当大物联遇上小纳米

　　理论：物联网正向三个方面转变

　　“物联网”(IoT)这个名称描述了让互联网得以延伸至实体世界的几种技术和研究科目。射频识别(RFID)、短程无线通信、实时定位和传感器网络等技术正变得日益普及，让物联网得以实现。

　　然而，对于“智能事物”及其形成的体系，人们的理解、使用、互动和经验并未与之同步发展，而这造成了技术、社会、经济和政治方面的巨大后果。为此，学术界和产业界的大批科研人员，还有商家、政府机构和城市正从三个主要方面探索这一激动人心的技术：科学理论、工程设计和用户经验。 在这种更全盘化视野的促进下，研究团体把专注点从系统转移到了终端用户。这种转变的目标是向用户提供理解和控制自己所在的环境所需的知识，以及超越传统桌面的新的互动界面，从而让用户获得更强大的能力。

　　物联网已经改变了互联网的使用方式。通过物联网，各种各样的物体、传感器和设备能够互相交互形成无处不在的网络，从而改善我们的日常生活。比如在卫生保健领域，人体局域网(body area network)收集非常重要的病人信息，并将其送到服务提供商的计算系统，从而使更精确、更有效地监控大量的人群成为可能。嵌入在环境中的传感器还可以给老年人和残疾人提供随处可得的生活帮助。

　　在互联网和感应技术发展的同时，纳米技术也在进步。自从理查德·费曼在1959年发表了关于纳米技术的著名诺贝尔奖获奖演讲以来，这个领域发展迅猛，制造出有很多应用的复杂设备。特别是近些年来，纳米通信学科的出现，目标是为纳米设备创造新的交互模式以提高它们的性能和应用水平。

　　然而，纳米设备并不一定限制在点对点通信中。在用户周边的各种物体和设备中嵌入纳米传感器将会给物联网增加新的领域：纳米物联网(IoNT)。这些微型的传感器通过纳米网络互联，可以获得物体内部以及难以访问区域的细分数据，从而可以带来新奇的发现和应用。举例来说，人体纳米传感器可以提供心电图和其他至关重要的信号，而环境中的纳米传感器则可以收集特定区域的病原体和过敏原信息。通过 IoNT 将这两种数据源结合就能更容易精确诊断和监控病人的情况。

　　IoNT 的概念是由伊恩·阿基迪兹(Ian Akyildiz)和约瑟夫·乔奈特(Josep Jornet) 提出的。他们概述了电磁纳米设备通信的总体架构，包括信道建模、信息编码和协议。这些研究者描述了最适合纳米级通信的元件，并集中讨论了基于石墨烯的纳米天线。这种天线在百亿赫兹波段具有最高能效。然而，这导致了独特的且易受影响的属性，比如由分子吸收引起的路径损失和噪声会影响波在传播过程中的衰减。阿基迪兹和乔奈特还提出了一种新的路由形式以及在基于 EM 的纳米通信中需要的服务发现。

　　挑战：纳米通信看易行难

　　实现 IoNT 必须面对两个挑战:在纳米网络中建立数据采集和路由机制，开发中间件以链接传统的微传感器和纳米网络。我们也会涉及扩展目前的上下文和服务管理系统以支持 IoNT 所必需的东西，以及其他一些可能的 IoNT 应用。

　　设想中的IoNT包括下层链接众多纳米传感器的纳米级网络，与纳米网络交互并分布式处理它们自己信息的设备以及上下文和服务管理系统。虽然研究者提出了多种纳米通信方法，这里我们只考虑两种最实际的：分子通信和电磁通信。

　　纳米设备可以在生物环境中交互，比如在人体中就可以通过覆盖现有的器官通信系统或者利用像核苷酸、氨基酸、 肽等的生物分子来通信。譬如，对细胞重新编程使其成为传感器。

　　研究者建议了多种将信息转换成生物分子然后将它们传送给接收方纳米设备来解码的方法，包括分子扩散、钙信号、细菌和病毒纳米网络以及使用神经元。细菌和病毒能够携带基因数据，这对需要用DNA形式来对信息进行编码的传感器来说正好合适。

　　通过电磁通信来交互，是比分子通信更常规的方法。每个设备像一个微传感器微粒，大小在 2 到 6 微米不等。它们的元件，包括天线、电磁收发器和处理器都是纳米级的。如前所述，天线可能是由石墨烯材料制成并且工作在THz 波段。

