當(dāng)大物聯(lián)遇上小納米 將會(huì)產(chǎn)生怎樣的火花？

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，在萬維網(wǎng)問世、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)(body area network)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，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，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納米網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，可以獲得物體內(nèi)部以及難以訪問區(qū)域的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)，從而可以帶來新奇的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。舉例來說，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)域的病原體和過敏原信息。通過 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(Ian Akyildiz)和約瑟夫·喬奈特(Josep Jornet) 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形式來對(duì)信息進(jìn)行編碼的傳感器來說正好合適。

通過電磁通信來交互，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)制形式來表示。比如，1代表特定的濃度，0代表沒有分子傳輸。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约{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。可能的解決方案是使用微網(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)也沒有過多了解。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)就可以用來接收從傳感器發(fā)來的信號(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]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)采集通常通過靜態(tài)樹實(shí)現(xiàn)。樹上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)將感知到的數(shù)據(jù)通過樹傳給根上的匯聚節(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的數(shù)據(jù)，然后再沿著樹發(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)融合過程， 使得網(wǎng)關(guān)可以在沿著數(shù)據(jù)采集樹進(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(用顯微鏡可見的) 的數(shù)據(jù),因此需要上下文模型來處理這些數(shù)據(jù)。隨著研究者為普適計(jì)算應(yīng)用開發(fā)出眾多的上下文模型和推理技術(shù),通過納米網(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 中受到限制或者無法利用的問題。我們可以預(yù)期,在不久的將來,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采集和監(jiān)測(cè)病人的重要生物活動(dòng)，包括疾病過程。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,來追蹤病毒性疾病的傳播過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消除或者最大程度降低生產(chǎn)條件對(duì)某些特定類型過敏人群的影響。

納米技術(shù)改變了解決各種各樣問題的傳統(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,研究者幾乎沒有將注意力放到在環(huán)境中嵌入納米設(shè)備來支持終端用戶的計(jì)算上。IoNT 的愿景可以通過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)障礙來實(shí)現(xiàn)。開發(fā)一種真正無處不在的、 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。