分子通信最新研究進(jìn)展綜述

林 林，黃 莉，孔 磊，劉富強(qiáng)，閆 浩

（1. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；3. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

1 引言

過去幾十年，通信技術(shù)的迅猛發(fā)展解決了人們對于通信的大量需求. 當(dāng)前的5G技術(shù)更是給人們帶來了高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低延時的全新通信體驗(yàn). 不僅如此，5G技術(shù)還將應(yīng)用場景擴(kuò)大到了萬物互聯(lián)，比如智能家居、智能車聯(lián)、智慧城市等，這將給人類的生活帶來巨大變化. 6G在5G 的基礎(chǔ)上，將潛在應(yīng)用場景進(jìn)一步擴(kuò)大到“空天地?！?，幾乎涵蓋了人類所能達(dá)到的所有地方［1～6］.

另外，納米技術(shù)的發(fā)展使人類有能力制造出微納米尺度的器件，這些器件可以在人體內(nèi)或其他微小尺度場景進(jìn)行環(huán)境感知和操作. 科學(xué)家們希望將這些微納米器件通過信息交換進(jìn)行互聯(lián)，組成納米網(wǎng)絡(luò)（nanonetworks），以便在微小尺度環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù). 從通信角度來看，納米通信場景是由納米技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展帶來的全新通信場景［7，8］.

盡管傳統(tǒng)通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，但是將其應(yīng)用到納米通信場景中存在許多困難. 例如，電磁波通信器件很難做到微納米尺度且在人體內(nèi)生物兼容性不好；電磁波在水環(huán)境中衰減嚴(yán)重等［9～11］. 這些困難促使研究人員尋找適用于微納米尺度環(huán)境的納米通信方案.

研究人員注意到，自然界中早已存在納米通信場景，比如細(xì)胞間的通信、細(xì)菌間的通信等. 在這些通信場景中，通信雙方利用化學(xué)分子傳輸信息. 受這些通信場景啟發(fā)，Suda 等人［12］在2005 年首次提出了分子通信（molecular communication）的概念，使用分子作為信息載體，用以實(shí)現(xiàn)納米通信. 后來，分子通信領(lǐng)域的研究人員將利用微小粒子作為信息載體的通信機(jī)制統(tǒng)稱為分子通信.

分子通信的概念一經(jīng)提出就受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外眾多學(xué)術(shù)界頂尖學(xué)者和大型公司紛紛加入對分子通信的研究，如佐治亞理工大學(xué)Aky?ildiz 教授的團(tuán)隊(duì)、德國埃爾朗根紐倫堡大學(xué)Schober 教授的團(tuán)隊(duì)等. IEEE 在2011 年成立了分子通信工作組P1906.1，在2019 年正式成立了分子、生物多尺度通信（molecular，biological and multi-scale communication）技術(shù)委員會（https：//mbmc.committees.comsoc.org/）. 因?yàn)榉肿油ㄐ判枰诤霞{米技術(shù)、生物技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種技術(shù)，所以，在這個新領(lǐng)域有非常多的未知知識亟待探索. 并且，由于分子通信與電磁波通信在物理設(shè)備、傳播方式等許多方面有很大不同，因此，研究人員有必要重新定義和研究分子通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)中從物理層到應(yīng)用層的通信機(jī)制與傳輸協(xié)議.

大量研究人員的加入使得分子通信發(fā)展迅猛. 目前，分子通信理論已經(jīng)被廣泛研究，相關(guān)實(shí)驗(yàn)也取得了初步進(jìn)展，文獻(xiàn)［9，13～26］從不同角度對分子通信研究進(jìn)行了綜述. 盡管如此，構(gòu)建實(shí)際的分子通信系統(tǒng)還有大量問題亟須解決. 為促進(jìn)分子通信領(lǐng)域更好發(fā)展，有必要對分子通信領(lǐng)域的基本概念與最新研究進(jìn)展進(jìn)行一次全面的梳理，理清發(fā)展脈絡(luò)，以便更好地掌握相關(guān)知識，把握未來的發(fā)展方向. 基于這一目的，本文對基于擴(kuò)散的分子通信的基本概念和研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研和闡述，包括信道模型、信號的編碼調(diào)制機(jī)制以及接收機(jī)制；此外，還介紹了分子通信系統(tǒng)的同步機(jī)制、移動分子通信系統(tǒng)，以及分子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展；最后對分子通信待解決的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行討論，并對其未來的研究方向進(jìn)行展望.

