理論：物聯(lián)網(wǎng)正向三個(gè)方面轉(zhuǎn)變

“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)這個(gè)名稱描述了讓互聯(lián)網(wǎng)得以延伸至實(shí)體世界的幾種技術(shù)和研究科目。射頻識(shí)別(RFID)、短程無(wú)線通信、實(shí)時(shí)定位和傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)正變得日益普及，讓物聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上，在萬(wàn)維網(wǎng)問(wèn)世、手機(jī)在全世界范圍里普及后，物聯(lián)網(wǎng)代表了在我們有生之年里發(fā)生的最具顛覆潛力的技術(shù)革新。隨著預(yù)期多達(dá)500億至1000億件物品在2020年前被鏈接到互聯(lián)網(wǎng)上，我們正在經(jīng)歷一次重大變化，日常物品將變得相互連接和智能化。

然而，對(duì)于“智能事物”及其形成的體系，人們的理解、使用、互動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)并未與之同步發(fā)展，而這造成了技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治方面的巨大后果。為此，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的大批科研人員，還有商家、政府機(jī)構(gòu)和城市正從三個(gè)主要方面探索這一激動(dòng)人心的技術(shù)：科學(xué)理論、工程設(shè)計(jì)和用戶經(jīng)驗(yàn)。在這種更全盤化視野的促進(jìn)下，研究團(tuán)體把專注點(diǎn)從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了終端用戶。這種轉(zhuǎn)變的目標(biāo)是向用戶提供理解和控制自己所在的環(huán)境所需的知識(shí)，以及超越傳統(tǒng)桌面的新的互動(dòng)界面，從而讓用戶獲得更強(qiáng)大的能力。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)改變了互聯(lián)網(wǎng)的使用方式。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，各種各樣的物體、傳感器和設(shè)備能夠互相交互形成無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)，從而改善我們的日常生活。比如在衛(wèi)生保健領(lǐng)域，人體局域網(wǎng)(bodyareanetwork)收集非常重要的病人信息，并將其送到服務(wù)提供商的計(jì)算系統(tǒng)，從而使更精確、更有效地監(jiān)控大量的人群成為可能。嵌入在環(huán)境中的傳感器還可以給老年人和殘疾人提供隨處可得的生活幫助。

在互聯(lián)網(wǎng)和感應(yīng)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，納米技術(shù)也在進(jìn)步。自從理查德?費(fèi)曼在1959年發(fā)表了關(guān)于納米技術(shù)的著名諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演講以來(lái)，這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，制造出有很多應(yīng)用的復(fù)雜設(shè)備。特別是近些年來(lái)，納米通信學(xué)科的出現(xiàn)，目標(biāo)是為納米設(shè)備創(chuàng)造新的交互模式以提高它們的性能和應(yīng)用水平。

然而，納米設(shè)備并不一定限制在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中。在用戶周邊的各種物體和設(shè)備中嵌入納米傳感器將會(huì)給物聯(lián)網(wǎng)增加新的領(lǐng)域：納米物聯(lián)網(wǎng)(IoNT)。這些微型的傳感器通過(guò)納米網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可以獲得物體內(nèi)部以及難以訪問(wèn)區(qū)域的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)，從而可以帶來(lái)新奇的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。舉例來(lái)說(shuō)，人體納米傳感器可以提供心電圖和其他至關(guān)重要的信號(hào)，而環(huán)境中的納米傳感器則可以收集特定區(qū)域的病原體和過(guò)敏原信息。通過(guò)IoNT將這兩種數(shù)據(jù)源結(jié)合就能更容易精確診斷和監(jiān)控病人的情況。

IoNT的概念是由伊恩?阿基迪茲(IanAkyildiz)和約瑟夫?喬奈特(JosepJornet)提出的。他們概述了電磁納米設(shè)備通信的總體架構(gòu)，包括信道建模、信息編碼和協(xié)議。這些研究者描述了最適合納米級(jí)通信的元件，并集中討論了基于石墨烯的納米天線。這種天線在百億赫茲波段具有最高能效。然而，這導(dǎo)致了獨(dú)特的且易受影響的屬性，比如由分子吸收引起的路徑損失和噪聲會(huì)影響波在傳播過(guò)程中的衰減。阿基迪茲和喬奈特還提出了一種新的路由形式以及在基于EM的納米通信中需要的服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

