信息爆炸时代的纳米技术-分子通信

引言：

近年来，在5G网络研究与应用日益熟练与成熟的背景下，研究者们已经开始对未来6G网络的发展展开了展望与探讨。在华为发布的《6G：无线通信新纪元》白皮书中指出，未来6G通信将真正开启"万物智联"的新时代，并超越人联、物联的界限迈向万物智联的新境界。同时，在IMT-2030(6G)推进组发布的《 sixth-generation wireless communication technology blueprint and key enabling technologies》白皮书中强调了绿色节能通信的技术要求。其中值得注意的是，在微波领域中，“纳米物联网络”成为这一技术方向的重要突破点，并逐渐成为6G技术发展的一个重点领域。特别是针对医疗领域的需求，“纳米物联网络”的应用前景更为广阔（例如体内靶向药物输送及病理信息实时传输）。然而，在人体内等微观场景下如何实现信息的有效传输，则仍是发展这一技术体系亟需解决的关键问题。

1、传统通信网络的局限性

有人会质疑，在人体内开展通信活动时采用传统电磁波技术已经是高度成熟的方案，并可被广泛应用于实际场景中无需开发新型的通信手段。回答是否定的。原因在于传统的电磁波在人体内部存在一系列局限性：其一是在穿透组织时存在较大的能量损耗；其二是信号在传输过程中容易遭受严重的衰减；其三是对生物组织的相容性不够理想等多重限制因素

已知电磁波在液体介质中的传播会产生显著衰减，在海洋通信领域中使用声通信作为主要手段是一个典型的应用实例。
例如声纳系统就是其中一种典型的技术应用。

（2）长期以来人们对于无线通信基站选址都存在着一定的争议；主要原因在于大家都会考虑到无线电磁波释放出的辐射会对人体健康造成危害；因此采用这种在人体内进行通信的技术可能导致人们对于电磁辐射产生更多的担忧

（3）不同通信频段对应所需的天线尺寸存在差异。现有技术中的天线设计通常无法将设备的小型化至可内置于人体体内的微米级和纳米级。尽管能够有效避免电磁波能量在介质中损耗这一优势尚存 debate, 太赫兹频段被认为是实现微米、纳米尺度无线通信的理想选择。然而，在这种频段下运行所需的功率水平较高, 这就带来了设备体积是否能够满足人体内部空间容纳需求的同时, 在微型设备对人体组织的安全性考量上也面临着严峻挑战

多种因素导致传统的无线电磁波难以直接应用于体域纳米网络中的通信。目前应当采取何种通信方式来实现体域纳米网络的通信呢？

2、分子通信的由来

在信息粒子用于信息传递方面已有悠久的历史并积累了丰富的经典案例如海洋生物与动物如何感知关键刺激物以及人类神经系统传递信号的方式等。特别是在2005年Tatsuya Suda团队与日本移动通信运营商首次从技术层面定义了基于分子或离子作为信息载体进行通信的方法并命名为分子通信（Molucular communication MC）从此分子通信正式拉开帷幕进入其深入研究与发展阶段。

3、分子通信简介及其特性

分子通信是以信息粒子（分子或离子）为载体的一种通信方式，在液体与气体环境中主要进行传播。该技术具备一些独特特性：例如信道间的干扰较为显著，在传输过程中会产生被称为信号相关噪声的现象；这种噪声与通常所说的高斯白噪声不同，在实际应用中其方差与其幅度呈正相关关系：当信号强度增大时相应地会提高这种相关性噪声的影响程度

3、分子通信相较无线通信的优缺点

分子通信	无线通信
传输速率	极低	高
能耗	低耗能	高耗能
人体相容性	好	差
符号间串扰	高	低
载体	分子或离子	电磁波
传播介质	液体气体空间	气体空间
传输距离	近（nm~m）	远（m~km）