2 分子通信系統(tǒng)

與電磁波通信系統(tǒng)類似，分子通信系統(tǒng)也由發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)3 個部分組成，如圖1 所示. 發(fā)射機(jī)將信源信息進(jìn)行編碼/調(diào)制，然后生成并釋放對應(yīng)的信號粒子；信號粒子經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端，接收機(jī)對環(huán)境中的信號粒子進(jìn)行識別和檢測，然后進(jìn)行解碼和解調(diào)，恢復(fù)發(fā)射機(jī)傳輸?shù)男畔?

圖1 通信系統(tǒng)模型

分子通信系統(tǒng)與電磁波通信系統(tǒng)也存在不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個方面.

2.1 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)

與電磁波通信相比，分子通信系統(tǒng)在微小尺度環(huán)境中的部署不受收發(fā)設(shè)備尺寸限制. 在電磁波通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的天線尺寸與電磁波信號波長存在比例關(guān)系，即天線尺寸越小，電磁波信號頻率越高，波長越短，傳播過程中損耗越大. 如果需要在微小尺度環(huán)境中部署通信系統(tǒng)，比如說人體內(nèi)，在一定頻率范圍內(nèi)，電磁波通信系統(tǒng)對天線尺寸的需求將會給系統(tǒng)的部署帶來很大的困難. 而分子通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)可由微尺度或納米尺度設(shè)備構(gòu)成，因此，在小尺度環(huán)境中的部署不受收發(fā)設(shè)備尺寸限制.

目前，分子通信系統(tǒng)中的微納米發(fā)射機(jī)與接收機(jī)主要考慮由基于納米材料或基于生物學(xué)的方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).

對于發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，基于納米材料的設(shè)計(jì)方法主要包括：（a）電刺激薄膜水凝膠法，利用電刺激薄膜水凝膠可實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)對信號粒子的調(diào)制釋放［27］；（b）納米多孔石墨烯膜法，使用具有生物相容性［28］和分子選擇性［29］的納米多孔石墨烯膜可實(shí)現(xiàn)防止信號泄露的發(fā)射機(jī)［30］；（c）微流體液滴法，考慮到微流體液滴技術(shù)用于通信的可行性［31］、微流控芯片的生物相容性［32］，可利用微流體液滴技術(shù)來設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)［24］. 而基于生物學(xué)的設(shè)計(jì)方法則主要考慮使用可通過細(xì)菌結(jié)合交換質(zhì)粒DNA的基因工程細(xì)菌［33～35］、可產(chǎn)生并排泄病毒（用于傳輸DNA/RNA）的人造細(xì)胞［36～38］來設(shè)計(jì)具有釋放DNA/RNA分子的發(fā)射機(jī). 此外，還可以利用基于納米材料與生物學(xué)的混合方法來設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī). 比如，將大腸桿菌附著在水凝膠上，當(dāng)光刺激細(xì)菌時，細(xì)菌將釋放信號粒子；水凝膠可以限制細(xì)菌的移動，卻不影響信號粒子的移動，這就形成了可釋放信號粒子的水凝膠基質(zhì)菌株發(fā)射機(jī)［39，40］.

對于接收機(jī)設(shè)計(jì)，基于納米材料的方法主要考慮應(yīng)用基于親和性的傳感器件——納米級生物場效應(yīng)晶體管［41，42］檢測環(huán)境中的分子；基于生物學(xué)的方法則主要考慮利用合成生物學(xué)的方法，修改細(xì)胞中的基因回路或創(chuàng)建新的合成回路來改造細(xì)胞內(nèi)的生物網(wǎng)絡(luò)，形成具有分子傳感、接收和處理功能的分子通信接收機(jī)［43］.