挑戰(zhàn)：納米通信看易行難

實(shí)現(xiàn)IoNT必須面對(duì)兩個(gè)挑戰(zhàn):在納米網(wǎng)絡(luò)中建立數(shù)據(jù)采集和路由機(jī)制，開(kāi)發(fā)中間件以鏈接傳統(tǒng)的微傳感器和納米網(wǎng)絡(luò)。我們也會(huì)涉及擴(kuò)展目前的上下文和服務(wù)管理系統(tǒng)以支持IoNT所必需的東西，以及其他一些可能的IoNT應(yīng)用。

設(shè)想中的IoNT包括下層鏈接眾多納米傳感器的納米級(jí)網(wǎng)絡(luò)，與納米網(wǎng)絡(luò)交互并分布式處理它們自己信息的設(shè)備以及上下文和服務(wù)管理系統(tǒng)。雖然研究者提出了多種納米通信方法，這里我們只考慮兩種最實(shí)際的：分子通信和電磁通信。

納米設(shè)備可以在生物環(huán)境中交互，比如在人體中就可以通過(guò)覆蓋現(xiàn)有的器官通信系統(tǒng)或者利用像核苷酸、氨基酸、肽等的生物分子來(lái)通信。譬如，對(duì)細(xì)胞重新編程使其成為傳感器。

研究者建議了多種將信息轉(zhuǎn)換成生物分子然后將它們傳送給接收方納米設(shè)備來(lái)解碼的方法，包括分子擴(kuò)散、鈣信號(hào)、細(xì)菌和病毒納米網(wǎng)絡(luò)以及使用神經(jīng)元。細(xì)菌和病毒能夠攜帶基因數(shù)據(jù)，這對(duì)需要用DNA形式來(lái)對(duì)信息進(jìn)行編碼的傳感器來(lái)說(shuō)正好合適。

通過(guò)電磁通信來(lái)交互，是比分子通信更常規(guī)的方法。每個(gè)設(shè)備像一個(gè)微傳感器微粒，大小在2到6微米不等。它們的元件，包括天線、電磁收發(fā)器和處理器都是納米級(jí)的。如前所述，天線可能是由石墨烯材料制成并且工作在THz波段。

考慮到要適應(yīng)納米通信的特性，IoNT的協(xié)議也需要修訂。在分子通信的情況下，這些特性可能包括由于生物環(huán)境中較高的噪聲水平、慢速的分子傳播以及細(xì)菌或病毒的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的慢速且不可靠的消息傳輸。在電磁通信的情況下，納米級(jí)的設(shè)備必須自行供電或者能夠獲取能量;必須能夠適應(yīng)能量獲取階段與傳輸階段在時(shí)序上的差異，并能夠處理石墨烯天線的分子吸收導(dǎo)致的對(duì)傳輸可靠性可能產(chǎn)生的影響。

兩種網(wǎng)絡(luò)各有千秋

分子納米網(wǎng)絡(luò)：分子納米網(wǎng)絡(luò)而采用的拓?fù)淇梢约俣ǜ鞣N各樣的形狀和尺寸:無(wú)尺度的、網(wǎng)格的等等。另一方面，分子納米網(wǎng)絡(luò)的信息損失率是非常高的。比如，分子由于環(huán)境流體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的擴(kuò)散可能會(huì)使其丟失，而像抗生素這樣的外部化學(xué)制劑能夠殺死病毒和細(xì)菌。

