電磁納米網絡由大量的尺寸在幾百納米到幾十微米的納米節(jié)點組成,通過太赫茲（Terahertz,THz）頻段（0.1-10 THz）進行節(jié)點間的通信,具有傳統(tǒng)宏觀無線傳感器網絡所不具備的潛能,在軍事、環(huán)境和生物等領域具有非常重要的應用前景。然而,由于納米節(jié)點的物理約束以及所采用太赫茲頻段的特性,導致現有的無線網絡技術無法適用于電磁納米網絡中。針對納米網絡中能量捕獲和資源短缺的節(jié)點硬件特性、高節(jié)點密度的網絡特性、以及高路徑衰減的太赫茲信道特性,研究電磁納米網絡的通信模型和跨層通信傳輸協(xié)議。提出的通信模型和方法既可以完善納米網絡的底層理論研究,又注重上層協(xié)議設計,將為納米網絡的實際應用奠定基礎,具有重要的理論意義和應用價值。基于現有的納米網絡中太赫茲信道衰減模型的基礎之上,1)構建高節(jié)點密度下太赫茲頻段多徑干擾和覆蓋模型;2)面向集中式和分布式網絡拓撲結構,基于時間擴散的開關鍵控調制（Time Spread On-Off Keys,TS-OOK）方式,研究基于時序接收驅動的納米網絡媒體訪問控制（Medium Access Control,MAC）層通信方法;3)結合人工智能算法,研究可以通過節(jié)... 

【文章來源】：浙江工業(yè)大學浙江省

【文章頁數】：143 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

納米醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)

電磁納米網絡通信模型及跨層MAC與路由協(xié)議研究7圖1-2總體研究技術框架Figure1-2.Theresearchframework具體的研究內容如下：（1）納米網絡中的干擾和覆蓋模型研究干擾和覆蓋性能的分析對分析納米網絡的性能和納米節(jié)點間連接質量至關重要。一方面，由于太赫茲頻段的高衰減和分子吸收的特性，使得相應的衰減模型與傳統(tǒng)的低頻段通信有很大的區(qū)別。另外，采用全向天線的納米節(jié)點的傳輸范圍十分有限，所以需要在納米控制器處使用波束成形的天線以保證納米節(jié)點產生的數據能夠準確被接收。另一方面，由于太赫茲頻段信號的波長很短，使得在低頻頻段被視為光滑的表面在太赫茲下顯得更加粗糙，導致太赫茲的多徑干擾效應無法被忽視，即非視距（Non-LineofSight，NLoS）的干擾需要被考慮。并且，太赫茲的高衰減和低衍射效應，使得太赫茲信號無法穿過障礙物，這使得相應的模型更加復雜。特別的是，現實中對網絡的應用場景往往都是3D的。因此，在進行納米網絡的干擾和覆蓋范圍分析時應結合以上特點，為納米網絡中節(jié)點和納米控制器的布置以及通信協(xié)議設計提供有力的理論依據。主要的研究內容包括：1.研究3D納米網絡模型和波束成形天線模型，提出納米網絡中的阻擋模型；2.針對太赫茲頻段的特性，采用隨機幾何方法，研究多徑干擾模型，對來自納米控制器的NLoS干擾和來自納米節(jié)點的可視（LineofSight，LoS）干擾和NLoS干擾進行建模；3.在納米網絡中太赫茲頻段的干擾模型基礎上，對采用波束成形技術的納米控制器的覆蓋范圍進行建模；4.仿真實驗與分析，研究不同參數下的網絡覆蓋性能。（2）納米網絡中媒體訪問控制協(xié)議研究由于納米節(jié)點尺寸的局限性，導致其運算能力和電池容量都十分有限。傳統(tǒng)的網絡中一般通過載波監(jiān)聽和握手的方式進行數據通信，節(jié)點通

電磁納米網絡通信模型及跨層MAC與路由協(xié)議研究13圖2-1納米節(jié)點硬件結構Figure2-1.Thehardwarestructureofnano-node等。當傳感單元感知到到某個事件時，他們會根據電流和電阻的變化將數據發(fā)送給處理單元，其精度和分辨率高于現有的傳感器。（2）處理單元：用于傳感器收集到的信息的初步處理，運行相關通信協(xié)議，保證納米節(jié)點正常工作。雖然傳統(tǒng)的硅晶體管解決方案是用于制造和商業(yè)化所有類型的電子器件的成熟技術，但由于晶體管尺寸和能耗的關系，導致其無法適用于納米節(jié)點中。目前，硅鍺（SiGe）技術、CNT和原子技術等都是納米處理器的主要研究方向[82,83]。其中使用CNT場效應晶體管技術，通過減小晶體管尺寸并提高其能量效率成為制作納米處理器中非常有前景的技術之一，其能耗比硅基晶體管低一個數量級[84]。（3）存儲單元：用于存儲采集到的數據和收到的別的納米節(jié)點的數據，存儲納米節(jié)點實現相關通信協(xié)議的代碼等。納米材料和新的制造工藝使得單原子納米存儲器成為可能，其中存儲1個比特信息只需要一個原子[2]。例如，在磁力存儲器中，原子可以通過磁力作用附著在存儲器表面上。目前，相關的技術仍然在研究中，但是很好地為納米存儲單元打下了基矗納米存儲器中可存儲的信息總量取決于納米器件的最大尺寸。（4）能量單元：用于為納米節(jié)點提供電力，除此之外還需要其能夠從環(huán)境中捕獲能量進行補充。目前，最有效的技術是基于氧化鋅的納米壓電發(fā)電機[85,86]，該系統(tǒng)可以從環(huán)境中將震動、壓力和其他形式的機械能轉換為電能。（5）通信單元：用于納米節(jié)點之間的通信。CNT和GNR被提出用于新型納米天線的開發(fā)[13,14,25]，其可以在納米級長度輻射太赫茲頻段（0.1-10THz）的電磁波，該頻率與石墨烯基射頻晶體管的工作頻率相符。此外，將不

【參考文獻】：
期刊論文
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[2]太赫茲波段石墨烯頻率可調貼片天線[J]. 原媛,謝亞楠,李鑫.  光學學報. 2018(02)
[3]基于石墨烯的太赫茲器件研究進展[J]. 馮偉,張戎,曹俊誠.  物理學報. 2015(22)
[4]無線納米傳感器網絡最小化能耗編碼方法[J]. 黃龍軍,王萬良,姚信威.  電子學報. 2015(11)
[5]無線納米傳感器網絡高吞吐量無沖突接入控制[J]. 池凱凱,林一民,李燕君.  計算機科學. 2015(S2)
[6]無線納米傳感器網絡低沖突低復雜度接入控制方法[J]. 池凱凱,祝維豪,林一民,程珍.  小型微型計算機系統(tǒng). 2015(11)
[7]太赫茲通信研究進展[J]. 楊文文,劉文朋.  北京聯合大學學報(自然科學版). 2015(04)
[8]基于石墨烯的太赫茲光電功能器件研究進展[J]. 蘇娟,成彬彬,鄧賢進.  太赫茲科學與電子信息學報. 2015(03)
[9]無線納米傳感器網絡高節(jié)能編碼方案[J]. 池凱凱,孫立,程珍,李燕君.  電子測量與儀器學報. 2015(06)
[10]連線[J].   能源. 2014(08)

博士論文
[1]無線納米傳感網節(jié)能編碼研究[D]. 黃龍軍.浙江工業(yè)大學 2016

碩士論文
[1]無線納米網中太赫茲通信建模[D]. 吳騰超.浙江工業(yè)大學 2015



本文編號：3555065