分子通信中信道切换与融合技术研究

发布时间：2021-07-23 12:36

　　近年来,随着纳米科技（Nano-technology）和合成生物学（Synthetic Biology,SB）的快速发展,使基于生物启发式的纳米机以及纳米网络的实现成为可能。由纳米机组成的通信系统,在多个领域有着潜在的应用价值,如医疗、军事、环保、工业等。然而,将传统的电磁通信技术应用于纳米网络,会受能耗、干扰和纳米机工艺因素影响,不能达到理想的性能指标。此时,以生物化学分子为信息载体的分子通信（Molecular Communication,MC）技术,为纳米机间的通信提供了解决方案。分子通信中的信道切换（Channel Swiching,CS）技术是实现细胞网络信息传输与路由交换的重要支撑技术,信道融合（Channel Aggregation,CA）技术可实现细胞网络中信息再生与中继,它们都是目前的研究热点问题。在这种背景下,本文针对信道切换和融合两个方面的相关问题作出了研究。通俗地说,信道切换技术就是信道选择分开的通路,信道融合技术就是信道合并通路。本文以钙离子信号为基础,提出了信道分路的切换机制与信道合路的融合机制。主要是通过外界信号调控细胞间间隙连接（Gap Junction... 

【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】：68 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

人体内互联的纳米网络图1-1中展示了分子通信技术未来发展的构想，不单单是纳米机之间的互联，

第二章分子通信中信道切换与融合概述第二章分子通信中信道切换与融合概述本章主要介绍分子通信的基本通信过程，并将分子通信技术与传统电磁通信技术做对比。介绍了分子通信的概念、分子通信的特性以及分子通信中的硬件基础，并对后续信道切换和融合中所需求的钙离子信号、间隙连接通道的生理基础给出了简介。2.1分子通信概述2.1.1分子通信的定义分子通信是具有天然生物依赖和兼容性，以生物化学分子为信息载体，以天然生物体介质为信道的新兴通信技术。图2-1展示了分子通信的一个场景示例图。与以电磁波为载体的电信通信相比，分子通信也包括：解码、编码、传输、接收、发送等五个基本步骤。它们的详细介绍如下图2-1分子通信场景示例图1.编码：编码的过程就是把想要传输的信息调制编入信息分子载体中。在分子通信中，一般信息分子的浓度、种类、发送时间、序列信息(例如DNA、RNA)等表示消息被编码后的通信幅度、频率和相位。具体的编码调制方式应该根据实际的生物环境，选择适用于当前应用的场景。2.发送：发送指是将编码调制后的信息释放到信道介质中的过程。为了检错和纠错，发射机处一般要求能够储存备份已编码后的信息。对于对时序要求特11

第二章分子通信中信道切换与融合概述(a)(b)图2-2人工纳米机器和生物纳米机器的功能架构对比执行控制单元的指令，改变纳米机的状态。编号5是通信单元，主要构成组件是收发器，负责纳米机之间的通信。编号6是能量单元，主要负责维持纳米机系统正常运行的能量供给。图2-2(b)中a、b两幅图架构对应对比。细胞核中主要是控制和存储，对核中的DNA序列可以实现计算控制和存储的功能。能量单元主要是指细胞内的线粒体、叶绿体等。传感和通信单元主要指细胞膜上的某些功能组件，如感应蛋白、配合基受体等，通过它们细胞可以与内环境通信。行动单元可以改变细胞的转态，如细菌的鞭毛，植物细胞的叶绿体等。自然界中天生的生物纳米机还有有很多，如：细胞、人造细胞、吞噬体、DNA机器、细菌等。另一个比较重要的组件是分子通信中的信道。分子通信中的信道多种多样，常见的信道有：1.自由扩散信道。自由扩散信道是基于微小粒子的布朗运动，它无需外界额外的动力能量支持。由于仅仅靠粒子间的物理规律传输，故具有传输简单、高效的优点，但是这用方式下的传输距离较短。发射机可以选择特定类型的信息分子作为发射信息的载体，在接收机处就能够根据不同种类的信息分子选择性接收解码[18]。只有扩散信道的编码方式一般采用浓度和频率编码，但是编码的信息容易受到外界环境的影响。利用分子马达封装源信号分子能解决外界环境干扰的问题，因此有人根据生理学规律提出了使用囊泡包装扩散信道中信息分子的方法。该方法接收机与信息分子间间接接触，需要有一个解封的步骤，进而再接收解码信息分子[19,20]。2.分子马达信道。分子马达信道的特点是将原信号分子封装后再传输，分子马达可以防止原编码信息受外界环境的干扰，还可以为信号分子的传输提供能13

【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)



本文编号：3299301