生物、化学分子或是人造纳米机器,多个微观通信实体之间使用上述信号载体的通信方式可以实现纳米网络。纳米网络有巨大的潜在应用价值,生物医学领域中的一些应用,例如药物定向投递,就可以通过纳米网络来实现,这对纳米网络中的纳米机器提出了能够定向通信的要求。由于分子通信系统中的信道常常是扩散和漂移信道,并且信息载体通常具有随机移动的特性,这一要求往往难以满足。定向通信机制是诸多生物医学领域应用的关键技术之一,本文针对分子通信中的不同的定向通信机制进行了研究,取得了一定的研究成果,同时也针对宏观尺度下的物理仿真平台进行了完善。本文的主要研究内容和贡献如下:1.在前人工作基础上研究了基于趋化效应的多跳中继策略,分析此策略的优点和不足之处。此策略使用中继节点扩大目标的影响范围,在更短的时间内使更多的纳米机能够检测到目标,解决了目标检测应用中检测速度慢、检测率低的问题。通过仿真实验,验证了它的有效性并分析了它的不足之处。2.提出了基于纳米机通信...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1分子通信系统模型
，以及一些细菌、微生物基于趋化效应的的运动机制。趋化效应在分子通信中被广泛研究和应用，也是实现分子定向通信的手段之一。趋化效应（Chemotaxis）是生物对外界环境中的化学物质刺激所产生的趋向性反应。指体细胞、细菌及其他单细胞、多细胞生物依据环境中某些化学物质而趋向的运动，趋化效应对于细菌和微生物寻找能量源(如葡萄糖)分重要，细菌倾向于向利于自身生存的环境移动，或远离有害自身的地方。趋化性对多细胞生物和其他正常功能一样不可或缺。正趋化性指趋向较高化学物质浓度的运动，而负趋化性则相反[50]，如图2-1。图2-1趋化效应趋化性是最基本的细胞生理反应之一。环境中对有害及有益物质做探测的感受系统在生命演化初期，对单细胞生物来说已经是不可或缺的了。对真核原生动物梨形四膜虫和原始海中出现的氨基酸序列做比较分析，会让人觉得在相对简单的有机分子上的趋化效应和地球上的生命演化发展之间有不错的关连性。比如，最早期的分子被认为是具高度的趋化性的氨基酸，而较后期的则被认为是有高度排化性的氨基酸[5]。趋化性质不仅仅存在于细胞层面的微观环境，宏观环境中的昆虫对一定的化学物质也能产生反应，在觅食、求偶等方面表现明显。农业生产中也会利用趋化性防治、测报害虫，如利用糖醋毒液诱杀粘虫等。利用性引诱剂诱杀异性害虫，也是利用趋化性的在环境领域的应用之一。下面介绍不同微生物的趋化原理。体积小的原核生物，如细菌，它趋化机制是通过将现在所感受到的化学物质浓度和一段时间之前的化学物质浓度坐对比来实现的，它无法感受自身的不同方向的化学浓度差异，通过时间先后顺序上的浓度对比，来选择继续前进或是改变前进方向。而大一点的真核细胞能够感知自身13
电子科技大学硕士学位论文不同方向上的化学物质浓度差异，这是因为这些细胞的表面在不同的位置嵌入了很多受体，受体可以感知一些化学物质的浓度。因此它就能够利用不同受体感知到的浓度差异来实现趋化机制。从而引导真核细胞向引诱剂迁移，或远离有害物质。简而言之，真核细胞的细胞膜表面的受体可以感受到各向异性。细菌的趋化机制与真核细胞的的趋化机制大不相同[51]，以大肠杆菌为例子。大肠杆菌的表面通常4到10个鞭毛，如图2-2所示，它们通过快速旋转鞭毛来实现运动的能力。这些鞭毛是大肠杆菌运动的关键，当鞭毛顺时针旋转时，这些鞭毛在大肠杆菌的“身体”周围分散开，每一跟鞭毛的方向都是随机的，在鞭毛的作用下大肠杆菌的运动方向也能不断发生随机变化，造成就结果就是随机改变运动方向。而当大肠杆菌的鞭毛逆时针旋转后，它们便可以拧成一束，此时这一束像螺旋桨一样不断得旋转，使得大肠杆菌朝着一个方向不停运动。环境中是否存在着引诱物质将影响大肠杆菌鞭毛的旋转方向，没有引诱物质时大肠杆菌在环境中随机游走，存在引诱物质时，大肠杆菌根据生物的记忆机制，不断超引诱物质浓度高的方向运动，若环境中存在这有害物质，大肠杆菌则快速逃离有害环境[52]。细菌在没有化学引诱物质的环境中进行随机游走，方向的选择是随机的，在有引诱物质的环境中，虽然在进行一段行走后会重新选择前进方向，但是这种选择和前一时刻的前进方向相关，具体的表现就是一种“具有偏向性”的随机游走，因此对于微生物在化学引诱物质环境下的运动模型可以利用具有偏向性的随机游走来进行建模。图2-2大肠杆菌当大肠杆菌受到刺激时，它的甲基趋化受体蛋白(Methyl-acceptingChemotaxisProtein,MCP)来接收信号，一系列的生物化学反应完成后，达到控制鞭毛顺
【参考文献】：
期刊论文
[1]分子通信研究综述[J]. 黎作鹏,张菁,蔡绍滨,王勇,倪军. 通信学报. 2013(05)