4、分子通信的研究历程

2005年，伴随着分子通信的概念提出，分子通信开始了其在学术圈的科研之路；2007年，研究者们从信息论的角度对分子通信进行了阐述与研究；分子通信被学者认为是一种在微观尺度下的通信方式，所以在2008年，研究者们从物理层方面对分子通信展开了微观尺度的实验探索；2009年，完成了对分子通信中存在的噪声进行建模；在2010年，随着研究的深入，研究者们研究了端到端系统，提出了中继理论和纳米物联网。并且在2011年，研究者们提出了分子通信基于浓度的调制解调方法，并对系统展开分层研究，进行了框架探讨；关于分子通信的首篇综述论文在2012年发表，并且MIMO理论，基于时间的调制解调方法以及系统安全探讨也被提出；2013年，物理层面的首个宏观原型机被制作，同时，关于分子通信的首部书籍著作也被出版；2014年，有研究者从生物化学层面考虑了酶在分子通信中的作用，并且同时，针对原型机的信道分析研究也开始展开；2015年，也是分子通信发展的重要一年，IEEE制定了分子通信的通信标准1906.1，宏观原型机的研发也更进一步，MIMO宏观原型机被开发；2016年，分子通信的非相干检测被研究，信息论综述被发表，并且宏观原型机的研究进一步复杂，考虑了移动场景下的通信；2017年，研究者们开始利用机器学习的方法对分子通信信息进行检测，并且在理论上对移动场景下的分子通信信道进行了建模，同时原型机方面也开始模拟血管信道，利用质谱仪作为接收机，这使得分子通信的原型机研究更加可靠有说服力；2018年，研究者们提出了分子携能传输，基于导数检测，同时也展开了信号差分，机器学习以及纳米磁粒子的实验；2019年，6G的发展，分子通信在6G中有望实现长足发展同年年末，随着新冠的爆发，也提出了基于分子通信的气溶胶病毒检测；2020年，病毒传播被初步建模，同时分子通信在理论方面实现双向通信，并且一种基于随机共振的去噪方法也被提出，在实验方面，展开了DNA分子和葡萄糖分子实验；2021年，分子通信在理论方面的发展主要有认知神经科学，检测血管疾病，泊松噪声消除以及新型频域均衡，并且模拟气溶胶的实验也开始展开；2022年，对突触和多址接入进行了分析，并且中继实验，阈值优化实验也被研究；到2023年，基于分子通信的分级检测和分子区块链被研究。

5、分子通信的应用

基于以上对分子通信的简述，在信息传递领域中存在一种称为"信息物理化"的技术模式。相较于传统的"信息电子化"技术而言, 分子尺度的信息传递技术发展历史相对短暂, 且其性能优势往往被外界认为微乎其微, 应用领域也相当有限。不过别着急, 下面将介绍分子通信在哪些方面的具体应用场景:

生物医学领域无疑是首要关注的方向，在构建体内纳米网络分子通信方面具有明显的优势。通过分子通信构建的纳米网络能够为医学领域提供非侵入式的微创医疗技术，在人体内部署由纳米传感器组成的网络系统即可实现超分辨感知组织或器官状态，在疾病早期预警和预防方面发挥重要作用。由纳米传感器与纳米执行器协同作用形成的纳米体域网不仅具备对外来物质或病原体识别并作出相应调控的能力，还能够精准定位癌细胞（例如糖尿病相关细胞）并采取相应措施调节其生长状态。精确调控分子传输机制有助于优化药物释放时间和剂量管理能力，在定向运输至特定细胞位置的同时还能完成对特定靶点的功能性调控任务；这种嵌入式智能药物系统的开发将有效提升对代谢性疾病（如糖尿病）及神经系统疾病（如老年痴呆症）的治疗效果

（2）工业领域：基于分子通信原理设计出的纳米网络可用于食品质量和水质监控系统中，在这个系统中可以通过部署纳米传感器网络来探测那些传统手段难以捕捉的小细菌或有毒物质；另外，在生产新型材料的过程中，在纤维基体中集成这些纳米网络可以获得具有智能化功能的新材料。

在军事领域中, 基于分子通信技术构建的纳米网络系统具备对核生化(NBC)事件进行监测及防御功能的能力. 也可用于研发与生产先进伪装装备以及新型军服（如具备温度自我调节功能，并能实时评估士兵健康状态）等多方面应用.

（4）环境领域：受生物启发设计的纳米网络能够应对当前现有技术难以处理的各种环境问题，如进行生物降解、维持生态多样性以及空气污染监测等措施。

参考文献

[1]《6G：无线通信新征程》白皮书 - 华为 (huawei.com)

[2]IMT-2030(6G)推进组《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》

[3]黄煜, 季飞, 温淼文, 等. 在宏观层次上的分子通信原型机综述. 中国科学: 信息科学, 2021, doi: 10.1360/SSI-2020-0159

[4]刘作鹏、张青、蔡照兵、王勇、倪俊. Molecular Communication: A Comprehensive Review[J]. Journal of Communications, 2013, 34(5): 第5期: 152-167页.

这次先介绍到这里，接下来继续！！！

2023.5.30 一更！