　　考虑到要适应纳米通信的特性，IoNT 的协议也需要修订。在分子通信的情况下，这些特性可能包括由于生物环境中较高的噪声水平、慢速的分子传播以及细菌或病毒的运动而导致的慢速且不可靠的消息传输。在电磁通信的情况下，纳米级的设备必须自行供电或者能够获取能量;必须能够适应能量获取阶段与传输阶段在时序上的差异，并能够处理石墨烯天线的分子吸收导致的对传输可靠性可能产生的影响。

　　两种网络各有千秋

　　分子纳米网络：分子纳米网络而采用的拓扑可以假定各种各样的形状和尺寸:无尺度的、网格的等等。另一方面，分子纳米网络的信息损失率是非常高的。比如，分子由于环境流体运动而导致的扩散可能会使其丢失，而像抗生素这样的外部化学制剂能够杀死病毒和细菌。

　　这种纳米网络可以将待传输的信息用存储在DNA 元件中的数据(类似于IP包)或者用二进制形式来表示。比如，1代表特定的浓度，0代表没有分子传输。由于分子或其他携带消息的元件的范围受到限制，分子纳米网络中的路由可能是多跳的。一个中继纳米设备不会有可以用来计算到目的地路由的路由表，因此路由机制是机会路由。

　　电磁纳米网络：虽然电磁纳米网络中的设备有专用的纳米存储器，但是它们可能不能存储协议代码，因而也不能计算到目的节点的路由。因此，预期路由架构是分层级的，纳米设备在一跳的距离内与微网关通信，也就是一个星形拓扑。因为设备的内存有限，并且只会产生数纳秒内就可传输掉的很少比特的包，所以纳米设备和微网关之间的数据传输不应该会碰到封包碰撞。由于纳米设备的能量受限，通信协议将会是基于查询的，且各种查询在微网关之间路由以到达特定的设备。

　　技术挑战关险重重

　　实现 IoNT 需要考虑的一个重要因素就是必须采集环境中的纳米设备所产生的大量数据。

　　系统架构：传统的传感器网络架构使用一定数量的汇聚点从传感器采集数据，但是这对纳米网络可能不可行。可能的解决方案是使用微网关，可以链接到纳米传感器的常规微传感器从而作为设备的中间层。在电磁纳米网络中，每个微网关需要双收发器:一个与纳米网络在 THz 波段通信，另一个与对等的微网关在 GHz 波段通信。

　　路由技术：大多数传感器网络的路由算法关注能效优化以及可扩展性。然而，纳米传感器和传统的微传感器之间有着重要差别，而这会影响到 IoNT 的算法设计。

　　首先，与微传感器相比，纳米传感器使用非常少的能量，因此要求使用能量获取技术来给纳米传感器供应能量。例如，生化药剂可以给分子纳米传感器补充燃料，而电磁纳米传感器可以使用纳米线振动来产生能量。

　　其次，纳米设备的存储设备以及计算处理能力相对受限，因此对于通信环境的拓扑结构也没有过多了解。这意味着它们不能查找地址或者执行路径计算。

　　非常规路由：由于一个纳米网络只有一个微网关，要路由批量数据就非常困难。一个可能的解决方案是结合非常规路由技术，比如移动容迟网络，可以不失时机地利用装备了移动设备的人或者车辆来传输数据到目的地。在电磁纳米网络中每一个设备都能够装备一个收发器，当靠近传感器时就可以用来接收从传感器发来的信号。在分子纳米网络中，一个中间的微网关需要在向移动载体传输数据前先融汇采集数据。这种方法有点像在某一环境中移动时从传感器采集数据的“数据骡”。

　　系统管理：与无线传感器网络中间件类似，微网关系统管理模块管理网关的内部操作。除了资源和服务质量管理外，一个主要的功能就是自我认知。纳米网络所在的环境通常恶劣且多变，这使得纳米传感器的数据传输的有效性和可靠性受到影响。例如，流体运动可能会干扰分子扩散，水汽可能会影响电磁信号。

　　由于环境条件的原因， 网络拓扑可能是随机的、动态的。因此，网络中的纳米设备可能对网络拓扑没有必须的认知。两种类型的纳米网络中，微网关和纳米网络之间都有着主从关系:只有微网关才有完整的关于网络和环境的认知以及重新设置网络行为的能力。要达到高度的自我认知，微网关必须能够推导出与之链接的纳米网络的拓扑结构，评估环境条件(哪些可能会随着时间改变)，确定并调整可能会影响消息传输可靠性的波动。

