[论文解读] 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 12

一句话总结

本综述提出了一种混合通信框架，将电磁（EM）通信与分子通信相结合，用于物联网（IoNT）中的体域纳米网络，利用EM通信实现高速、短距离链路，利用分子通信实现低时延、生物相容性信号传输。主要贡献在于对使能技术、接口挑战及混合网络架构的全面分析，指出无缝集成是克服通信范围、时延和信道干扰限制的关键。

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.

研究动机与目标

• 通过整合电磁（EM）通信与分子通信范式，解决纳米尺度设备的通信限制。
• 识别并分析设计混合体域纳米网络的关键挑战，包括接口设计、仿真标准化以及跨范式干扰。
• 调查体域环境中EM与分子通信在物理层、MAC层、网络层和应用层的最新进展。
• 突出开放的研究方向，如新型材料、通用仿真平台以及大数据集成，以实现可扩展的纳米网络部署。
• 为未来可互操作、安全且高性能的体域纳米网络开发提供结构化基础。

提出的方法

• 对体域纳米网络中EM与分子通信在应用层、网络架构、调制、编码和安全层的系统性文献回顾。
• 分析EM与分子范式在吞吐量、时延、能量效率和可靠性等方面的性能指标。
• 提出一种结合EM（太赫兹基）与分子（扩散基）传输的混合通信模型，以缓解各自局限性。
• 研究跨层交互，特别是分子信号对EM信道特性的影响。
• 评估使能技术，如石墨烯和钙钛矿基太赫兹天线在EM通信中的应用，以及生物材料在分子收发器中的作用。
• 识别出统一仿真平台的必要性，以建模混合纳米网络，鉴于EM与分子建模框架之间缺乏标准化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效集成电磁与分子通信，以克服体域纳米网络中高数据速率与长时延之间的权衡？
• RQ2 在纳米尺度上，设计EM与分子通信系统之间互操作接口的关键技术挑战是什么？
• RQ3 分子通信如何影响电磁信道环境，这对混合网络性能有何影响？
• RQ4 石墨烯和钙钛矿等新型材料在实现实用化混合纳米网络中发挥什么作用？
• RQ5 开发适用于混合纳米通信系统的通用仿真平台面临哪些开放挑战？

主要发现

• 结合EM与分子范式的混合通信可同时解决EM通信的短通信范围和分子通信的高时延问题。
• 缺乏统一的混合纳米网络仿真平台仍是主要障碍，现有工具在EM与分子建模方法之间分散。
• 分子与EM信号之间的干扰是关键关注点，因为分子发射可改变物理介质并降低EM信道性能。
• 由于EM与分子系统在数据吞吐量和信号传播机制上存在巨大差异，两者之间的接口设计极具挑战。
• 新型材料如钙钛矿和石墨烯在推动太赫兹基EM通信发展及实现混合系统中高效信号转换方面起着关键作用。
• 数据格式、协议的标准化以及大数据分析工具的开发，对于管理纳米网络中产生的高容量、多利益相关方数据至关重要。