Mạng nano

Các loại mạng máy tính theo phạm vi không gian
Nanoscale Near-field (NFC) Body (BAN) Personal (PAN) Near-me (NAN) Local (LAN) Home (HAN) Storage (SAN) Wireless (WLAN) Campus (CAN) Backbone Metropolitan (MAN) Municipal wireless (MWN) Wide (WAN) Cloud (IAN) Internet Internet liên hành tinh
x t s

Mạng nano hay mạng có kích thước nano là một tập hợp các thiết bị có kích thước nano được kết nối với nhau (các thiết bị có kích thước tối đa là vài trăm nanomet hoặc vài micromet), chỉ có thể thực hiện các tác vụ rất đơn giản như tính toán, lưu trữ dữ liệu, cảm biến và truyền động^[1][2]. Các mạng nano dự kiến sẽ mở rộng khả năng của các máy nano cả về độ phức tạp và phạm vi hoạt động bằng cách cho phép chúng phối hợp, chia sẻ và tổng hợp thông tin. Mạng nano cho phép các ứng dụng mới của công nghệ nano trong lĩnh vực y sinh, nghiên cứu môi trường, công nghệ quân sự và các ứng dụng hàng công nghiệp và tiêu dùng. Giao tiếp ở cấp độ nano được định nghĩa trong IEEE P1906.1.

Phương pháp giao tiếp

Các mô hình giao tiếp cũ cần được sửa đổi bằng kích thước nano. Hai lựa chọn thay thế chính cho giao tiếp ở quy mô nano là dựa trên giao tiếp điện từ hoặc giao tiếp phân tử.

Điện từ

Đây được định nghĩa là sự truyền và nhận bức xạ điện từ từ các thành phần dựa trên vật liệu nano mới^[3]. Những tiến bộ gần đây trong carbon và điện tử phân tử đã mở ra cánh cửa cho một thế hệ mới của các thành phần nano điện tử như pin nano^[4], hệ thống thu năng lượng nano^[5], bộ nhớ nano^[6], mạch logic có kích thước nano và thậm chí cả ăng-ten nano^[7][8]. Từ góc độ truyền thông, các đặc tính độc đáo quan sát được trong vật liệu nano sẽ quyết định các băng thông cụ thể để phát bức xạ điện từ, độ trễ thời gian của bức xạ, hoặc cường độ của công suất phát ra đối với một năng lượng đầu vào nhất định, trong số các băng thông khác.

Hiện tại, hai giải pháp thay thế chính cho liên lạc điện từ ở quy mô nano đã được hình dung. Đầu tiên, nó đã được chứng minh bằng thực nghiệm rằng có thể nhận và giải điều chế một sóng điện từ bằng radio nano, tức là, một ống nano carbon cộng hưởng điện cơ có thể giải mã một sóng điều biến biên độ hoặc tần số^[9]. Thứ hai, các ăng-ten nano dựa trên graphene đã được phân tích như một bộ tản nhiệt điện từ tiềm năng trong dải terahertz^[10].

Phân tử

Giao tiếp phân tử được định nghĩa là sự truyền và nhận thông tin bằng các phương tiện của các phân tử^[11]. Các kỹ thuật giao tiếp phân tử khác nhau có thể được phân loại theo kiểu lan truyền phân tử trong giao tiếp dựa trên đường đi, dựa trên dòng chảy hoặc dựa trên sự khuếch tán.

Trong giao tiếp phân tử dựa trên đường đi, các phân tử lan truyền qua các con đường được xác định trước, chẳng hạn như động cơ có kích thước phân tử^[12]. Kiểu giao tiếp phân tử này cũng có thể đạt được bằng cách sử dụng vi khuẩn E.coli làm phương pháp điều hòa hóa học^[13].

Trong giao tiếp phân tử dựa trên dòng chảy, các phân tử lan truyền thông qua sự khuếch tán trong môi trường chất lỏng. Sự giao tiếp nội tiết tố thông qua các dòng máu bên trong cơ thể con người là một ví dụ về kiểu lan truyền này. Sự lan truyền dựa trên luồng cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các thực thể sóng mang mà chuyển động của chúng có thể bị hạn chế ở mức trung bình dọc theo các đường dẫn cụ thể, mặc dù hiển thị một thành phần ngẫu nhiên. Một ví dụ điển hình về trường hợp này được đưa ra bởi truyền thông phân tử pheromonal ở xa^[14].

