[論文レビュー] A Comprehensive Survey on Hybrid Communication for Internet of Nano-Things in Context of Body-Centric Communications

Ke Yang, Dadi Bi+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 203被引用数 12

ひとこと要約

本調査では、インターネット・オブ・ナノ・トゥイングス（IoNT）におけるボディセントリック・ナノネットワークを対象に、電磁（EM）通信と分子通信を統合したハイブリッド通信フレームワークを提案する。EM通信は高速で短距離のリンクに、分子通信は低遅延で生体適合性のある信号伝送に活用する。主な貢献は、支援技術、インターフェースの課題、ハイブリッドネットワークアーキテクチャの包括的分析であり、範囲、遅延、チャネル干渉の制限を克服するにはシームレスな統合が不可欠であると特定している。

ABSTRACT

With the huge advancement of nanotechnology over the past years, the devices are shrinking into micro-scale, even nano-scale. Additionally, the Internet of nano-things (IoNTs) are generally regarded as the ultimate formation of the current sensor networks and the development of nanonetworks would be of great help to its fulfilment, which would be ubiquitous with numerous applications in all domains of life. However, the communication between the devices in such nanonetworks is still an open problem. Body-centric nanonetworks are believed to play an essential role in the practical application of IoNTs. BCNNs are also considered as domain specific like wireless sensor networks and always deployed on purpose to support a particular application. In these networks, electromagnetic and molecular communications are widely considered as two main promising paradigms and both follow their own development process. In this survey, the recent developments of these two paradigms are first illustrated in the aspects of applications, network structures, modulation techniques, coding techniques and security to then investigate the potential of hybrid communication paradigms. Meanwhile, the enabling technologies have been presented to apprehend the state-of-art with the discussion on the possibility of the hybrid technologies. Additionally, the inter-connectivity of electromagnetic and molecular body-centric nanonetworks is discussed. Afterwards, the related security issues of the proposed networks are discussed. Finally, the challenges and open research directions are presented.

研究の動機と目的

• ナノスケールデバイスにおける通信制限を、電磁（EM）通信と分子通信のパラダイムを統合することで解決すること。
• インターフェース設計、シミュレーションの標準化、パラダイム間干渉を含む、ハイブリッドボディセントリックナノネットワークの設計における主な課題を特定・分析すること。
• EMおよび分子通信の物理層、MAC層、ネットワーク層、アプリケーション層における最近の進展を、ボディセントリック文脈で調査すること。
• スケーラブルなナノネットワーク展開のための新素材、一般化されたシミュレーションプラットフォーム、ビッグデータ統合といった、未解決の研究分野を強調すること。
• 相互運用性があり、安全で高性能なボディセントリックナノネットワークの今後の開発のための構造的基盤を提供すること。

提案手法

• アプリケーション、ネットワークアーキテクチャ、変調、符号化、セキュリティ層を含む、ボディセントリックナノネットワークにおけるEMおよび分子通信に関する体系的文献レビューを実施する。
• 両方のパラダイムにおけるスループット、遅延、エネルギー効率、信頼性といったパフォーマンス指標を分析する。
• 個々の制限を緩和するために、EM（テラヘルツベース）と分子通信（拡散ベース）の送信を統合したハイブリッド通信モデルを提案する。
• 特に、分子信号がEMチャネル特性に与える影響を含む、クロスレイヤー相互作用を調査する。
• EM通信におけるグラフェンおよびペロブスカイトベースのテラヘルツアンテナと、分子トランスceiver用のバイオ材料といった、支援技術を評価する。
• EMおよび分子モデリングフレームワークの標準化が不足していることから、ハイブリッドナノネットワークをモデル化する統一されたシミュレーションプラットフォームの必要性を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボディセントリックナノネットワークにおける高データレートと高遅延のトレードオフを克服するために、電磁および分子通信をどのように効果的に統合できるか？
• RQ2 ナノスケールにおけるEMおよび分子通信システム間の相互運用性のあるインターフェースを設計するにあたり、主な技術的課題は何か？
• RQ3 分子通信は電磁チャネル環境にどのように影響を与え、ハイブリッドネットワークのパフォーマンスにどのような影響を及えるか？
• RQ4 グラフェンやペロブスカイトといった新素材が、実用的なハイブリッドナノネットワークを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 ハイブリッドナノ通信システムのための一般化されたシミュレーションプラットフォームを開発するにあたり、残された課題は何か？

主な発見

• EMおよび分子通信のパラダイムを統合したハイブリッド通信は、EM通信の通信範囲の短さと分子通信の高遅延を同時に解消できる。
• ハイブリッドナノネットワークのための統一されたシミュレーションプラットフォームの欠如が、依然として主要な障壁となっており、既存のツールはEMおよび分子モデリングアプローチに分断されている。
• 分子信号とEM信号の干渉は深刻な懸念事項であり、分子放射が物理的媒体を変化させ、EMチャネル性能を劣化させる可能性がある。
• EMおよび分子システム間のインターフェース設計は、データスループットや信号伝搬メカニズムの著しい違いから、極めて困難である。
• ペロブスカイトやグラフェンといった新素材は、テラヘルツベースのEM通信を前進させ、ハイブリッドシステムにおける効率的な信号変換を可能にする上で核となる。
• データフォーマットやプロトコルの標準化、およびビッグデータ分析ツールの開発は、ナノネットワークで発生する高容量かつマルチステークホルダー関与のデータを管理するために不可欠である。