　　数据分析：传统的传感器网络中，数据采集通常通过静态树实现。树上的每一个节点将感知到的数据通过树传给根上的汇聚节点。然而，由于每一个微网关链接了很多的纳米传感器，这种方法可能会导致巨大的数据流量，尤其当感知是周期性的时候。因此，需要一种动态的数据采集树以实现微网关之间的节点到节点的交互。

　　在分子和电磁纳米网络中，微网关都需要整合从各种纳米传感器送来的数据，然后再沿着树发送。然而，纳米设备之间的数据传输导致时序上的差异可能会使消息在到达汇聚点之前产生长时间的延迟。在分子纳米网络中，信息传输可能需要相当长的时间，尤其当查询需要反馈的时候。在电磁纳米网络中，能量获取是一个主要的限制，因为在达到传输条件之前的获取过程可能需要一分钟。所以，必须在微网关中实现一种最优时延的数据融合过程， 使得网关可以在沿着数据采集树进一步传输之前处理所有的信息。

　　能量节约：微网关在和纳米网络链接的时候可能会迅速耗尽它们的能量。微网关和纳米设备的动态时序同步使决定何时让微网关进入睡眠状态以节约能量成为可能。例如，在分子网络中，如果大量的外部流体可能会延迟分子到达目的地，那么网关就可以进入睡眠状态，并且在分子预计到达的时间唤醒。在电磁网络中，微网关可以在纳米设备获取能量时进入睡眠状态。

　　问题：纳米物联机中有危

　　除了数据采集和中间件之外,IoNT 研究者必须解决与上下文管理、安全和隐私、服务组合及发现等相关的问题。

　　IoNT 能够从各种数据源采集极细粒度(用显微镜可见的) 的数据,因此需要上下文模型来处理这些数据。随着研究者为普适计算应用开发出众多的上下文模型和推理技术,通过纳米网络采集到的各式各样的数据就需要横跨多个特定领域本体的跨域推理技术。

　　纳米传感器收集到的敏感数据也需要用新的安全隐私机制来保护,这些敏感数据可能包括个体详细的化学和生物样本。譬如, 分子纳米网络可能会收集到人类感染有害病毒的数据,而这可能会揭示疾病的本质和严重性。必须有安全保护措施以确保这样的数据不会落到坏人的手中。

　　服务也是 IoNT 的关键方面。目前面向服务的体系架构不足以处理纳米网络中各种各样的大量数据。解决这个问题的一种方法就是将服务层分成应用层和数据采集层,每一层都包含集群服务组合和发现模型。

　　实战：纳米物联的

　　内嵌与外延

　　纳米网络采集到的细粒度的数据使得 IoNT 有可能扩展现有的应用或者提供新的应用,以解决在IoT 中受到限制或者无法利用的问题。我们可以预期,在不久的将来,IoNT 应用将会出现在卫生保健、环境和农业监测以及某些交叉领域中。

　　最明显的 IoNT 应用就是使用联网的在体纳米传感器来采集和监测病人的重要生物活动，包括疾病过程。这些传感器能够提供准实时的数据给穿戴设备上的微网关，微网关再将数据传送给病人的医生。在体纳米网络还能够分析体液和呼吸,并且执行其他种类的医学测试,省去病人去实验室的麻烦。

　　另一个可能的应用是将纳米传感器放置在人口密度高的公共场所,比如医院、机场、餐馆,来追踪病毒性疾病的传播过程以及更好地理解不同类型的人们是如何被感染的。

　　联网的纳米传感器还可以被用来监测环境,包括污染、温室气体以及辐射。农业部门也可能会在帮助检测农作物和牲畜中的有毒细菌、病毒和其他传染性病原体比如大肠杆菌和疯牛病的过程中受益。

　　IoNT 能够扩展到多个领域。比如,在乳制品和卫生保健部门之间可以建立链接来消除或者最大程度降低生产条件对某些特定类型过敏人群的影响。

　　纳米技术改变了解决各种各样问题的传统方法，尤其是在制造业和卫生保健领域。然而，直到今天,研究者几乎没有将注意力放到在环境中嵌入纳米设备来支持终端用户的计算上。IoNT 的愿景可以通过引入日常使用的纳米设备之间,以及纳米设备、微设备之间的新的通信模式，同时克服其他一些技术障碍来实现。开发一种真正无处不在的、 可以更好地服务于人类的计算环境的时机已经成熟了。