Přeložený abstrakt a úvod studie Design of Wireless Nanosensor Networks for Intrabody Application (2015).
Abstrakt
Nově vznikající nanotechnologie mají velký potenciál změnit lidskou společnost. Zařízení v nanorozměrech je možné zapojit do internetu. Toto nové komunikační paradigma, označované jako Internet nanotvarů (IoNT), vyžaduje spojení mezi zařízeními v nanorozměrech na velmi krátké vzdálenosti. IoNT přináší mnoho výzev k jeho realizaci. Současné síťové protokoly a techniky nelze přímo použít pro komunikaci s nanosenzory. Vzhledem k velmi omezeným schopnostem nanozařízení musí mít zařízení jednoduchou komunikaci a jednoduchý mechanismus sdílení média, aby bylo možné efektivně sbírat data z nanosenzorů. Nanosenzory mohou být navíc umístěny v orgánech lidského těla a mohou produkovat velké množství dat. V tomto procesu by měl být přenos dat z nanosenzorů do brány řízen z hlediska energetické účinnosti. V tomto článku navrhujeme bezdrátovou síť nanosenzorů (WNSN) v nanoměřítku, která by byla užitečná pro detekci nemocí uvnitř těla. Navrhovaný koncepční model sítě je založen na protokolu OOK (On-Off Keying) a rámci TDMA. Model předpokládá šestiúhelníkové nanosenzory na bázi buněk rozmístěné v 3D šestiúhelníkovém poli válcového tvaru. V tomto článku také uvádíme analýzu účinnosti přenosu dat pro různé kombinace přenosových metod využívající hybridní, přímé a multi-hop metody.
1. Úvod
Zařízení v nanorozměrech vyžadují nové komunikační paradigma; provádějí jednoduché úkoly, sdílejí shromážděná data a dosahují nebývalého počtu míst prostřednictvím internetu. Toto nové síťové paradigma se nazývá IoNT [1]. V rámci IoNT byla navržena nová síťová architektura, která by vyhovovala dvěma potenciálním aplikacím: propojení nanorozměrných zařízení a propojení kanceláří. Naše výzkumná práce se zaměřuje na vnitroorganizační komunikaci pro poskytovatele zdravotní péče s cílem vyvinout architekturu síťového systému pro realizaci aplikací IoNT. Lidské tělo se skládá z téměř 80 orgánů. Zde mohou být do orgánů implantovány nanosenzory, které detekují určitý symptom nebo virus a předávají data ze snímání do nanorouteru. Nanorouter může shromažďovat data z nanosenzorů. Nanorouter pak může shromážděná data odeslat do vnější části těla.
Bezdrátová komunikace uvnitř těla naráží na určité obtíže, které se v běžných podmínkách šíření nevyskytují, protože lidské tělo obsahuje velké množství vody. Nejprve byl zkoumán model ztrát na cestě uvnitř těla pro homogenní lidské tkáně v závislosti na různých parametrech v pásmu 2,45 GHz [2]. Kromě toho se také diskutuje o tom, že terahertzové (THz) pásmo může být potenciálním řešením pro provoz budoucích elektromagnetických (EM) nanosenzorů [3]. Související studie navíc ukazují, že ztráty na cestě v lidských tkáních na velmi krátké vzdálenosti (několik milimetrů) nejsou významné pro dobré zvládnutí komunikace mezi nanosenzory ve frekvenčním pásmu THz [4, 5]. Nedávno provedená numerická analýza šíření EM vln v lidském těle vysvětluje, že použití EM paradigmatu je ve srovnání s molekulárním komunikačním kanálem výhodnější, protože útlum molekulárního kanálu je z hlediska ztráty cesty v závislosti na vzdálenosti podstatně vyšší než situace při použití THz EM mechanismu [6]. Na druhé straně se předpokládá, že nanosenzor vybavený nanopatch anténami na bázi grafenu umožní realizovat nanoEM komunikaci [3].
Nanosíťování je rozvíjející se obor, který komunikuje mezi nanostroji a rozšiřuje možnosti jednoho nanostroje. Kromě toho může být WNSN v nanorozměrech užitečná pro detekci nemocí uvnitř těla. Například nanosenzory nasazené ve WNSN, vybavené nanopatchovými anténami na bázi grafenu [3], mohou detekovat příznaky nebo virus pomocí molekul [7] nebo chování bakterií [8]. Velký povrch a vynikající elektrická vodivost grafenu totiž umožňují rychlý přenos elektronů, který usnadňuje přesnou a selektivní detekci biomolekul. Podle Kuila a spol. umožňuje pokrok v oblasti biosenzorů na bázi grafenu jeho použití pro detekci glukózy, Cyt-c (cytochrom-c), NADH (hydrid nikotinamidadenindinukleotidu), Hb (hemoglobinu), cholesterolu, AA (aminokyseliny), UA (kyseliny močové) a DA (kyseliny diaminové) [9].