這種納米網(wǎng)絡(luò)可以將待傳輸?shù)男畔⒂么鎯?chǔ)在DNA元件中的數(shù)據(jù)(類似于IP包)或者用二進(jìn)制形式來(lái)表示。比如，1代表特定的濃度，0代表沒(méi)有分子傳輸。由于分子或其他攜帶消息的元件的范圍受到限制，分子納米網(wǎng)絡(luò)中的路由可能是多跳的。一個(gè)中繼納米設(shè)備不會(huì)有可以用來(lái)計(jì)算到目的地路由的路由表，因此路由機(jī)制是機(jī)會(huì)路由。

電磁納米網(wǎng)絡(luò)：雖然電磁納米網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備有專用的納米存儲(chǔ)器，但是它們可能不能存儲(chǔ)協(xié)議代碼，因而也不能計(jì)算到目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此，預(yù)期路由架構(gòu)是分層級(jí)的，納米設(shè)備在一跳的距離內(nèi)與微網(wǎng)關(guān)通信，也就是一個(gè)星形拓?fù)?。因?yàn)樵O(shè)備的內(nèi)存有限，并且只會(huì)產(chǎn)生數(shù)納秒內(nèi)就可傳輸?shù)舻暮苌俦忍氐陌?，所以納米設(shè)備和微網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸不應(yīng)該會(huì)碰到封包碰撞。由于納米設(shè)備的能量受限，通信協(xié)議將會(huì)是基于查詢的，且各種查詢?cè)谖⒕W(wǎng)關(guān)之間路由以到達(dá)特定的設(shè)備。

技術(shù)挑戰(zhàn)關(guān)險(xiǎn)重重

實(shí)現(xiàn)IoNT需要考慮的一個(gè)重要因素就是必須采集環(huán)境中的納米設(shè)備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)架構(gòu)：傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用一定數(shù)量的匯聚點(diǎn)從傳感器采集數(shù)據(jù)，但是這對(duì)納米網(wǎng)絡(luò)可能不可行?？赡艿慕鉀Q方案是使用微網(wǎng)關(guān)，可以鏈接到納米傳感器的常規(guī)微傳感器從而作為設(shè)備的中間層。在電磁納米網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)微網(wǎng)關(guān)需要雙收發(fā)器:一個(gè)與納米網(wǎng)絡(luò)在THz波段通信，另一個(gè)與對(duì)等的微網(wǎng)關(guān)在GHz波段通信。

路由技術(shù)：大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法關(guān)注能效優(yōu)化以及可擴(kuò)展性。然而，納米傳感器和傳統(tǒng)的微傳感器之間有著重要差別，而這會(huì)影響到IoNT的算法設(shè)計(jì)。

首先，與微傳感器相比，納米傳感器使用非常少的能量，因此要求使用能量獲取技術(shù)來(lái)給納米傳感器供應(yīng)能量。例如，生化藥劑可以給分子納米傳感器補(bǔ)充燃料，而電磁納米傳感器可以使用納米線振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生能量。

其次，納米設(shè)備的存儲(chǔ)設(shè)備以及計(jì)算處理能力相對(duì)受限，因此對(duì)于通信環(huán)境的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也沒(méi)有過(guò)多了解。這意味著它們不能查找地址或者執(zhí)行路徑計(jì)算。

非常規(guī)路由：由于一個(gè)納米網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)微網(wǎng)關(guān)，要路由批量數(shù)據(jù)就非常困難。一個(gè)可能的解決方案是結(jié)合非常規(guī)路由技術(shù)，比如移動(dòng)容遲網(wǎng)絡(luò)，可以不失時(shí)機(jī)地利用裝備了移動(dòng)設(shè)備的人或者車輛來(lái)傳輸數(shù)據(jù)到目的地。在電磁納米網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)設(shè)備都能夠裝備一個(gè)收發(fā)器，當(dāng)靠近傳感器時(shí)就可以用來(lái)接收從傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)。在分子納米網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)中間的微網(wǎng)關(guān)需要在向移動(dòng)載體傳輸數(shù)據(jù)前先融匯采集數(shù)據(jù)。這種方法有點(diǎn)像在某一環(huán)境中移動(dòng)時(shí)從傳感器采集數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)騾”。

