[논문 리뷰] A Comprehensive Survey on Hybrid Communication for Internet of Nano-Things in Context of Body-Centric Communications

Ke Yang, Dadi Bi외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 203인용 수 12

한 줄 요약

이 종합 검토는 인터넷 오브 나노 테일즈(IoNT)의 바디센터드 나노네트워크를 위한 전자기(EM) 및 분자 통신을 통합하는 하이브리드 통신 프레임워크를 제안한다. EM은 고속, 단거리 링크에 활용되고, 분자 통신은 저지연, 생체 적합성 있는 신호 전송에 사용된다. 주요 기여는 유효 기술, 인터페이스 도전 과제, 하이브리드 네트워크 아키텍처에 대한 종합적 분석으로, 범위, 지연, 채널 간섭 등의 제한을 극복하기 위해 원활한 통합이 필수적임을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노 스케일 장치의 통신 제한을 해결하기 위해 전자기(EM) 및 분자 통신 패러다임을 통합한다.
• 인터페이스 설계, 시뮬레이션 표준화, 다중 패러다임 간 간섭 등 하이브리드 바디센터드 나노네트워크 설계 시 핵심 도전 과제를 식별하고 분석한다.
• EM 및 분자 통신의 물리계층, MAC 계층, 네트워크 계층, 애플리케이션 계층에서의 최근 발전을 조사한다.
• 신규 소재, 일반화된 시뮬레이션 플랫폼, 빅데이터 통합 등 스케일러블 나노네트워크 구현을 위한 열린 연구 방향을 강조한다.
• 상호운용성, 보안성, 고성능을 갖춘 미래의 바디센터드 나노네트워크 개발을 위한 체계적 기반을 제공한다.

제안 방법

• 응용 분야, 네트워크 아키텍처, 변조, 코딩, 보안 계층을 포함한 바디센터드 나노네트워크에서의 EM 및 분자 통신에 대한 체계적 문헌 조사 수행.
• EM 및 분자 패러다임의 성능 지표인 전송률, 지연, 에너지 효율성, 신뢰성 분석.
• 개별 한계를 보완하기 위해 테라헤르츠 기반 EM과 확산 기반 분자 전송을 조합한 하이브리드 통신 모델 제안.
• 특히 분자 신호가 EM 채널 특성에 미치는 영향을 포함한 계층 간 상호작용 연구.
• EM 통신을 위한 그래핀 및 퍼스키트 기반 테라헤르츠 안테나와 분자 트랜시iever를 위한 생체재료와 같은 유효 기술 평가.
• EM 및 분자 모델링 프레임워크 간 표준화 부족으로 인해 하이브리드 나노네트워크를 모델링하기 위한 통합 시뮬레이션 플랫폼 필요성 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하이브리드 통신을 통해 바디센터드 나노네트워크에서 고속 전송율과 높은 지연 간의 상충 관계를 효과적으로 극복할 수 있는가?
• RQ2 나노 스케일에서 EM 및 분자 통신 시스템 간 상호운용성 인터페이스 설계 시 핵심 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ3 분자 통신은 전자기 채널 환경에 어떤 영향을 미치며, 하이브리드 네트워크 성능에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 그래프렌 및 퍼스키트와 같은 신규 소재가 실용적인 하이브리드 나노네트워크를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 하이브리드 나노통신 시스템을 위한 일반화된 시뮬레이션 플랫폼 개발에 있어 열린 과제는 무엇인가?

주요 결과

• EM 및 분자 패러다임을 통합한 하이브리드 통신은 EM의 짧은 통신 범위 문제와 분자 통신의 높은 지연 문제를 동시에 해결할 수 있다.
• 하이브리드 나노네트워크를 위한 통합 시뮬레이션 플랫폼 부족은 여전히 주요 장벽으로 남아 있으며, 기존 도구들은 EM 및 분자 모델링 접근 방식에 따라 분산되어 있다.
• 분자 신호와 EM 신호 간의 간섭은 심각한 문제로, 분자 방출이 물리적 매질을 변화시켜 EM 채널 성능을 악화시킬 수 있다.
• EM 및 분자 시스템 간 인터페이스 설계는 데이터 전송률과 신호 전파 메커니즘이 극명하게 다르기 때문에 도전 과제가 크다.
• 퍼스키트 및 그래프렌과 같은 신소재는 테라헤르츠 기반 EM 통신의 발전과 하이브리드 시스템 내 효율적 신호 변환을 가능하게 하여 핵심적인 역할을 한다.
• 데이터 포맷, 프로토콜 표준화 및 빅데이터 분석 도구 개발은 나노네트워크에서 발생하는 고용량, 다수의 이해관계자 참여 데이터를 관리하기 위해 필수적이다.