2.2 信道

電磁波通信信道通常為自由空間，而分子通信信道是信號粒子可以自由傳播的液體或氣體環(huán)境. 在分子通信系統(tǒng)中，信號粒子可以通過多種傳輸機(jī)制在信道中傳播，包括擴(kuò)散［44～47］、間隙連接［48～50］、分子馬達(dá)［51］和細(xì)菌馬達(dá)［33，34，52，53］等. 其中，擴(kuò)散是小顆粒在流體或氣體介質(zhì)中由于與其他顆粒碰撞而進(jìn)行的隨機(jī)運(yùn)動，是自然界中最主要的傳播機(jī)制之一. 間隙連接是相鄰細(xì)胞之間的一種通訊形式，信號粒子可以穿過連接相鄰細(xì)胞質(zhì)溶膠的小通道，從一個細(xì)胞進(jìn)入另一個細(xì)胞.鈣信號傳導(dǎo)就是相鄰細(xì)胞通過間隙連接傳輸信號的一個實(shí)例，相鄰細(xì)胞可利用該信號調(diào)節(jié)大量細(xì)胞過程，例如哺乳動物細(xì)胞的受精、增殖和死亡. 分子馬達(dá)傳輸是指利用肌動蛋白或微管細(xì)絲實(shí)現(xiàn)大信號分子的主動運(yùn)輸［54］，這種類型的傳輸機(jī)制主要用于細(xì)胞器之間的通訊［51］. 細(xì)菌馬達(dá)傳輸是另一種主動運(yùn)輸機(jī)制，例如，細(xì)菌可以轉(zhuǎn)動它的鞭毛，驅(qū)動其沿特定方向移動.

環(huán)境中的溫度、酶、PH 值等均有可能對信號粒子的物理或化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響粒子的傳播，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的通信可靠性.

2.3 信息載體

在電磁波通信系統(tǒng)中，信息載體是以光速在環(huán)境中傳播的電磁波. 而分子通信系統(tǒng)的信息載體是納米或者微米級粒子；并且，粒子種類不唯一，粒子傳播速度由環(huán)境以及粒子自身特性決定. 一些可以作為信息載體的物質(zhì)如下.

（1）蛋白質(zhì). 蛋白質(zhì)是生命體的基本組成成分，在多種生命活動中擔(dān)任信使，這種生物特性使得以基因工程細(xì)菌為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，以蛋白質(zhì)為信息載體的系統(tǒng)成為極具潛力的分子通信系統(tǒng)架構(gòu).

（2）核酸. 核酸包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）. 在自然界中，RNA/DNA 可作為遺傳信息的載體；RNA 還可作為細(xì)胞間的通訊信使，催化生物反應(yīng). 受此啟發(fā)，研究人員意識到可以利用基因編程技術(shù)使DNA/RNA 攜帶信息，用作分子通信的信息載體［26～28］，例如，將信息編碼到細(xì)菌的質(zhì)粒DNA 分子中，通過細(xì)菌結(jié)合時的質(zhì)粒交換過程，實(shí)現(xiàn)信息的多跳傳輸［26］.

（3）元素離子. 在生命系統(tǒng)中，Na+，K+和Ca2+等元素離子參與了許多生命活動進(jìn)程. 例如，Ca2+可作為細(xì)胞內(nèi)次級信使參與細(xì)胞的胞吐、凋亡和轉(zhuǎn)錄等. 考慮到離子可作為信使這一特性，在文獻(xiàn)［55～58］中，以Ca2+離子波為信息載體的分子通信系統(tǒng)被研究和討論.

（4）神經(jīng)遞質(zhì). 神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元細(xì)胞之間進(jìn)行信息傳遞的信息載體. 近年來，神經(jīng)接口的相關(guān)研究引起了廣泛關(guān)注，包括神經(jīng)修復(fù)技術(shù)、脊髓治療等. 神經(jīng)遞質(zhì)有望成為人造神經(jīng)鏈路與生物體神經(jīng)鏈路接口處的信息載體.

