納米技術(shù)和生物技術(shù)的迅猛發(fā)展改變了人類醫(yī)療、通信等日常行為方式,這些技術(shù)在通信中的作用尤為明顯。由于傳統(tǒng)通信技術(shù)的收發(fā)器和其它組件尺寸、功耗不再適用于納米網(wǎng)絡(luò),納米機器之間的互連允許它們合作和共享信息,擴展了單個納米機器的功能,促進了分子通信這一新通信方式的誕生,分子通信使用分子代替電磁波或聲波編碼并傳輸信息,使人工參與的通信在復(fù)雜或特定環(huán)境中得以實現(xiàn),其在醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、國防等眾多領(lǐng)域存在極其巨大的應(yīng)用潛力。本文介紹了分子通信的基本概念、與傳統(tǒng)通信的對比,及其目前的研究成果,特別分析了現(xiàn)階段分子通信接收設(shè)備的物理實現(xiàn)辦法和其信息分子接收的基本反應(yīng)原理,并說明其技術(shù)難點與優(yōu)缺點。引入了不同反應(yīng)機理的生物模型,闡述了分子通信中信息分子與受體反應(yīng)機理的重要性,并給出了幾種分子通信的實驗平臺。本文利用現(xiàn)有三維點源通信網(wǎng)絡(luò)模型分析了可逆結(jié)合反應(yīng)的通信輸出特性,進一步分析了接收器表面受體面積大小對輸出的影響和系統(tǒng)配體受體濃度比等問題。同時將介質(zhì)空間均勻劃分,重新設(shè)計了分子通信網(wǎng)絡(luò),在正結(jié)合速率、正反應(yīng)速率和生物膜等方面分析了不同受體反應(yīng)機理對通信結(jié)果的影響,最后給出了一種新的反應(yīng)機理,為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)模... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖2.2分子通信在納米醫(yī)學(xué)及生物納米物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分子通信在生物納米物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)與在生物醫(yī)學(xué)方面，圖2.2顯示

究人員具有吸引力。在MC方面，神經(jīng)元是獨特的，因為它們能夠通過將信息從一個神經(jīng)元發(fā)送到另一個神經(jīng)元并最終傳遞到肌肉和器官來將信息從大腦傳遞到整個身體。由于每個離子電荷的差異，每個神經(jīng)元都會在細胞內(nèi)保持電壓梯度，因為細胞內(nèi)的鉀離子，鈉離子，氯離子和鈣離子不同。通過電壓的顯著變化，產(chǎn)生稱為動作電位的電化學(xué)脈沖，其可以被計算并顯示為波。該脈沖沿著細胞的軸突快速移動，并通過特定的連接轉(zhuǎn)移到相鄰的神經(jīng)元，稱為突觸，通過樹突接收它。突觸是復(fù)雜且微小的膜間隙或連接，其通過神經(jīng)遞質(zhì)的擴散來促進轉(zhuǎn)運。圖2.8顯示基于神經(jīng)元的分子通信。基于神經(jīng)元的MC研究不僅停留在接收方式上，也提出了用于神經(jīng)尖峰通信的物理信道模型。目前所研究的基于神經(jīng)元的MC現(xiàn)實模型可以用作神經(jīng)尖峰通信的新型生物啟發(fā)接收器和檢查神經(jīng)疾病的醫(yī)學(xué)治療。因此對于納米級實體之間的信息傳播，神經(jīng)元通信最近已被確定為納米網(wǎng)絡(luò)的潛在候選者。希望未來基于神經(jīng)元的MC不僅僅是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面，也可以對MC的其他接收方式的物理實現(xiàn)起到啟發(fā)和推進作用，并能夠有應(yīng)用到傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的能力。++++++++++++------------興奮電位神經(jīng)元軸突突觸前神經(jīng)元突觸后神經(jīng)元神經(jīng)遞質(zhì)突觸間隙脈沖產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)釋放神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)遞質(zhì)擴散神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合尖峰采樣發(fā)射器信道接收器圖2.8基于神經(jīng)元的分子通信2.3.4氧化還原反應(yīng)分子通信收發(fā)信息設(shè)備在物理實現(xiàn)技術(shù)上的困難制約著MC巨大潛力的發(fā)揮。通過測量還原-氧化（氧化還原）反應(yīng)的電子流動為分子通信實現(xiàn)提供了一條新的道路。氧化還原反應(yīng)基本上是電子流動，氧化還原不僅具有電子模態(tài)的特征，但還具有分子形式的特征，因為電子不是“裸露的”，而是

第3章可逆結(jié)合反應(yīng)分子通信19圖3.2展示了配體受體進行可逆結(jié)合反應(yīng)的主要過程，圖中藍色分子表示為配體分子，即信息分子，當其擴散到細胞表面時，與表面未接收其他信息分子的受體結(jié)合，此時，受體分子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（也稱為配體-受體復(fù)合物分子），并且不能再與其他信息分子結(jié)合，如圖中粉色受體分子所示；當激發(fā)態(tài)受體分子進行逆反應(yīng)時，如圖中第三個受體分子所示，此時信息分子離開受體，受體分子還原為初始狀態(tài)，可以再次接收信息分子。圖3.2配體受體可逆結(jié)合反應(yīng)過程圖3.1中，假設(shè)發(fā)送器使用一種特定類型的分子，表示為A分子，通過A分子將信息發(fā)送到接收器表面。因此，將信息分子稱為A分子。信息分子以恒定的擴散系數(shù)D在環(huán)境中擴散到所有方向，假設(shè)不同信息分子的擴散過程彼此獨立，進一步假設(shè)，A分子可以通過以下形式的反應(yīng)機理在整個環(huán)境中降解：dkA（3-5）其中，kd是A分子的降解反應(yīng)常數(shù)，是受體無法識別的一種分子。此過程在生物體內(nèi)可能進行一系列反應(yīng)，此處，只用一個表達式表示。由于主要分析可逆結(jié)合過程，同時分子降解過程消耗的分子數(shù)量有限，所以此過程忽略不計，假設(shè)空間中分子總數(shù)不變。由發(fā)射器釋放的一些A分子通過自由擴散到達接收器表面并與B分子發(fā)生可逆反應(yīng)形成激發(fā)態(tài)的受體分子，用C表示，其表達式如下[38]：kkABC（3-6）其中k+和k-分別是分子可逆結(jié)合過程中的正向反應(yīng)速率和逆向反應(yīng)速率。實際上，一旦配體與受體結(jié)合，不僅是受體會變成激發(fā)態(tài)，其不同的細胞也會因表面受體通過不同的信號傳導(dǎo)途徑在細胞內(nèi)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。在基于可逆結(jié)合的分子通信過程中，忽略激發(fā)態(tài)受體產(chǎn)生的特定信號對細胞本身的影響，只考慮分子C的形成表明接收器接收到了信號，其可用于檢測發(fā)射器發(fā)送的信息。

【參考文獻】：
期刊論文
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[4]改進的τ-leap算法在生化反應(yīng)系統(tǒng)隨機模擬中的應(yīng)用[J]. 劉煥,彭新俊,周文,王翼飛.  應(yīng)用科學(xué)學(xué)報. 2009(03)

碩士論文
[1]基于擴散信道的分子通信系統(tǒng)模型研究[D]. 盧鵬飛.陜西師范大學(xué) 2016
[2]基于化學(xué)信號的分子通信原型系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 尤楊.陜西師范大學(xué) 2015



本文編號：3543139