1. 无线纳米传感器网络和纳米物联网络：背景、架构、特征

\qquad 无线纳米传感器网络(Wireless Nano Sensor Networks, WNSN)包含了各种基于纳米技术而制造或生成的纳米对象，包括：纳米天线、纳米节点、纳米传感器、纳米控制器、纳米路由器、等等。把这种网络嵌入现有网络带来了一种新网络模式，称为纳米物联网(Internet of Nano Things, IoNT)。本文将简述这一模式的出现背景、网络架构、以及技术特征。

\qquad 本文主要参考了文献[1]，内容组织如下：

• 介绍
• 纳米器件
• 网络架构
  • IoNT
  • WNSN
• WNSN基本特征
  • TB通信
  • 能源供应系统

I. 介绍

\qquad 技术已经成为我们生活的一部分，已经彻底地改变了许多领域。被称为纳米技术的时代始于1959年物理学家Richard Feynman提出的一个概念 [2]。它成为了未来各种应用的种子，提供了改变我们生活的可能。纳米技术是一个多学科领域，它将使我们的生活更简单。纳米尺度赋予了我们机会和能力，去研究和发现未经开垦的沃土和全然未知的现象，它们难以甚至无法用其他方式来从事。这项技术带来了许多科学发明，为各领域发展及新产品发明铺平了道路 [3]。

\qquad 纳米技术必将传播到全世界，触及我们生活的方方面面 [3]-[5]。纳米技术促进了纳米级器件的巨大发展，从1-纳米到几百纳米 [6]，包括称为纳米器件的微小基本单元（纳米传感器和纳米控制器）。这些纳米器件配备了存储、处理、传感、以及通信单元，并与其他纳米器件相集成，构成了一个更为广泛的覆盖区域，被称为无线纳米传感器网络(Wireless Nano Sensor Networks, WNSNs) [7]。

\qquad 随着现有网络和通信模式的进展和变革，将包含各种纳米对象的WNSNs嵌入其中将带来一种新的网络模式，称为纳米物联网(Internet of Nano Things, IoNT) [7]-[9]。IoNT是能够感知、传输、处理、以及存储数据的对象（物体和纳米物体）网络。它通过现有可用的通信网络和互联网提供纳米器件和技术与它们的互连。因此，它提供了一种新的相互交流模式，能够形成增强我们日常活动和更为流行的网络。巨大增长和无处不在的各种器件或组件（物体）之间的互连使IoNT产生了快速增长。IoNT将提高通信效率，并以较低成本（在处理、存储容量等方面）增强通信终端的作用和能力。同时，它覆盖了更大区域，并且发现了尚未探索和难以进入的分子级地带 [3]-[5]。

\qquad 分子级地带这一新维度将为确定医疗保健、制造业、能源、农业、公用事业、运输、物流、零售、国防和航空航天、媒体和娱乐、等领域的不可预见的未来应用提供新机会 [6], [10], [11]。从最有前途的生物医学领域开始，应用实例包括医疗监测 [12]-[15]、智能给药和药物输送系统 [16], [17]、纳米仿生学、再生组织工程、细胞内或纳米级手术、流行病传播检测和管理、生物混合植入和体细胞修复、非侵入性成像工具、变形干细胞、免疫系统支持、基因工程、纳米诊断等 [3], [18]-[20]。关于环境和农业领域，可以举出环境和植物监测 [21]-[23]、化学反应器、空气污染 [24]、病毒和细菌检测、动物健康监测和饲料管理 [25]、生物降解、精准农业 [26]、以及农药和杀虫剂使用监测 [27]、等等例子。在军事和公共安全领域，应用包括战场监控、纳米机器人和纳米无人机开发、纳米医疗未来作战、核、生物和化学防御、监视、自动车辆、微型卫星和损伤检测系统 [28]。在工业生产领域，应用的一些例子包括超灵敏触摸界面、触觉界面、食品和水质控制 [30]、以及基于空间的应用 [27]。

\qquad 美国的Intel Corporation、Cisco Systems Inc、Qualcomm Incorporated、Juniper Networks、IBM Corporation，法国的Schneider Electric和Alcatel-Lucent S.A，德国的SAP S.E.和Siemens AG都是指导纳米技术研究和开发不同领域许多IoNT应用的市场领导者[31]。

