理論：物聯(lián)網(wǎng)正向三個方面轉變

“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT)這個名稱描述了讓互聯(lián)網(wǎng)得以延伸至實體世界的幾種技術和研究科目。射頻識別(RFID)、短程無線通信、實時定位和傳感器網(wǎng)絡等技術正變得日益普及，讓物聯(lián)網(wǎng)得以實現(xiàn)。

實際上，在萬維網(wǎng)問世、手機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革新。隨著預期多達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，對于“智能事物”及其形成的體系，人們的理解、使用、互動和經(jīng)驗并未與之同步發(fā)展，而這造成了技術、社會、經(jīng)濟和政治方面的巨大后果。為此，學術界和產(chǎn)業(yè)界的大批科研人員，還有商家、政府機構和城市正從三個主要方面探索這一激動人心的技術：科學理論、工程設計和用戶經(jīng)驗。 在這種更全盤化視野的促進下，研究團體把專注點從系統(tǒng)轉移到了終端用戶。這種轉變的目標是向用戶提供理解和控制自己所在的環(huán)境所需的知識，以及超越傳統(tǒng)桌面的新的互動界面，從而讓用戶獲得更強大的能力。

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、傳感器和設備能夠互相交互形成無處不在的網(wǎng)絡，從而改善我們的日常生活。比如在衛(wèi)生保健領域，人體局域網(wǎng)(body area network)收集非常重要的病人信息，并將其送到服務提供商的計算系統(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)和感應技術發(fā)展的同時，納米技術也在進步。自從理查德·費曼在1959年發(fā)表了關于納米技術的著名諾貝爾獎獲獎演講以來，這個領域發(fā)展迅猛，制造出有很多應用的復雜設備。特別是近些年來，納米通信學科的出現(xiàn)，目標是為納米設備創(chuàng)造新的交互模式以提高它們的性能和應用水平。

然而，納米設備并不一定限制在點對點通信中。在用戶周邊的各種物體和設備中嵌入納米傳感器將會給物聯(lián)網(wǎng)增加新的領域：納米物聯(lián)網(wǎng)(IoNT)。這些微型的傳感器通過納米網(wǎng)絡互聯(lián)，可以獲得物體內(nèi)部以及難以訪問區(qū)域的細分數(shù)據(jù)，從而可以帶來新奇的發(fā)現(xiàn)和應用。舉例來說，人體納米傳感器可以提供心電圖和其他至關重要的信號，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備通信的總體架構，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，這導致了獨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發(fā)現(xiàn)。

挑戰(zhàn)：納米通信看易行難

實現(xiàn) IoNT 必須面對兩個挑戰(zhàn):在納米網(wǎng)絡中建立數(shù)據(jù)采集和路由機制，開發(fā)中間件以鏈接傳統(tǒng)的微傳感器和納米網(wǎng)絡。我們也會涉及擴展目前的上下文和服務管理系統(tǒng)以支持 IoNT 所必需的東西，以及其他一些可能的 IoNT 應用。

設想中的IoNT包括下層鏈接眾多納米傳感器的納米級網(wǎng)絡，與納米網(wǎng)絡交互并分布式處理它們自己信息的設備以及上下文和服務管理系統(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際的：分子通信和電磁通信。

納米設備可以在生物環(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，對細胞重新編程使其成為傳感器。

研究者建議了多種將信息轉換成生物分子然后將它們傳送給接收方納米設備來解碼的方法，包括分子擴散、鈣信號、細菌和病毒納米網(wǎng)絡以及使用神經(jīng)元。細菌和病毒能夠攜帶基因數(shù)據(jù)，這對需要用DNA形式來對信息進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。每個設備像一個微傳感器微粒，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菌或病毒的運動而導致的慢速且不可靠的消息傳輸。在電磁通信的情況下，納米級的設備必須自行供電或者能夠獲取能量;必須能夠適應能量獲取階段與傳輸階段在時序上的差異，并能夠處理石墨烯天線的分子吸收導致的對傳輸可靠性可能產(chǎn)生的影響。

兩種網(wǎng)絡各有千秋

分子納米網(wǎng)絡：分子納米網(wǎng)絡而采用的拓撲可以假定各種各樣的形狀和尺寸:無尺度的、網(wǎng)格的等等。另一方面，分子納米網(wǎng)絡的信息損失率是非常高的。比如，分子由于環(huán)境流體運動而導致的擴散可能會使其丟失，而像抗生素這樣的外部化學制劑能夠殺死病毒和細菌。