（5）激素. 激素是生物體的內(nèi)分泌腺或內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生的可作為信使傳遞信息、調(diào)節(jié)內(nèi)分泌生理過程的化學(xué)物質(zhì)，在協(xié)調(diào)新陳代謝、生長發(fā)育等生理過程方面具有重要作用. 受激素的信使功能啟發(fā)，研究人員開展了以激素為信息載體的分子通信研究［59，60］.

（6）信息素. 信息素（也被稱為外激素）是個體分泌到體外，實(shí)現(xiàn)與其他同物種個體之間信息交流的化學(xué)物質(zhì). 螞蟻、蜜蜂和許多哺乳動物使用信息素與同一物種的成員進(jìn)行交流，例如，蝴蝶可以使用信息素進(jìn)行長距離通信，其中信息的傳輸距離可以達(dá)到幾公里的范圍［61］. 信息素的生物特性使其成為分子通信研究人員設(shè)計(jì)長距離分子通信系統(tǒng)時重點(diǎn)考慮的信息載體［7，62，63］.

（7）其他. 除了以上提及的幾種信號粒子外，還有其他類型的粒子被提出用作分子通信的信息載體. 例如有機(jī)氫氟碳化合物［64］、治療性納米顆粒［65］和合成藥物［66］等.

總的來說，與電磁波通信相比，分子通信在小尺度環(huán)境中更具部署優(yōu)勢；并且，分子通信應(yīng)用的信息載體在生物體內(nèi)具有與體內(nèi)細(xì)胞或組織交互的潛力，更具生物相容性. 因此，分子通信在構(gòu)建體內(nèi)通信系統(tǒng)方面更具潛力，在醫(yī)療領(lǐng)域的疾病診斷和治療［67～70］、藥物遞送［71～80］、建立人工免疫系統(tǒng)［81］等方面有巨大應(yīng)用前景.

3 信道

在分子通信系統(tǒng)中，信號粒子通過不同的傳輸機(jī)制在信道中傳播，不同傳輸機(jī)制對應(yīng)不同的信道響應(yīng).如前文所述，研究人員考慮了多種信號粒子在信道中的傳輸機(jī)制，然而，到目前為止，擴(kuò)散是分子通信研究中最普遍考慮的傳輸機(jī)制. 這是因?yàn)榛跀U(kuò)散的分子通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：與基于間隙連接的分子通信不同，它不需要特殊的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；與基于馬達(dá)的分子通信不同，它不需要用于傳遞信號分子的外部能量. 此外，擴(kuò)散的簡單性也使其成為一種有吸引力的傳播方案，尤其是對于計(jì)算資源有限的納米機(jī)器之間的通信系統(tǒng).因此，本文專注于對基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)進(jìn)行綜述.

本節(jié)將主要介紹分子通信擴(kuò)散信道［82～85］，以及擴(kuò)散信道中存在流動介質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)過程時對應(yīng)的流—擴(kuò)散信道［86，87］、反應(yīng)—擴(kuò)散信道［88，89］以及流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道［90］.

3.1 擴(kuò)散信道

擴(kuò)散是最簡單、研究最成熟的分子通信信號傳輸方式. 在擴(kuò)散分子通信信道中，發(fā)射機(jī)釋放的信號粒子通過擴(kuò)散在環(huán)境中傳播，粒子的移動服從布朗運(yùn)動規(guī)律［82］——在三維坐標(biāo)系中，假設(shè)每個信號粒子的單步步長時間為Δt，在第n-1個步長時間結(jié)束時，信號粒子的位置是(xn-1,yn-1,zn-1)，在第n個步長時間里，信號粒子運(yùn)動的位移是(Δxn,Δyn,Δzn)，那么在第n個步長時間結(jié)束時信號粒子的位置可以表示為

信號粒子的布朗運(yùn)動過程是馬爾可夫過程，每一個信號粒子當(dāng)前時刻的位置只與上一時刻的位置有關(guān)，與上一時刻之前的位置無關(guān). 也就是說，在第n個步長時間結(jié)束時，粒子位置只與粒子在第n個步長時間開始時的位置，以及在第n個步長時間內(nèi)的位移有關(guān)，與之前時刻的粒子位置無關(guān). 每次信號粒子移動的位移服從均值為0且方差為2DΔt的正態(tài)分布［91，92］，即

其中，D為擴(kuò)散系數(shù)，定義［93］如下：

其中，kB=1.38×10-23J/K 是玻爾茲曼常數(shù)；T是環(huán)境溫度；R是信號粒子的半徑；η是流體黏度，是一個常數(shù).