\qquad 纳米网络和现有可用通信网络之间的无缝互连需要开发新的网络架构和新的通信模式，同时需要应对各种技术挑战 [7]。部署IoNT网络架构取决于应用领域及其所需的特性。多种网络模式之间的集成和协作将提供各种重新定义和集成的服务形式。例如，在医疗保健领域，部署的范例包括：体外网络（如智能空间、环境网络、或医疗保健提供商服务器）、身体网络［身域网（Body Area Networks, BAN）］和体内网络［纳米网络(nanonetworks)］[19]。体内网络与BANs之间的集成将形成IoNT域。将两者与环境网络相结合将形成物联网(Internet of Thing, IoT)/IoNT域 [20]，如图1所示。

图1. 医疗系统中的IoNT架构（来自文献[1]）

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\qquad 对于一个WNSN，当缩小到纳米尺度时，人们设想了不同的通信替代方案，以允许纳米器件之间的通信、合作、以及协调。这种通信可以是分子通信、电磁波通信、触摸通信、纳米机械和超声波通信 [10], [32], [33]。最近对依赖分子通信的纳米网络进行了研究，从而扩展了IoNT，创造了所谓的生物纳米物联网(Internet of Bio-Nano-Things) [34], [35]。同时，用于太赫兹(Terahertz)无线电的电磁波或超声波通信现在越来越受到通信界的关注 [36]。电磁波通信是一种比分子通信更传统、更可行的技术 [9]：它涉及太赫兹波段(Terahertz Band, TB)电磁波的传输和接收。每个纳米器件的尺寸都非常有限（从1-纳米到几百纳米），由纳米级组件构成，包括纳米天线、EM纳米收发器、纳米处理器、等等 [8], [29]。这种有限的尺寸要求纳米器件所拥有的天线能够以节能的方式在纳米尺度上以极高的频率辐射 [37]。如 [8], [9], [20] 所研究和 [7] 所演示的，一种称为石墨烯的纳米材料可用于开发支持纳米器件中以TB辐射的纳米天线。这种基于石墨烯的天线可以在纳米级上实现极高的比特率［约为Terabit/s (Tbps)］，但传输范围有限，不能超过几十毫米 [7], [27]。

\qquad 尽管纳米尺寸带来了诱人的好处，但它对纳米器件施加了严格限制 [19], [20], [37]，例如：(1) 有限的资源，包括处理器、能源、存储器；(2) 有限的计算能力，只允许简单操作；(3) 有限的通信范围。

\qquad 对于一个WNSN，为了实现其应用目标，其中所有的纳米传感器应该相互协作来执行所需完成的任务。传感数据应该收集和发送到纳米控制器，后者充当数据的接收器并将它们传输到网关（纳米-微米接口）。进而，收集的数据通过网关传输到微型设备，如智能手机、接入点、或专用接收器模块，由它们将数据传输至外部服务提供商 [7]。

\qquad 由此，设计一种在确保数据和信息传输的同时兼顾通信特性的路由协议是IoNT和WNSN的基本要求 [8]。为了指导路由协议的设计，必须考虑两个主要特征 [37]：纳米级无线通信技术及其能源供应系统。

\qquad 纳米器件的电池能量非常有限，在实际应用场景中部署时无法更换或定期充电 [9], [38]。因此，人们提出了许多能量收集技术 [39] 和自供电纳米器件 [40] 来维持纳米器件的功率。然而，为单个纳米器件收集能量所需的时间非常长 [20]。此外，对于持久的网络运营，需要充足的能源，这需要替代解决方案。因此，设计节能路由协议是延长纳米网络寿命的另一途径。最近，人们开始努力为WNSN和IoNT提出路由协议。它们中的大多数都从节能角度进行设计。