這種納米網(wǎng)絡可以將待傳輸?shù)男畔⒂么鎯υ贒NA 元件中的數(shù)據(jù)(類似于IP包)或者用二進制形式來表示。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)絡中的路由可能是多跳的。一個中繼納米設備不會有可以用來計算到目的地路由的路由表，因此路由機制是機會路由。

電磁納米網(wǎng)絡：雖然電磁納米網(wǎng)絡中的設備有專用的納米存儲器，但是它們可能不能存儲協(xié)議代碼，因而也不能計算到目的節(jié)點的路由。因此，預期路由架構是分層級的，納米設備在一跳的距離內(nèi)與微網(wǎng)關通信，也就是一個星形拓撲。因為設備的內(nèi)存有限，并且只會產(chǎn)生數(shù)納秒內(nèi)就可傳輸?shù)舻暮苌俦忍氐陌?，所以納米設備和微網(wǎng)關之間的數(shù)據(jù)傳輸不應該會碰到封包碰撞。由于納米設備的能量受限，通信協(xié)議將會是基于查詢的，且各種查詢在微網(wǎng)關之間路由以到達特定的設備。

技術挑戰(zhàn)關險重重

實現(xiàn) IoNT 需要考慮的一個重要因素就是必須采集環(huán)境中的納米設備所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)架構：傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡架構使用一定數(shù)量的匯聚點從傳感器采集數(shù)據(jù)，但是這對納米網(wǎng)絡可能不可行?？赡艿慕鉀Q方案是使用微網(wǎng)關，可以鏈接到納米傳感器的常規(guī)微傳感器從而作為設備的中間層。在電磁納米網(wǎng)絡中，每個微網(wǎng)關需要雙收發(fā)器:一個與納米網(wǎng)絡在 THz 波段通信，另一個與對等的微網(wǎng)關在 GHz 波段通信。

路由技術：大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡的路由算法關注能效優(yōu)化以及可擴展性。然而，納米傳感器和傳統(tǒng)的微傳感器之間有著重要差別，而這會影響到 IoNT 的算法設計。

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來給納米傳感器供應能量。例如，生化藥劑可以給分子納米傳感器補充燃料，而電磁納米傳感器可以使用納米線振動來產(chǎn)生能量。

其次，納米設備的存儲設備以及計算處理能力相對受限，因此對于通信環(huán)境的拓撲結構也沒有過多了解。這意味著它們不能查找地址或者執(zhí)行路徑計算。

非常規(guī)路由：由于一個納米網(wǎng)絡只有一個微網(wǎng)關，要路由批量數(shù)據(jù)就非常困難。一個可能的解決方案是結合非常規(guī)路由技術，比如移動容遲網(wǎng)絡，可以不失時機地利用裝備了移動設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)絡中每一個設備都能夠裝備一個收發(fā)器，當靠近傳感器時就可以用來接收從傳感器發(fā)來的信號。在分子納米網(wǎng)絡中，一個中間的微網(wǎng)關需要在向移動載體傳輸數(shù)據(jù)前先融匯采集數(shù)據(jù)。這種方法有點像在某一環(huán)境中移動時從傳感器采集數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)騾”。

系統(tǒng)管理：與無線傳感器網(wǎng)絡中間件類似，微網(wǎng)關系統(tǒng)管理模塊管理網(wǎng)關的內(nèi)部操作。除了資源和服務質量管理外，一個主要的功能就是自我認知。納米網(wǎng)絡所在的環(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＠?，流體運動可能會干擾分子擴散，水汽可能會影響電磁信號。

由于環(huán)境條件的原因， 網(wǎng)絡拓撲可能是隨機的、動態(tài)的。因此，網(wǎng)絡中的納米設備可能對網(wǎng)絡拓撲沒有必須的認知。兩種類型的納米網(wǎng)絡中，微網(wǎng)關和納米網(wǎng)絡之間都有著主從關系:只有微網(wǎng)關才有完整的關于網(wǎng)絡和環(huán)境的認知以及重新設置網(wǎng)絡行為的能力。要達到高度的自我認知，微網(wǎng)關必須能夠推導出與之鏈接的納米網(wǎng)絡的拓撲結構，評估環(huán)境條件(哪些可能會隨著時間改變)，確定并調(diào)整可能會影響消息傳輸可靠性的波動。

