电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究
发布时间：2021-12-29 00:51
电磁纳米网络由大量的尺寸在几百纳米到几十微米的纳米节点组成,通过太赫兹（Terahertz,THz）频段（0.1-10 THz）进行节点间的通信,具有传统宏观无线传感器网络所不具备的潜能,在军事、环境和生物等领域具有非常重要的应用前景。然而,由于纳米节点的物理约束以及所采用太赫兹频段的特性,导致现有的无线网络技术无法适用于电磁纳米网络中。针对纳米网络中能量捕获和资源短缺的节点硬件特性、高节点密度的网络特性、以及高路径衰减的太赫兹信道特性,研究电磁纳米网络的通信模型和跨层通信传输协议。提出的通信模型和方法既可以完善纳米网络的底层理论研究,又注重上层协议设计,将为纳米网络的实际应用奠定基础,具有重要的理论意义和应用价值。基于现有的纳米网络中太赫兹信道衰减模型的基础之上,1)构建高节点密度下太赫兹频段多径干扰和覆盖模型;2)面向集中式和分布式网络拓扑结构,基于时间扩散的开关键控调制（Time Spread On-Off Keys,TS-OOK）方式,研究基于时序接收驱动的纳米网络媒体访问控制（Medium Access Control,MAC）层通信方法;3)结合人工智能算法,研究可以通过节...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纳米医疗监测系统
电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究7图1-2总体研究技术框架Figure1-2.Theresearchframework具体的研究内容如下：（1）纳米网络中的干扰和覆盖模型研究干扰和覆盖性能的分析对分析纳米网络的性能和纳米节点间连接质量至关重要。一方面，由于太赫兹频段的高衰减和分子吸收的特性，使得相应的衰减模型与传统的低频段通信有很大的区别。另外，采用全向天线的纳米节点的传输范围十分有限，所以需要在纳米控制器处使用波束成形的天线以保证纳米节点产生的数据能够准确被接收。另一方面，由于太赫兹频段信号的波长很短，使得在低频频段被视为光滑的表面在太赫兹下显得更加粗糙，导致太赫兹的多径干扰效应无法被忽视，即非视距（Non-LineofSight，NLoS）的干扰需要被考虑。并且，太赫兹的高衰减和低衍射效应，使得太赫兹信号无法穿过障碍物，这使得相应的模型更加复杂。特别的是，现实中对网络的应用场景往往都是3D的。因此，在进行纳米网络的干扰和覆盖范围分析时应结合以上特点，为纳米网络中节点和纳米控制器的布置以及通信协议设计提供有力的理论依据。主要的研究内容包括：1.研究3D纳米网络模型和波束成形天线模型，提出纳米网络中的阻挡模型；2.针对太赫兹频段的特性，采用随机几何方法，研究多径干扰模型，对来自纳米控制器的NLoS干扰和来自纳米节点的可视（LineofSight，LoS）干扰和NLoS干扰进行建模；3.在纳米网络中太赫兹频段的干扰模型基础上，对采用波束成形技术的纳米控制器的覆盖范围进行建模；4.仿真实验与分析，研究不同参数下的网络覆盖性能。（2）纳米网络中媒体访问控制协议研究由于纳米节点尺寸的局限性，导致其运算能力和电池容量都十分有限。传统的网络中一般通过载波监听和握手的方式进行数据通信，节点通
电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究13图2-1纳米节点硬件结构Figure2-1.Thehardwarestructureofnano-node等。当传感单元感知到到某个事件时，他们会根据电流和电阻的变化将数据发送给处理单元，其精度和分辨率高于现有的传感器。（2）处理单元：用于传感器收集到的信息的初步处理，运行相关通信协议，保证纳米节点正常工作。虽然传统的硅晶体管解决方案是用于制造和商业化所有类型的电子器件的成熟技术，但由于晶体管尺寸和能耗的关系，导致其无法适用于纳米节点中。目前，硅锗（SiGe）技术、CNT和原子技术等都是纳米处理器的主要研究方向[82,83]。