Nanosenzory mají obecně velmi omezené množství energie v bateriích a není snadné je vyměnit nebo dobít. Pokud se v aplikacích IoNT předpokládají systémy sklízení energie, mohly by být energetické zdroje nanosenzorů po určitou dobu zachovány. To proto, že generátor energie v nanorozměrech by mohl převádět mechanický pohyb, vibrační pohyb nebo hydraulickou energii na energii elektrickou [10]. Jejich realizace však není snadná. Proto hraje metoda přenosu dat důležitou roli při optimalizaci spotřeby energie [11]. Kromě toho je přenos dat jedním z důležitých faktorů pro realizaci efektivních aplikací IoNT vzhledem k velkému objemu dat produkovaných nanosenzory [12].
Například Pierobon a kol. navrhli rámec směrování a přenosu dat pro optimalizaci využití sklizené energie pomocí algoritmu rozhodování s více skoky [13]. V tomto přístupu nanorouter rozhoduje o přenosu snímaných dat pro nanosenzor pomocí přímého nebo multi-hop přenosu na základě odhadované vzdálenosti mezi nanorouterem a nanosenzorem [13]. Tento rámec se řídí typickým plánováním vícenásobného přístupu s časovým dělením (TDMA) s využitím downlinku (DL), uplinku (UL), multihopu (MH) a náhodného přístupu (RA). Vzhledem k velmi omezeným schopnostem nanozařízení však musí mít zařízení jednoduchou komunikaci a jednoduchý mechanismus sdílení média. Z tohoto důvodu je naše výzkumná práce založena na protokolu OOK a rámci založeném na TDMA pro efektivní sběr dat [11, 13].
Kromě toho pro různé kombinace přenosových metod studujeme také analýzu účinnosti přenosu dat pro výběr té nejlepší, která se přizpůsobuje navrhovanému modelu sítě. Zde poznamenejme, že vytváříme model rozptylu energie založený na modelu ztrát na cestě Jorneta a Akyildize [14, 15] a také analyzujeme komunikaci z jednoho i z více míst. Ve skutečnosti [13] odhalil, že energeticky uvědomělý směrovací rámec s kombinací metod přímého a více-hop přenosu může prodloužit životnost sítě.
Tento článek se zabývá návrhem sítě WNSN v nanoměřítku, která má být použita pro detekci vnitrotělních onemocnění jako aplikace IoNT. Navržený model předpokládá šestibuněčné nanosenzory na bázi hexagonálních buněk rozmístěné v 3D šestibuněčném pólu válcovitého tvaru. Šestihranný model buňky zde představuje každou buňku, která je nejmenší živou jednotkou orgánů. Všimněte si, že navrhovaný model předpokládá nanosenzory na bázi hexagonálních buněk, protože nanopatch antény jsou na bázi grafenu v krystalové mřížce voštinového tvaru.
Pro návrh tohoto modelu nejprve vysvětlíme architekturu sítě pro navrhovaný model aplikace IoNT a popíšeme odpovídající model válcového těla pomocí 3D šestihranného pólu. Za druhé, pro předpokládaný orgán lidského těla uvádíme odvození ideálního počtu hexagonálních buněk a délky hrany v poměru k potřebnému počtu prstenců v horizontálním směru; a poté popisujeme srovnávací analýzu energetické účinnosti, v procesu přenosu dat, která ukazuje, že výběr metody přenosu dat hraje důležitou roli při optimalizaci spotřeby energie. Tato srovnávací analýza je provedena pro různé kombinace metod přenosu dat využívající hybridní, přímou a multi-hop metodu.
V následující části vysvětlíme koncepci fyzické vrstvy a vrstvy MAC pro námi navrhovaný model WNSN pro předpokládanou aplikaci IoNT. V souladu s tím je v oddíle 3 popsán model nasazení nanosenzorů a schéma spotřeby energie. V oddíle 4 uvádíme modelování různých kombinací přenosových metod a navrhujeme rovnice jejich rozptylu energie. V oddíle 5 je popsán koncepční návrh WNSN pro vnitrotělové použití a uvedeny výsledky simulací a srovnávací analýza účinnosti přenosu dat, po nichž následuje závěr a budoucí práce v oddíle 6.