\qquad 本文并不拟对WNSN和IoNT模式进行深入讨论，有关大量现有路由协议的全面回顾参见 [1]。

II、纳米器件和网络架构

\qquad 本节介绍纳米器件的主要组件以及IoNT和WNSNA的架构。

A. 纳米器件

\qquad 纳米器件是WNSN的基本纳米单元，可以是纳米控制器（纳米路由器）或纳米节点（纳米传感器/纳米驱动器）。纳米器件的尺寸为若干纳米，这使得科学界能够发现不可预见的纳米级事件和量级，例如：大气中的空气污染测量或激素水平等 [41]。对纳米器件（如传感、处理、电信等）能力的预期迫使我们考虑使用不止一个纳米组件来集成一个硬件 [11], [27], [42]。主要的纳米组件包括传感和驱动单元、处理单元、通信单元、存储单元、以及电源单元 [29]。下面简要回顾其中一些。

• 传感(Sensing)和驱动(Actuating)单元：可以识别、测量纳米级事件，并与之交互。该单元充当纳米器件与周围环境之间的接口。传感和驱动单元可分为物理、化学、或生物的 [43]。与需要获取的目标信息有关，不同纳米器件可以包括不同类型的传感或驱动单元，如：温度传感器、化学传感器、夹具、以及泵、等等 [27]。
• 通信(Communication)单元：发送和接收信息是该组件的基本作用。它主要由一个纳米天线和一个纳米收发器组成 [6], [42]。
• 电源(Power)单元：这是为纳米器件供电的一个基本组件，所有其他组件都依赖它来执行操作 [11]。时至今日，开发纳米级电源的努力仍在进行中 [38], [44]。纳米器件可以通过纳米电池 [45]-[47] 或使用采集过程来供电，后者采用纳米发电机采集能量并将其存储在纳米电容器或纳米电池中，以供以后使用 [48]-[50]。

\qquad 文献[43]、[51]和[52]回顾了各种组件，其中[41]回顾了每种组件的当前技术，并为开发一个完整的概念性纳米器件架构选择了最为合适的技术。

B. IoNT架构

\qquad 部署一个IoNT网络所需的架构取决于其应用领域及其特性。不过，无论应用领域如何，纳米节点、纳米路由器、纳米-微米接口（网关）器件、以及互联网网关都是构建IoNT架构的主要组件 [7]。图1和图2分别表示了在医疗系统和植物监控系统中的IoNT架构及其使用的不同组件。

图2. 植物监测系统中的IoNT架构（来自文献[1]）

\qquad 下面简介这些组件：

• 纳米节点(nanonode)：它是最小、最简单的纳米器件，可以是纳米传感器(nanosensor)或纳米驱动器(nanoactuator)。这种纳米器件执行简单的任务，包括传感、驱动、计算、处理、以及存储。它的资源（内存、能量、处理器）和传输范围都很有限。纳米节点可以根据应用需求而放置在固定或动态的位置，靶向特定的区域进行传感和收集数据。
• 纳米路由器/纳米控制器(nanorouter/nanocontroller)：它比纳米节点大，具有较多的资源和更高级的功能。它收集和处理来自纳米节点的数据，并通过纳米-微米接口将其转发给外部世界。它还能控制和协调纳米节点的行为。
• 纳米-微米接口器件/网关(nano-micro interface device/gateway)：它是集成纳米世界和外部世界的最复杂的混合设备。它使用TB通信技术与纳米端进行通信，使用经典通信模式与外部世界端进行通信。它可以聚合来自纳米控制器的输入数据，并将其传送到外部世界，反之亦然。
• 互联网网关(internet gateway)：它是通过互联网远程控制整个系统的设备。该设备可以从纳米网络收集数据，并通过互联网将其传输到监控设备。

\qquad 大多数现有IoNT架构都遵循 [7] 中提出的设计指导，仅仅依据自身目标进行了些许改动。

C. WNSN架构

\qquad 纳米节点和纳米控制器是WNSN的主要组件。在以往研究中，引入了两种不同的WNSN架构：非层次(non-hierarchical)架构和层次(hierarchical)架构。

1) 非层次架构

\qquad 该架构由多个具有相同功能的全同纳米器件组成，部署在整个目标区域。这种形式的一个例子是软件定义的超材料(Software-Defined Metamaterials, SDM)器件 [53]，其中材料的电磁特性可以用软件重新配置。这种架构被在一些回顾性研究中采用，例如 [54]-[56]。