系統(tǒng)管理：與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件類似，微網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理模塊管理網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部操作。除了資源和服務(wù)質(zhì)量管理外，一個(gè)主要的功能就是自我認(rèn)知。納米網(wǎng)絡(luò)所在的環(huán)境通常惡劣且多變，這使得納米傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃允艿接绊憽＠?，流體運(yùn)動(dòng)可能會(huì)干擾分子擴(kuò)散，水汽可能會(huì)影響電磁信號(hào)。

由于環(huán)境條件的原因，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡苁请S機(jī)的、動(dòng)態(tài)的。因此，網(wǎng)絡(luò)中的納米設(shè)備可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錄](méi)有必須的認(rèn)知。兩種類型的納米網(wǎng)絡(luò)中，微網(wǎng)關(guān)和納米網(wǎng)絡(luò)之間都有著主從關(guān)系:只有微網(wǎng)關(guān)才有完整的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境的認(rèn)知以及重新設(shè)置網(wǎng)絡(luò)行為的能力。要達(dá)到高度的自我認(rèn)知，微網(wǎng)關(guān)必須能夠推導(dǎo)出與之鏈接的納米網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，評(píng)估環(huán)境條件(哪些可能會(huì)隨著時(shí)間改變)，確定并調(diào)整可能會(huì)影響消息傳輸可靠性的波動(dòng)。

數(shù)據(jù)分析：傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)采集通常通過(guò)靜態(tài)樹(shù)實(shí)現(xiàn)。樹(shù)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)通過(guò)樹(shù)傳給根上的匯聚節(jié)點(diǎn)。然而，由于每一個(gè)微網(wǎng)關(guān)鏈接了很多的納米傳感器，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致巨大的數(shù)據(jù)流量，尤其當(dāng)感知是周期性的時(shí)候。因此，需要一種動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采集樹(shù)以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)關(guān)之間的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的交互。

在分子和電磁納米網(wǎng)絡(luò)中，微網(wǎng)關(guān)都需要整合從各種納米傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后再沿著樹(shù)發(fā)送。然而，納米設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致時(shí)序上的差異可能會(huì)使消息在到達(dá)匯聚點(diǎn)之前產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的延遲。在分子納米網(wǎng)絡(luò)中，信息傳輸可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，尤其當(dāng)查詢需要反饋的時(shí)候。在電磁納米網(wǎng)絡(luò)中，能量獲取是一個(gè)主要的限制，因?yàn)樵谶_(dá)到傳輸條件之前的獲取過(guò)程可能需要一分鐘。所以，必須在微網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)一種最優(yōu)時(shí)延的數(shù)據(jù)融合過(guò)程，使得網(wǎng)關(guān)可以在沿著數(shù)據(jù)采集樹(shù)進(jìn)一步傳輸之前處理所有的信息。

能量節(jié)約：微網(wǎng)關(guān)在和納米網(wǎng)絡(luò)鏈接的時(shí)候可能會(huì)迅速耗盡它們的能量。微網(wǎng)關(guān)和納米設(shè)備的動(dòng)態(tài)時(shí)序同步使決定何時(shí)讓微網(wǎng)關(guān)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)約能量成為可能。例如，在分子網(wǎng)絡(luò)中，如果大量的外部流體可能會(huì)延遲分子到達(dá)目的地，那么網(wǎng)關(guān)就可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并且在分子預(yù)計(jì)到達(dá)的時(shí)間喚醒。在電磁網(wǎng)絡(luò)中，微網(wǎng)關(guān)可以在納米設(shè)備獲取能量時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

問(wèn)題：納米物聯(lián)機(jī)中有危

除了數(shù)據(jù)采集和中間件之外,IoNT研究者必須解決與上下文管理、安全和隱私、服務(wù)組合及發(fā)現(xiàn)等相關(guān)的問(wèn)題。