其中使用CNT场效应晶体管技术，通过减小晶体管尺寸并提高其能量效率成为制作纳米处理器中非常有前景的技术之一，其能耗比硅基晶体管低一个数量级[84]。（3）存储单元：用于存储采集到的数据和收到的别的纳米节点的数据，存储纳米节点实现相关通信协议的代码等。纳米材料和新的制造工艺使得单原子纳米存储器成为可能，其中存储1个比特信息只需要一个原子[2]。例如，在磁力存储器中，原子可以通过磁力作用附着在存储器表面上。目前，相关的技术仍然在研究中，但是很好地为纳米存储单元打下了基矗纳米存储器中可存储的信息总量取决于纳米器件的最大尺寸。（4）能量单元：用于为纳米节点提供电力，除此之外还需要其能够从环境中捕获能量进行补充。目前，最有效的技术是基于氧化锌的纳米压电发电机[85,86]，该系统可以从环境中将震动、压力和其他形式的机械能转换为电能。（5）通信单元：用于纳米节点之间的通信。CNT和GNR被提出用于新型纳米天线的开发[13,14,25]，其可以在纳米级长度辐射太赫兹频段（0.1-10THz）的电磁波，该频率与石墨烯基射频晶体管的工作频率相符。此外，将不
【参考文献】：
期刊论文
[1]太赫兹波通信技术研究进展[J]. 杨鸿儒,李宏光. 应用光学. 2018(01)
[2]太赫兹波段石墨烯频率可调贴片天线[J]. 原媛,谢亚楠,李鑫. 光学学报. 2018(02)
[3]基于石墨烯的太赫兹器件研究进展[J]. 冯伟,张戎,曹俊诚. 物理学报. 2015(22)
[4]无线纳米传感器网络最小化能耗编码方法[J]. 黄龙军,王万良,姚信威. 电子学报. 2015(11)
[5]无线纳米传感器网络高吞吐量无冲突接入控制[J]. 池凯凯,林一民,李燕君. 计算机科学. 2015(S2)
[6]无线纳米传感器网络低冲突低复杂度接入控制方法[J]. 池凯凯,祝维豪,林一民,程珍. 小型微型计算机系统. 2015(11)
[7]太赫兹通信研究进展[J]. 杨文文,刘文朋. 北京联合大学学报(自然科学版). 2015(04)
[8]基于石墨烯的太赫兹光电功能器件研究进展[J]. 苏娟,成彬彬,邓贤进. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(03)
[9]无线纳米传感器网络高节能编码方案[J]. 池凯凯,孙立,程珍,李燕君. 电子测量与仪器学报. 2015(06)
[10]连线[J]. 能源. 2014(08)
博士论文
[1]无线纳米传感网节能编码研究[D]. 黄龙军.浙江工业大学 2016
硕士论文
[1]无线纳米网中太赫兹通信建模[D]. 吴腾超.浙江工业大学 2015
本文编号：3555065
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纳米医疗监测系统
电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究7图1-2总体研究技术框架Figure1-2.Theresearchframework具体的研究内容如下：（1）纳米网络中的干扰和覆盖模型研究干扰和覆盖性能的分析对分析纳米网络的性能和纳米节点间连接质量至关重要。一方面，由于太赫兹频段的高衰减和分子吸收的特性，使得相应的衰减模型与传统的低频段通信有很大的区别。另外，采用全向天线的纳米节点的传输范围十分有限，所以需要在纳米控制器处使用波束成形的天线以保证纳米节点产生的数据能够准确被接收。另一方面，由于太赫兹频段信号的波长很短，使得在低频频段被视为光滑的表面在太赫兹下显得更加粗糙，导致太赫兹的多径干扰效应无法被忽视，即非视距（Non-LineofSight，NLoS）的干扰需要被考虑。并且，太赫兹的高衰减和低衍射效应，使得太赫兹信号无法穿过障碍物，这使得相应的模型更加复杂。特别的是，现实中对网络的应用场景往往都是3D的。因此，在进行纳米网络的干扰和覆盖范围分析时应结合以上特点，为纳米网络中节点和纳米控制器的布置以及通信协议设计提供有力的理论依据。主要的研究内容包括：1.研究3D纳米网络模型和波束成形天线模型，提出纳米网络中的阻挡模型；2.针对太赫兹频段的特性，采用随机几何方法，研究多径干扰模型，对来自纳米控制器的NLoS干扰和来自纳米节点的可视（LineofSight，LoS）干扰和NLoS干扰进行建模；3.在纳米网络中太赫兹频段的干扰模型基础上，对采用波束成形技术的纳米控制器的覆盖范围进行建模；4.仿真实验与分析，研究不同参数下的网络覆盖性能。（2）纳米网络中媒体访问控制协议研究由于纳米节点尺寸的局限性，导致其运算能力和电池容量都十分有限。传统的网络中一般通过载波监听和握手的方式进行数据通信，节点通