Trong giao tiếp phân tử dựa trên sự khuếch tán, các phân tử lan truyền thông qua sự khuếch tán tự phát trong môi trường chất lỏng. Trong trường hợp này, các phân tử có thể chỉ tuân theo quy luật khuếch tán hoặc cũng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hỗn loạn không thể đoán trước hiện diện trong môi trường chất lỏng. Giao tiếp pheromonal, khi pheromone được giải phóng vào môi trường chất lỏng, chẳng hạn như không khí hoặc nước, là một ví dụ dựa trên sự khuếch tán. Các ví dụ khác về loại vận chuyển này bao gồm truyền tín hiệu calci giữa các tế bào^[15], cũng như sự cảm nhận giữa các vi khuẩn^[16].

Dựa trên lý thuyết vĩ mô về sự khuếch tán^[17], xung phân tử đã được báo cáo trong một bài báo^[18] xác định rằng đáp ứng xung của kênh truyền thông phân tử dựa trên khuếch tán lý tưởng trải qua sự lan truyền theo thời gian. Sự lan truyền theo thời gian như vậy có tác động sâu sắc đến hiệu suất của hệ thống, ví dụ như trong việc tạo ra giao thoa giữa các ISI tại máy nano tiếp nhận^[19]. Để phát hiện tín hiệu phân tử được mã hóa theo nồng độ, hai phương pháp phát hiện có tên là phát hiện dựa trên lấy mẫu (SD) và phát hiện dựa trên năng lượng (ED) đã được đề xuất^[20]. Trong khi cách tiếp cận SD dựa trên biên độ nồng độ của chỉ một mẫu được lấy tại một thời điểm thích hợp tức thì trong thời gian ký hiệu, thì cách tiếp cận ED dựa trên tổng số phân tử tích lũy nhận được trong toàn bộ thời gian ký hiệu. Để giảm tác động của ISI, một sơ đồ truyền thông phân tử dựa trên độ rộng xung có kiểm soát đã được phân tích^[21]. Công trình được trình bày^[22] trong đó cho thấy rằng có thể nhận ra điều chế biên độ đa mức dựa trên sự khuếch tán. Một nghiên cứu toàn diện về hệ thống truyền thông phân tử mã hóa nồng độ^[23] và nhị phân dựa trên xung và dựa trên xoang^{[24][25][26][27]}, cũng đã được nghiên cứu.

Xem thêm

• IEEE P1906.1 Recommended Practice for Nanoscale and Molecular Communication Framework

Các loại mạng Internet khác:

• Mạng cục bộ
• Mạng diện rộng
• Mạng khu vực Internet

Tham khảo

1. J. M. Jornet and M. Pierobon (tháng 11 năm 2011). “Nanonetworks: A New Frontier in Communications”. Communications of the ACM. 54 (11): 84–89. doi:10.1145/2018396.2018417. Bản gốc lưu trữ ngày 31 tháng 10 năm 2011. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
2. Bush, S. F. (2010). Nanoscale Communication Networks. Artech House. ISBN 9781608070039.
3. Rutherglen, C.; Burke, P. J. (2009). “Nano-Electromagnetics: Circuit and Electromagnetic Properties of Carbon Nanotubes”. Small. 5 (8): 884–906. doi:10.1002/smll.200800527. PMID 19358165.
4. Curtright, A. E.; Bouwman, P. J.; Wartane, R. C.; Swider-Lyons, K. E. (2004). “Power Sources for Nanotechnology”. International Journal of Nanotechnology. 1: 226–239. Bibcode:2004IJNT....1..226C. doi:10.1504/IJNT.2004.003726.
5. Wang, Z. L. (2008). “Towards Self-Powered Nanosystems: From Nanogenerators to Nanopiezotronics”. Advanced Functional Materials. 18 (22): 3553–3567. doi:10.1002/adfm.200800541.
6. Bennewitz, R.; Crain, J. N.; Kirakosian, A.; Lin, J.L.; McChesney, J. L.; Petrovykh, D. Y.; Himpsel, F. J. (2002). “Atomic scale memory at a silicon surface” (PDF). Nanotechnology. 13 (4): 499–502. arXiv:cond-mat/0204251. Bibcode:2002Nanot..13..499B. doi:10.1088/0957-4484/13/4/312. S2CID 15150349. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 10 tháng 6 năm 2021. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
7. Burke, Peter J.; Li, Shengdong; Yu, Zhen (2006). “Quantitative theory of nanowire and nanotube antenna performance”. IEEE Transactions on Nanotechnology. 5 (4): 314–334. arXiv:cond-mat/0408418. Bibcode:2006ITNan...5..314B. doi:10.1109/TNANO.2006.877430. S2CID 2764025.
8. Burke, Peter J.; Rutherglen, Chris; Yu, Zhen (2006). “Carbon Nanotube Antennas” (PDF). Trong Lakhtakia, Akhlesh; Maksimenko, Sergey A (biên tập). Nanomodeling II. 6328. tr. 632806. doi:10.1117/12.678970. S2CID 59322398. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 10 tháng 6 năm 2021. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
9. Atakan, B.; Akan, O. (tháng 6 năm 2010). “Carbon nanotube-based nanoscale ad hoc networks”. IEEE Communications Magazine. 48 (6): 129–135. doi:10.1109/MCOM.2010.5473874. S2CID 20768350.
10. Jornet, J. M.; Akyildiz, Ian F. (tháng 4 năm 2010). “Graphene-based Nano-antennas for Electromagnetic Nanocommunications in the Terahertz Band”. Proc. Of EUCAP 2010, Fourth European Conference on Antennas and Propagation, Barcelona, Spain: 1–5. ISSN 2164-3342. Bản gốc lưu trữ ngày 19 tháng 1 năm 2018. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
11. T. Nakano, A. Eckford, and T. Haraguchi (2013). Molecular Communication. Cambridge University Press. ISBN 978-1107023086.
12. Moore, M.; Enomoto, A.; Nakano, T.; Egashira, R.; Suda, T.; Kayasuga, A.; Kojima, H.; Sakakibara, H.; Oiwa, K. (tháng 3 năm 2006). “A Design of a Molecular Communication System for Nanomachines Using Molecular Motors”. Proc. Fourth Annual IEEE Conference on Pervasive Computing and Communications and Workshops.
13. Gregori, M.; Akyildiz, Ian F. (tháng 5 năm 2010). “A New NanoNetwork Architecture using Flagellated Bacteria and Catalytic Nanomotors”. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 28 (4): 612–619. doi:10.1109/JSAC.2010.100510. S2CID 15166214.
14. Parcerisa, L.; Akyildiz, Ian F. (tháng 11 năm 2009). “Molecular Communication Options for Long Range Nanonetworks”. Computer Networks. 53 (16): 2753–2766. doi:10.1016/j.comnet.2009.08.001. hdl:2099.1/8361.
15. Barros, M. T. (2017). “Ca2+-signaling-based molecular communication systems: design and future research directions”. Nano Communication Networks. 11: 103–113. doi:10.1016/j.nancom.2017.02.001.
16. “The challenge of molecular communication”. Technology Review (Physics ArXiv Blog). 28 tháng 6 năm 2010. Bản gốc lưu trữ ngày 20 tháng 1 năm 2021. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
17. Berg, H.C. (1993). Random Walks in Biology. Princeton University Press. ISBN 9780691000640.
18. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H. (20–23 January 2010). “Characterization of Molecular Communication Channel for Nanoscale Networks” (PDF). Proc. 3rd International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing (BIOSIGNALS-2010). Valencia, Spain: 327–332. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 20 tháng 9 năm 2015. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
19. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (2010). “On the characterization of binary concentration-encoded molecular communication in nanonetworks”. Nano Communication Networks. 1 (4): 289–300. doi:10.1016/j.nancom.2011.01.001. Bản gốc lưu trữ ngày 24 tháng 9 năm 2015. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
20. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (26–29 January 2011). “On the Detection of Binary Concentration-Encoded Unicast Molecular Communication in Nanonetworks” (PDF). Proc. 4th International Conference on Bio-inspired Systems and Signal Processing (BIOSIGNALS-2011). Rome, Italy: 446–449. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 10 tháng 6 năm 2021. Truy cập ngày 22 tháng 9 năm 2021.
21. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (8–11 May 2011). “Characterization of Intersymbol Interference in Concentration-Encoded Unicast Molecular Communication”. Proc. 24th IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (IEEE CCECE-2011). Niagara Falls, ON: 000164–000168. doi:10.1109/CCECE.2011.6030431. ISBN 978-1-4244-9788-1. S2CID 18387617.
22. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (8–11 May 2011). “On the Characteristics of Concentration-Encoded Multi-Level Amplitude Modulated Unicast Molecular Communication”. Proc. 24th IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (IEEE CCECE-2011). Niagara Falls, ON: 000312–000316. doi:10.1109/CCECE.2011.6030462. ISBN 978-1-4244-9788-1. S2CID 1646397.
23. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (15–18 August 2011). “A Comprehensive Study of Concentration-Encoded Unicast Molecular Communication with Binary Pulse Transmission”. Proc. 11th IEEE International Conference on Nanotechnology (IEEE NANO-2011). Portland, Oregon, USA: 227–232. doi:10.1109/NANO.2011.6144554. ISBN 978-1-4577-1516-7. S2CID 23577179.
24. Mahfuz, M.U.; Makrakis, D.; Mouftah, H.T. (26–29 October 2011). “Transient Characterization of Concentration-Encoded Molecular Communication with Sinusoidal Stimulation”. Proc. 4th IEEE International Symposium on Applied Sciences in Biomedical and Communication Technologies (ISABEL-2011). Barcelona, Spain: 1–6. doi:10.1145/2093698.2093712. ISBN 9781450309134. S2CID 3490172.
25. Akyildiz, Ian F.; Brunetti, F.; Blazquez, C. (tháng 6 năm 2008). “Nanonetworks: A New Communication Paradigm”. Computer Networks. 52 (12): 2260–2279. doi:10.1016/j.comnet.2008.04.001.
26. Akyildiz, Ian F.; Jornet, J. M. (tháng 6 năm 2010). “Electromagnetic Wireless Nanosensor Networks”. Nano Communication Networks. 1 (1): 3–19. doi:10.1016/j.nancom.2010.04.001.
27. Akyildiz, Ian F.; Jornet, J. M. (tháng 12 năm 2010). “The Internet of Nano-Things”. IEEE Wireless Communications. 17 (6): 58–63. doi:10.1109/MWC.2010.5675779. S2CID 6919416.