IoNT能夠從各種數(shù)據(jù)源采集極細(xì)粒度(用顯微鏡可見(jiàn)的)的數(shù)據(jù),因此需要上下文模型來(lái)處理這些數(shù)據(jù)。隨著研究者為普適計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)出眾多的上下文模型和推理技術(shù),通過(guò)納米網(wǎng)絡(luò)采集到的各式各樣的數(shù)據(jù)就需要橫跨多個(gè)特定領(lǐng)域本體的跨域推理技術(shù)。

納米傳感器收集到的敏感數(shù)據(jù)也需要用新的安全隱私機(jī)制來(lái)保護(hù),這些敏感數(shù)據(jù)可能包括個(gè)體詳細(xì)的化學(xué)和生物樣本。譬如,分子納米網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)收集到人類感染有害病毒的數(shù)據(jù),而這可能會(huì)揭示疾病的本質(zhì)和嚴(yán)重性。必須有安全保護(hù)措施以確保這樣的數(shù)據(jù)不會(huì)落到壞人的手中。

服務(wù)也是IoNT的關(guān)鍵方面。目前面向服務(wù)的體系架構(gòu)不足以處理納米網(wǎng)絡(luò)中各種各樣的大量數(shù)據(jù)。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法就是將服務(wù)層分成應(yīng)用層和數(shù)據(jù)采集層,每一層都包含集群服務(wù)組合和發(fā)現(xiàn)模型。

實(shí)戰(zhàn)：納米物聯(lián)的

內(nèi)嵌與外延

納米網(wǎng)絡(luò)采集到的細(xì)粒度的數(shù)據(jù)使得IoNT有可能擴(kuò)展現(xiàn)有的應(yīng)用或者提供新的應(yīng)用,以解決在IoT中受到限制或者無(wú)法利用的問(wèn)題。我們可以預(yù)期,在不久的將來(lái),IoNT應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)在衛(wèi)生保健、環(huán)境和農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)以及某些交叉領(lǐng)域中。

最明顯的IoNT應(yīng)用就是使用聯(lián)網(wǎng)的在體納米傳感器來(lái)采集和監(jiān)測(cè)病人的重要生物活動(dòng)，包括疾病過(guò)程。這些傳感器能夠提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)給穿戴設(shè)備上的微網(wǎng)關(guān)，微網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)傳送給病人的醫(yī)生。在體納米網(wǎng)絡(luò)還能夠分析體液和呼吸,并且執(zhí)行其他種類的醫(yī)學(xué)測(cè)試,省去病人去實(shí)驗(yàn)室的麻煩。

另一個(gè)可能的應(yīng)用是將納米傳感器放置在人口密度高的公共場(chǎng)所,比如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、餐館,來(lái)追蹤病毒性疾病的傳播過(guò)程以及更好地理解不同類型的人們是如何被感染的。

聯(lián)網(wǎng)的納米傳感器還可以被用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境,包括污染、溫室氣體以及輻射。農(nóng)業(yè)部門也可能會(huì)在幫助檢測(cè)農(nóng)作物和牲畜中的有毒細(xì)菌、病毒和其他傳染性病原體比如大腸桿菌和瘋牛病的過(guò)程中受益。

IoNT能夠擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域。比如,在乳制品和衛(wèi)生保健部門之間可以建立鏈接來(lái)消除或者最大程度降低生產(chǎn)條件對(duì)某些特定類型過(guò)敏人群的影響。

納米技術(shù)改變了解決各種各樣問(wèn)題的傳統(tǒng)方法，尤其是在制造業(yè)和衛(wèi)生保健領(lǐng)域。然而，直到今天,研究者幾乎沒(méi)有將注意力放到在環(huán)境中嵌入納米設(shè)備來(lái)支持終端用戶的計(jì)算上。IoNT的愿景可以通過(guò)引入日常使用的納米設(shè)備之間,以及納米設(shè)備、微設(shè)備之間的新的通信模式，同時(shí)克服其他一些技術(shù)障礙來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)一種真正無(wú)處不在的、可以更好地服務(wù)于人類的計(jì)算環(huán)境的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟了。

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