电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究13图2-1纳米节点硬件结构Figure2-1.Thehardwarestructureofnano-node等。当传感单元感知到到某个事件时，他们会根据电流和电阻的变化将数据发送给处理单元，其精度和分辨率高于现有的传感器。（2）处理单元：用于传感器收集到的信息的初步处理，运行相关通信协议，保证纳米节点正常工作。虽然传统的硅晶体管解决方案是用于制造和商业化所有类型的电子器件的成熟技术，但由于晶体管尺寸和能耗的关系，导致其无法适用于纳米节点中。目前，硅锗（SiGe）技术、CNT和原子技术等都是纳米处理器的主要研究方向[82,83]。其中使用CNT场效应晶体管技术，通过减小晶体管尺寸并提高其能量效率成为制作纳米处理器中非常有前景的技术之一，其能耗比硅基晶体管低一个数量级[84]。（3）存储单元：用于存储采集到的数据和收到的别的纳米节点的数据，存储纳米节点实现相关通信协议的代码等。纳米材料和新的制造工艺使得单原子纳米存储器成为可能，其中存储1个比特信息只需要一个原子[2]。例如，在磁力存储器中，原子可以通过磁力作用附着在存储器表面上。目前，相关的技术仍然在研究中，但是很好地为纳米存储单元打下了基矗纳米存储器中可存储的信息总量取决于纳米器件的最大尺寸。（4）能量单元：用于为纳米节点提供电力，除此之外还需要其能够从环境中捕获能量进行补充。目前，最有效的技术是基于氧化锌的纳米压电发电机[85,86]，该系统可以从环境中将震动、压力和其他形式的机械能转换为电能。（5）通信单元：用于纳米节点之间的通信。CNT和GNR被提出用于新型纳米天线的开发[13,14,25]，其可以在纳米级长度辐射太赫兹频段（0.1-10THz）的电磁波，该频率与石墨烯基射频晶体管的工作频率相符。此外，将不
【参考文献】：
期刊论文
[1]太赫兹波通信技术研究进展[J]. 杨鸿儒,李宏光. 应用光学. 2018(01)
[2]太赫兹波段石墨烯频率可调贴片天线[J]. 原媛,谢亚楠,李鑫. 光学学报. 2018(02)
[3]基于石墨烯的太赫兹器件研究进展[J]. 冯伟,张戎,曹俊诚. 物理学报. 2015(22)
[4]无线纳米传感器网络最小化能耗编码方法[J]. 黄龙军,王万良,姚信威. 电子学报. 2015(11)
[5]无线纳米传感器网络高吞吐量无冲突接入控制[J]. 池凯凯,林一民,李燕君. 计算机科学. 2015(S2)
[6]无线纳米传感器网络低冲突低复杂度接入控制方法[J]. 池凯凯,祝维豪,林一民,程珍. 小型微型计算机系统. 2015(11)
[7]太赫兹通信研究进展[J]. 杨文文,刘文朋. 北京联合大学学报(自然科学版). 2015(04)
[8]基于石墨烯的太赫兹光电功能器件研究进展[J]. 苏娟,成彬彬,邓贤进. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(03)
[9]无线纳米传感器网络高节能编码方案[J]. 池凯凯,孙立,程珍,李燕君. 电子测量与仪器学报. 2015(06)
[10]连线[J]. 能源. 2014(08)
博士论文
[1]无线纳米传感网节能编码研究[D]. 黄龙军.浙江工业大学 2016
硕士论文
[1]无线纳米网中太赫兹通信建模[D]. 吴腾超.浙江工业大学 2015
本文编号：3555065
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3555065.html