從式（2）可以看出，單個信號粒子在空間中的擴(kuò)散過程是隨機(jī)過程，粒子某一時刻在空間中的位置無法確定，單個粒子是否能傳播到達(dá)接收機(jī)無法確定. 然而，擴(kuò)散本質(zhì)上是趨于熱平衡的過程，是熵驅(qū)動的過程. 信號粒子被釋放到環(huán)境中之后，會自發(fā)從高密度分布區(qū)域（高化學(xué)勢）擴(kuò)散到低密度分布區(qū)域（低化學(xué)勢），釋放自由能［91］. 雖然單個信號粒子擴(kuò)散過程中時空位置不確定，但是大量信號粒子的擴(kuò)散過程可以利用菲克定律近似刻畫，相應(yīng)的擴(kuò)散方程［91］為

其中，C代表信號粒子的濃度；?2是拉布拉斯算子，即?2= ??x2+ ??y2+ ??z2；D代表信號粒子的擴(kuò)散系數(shù).

在無界三維環(huán)境中，若信號粒子在初始時刻t=0，由位于(0,0,0)處的點(diǎn)源發(fā)射機(jī)釋放（當(dāng)信號粒子的傳輸距離相對于發(fā)射機(jī)的尺寸足夠大時，發(fā)射機(jī)尺寸可忽略不計(jì)），釋放的粒子數(shù)量為M. 對式（4）進(jìn)行求解，可以假設(shè)其邊界條件和初始條件為最簡單的情況，即

式（6）表示距離發(fā)射機(jī)d處的粒子濃度隨時間的變化情況. 接收機(jī)可以根據(jù)在環(huán)境中某處檢測到的信號粒子的濃度變化情況，判斷發(fā)射機(jī)傳遞的信號. 基于條件（5）的擴(kuò)散信道模型是目前分子通信研究中應(yīng)用最廣泛的信道模型，文獻(xiàn)［94～99］中的分子通信系統(tǒng)考慮的就是這個模型.

3.2 流—擴(kuò)散信道

在信號粒子的擴(kuò)散環(huán)境中，可能存在多種復(fù)雜情況，比如說，傳輸介質(zhì)本身就處于流動狀態(tài)，根據(jù)流動特點(diǎn)可分為層流［100］、紊流［101］以及機(jī)械分散［102］. 例如，在體內(nèi)血管靶向藥物傳遞系統(tǒng)中，信號粒子的傳輸介質(zhì)就可能處于流動狀態(tài). 在這種情況下，粒子的移動情況會受到傳輸介質(zhì)的流動影響.

目前分子通信主要研究了均勻流速或可獲取平均流速的傳輸介質(zhì)對信號傳輸?shù)挠绊? 假設(shè)流動介質(zhì)具有一個恒定方向和大小的流速v，則信道環(huán)境中的信號粒子在第i個時間步長里的位移(Δxi,Δyi,Δzi)可以表示為

其中，vx，vy，vz分別是流速v在x,y,z方向上的分量［92］.從式（7）可以看出，粒子在流動介質(zhì)中擴(kuò)散，除擴(kuò)散引起的位置變化外，介質(zhì)的流動也會導(dǎo)致粒子的位置變化. 因此，環(huán)境中某位置處的信號粒子濃度變化（?C/?t）是介質(zhì)流動和粒子擴(kuò)散綜合作用的結(jié)果，式（4）所示的擴(kuò)散方程［18］將變?yōu)?/p>

在無界三維環(huán)境中，利用條件（5）求解方程（8），可得任意時刻t(t>0)的流—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)為

式（9）對應(yīng)的信道響應(yīng)波形如圖2 所示. 由圖2 可看出，增加沿d方向的流速，可以縮短信道響應(yīng)脈沖時間，加快脈沖衰減速度，從而減小信號粒子在僅擴(kuò)散時的信號“長尾效應(yīng)”（信號的低強(qiáng)度響應(yīng)尾部），從而降低碼間干擾（Inter Symbol Interference，ISI）. 同時，還可以增加流—擴(kuò)散信道響應(yīng)的峰值，進(jìn)而可以增加擴(kuò)散信道的覆蓋范圍.

