分子通信(Molecular Communication,MC),是一種利用生物或化學(xué)信號(hào)在微觀通信實(shí)體之間進(jìn)行信息交換的技術(shù)。分子通信的信號(hào)載體通常是納米尺度下的生物、化學(xué)分子或是人造納米機(jī)器,多個(gè)微觀通信實(shí)體之間使用上述信號(hào)載體的通信方式可以實(shí)現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)。納米網(wǎng)絡(luò)有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一些應(yīng)用,例如藥物定向投遞,就可以通過(guò)納米網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn),這對(duì)納米網(wǎng)絡(luò)中的納米機(jī)器提出了能夠定向通信的要求。由于分子通信系統(tǒng)中的信道常常是擴(kuò)散和漂移信道,并且信息載體通常具有隨機(jī)移動(dòng)的特性,這一要求往往難以滿足。定向通信機(jī)制是諸多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一,本文針對(duì)分子通信中的不同的定向通信機(jī)制進(jìn)行了研究,取得了一定的研究成果,同時(shí)也針對(duì)宏觀尺度下的物理仿真平臺(tái)進(jìn)行了完善。本文的主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:1.在前人工作基礎(chǔ)上研究了基于趨化效應(yīng)的多跳中繼策略,分析此策略的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。此策略使用中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大目標(biāo)的影響范圍,在更短的時(shí)間內(nèi)使更多的納米機(jī)能夠檢測(cè)到目標(biāo),解決了目標(biāo)檢測(cè)應(yīng)用中檢測(cè)速度慢、檢測(cè)率低的問(wèn)題。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了它的有效性并分析了它的不足之處。2.提出了基于納米機(jī)通信... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1分子通信系統(tǒng)模型

，以及一些細(xì)菌、微生物基于趨化效應(yīng)的的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。趨化效應(yīng)在分子通信中被廣泛研究和應(yīng)用，也是實(shí)現(xiàn)分子定向通信的手段之一。趨化效應(yīng)（Chemotaxis）是生物對(duì)外界環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)刺激所產(chǎn)生的趨向性反應(yīng)。指體細(xì)胞、細(xì)菌及其他單細(xì)胞、多細(xì)胞生物依據(jù)環(huán)境中某些化學(xué)物質(zhì)而趨向的運(yùn)動(dòng)，趨化效應(yīng)對(duì)于細(xì)菌和微生物尋找能量源(如葡萄糖)分重要，細(xì)菌傾向于向利于自身生存的環(huán)境移動(dòng)，或遠(yuǎn)離有害自身的地方。趨化性對(duì)多細(xì)胞生物和其他正常功能一樣不可或缺。正趨化性指趨向較高化學(xué)物質(zhì)濃度的運(yùn)動(dòng)，而負(fù)趨化性則相反[50]，如圖2-1。圖2-1趨化效應(yīng)趨化性是最基本的細(xì)胞生理反應(yīng)之一。環(huán)境中對(duì)有害及有益物質(zhì)做探測(cè)的感受系統(tǒng)在生命演化初期，對(duì)單細(xì)胞生物來(lái)說(shuō)已經(jīng)是不可或缺的了。對(duì)真核原生動(dòng)物梨形四膜蟲(chóng)和原始海中出現(xiàn)的氨基酸序列做比較分析，會(huì)讓人覺(jué)得在相對(duì)簡(jiǎn)單的有機(jī)分子上的趨化效應(yīng)和地球上的生命演化發(fā)展之間有不錯(cuò)的關(guān)連性。比如，最早期的分子被認(rèn)為是具高度的趨化性的氨基酸，而較后期的則被認(rèn)為是有高度排化性的氨基酸[5]。趨化性質(zhì)不僅僅存在于細(xì)胞層面的微觀環(huán)境，宏觀環(huán)境中的昆蟲(chóng)對(duì)一定的化學(xué)物質(zhì)也能產(chǎn)生反應(yīng)，在覓食、求偶等方面表現(xiàn)明顯。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也會(huì)利用趨化性防治、測(cè)報(bào)害蟲(chóng)，如利用糖醋毒液誘殺粘蟲(chóng)等。利用性引誘劑誘殺異性害蟲(chóng)，也是利用趨化性的在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用之一。下面介紹不同微生物的趨化原理。體積小的原核生物，如細(xì)菌，它趨化機(jī)制是通過(guò)將現(xiàn)在所感受到的化學(xué)物質(zhì)濃度和一段時(shí)間之前的化學(xué)物質(zhì)濃度坐對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它無(wú)法感受自身的不同方向的化學(xué)濃度差異，通過(guò)時(shí)間先后順序上的濃度對(duì)比，來(lái)選擇繼續(xù)前進(jìn)或是改變前進(jìn)方向。而大一點(diǎn)的真核細(xì)胞能夠感知自身13