數(shù)據(jù)分析：傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)采集通常通過靜態(tài)樹實現(xiàn)。樹上的每一個節(jié)點將感知到的數(shù)據(jù)通過樹傳給根上的匯聚節(jié)點。然而，由于每一個微網(wǎng)關鏈接了很多的納米傳感器，這種方法可能會導致巨大的數(shù)據(jù)流量，尤其當感知是周期性的時候。因此，需要一種動態(tài)的數(shù)據(jù)采集樹以實現(xiàn)微網(wǎng)關之間的節(jié)點到節(jié)點的交互。

在分子和電磁納米網(wǎng)絡中，微網(wǎng)關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，納米設備之間的數(shù)據(jù)傳輸導致時序上的差異可能會使消息在到達匯聚點之前產(chǎn)生長時間的延遲。在分子納米網(wǎng)絡中，信息傳輸可能需要相當長的時間，尤其當查詢需要反饋的時候。在電磁納米網(wǎng)絡中，能量獲取是一個主要的限制，因為在達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)關中實現(xiàn)一種最優(yōu)時延的數(shù)據(jù)融合過程， 使得網(wǎng)關可以在沿著數(shù)據(jù)采集樹進一步傳輸之前處理所有的信息。

能量節(jié)約：微網(wǎng)關在和納米網(wǎng)絡鏈接的時候可能會迅速耗盡它們的能量。微網(wǎng)關和納米設備的動態(tài)時序同步使決定何時讓微網(wǎng)關進入睡眠狀態(tài)以節(jié)約能量成為可能。例如，在分子網(wǎng)絡中，如果大量的外部流體可能會延遲分子到達目的地，那么網(wǎng)關就可以進入睡眠狀態(tài)，并且在分子預計到達的時間喚醒。在電磁網(wǎng)絡中，微網(wǎng)關可以在納米設備獲取能量時進入睡眠狀態(tài)。

問題：納米物聯(lián)機中有危

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、服務組合及發(fā)現(xiàn)等相關的問題。

IoNT 能夠從各種數(shù)據(jù)源采集極細粒度(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算應用開發(fā)出眾多的上下文模型和推理技術,通過納米網(wǎng)絡采集到的各式各樣的數(shù)據(jù)就需要橫跨多個特定領域本體的跨域推理技術。

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制來保護,這些敏感數(shù)據(jù)可能包括個體詳細的化學和生物樣本。譬如, 分子納米網(wǎng)絡可能會收集到人類感染有害病毒的數(shù)據(jù),而這可能會揭示疾病的本質和嚴重性。必須有安全保護措施以確保這樣的數(shù)據(jù)不會落到壞人的手中。

服務也是 IoNT 的關鍵方面。目前面向服務的體系架構不足以處理納米網(wǎng)絡中各種各樣的大量數(shù)據(jù)。解決這個問題的一種方法就是將服務層分成應用層和數(shù)據(jù)采集層,每一層都包含集群服務組合和發(fā)現(xiàn)模型。

實戰(zhàn)：納米物聯(lián)的內(nèi)嵌與外延

納米網(wǎng)絡采集到的細粒度的數(shù)據(jù)使得 IoNT 有可能擴展現(xiàn)有的應用或者提供新的應用,以解決在IoT 中受到限制或者無法利用的問題。我們可以預期,在不久的將來,IoNT 應用將會出現(xiàn)在衛(wèi)生保健、環(huán)境和農(nóng)業(yè)監(jiān)測以及某些交叉領域中。

最明顯的 IoNT 應用就是使用聯(lián)網(wǎng)的在體納米傳感器來采集和監(jiān)測病人的重要生物活動，包括疾病過程。這些傳感器能夠提供準實時的數(shù)據(jù)給穿戴設備上的微網(wǎng)關，微網(wǎng)關再將數(shù)據(jù)傳送給病人的醫(yī)生。在體納米網(wǎng)絡還能夠分析體液和呼吸,并且執(zhí)行其他種類的醫(yī)學測試,省去病人去實驗室的麻煩。

另一個可能的應用是將納米傳感器放置在人口密度高的公共場所,比如醫(yī)院、機場、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)部門也可能會在幫助檢測農(nóng)作物和牲畜中的有毒細菌、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 能夠擴展到多個領域。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)條件對某些特定類型過敏人群的影響。

納米技術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)境中嵌入納米設備來支持終端用戶的計算上。IoNT 的愿景可以通過引入日常使用的納米設備之間,以及納米設備、微設備之間的新的通信模式，同時克服其他一些技術障礙來實現(xiàn)。開發(fā)一種真正無處不在的、 可以更好地服務于人類的計算環(huán)境的時機已經(jīng)成熟了。