圖2 信道響應(yīng)波形

3.3 反應(yīng)—擴(kuò)散信道

在擴(kuò)散環(huán)境中，信號粒子可能會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起粒子的數(shù)量變化，例如，環(huán)境中存在可以降解信號粒子的酶，能促使信號粒子轉(zhuǎn)化為其他種類的粒子. 分子通信中通?？紤]的化學(xué)反應(yīng)有單粒子的分解反應(yīng)［103］、多粒子間的相互轉(zhuǎn)化［104］，以及酶促反應(yīng)［105］，且考慮反應(yīng)過程對于反應(yīng)物均是一級反應(yīng).

（1）分解反應(yīng)

假設(shè)傳輸?shù)男盘柫Ｗ邮茿 粒子. 單粒子的分解反應(yīng)是指A粒子直接轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)［106］，即

其中，κ是反應(yīng)速率常數(shù)；?代表其他物質(zhì). 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，A 粒子將逐漸轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，數(shù)量逐漸減少.若A 粒子的濃度為CA，分解反應(yīng)導(dǎo)致信道中某位置處的A粒子濃度變化情況［106］為

式（11）也叫作化學(xué)反應(yīng)速率方程，其中，化學(xué)反應(yīng)速率函數(shù)f(·)與反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)速率常數(shù)有關(guān). 考慮反應(yīng)（10）對于反應(yīng)物A為一級分解反應(yīng)，則f(CA,κ)=κCA(d,t). 那么，對于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時刻t=τ>0，求解方程（11）可得到反應(yīng)（10）導(dǎo)致的A粒子濃度變化情況為

（2）多粒子間的相互轉(zhuǎn)化

與單粒子的分解反應(yīng)不同，多粒子之間的相互轉(zhuǎn)化是指信號粒子在其他粒子存在的情況下，A粒子與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如：

其中，κ1為正向反應(yīng)速率；κ-1為逆向反應(yīng)速率. 當(dāng)信道環(huán)境中存在B粒子時，A粒子將會與B粒子反應(yīng)生成C、D 粒子. 若B、C、D 粒子的濃度分別為CB，CC和CD，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率方程，反應(yīng)（13）導(dǎo)致信道中某位置處的A粒子濃度變化情況［106］為

考慮反應(yīng)（13）對于反應(yīng)物A、B、C、D 均為一級反應(yīng)，則

反應(yīng)過程中，由于A，B，C，D 粒子的數(shù)量均處于變化中，即CB(d,t)，CC(d,t)，CD(d,t)也隨時間變化，因此，很難直接求解方程（14）的閉合解析式. 若增加假設(shè)條件：假設(shè)逆向反應(yīng)速率無窮小（κ-1→0），B 粒子的濃度無窮大（CB→∞），即反應(yīng)過程中，B 粒子的濃度近似不變（CB(d,t)≈CB(d,t=0)）［107］，則方程（14）可以被簡化為

其中，κ=κ1CB(d,t=0). 也就是說，可增加假設(shè)條件使多粒子之間的反應(yīng)被簡化為單粒子反應(yīng). 那么，基于假設(shè)條件，對于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時刻t=τ>0，反應(yīng)（13）導(dǎo)致的A 粒子濃度近似變化情況為

（3）酶促反應(yīng)

不同于上述2種反應(yīng)，酶促反應(yīng)是指信道環(huán)境中存在可以加快信號粒子發(fā)生降解反應(yīng)的酶（E粒子）. 在不存在酶的情況下，A 粒子有很小的概率會自行降解為Ap粒子；但若存在酶，A粒子則會與E粒子發(fā)生反應(yīng)，生成中間物粒子，然后迅速降解為其他粒子，例如：