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文不同方向上的化學(xué)物質(zhì)濃度差異，這是因?yàn)檫@些細(xì)胞的表面在不同的位置嵌入了很多受體，受體可以感知一些化學(xué)物質(zhì)的濃度。因此它就能夠利用不同受體感知到的濃度差異來(lái)實(shí)現(xiàn)趨化機(jī)制。從而引導(dǎo)真核細(xì)胞向引誘劑遷移，或遠(yuǎn)離有害物質(zhì)。簡(jiǎn)而言之，真核細(xì)胞的細(xì)胞膜表面的受體可以感受到各向異性。細(xì)菌的趨化機(jī)制與真核細(xì)胞的的趨化機(jī)制大不相同[51]，以大腸桿菌為例子。大腸桿菌的表面通常4到10個(gè)鞭毛，如圖2-2所示，它們通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)鞭毛來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的能力。這些鞭毛是大腸桿菌運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，當(dāng)鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些鞭毛在大腸桿菌的“身體”周圍分散開(kāi)，每一跟鞭毛的方向都是隨機(jī)的，在鞭毛的作用下大腸桿菌的運(yùn)動(dòng)方向也能不斷發(fā)生隨機(jī)變化，造成就結(jié)果就是隨機(jī)改變運(yùn)動(dòng)方向。而當(dāng)大腸桿菌的鞭毛逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，它們便可以擰成一束，此時(shí)這一束像螺旋槳一樣不斷得旋轉(zhuǎn)，使得大腸桿菌朝著一個(gè)方向不停運(yùn)動(dòng)。環(huán)境中是否存在著引誘物質(zhì)將影響大腸桿菌鞭毛的旋轉(zhuǎn)方向，沒(méi)有引誘物質(zhì)時(shí)大腸桿菌在環(huán)境中隨機(jī)游走，存在引誘物質(zhì)時(shí)，大腸桿菌根據(jù)生物的記憶機(jī)制，不斷超引誘物質(zhì)濃度高的方向運(yùn)動(dòng)，若環(huán)境中存在這有害物質(zhì)，大腸桿菌則快速逃離有害環(huán)境[52]。細(xì)菌在沒(méi)有化學(xué)引誘物質(zhì)的環(huán)境中進(jìn)行隨機(jī)游走，方向的選擇是隨機(jī)的，在有引誘物質(zhì)的環(huán)境中，雖然在進(jìn)行一段行走后會(huì)重新選擇前進(jìn)方向，但是這種選擇和前一時(shí)刻的前進(jìn)方向相關(guān)，具體的表現(xiàn)就是一種“具有偏向性”的隨機(jī)游走，因此對(duì)于微生物在化學(xué)引誘物質(zhì)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)模型可以利用具有偏向性的隨機(jī)游走來(lái)進(jìn)行建模。圖2-2大腸桿菌當(dāng)大腸桿菌受到刺激時(shí)，它的甲基趨化受體蛋白(Methyl-acceptingChemotaxisProtein,MCP)來(lái)接收信號(hào)，一系列的生物化學(xué)反應(yīng)完成后，達(dá)到控制鞭毛順

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]基于擴(kuò)散的分子通信中可靠接收技術(shù)研究[D]. 翟浩洋.電子科技大學(xué) 2019
[2]納米網(wǎng)絡(luò)中基于趨化效應(yīng)的分子定向通信控制技術(shù)研究[D]. 楊鯉婷.電子科技大學(xué) 2019



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