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体域纳米网络关键技术研究

黎作鹏  
【摘要】:纳米网络是一种基于生物启发机制的分布式无线网络,节点之间能够通过分子通信技术实现信息交换。分子通信纳米网络能够被广泛应用于生物医疗、军事、环境和制造业等领域。由于纳米网络在节点性能、通信技术和网络特性等方面与传统无线网络之间存在本质区别,因此在研究的早期阶段,以面向应用范畴的方式开展研究将有助于探索如何构建完善的网络体系结构,例如网络拓扑、协议栈和不同信号系统之间的互联方式等。此外,由于受生物细胞之间物质交换的启发而被广泛研究的分子通信技术目前仍主要适用于在生物体内开展网络通信任务,因此具备高生物兼容性的分子通信纳米网络被称为“天然的体域网”,它能够在分子级或细胞级为各种医疗问题提供解决方案。基于网络平台构建、通信特征和应用技术开发的需要,本文以生物医疗应用范畴内的纳米网络技术创新为目标,开展体域纳米网络关键技术研究,具体研究内容包括:(1)体域纳米网络的体系结构研究。首先提出体域纳米网络的拓扑结构。该拓扑结构以多跳通信为特征,通过结合短距与中距分子通信技术来构建大规模的体域纳米网络。其次以满足大规模网络特性和复杂的人体内应用环境为目标,进一步提出由网络管理机制、通信协议和应用技术三个部分组成体域纳米网络的协议栈架构。最后以实现基于化学信号的纳米网络与电磁信号网络之间的系统互联,进而支持纳米网络的运行与管理为目标,提出体域纳米网络中的电化学信号转换技术。(2)体域纳米网络的拓扑控制机制研究。首先以构建网络拓扑结构和设计高层网络协议为目标提出基于中距分子通信的纳米网络系统模型。该模型以网络层的观点系统与抽象地描述节点之间的通信体系结构。进而在系统模型的基础上,以建立优化的数据传输链路、支持网络协议与网络应用为目标,分别提出体域纳米网络的基于最短路径的拓扑控制算法、基于最优路径的拓扑控制算法和基于优化路径的拓扑控制算法。不同的拓扑控制算法能够分别根据路径长度、链路质量以及二者均衡的需求来建立优化的网络数据传输链路。(3)体域纳米网络的路由协议研究。首先提出基于短距分子通信的纳米网络的浓度感知路由协议。该协议以分子扩散过程中的浓度梯度为依据,建立数据源与汇聚节点之间的多跳数据转发路径。其次提出了结合“群体感应”机制的浓度感知路由协议。该协议由于能够调用网络中的纳米机器协同汇聚节点执行路由任务,因而适用于大规模的纳米网络。最后,结合纳米机器的“多通信接口架构”提出浓度感知竞争路由协议。该协议以优化数据链路质量为目标,通过避免信号冲突来提高数据成功传输的概率。(4)体域纳米网络的生理异常检测系统技术研究。基于生物学领域的纳米异常检测模型,结合体域纳米网络的技术特性,设计体域纳米网络的生理异常检测系统。该系统首先基于特定的异常检测特征,通过纳米执行器和纳米传感器的协同工作检测生理环境中“异常细胞”的出现。其次,在向汇聚节点转发异常检测结果的过程中,该系统基于检测结果的区域特征对检测结果进行数据融合,以有效地降低通信量。最后,汇聚节点在汇聚生理异常检测结果后,基于特定的决策规则作出决策与响应。


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