其中，EA 是中間物；κ1,κ-1,κ2分別對應(yīng)合成反應(yīng)速率、分解反應(yīng)速率和降解反應(yīng)速率. 由酶促反應(yīng)引起的環(huán)境中某位置處A粒子數(shù)量的變化情況為

考慮反應(yīng)（18）對于E，A，EA，以及AP粒子均為一級反應(yīng)，則

與方程（14）類似，由于反應(yīng)過程中各物質(zhì)的數(shù)量均隨時間變化，很難獲得方程（19）的閉合解析式. 文獻(xiàn)［89］也增加了假設(shè)條件：降解反應(yīng)速率極快（κ2→∞），分解反應(yīng)速率極慢（κ-1→0），即反應(yīng)合成的EA 分子存在時間不會很長. 在這種情況下，E 分子的濃度幾乎不變，即CE(d,t)≈CE(d,t=0)，則

其中，κ=κ1CE(d,t=0). 也就是說，在滿足假設(shè)的條件下，酶促反應(yīng)也可以被簡化為單粒子反應(yīng). 那么，對于初始濃度為CA(d,t=0)的A 粒子，在任意時刻t=τ>0，酶促反應(yīng)導(dǎo)致的A粒子濃度近似變化情況為

通過對化學(xué)反應(yīng)引起的信號粒子數(shù)量分析可知，反應(yīng)—擴(kuò)散信道中的化學(xué)反應(yīng)將會使擴(kuò)散的信號粒子數(shù)量處于時變狀態(tài)，即擴(kuò)散方程（4）中粒子濃度隨時間變化（?C/?t）是化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過程共同作用的結(jié)果.由于多粒子反應(yīng)和酶促反應(yīng)均可增加條件，將化學(xué)反應(yīng)速率方程轉(zhuǎn)變?yōu)榕c單粒子反相似的形式，因此本文主要考慮擴(kuò)散信道環(huán)境中的單粒子分解反應(yīng)，對應(yīng)的反應(yīng)擴(kuò)散方程［108］為

在無界三維環(huán)境中，利用條件（5）可求得任意時刻t(t>0)的反應(yīng)—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)為

與只存在擴(kuò)散的信道模型比較，化學(xué)反應(yīng)—擴(kuò)散信道模型中的信道脈沖響應(yīng)比僅擴(kuò)散時的信道脈沖響應(yīng)（6）增加了一個附加指數(shù)衰減項(xiàng). 這個衰減指數(shù)也可以減小信號粒子在僅擴(kuò)散時的“長尾效應(yīng)”，從而降低ISI.

3.4 流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道

流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道是指傳輸環(huán)境中既含有流，又存在信號粒子的化學(xué)反應(yīng). 在這種情況下，環(huán)境中某位置的粒子數(shù)量變化是流、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散過程共同作用的結(jié)果. 存在流（流速為v）和信號粒子的單粒子分解反應(yīng)（化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)為κ）的擴(kuò)散信道對應(yīng)的流—反應(yīng)—擴(kuò)散方程［90］應(yīng)為

在無界三維環(huán)境中，利用條件（5）可求得任意時刻t(t>0)的流—反應(yīng)—擴(kuò)散信道的信道響應(yīng)［109］為

對信道進(jìn)行建模是分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分子通信網(wǎng)絡(luò)的一個至關(guān)重要且具有挑戰(zhàn)性的先決步驟. 目前為止，已有大量文獻(xiàn)基于以上無界三維空間中的擴(kuò)散信道模型，對分子通信系統(tǒng)展開了研究. 然而，無界三維擴(kuò)散信道模型是理想模型，在很多分子通信應(yīng)用環(huán)境中可能并不適用，尤其是在體內(nèi)環(huán)境中. 此外，分子通信的實(shí)際信道環(huán)境中可能存在不均勻和破壞性的流動、障礙物、溫度波動等，均會對信道模型產(chǎn)生影響.