2) 层次架构

\qquad 如图3所示，这种架构将网络划分为不同级别的不同层。最小且功能较弱的纳米器件，即纳米传感器位于最低层；纳米路由器/纳米控制器位于之上一层；最后，网关通常连接到纳米控制器，在最高层收集感测的数据。这种架构被许多研究所采用，比如[37], [57], [58]等等。

图3. 位于不同层的组件（来自文献[1]）

\qquad 上述两种架构可以为WNSN构建三种不同的网络拓扑：基于集群的(cluster-based)、基于网格的(mesh-based)、以及基于基础设施的(infrastructure-based) [38]。网格拓扑使用全同架构（非层次架构），而集群拓扑和基础设施拓扑使用层次架构。在基于集群的网络中，一组纳米传感器由作为一个集群头脑的纳米控制器控制和管理，如[20], [59], [60]。另一方面，在基于基础设施的网络中，纳米传感器不会永久性地连接到特定的纳米控制器 [61]。

\qquad 把多个WNSNs相连接将构成IoNT模式的纳米网络部分。纳米器件的有限特性决定了保持层次WNSN架构的IoNT架构对于纳米网络是最佳的候选 [61][62]。

III. WNSN的基本特征

\qquad 由于WNSN和IoNT可以带来诱人的好处，因此必须解决许多挑战，才能实现这一愿景。WNSN中纳米器件的有限能力和特性导致了许多限制。这些约束需要设计新的路由协议和技术，它们考虑了纳米器件的特异性和纳米通信的特性。事实上，设计此类网络的有效架构和路由协议需要考虑两个基本特征 [37]：TB无线通信和能源供应系统，如随后的小节所述。

A. TB无线通信

\qquad 纳米器件的纳米天线由石墨烯制成。这项新技术的合适频率为TB (0.1-10.0 THz)。对于纳米器件通信而言，TB对于石墨烯天线的电磁特性是最方便的 [63]。TB缓解了当前无线通信的频谱稀缺性和有限容量，使其能够在纳米尺度上开创应用领域 [64], [65]。

\qquad TB通信的主要特征是可用带宽很大和传播损耗很高 [37]。一方面，TB提供了极高的数据速率和非常大的带宽，允许实现适应纳米设备有限功能的简单通信机制 [64]。这种有前途的带宽允许新的信道共享方案和信息调制技术。

\qquad 然而，另一方面，TB通信的特点是传播损耗很高。这种传播损耗是由分子吸收、频率选择性路径损耗、以及噪声造成的 [66]-[68]。例如，在介质中，分子吸收会衰减传输的信号，并在信号通过不同类型的分子时引入噪声 [69]。因此，由于这种分子吸收，TB通信质量对频率非常敏感 [70]。由此，为了减少传播损耗效应，TB通信只能在非常有限的传输范围内有效。例如，在空气这种媒介中，TB通信可以达到极高的物理数据速率(Tbps)，但传输距离仅为几毫米；而在人体环境中，TB通信会出现高路径损耗，使通信过程的传输速率较低，且通信范围很小 [71]。这使得TB通道需要挑战目标介质中的许多现象，例如分子吸收和散射。

\qquad 开发和实现中的TB通信技术一直在努力，以应对纳米器件规范和纳米通信的挑战 [64]。

\qquad 总之，在设计路由协议时必须考虑TB特征，以适应纳米通信特性，同时使纳米器件有效地执行所需任务。

B. 能源供应系统

\qquad 独立和连续的纳米器件操作需要充足的能源来执行其功能，如处理、传感、传输、接收数据。纳米器件的微小尺寸限制了其能量存储，限制了其工作周期，从而影响了其网络性能[19], [72]。能量限制是一个重大挑战，因为它可能使WNSN中的通信变得不可能 [8]. [73]。在不增加开销的情况下为纳米器件寻找替代电源仍是一个悬而未决的问题。

\qquad 纳米器件采用了两种不同的解决方案 [52]：纳米电池和能量收集技术。

1) 纳米电池

\qquad 人们致力于从具有合理寿命、高容量、以及可控充放电率的纳米材料中开发纳米级电池[47], [74]。

\qquad 锂纳米电池是为纳米设备供电的一个潜在选择，它是使用氧化铝膜制造的 [44], [75]。在[45]中，作者介绍了纳米电池原型的实现，其中一组并联的纳米电池被连接起来形成电池。