Liên kết ngoài

• IEEE Communications Society Best Readings in Nanoscale Communication Networks
• Stack Exchange Page for Q&A on NanoNetworking
• Nanoscale Networking in Industry Lưu trữ 2012-03-09 tại Wayback Machine
• Instructions to join P1906.1 Working Group
• MONACO Project – Broadband Wireless Networking Laboratory at Georgia Tech, Atlanta, Georgia, USA
• GRANET Project – Broadband Wireless Networking Laboratory at Georgia Tech, Atlanta, Georgia, USA
• NaNoNetworking Center in Catalunya at Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Catalunya, Spain
• Molecular communication research at York University, Toronto, Canada
• Research on Molecular Communication at University of Ottawa, Ottawa, Canada
• Intelligence Networking Lab. at Yonsei University, Korea
• Wiki on Molecular Communication at University of California, Irvine, California, USA
• Home page of the IEEE Communications Society Emerging Technical Subcommittee on Nanoscale, Molecular, and Quantum Networking.
• P1906.1 – Recommended Practice for Nanoscale and Molecular Communication Framework Lưu trữ 2015-06-19 tại Wayback Machine
• IEEE 802.15 Terahertz Interest Group
• Nano Communication Networks (Elsevier) Journal
• A simulation tool for nanoscale biological networks – Elsevier presentation
• NanoNetworking Research Group (NRG) at Bogazici University, Istanbul, Turkey