[2]细菌趋化性研究进展[J]. 李燕,牟伯中. 应用与环境生物学报. 2006(01)
[3]纳米科学技术──面向21世纪的新科技[J]. 李民乾. 物理. 1992(02)
硕士论文
[1]基于扩散的分子通信中可靠接收技术研究[D]. 翟浩洋.电子科技大学 2019
[2]纳米网络中基于趋化效应的分子定向通信控制技术研究[D]. 杨鲤婷.电子科技大学 2019
本文编号：2924365
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1分子通信系统模型
，以及一些细菌、微生物基于趋化效应的的运动机制。趋化效应在分子通信中被广泛研究和应用，也是实现分子定向通信的手段之一。趋化效应（Chemotaxis）是生物对外界环境中的化学物质刺激所产生的趋向性反应。指体细胞、细菌及其他单细胞、多细胞生物依据环境中某些化学物质而趋向的运动，趋化效应对于细菌和微生物寻找能量源(如葡萄糖)分重要，细菌倾向于向利于自身生存的环境移动，或远离有害自身的地方。趋化性对多细胞生物和其他正常功能一样不可或缺。正趋化性指趋向较高化学物质浓度的运动，而负趋化性则相反[50]，如图2-1。图2-1趋化效应趋化性是最基本的细胞生理反应之一。环境中对有害及有益物质做探测的感受系统在生命演化初期，对单细胞生物来说已经是不可或缺的了。对真核原生动物梨形四膜虫和原始海中出现的氨基酸序列做比较分析，会让人觉得在相对简单的有机分子上的趋化效应和地球上的生命演化发展之间有不错的关连性。比如，最早期的分子被认为是具高度的趋化性的氨基酸，而较后期的则被认为是有高度排化性的氨基酸[5]。趋化性质不仅仅存在于细胞层面的微观环境，宏观环境中的昆虫对一定的化学物质也能产生反应，在觅食、求偶等方面表现明显。农业生产中也会利用趋化性防治、测报害虫，如利用糖醋毒液诱杀粘虫等。利用性引诱剂诱杀异性害虫，也是利用趋化性的在环境领域的应用之一。下面介绍不同微生物的趋化原理。体积小的原核生物，如细菌，它趋化机制是通过将现在所感受到的化学物质浓度和一段时间之前的化学物质浓度坐对比来实现的，它无法感受自身的不同方向的化学浓度差异，通过时间先后顺序上的浓度对比，来选择继续前进或是改变前进方向。而大一点的真核细胞能够感知自身13
电子科技大学硕士学位论文不同方向上的化学物质浓度差异，这是因为这些细胞的表面在不同的位置嵌入了很多受体，受体可以感知一些化学物质的浓度。因此它就能够利用不同受体感知到的浓度差异来实现趋化机制。从而引导真核细胞向引诱剂迁移，或远离有害物质。简而言之，真核细胞的细胞膜表面的受体可以感受到各向异性。细菌的趋化机制与真核细胞的的趋化机制大不相同[51]，以大肠杆菌为例子。大肠杆菌的表面通常4到10个鞭毛，如图2-2所示，它们通过快速旋转鞭毛来实现运动的能力。这些鞭毛是大肠杆菌运动的关键，当鞭毛顺时针旋转时，这些鞭毛在大肠杆菌的“身体”周围分散开，每一跟鞭毛的方向都是随机的，在鞭毛的作用下大肠杆菌的运动方向也能不断发生随机变化，造成就结果就是随机改变运动方向。而当大肠杆菌的鞭毛逆时针旋转后，它们便可以拧成一束，此时这一束像螺旋桨一样不断得旋转，使得大肠杆菌朝着一个方向不停运动。环境中是否存在着引诱物质将影响大肠杆菌鞭毛的旋转方向，没有引诱物质时大肠杆菌在环境中随机游走，存在引诱物质时，大肠杆菌根据生物的记忆机制，不断超引诱物质浓度高的方向运动，若环境中存在这有害物质，大肠杆菌则快速逃离有害环境[52]。细菌在没有化学引诱物质的环境中进行随机游走，方向的选择是随机的，在有引诱物质的环境中，虽然在进行一段行走后会重新选择前进方向，但是这种选择和前一时刻的前进方向相关，具体的表现就是一种“具有偏向性”的随机游走，因此对于微生物在化学引诱物质环境下的运动模型可以利用具有偏向性的随机游走来进行建模。图2-2大肠杆菌当大肠杆菌受到刺激时，它的甲基趋化受体蛋白(Methyl-acceptingChemotaxisProtein,MCP)来接收信号，一系列的生物化学反应完成后，达到控制鞭毛顺
【参考文献】：
期刊论文
[1]分子通信研究综述[J]. 黎作鹏,张菁,蔡绍滨,王勇,倪军. 通信学报. 2013(05)
[2]细菌趋化性研究进展[J]. 李燕,牟伯中. 应用与环境生物学报. 2006(01)
[3]纳米科学技术──面向21世纪的新科技[J]. 李民乾. 物理. 1992(02)
硕士论文
[1]基于扩散的分子通信中可靠接收技术研究[D]. 翟浩洋.电子科技大学 2019
[2]纳米网络中基于趋化效应的分子定向通信控制技术研究[D]. 杨鲤婷.电子科技大学 2019
本文编号：2924365
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