\qquad 在[76]中还针对一种石榴形状的结构进行了尝试。在这项工作中，电池由硅原子组成，硅原子被导电碳层包裹，以留出足够的收缩和膨胀空间。

\qquad 在所有这些情况中，纳米器件的尺寸限制都使得在实际应用场景中更换或定期给纳米电池充电成为一项挑战。

2) 用纳米发电机收集能量

\qquad 为了保证可持续的网络性能并有效地为纳米器件供电，最近的研究改变了寻找替代解决方案的方法。人们提出了能量收集技术来补充纳米器件的能量 [48]。

\qquad 研究表明，采集能量是驱动纳米器件的最可行、最灵活、最可靠的解决方案 [38]、[43]、[52]。这种方法用于无电池的无线传感器网络(WSN)中，其中的能量来自周围环境，例如来自太阳能 [77]，或来自风力或水下湍流的动能 [78]。如工作 [39] 所述，这些采集机制不能用于WNSN。例如，在许多WNSN应用中，不能将阳光作为能源。此外，由于技术限制，动能机制在纳米尺度上不可行 [39]。在这种情况下，纳米尺寸限制和可用纳米技术的限制会影响从周围环境中获得的采集效率，就此而言，WNSN比WSN要小得多。此外，与WSN相比，WNSN中存储所采集能量的电容器的尺寸更小。因此，开发新技术以获取纳米级的能量采集特性和要求仍在研究之中。

\qquad 在WNSN中，采集能量的原理基于开发一种纳米发电机，它能够将机械能、振动能、液压能，甚至电磁波转换为电能 [29]。对于前三种类型，可以举出人体运动、声波、以及血液流动的例子 [29]。然后，产生的电能可以被纳米器件使用，或者保存在纳米电容器之中 [79]。

\qquad 目前，利用不同纳米材料的特性已经开发了各种技术来获取能量 [40], [80]。可以举出的技术特性包括：压电(piezoelectric) [81]、外电(exoelectric) [82]、[83]、以及热电(thermoelectric) [84]。压电陶瓷是开发纳米发电机得到实验证明最充分的技术 [39]。`

\qquad 人们针对WNSNs提出了两种采用压电纳米发电机的方法，即从环境和无线功率传输(Wireless Power Transfer, WPT)中获取能量 [38]。一些研究将这两种方法结合为一种混合方案 [41], [61]。

• 从环境中获取能量：在这种方法中，纳米器件由周围环境中的机械力自行驱动 [39]。因此，纳米器件可以是活动的，也可以是休眠的，以节省能源和资源。许多研究都引入了这一概念，例如[85]-[87]。然而，能量采集率并不是恒定的，因为它随环境而变化 [38]，[41]。
• 无线功率传输)：在这种方法中，外部实体（如超声波）会辐射波[88]。这些波振动压电纳米发电机，产生一个恒定的能量采集率，而与环境条件无关。采集的能量比从环境中获取的能量高出三个数量级 [38]。然而，它需要打开外部实体来激活网络 [54]，这反过来又迫使纳米器件始终处于活动状态。

由于纳米器件的尺寸限制，采集能量需要花费若干秒。然而，消耗它的时间仅为纳秒[39]。在为一个WNSN设计解决方案时，了解能源需求和所采用的能源供应系统至关重要。例如，在医学领域，心跳为人体内的纳米设备提供了一种能量采集收集方案 [20]，其中纳米器件中的纳米发电机由心跳驱动，它可以在2361秒内获得95%的最大能量。有了这个最大能量，纳米器件可以发送多达8个200-位的数据包 [20]。

\qquad 由于为单个纳米器件充电所需的时间非常长，寻找替代方法来降低纳米器件的能耗至关重要。事实上，在设计永久性的WNSNs时，优化能耗是一个重大挑战。许多研究有效地利用了能量采集技术，并优化了能量消耗，以延长网络寿命 [72], [73], [89]。由于从纳米器件收集的数据量很大，而且由于大部分纳米器件的能量都消耗在数据包传输上，因此高效节能的路由协议在优化能量消耗和提高网络性能方面发挥着重要作用。

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