近年來，越來越多的分子通信研究人員開始考慮更加實(shí)際的信道模型. 受身體中特定實(shí)體的幾何形狀的啟發(fā)，研究人員對圓柱形信道空間［110～113］或球形信道空間［114，115］中的信道模型進(jìn)行了建模分析. 不僅如此，研究人員還考慮了信道邊界對傳輸信號的影響［116，117］；文獻(xiàn)［118］還提出了信號粒子在血管內(nèi)皮上協(xié)助擴(kuò)散的模型. 此外，考慮到信號粒子在環(huán)境中的擴(kuò)散并不一定服從菲克定律，文獻(xiàn)［119，120］建模和分析了信號粒子的異常擴(kuò)散傳輸過程. 文獻(xiàn)［121］還研究了同時存在流和擴(kuò)散時，流主導(dǎo)和擴(kuò)散主導(dǎo)2種情況下信號粒子的擴(kuò)散模型.

為了獲得能夠精確刻畫信號粒子在實(shí)際傳輸環(huán)境中的信道模型，分子通信研究人員將會逐漸把信道環(huán)境中的實(shí)際影響因素代入信道模型的構(gòu)建中. 與此同時，結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分子信道建模也將成為接下來的研究要點(diǎn).

4 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)的任務(wù)是對信息進(jìn)行編碼調(diào)制，然后產(chǎn)生并釋放信號粒子. 在過去十余年里，分子通信研究人員主要對發(fā)射機(jī)的編碼調(diào)制方法進(jìn)行研究分析. 本節(jié)將介紹目前基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中的編碼與調(diào)制技術(shù).

4.1 調(diào)制

在基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中，信息可以被調(diào)制為信號粒子的濃度、種類以及釋放時間等. 幾種調(diào)制方式的特征對比如表1所示.

表1 分子通信調(diào)制機(jī)制特征對比

（1）基于信號粒子濃度調(diào)制

類比電磁波通信的幅移鍵控（ASK），文獻(xiàn)［64］提出了基于信號粒子濃度的調(diào)制機(jī)制CSK（Concentra?tion Shift Keying）. 信號被調(diào)制為不同的粒子釋放濃度，接收機(jī)可以根據(jù)檢測到的濃度是否超過閾值來解調(diào)信號. 例如，對于二進(jìn)制濃度移位鍵控（BCSK）調(diào)制的信號，接收機(jī)可設(shè)定一個閾值，當(dāng)接收機(jī)檢測到的信號濃度超過閾值，信號就被解調(diào)成“1”，反之為“0”. 當(dāng)傳輸M進(jìn)制CSK 調(diào)制信號時，假定傳輸n個比特，即M=2n，初始發(fā)送的信號粒子濃度有2n種；在接收端，有相應(yīng)的2n-1 個閾值用于信號解調(diào).n=1 時為BCSK（binary CSK），n=2 時為QCSK（Quadruple CSK）.

OOK（On-Off Keying）［122，123］是特殊的BCSK 調(diào)制方式，是針對分子通信提出的第一個，同時也是最簡單的調(diào)制方式. 當(dāng)發(fā)送信號為“1”時，發(fā)射機(jī)發(fā)送信號粒子；當(dāng)發(fā)送信號為“0”時，發(fā)射機(jī)不發(fā)送任何信號粒子.

（2）基于信號粒子類型調(diào)制

基于信號粒子濃度的調(diào)制機(jī)制主要是對單種信號粒子進(jìn)行調(diào)制. 在分子通信系統(tǒng)中，還可以利用不同種類的信號粒子進(jìn)行調(diào)制，每種信號粒子代表一種符號.

文獻(xiàn)［124］提出了MoSK（Molecule Shift Keying）機(jī)制，不同類型的信號粒子代表不同的碼元符號，k進(jìn)制碼元符號可以用2k種不同類型的信號粒子進(jìn)行表示.比如說，當(dāng)傳輸2 進(jìn)制碼元時，需要2 種信號粒子分別表示“0”和“1”. 文獻(xiàn)［124］提出使用氫氟碳化合物（hydrofluorocarbons）來構(gòu)造不同類型的分子，構(gòu)造分子包含固定的頭部和尾部結(jié)構(gòu)以及合成元素鏈，比特信息被編碼在合成元素鏈中. 如圖3 所示的4 種不同類型的分子，合成元素鏈中每一個C 原子通過化學(xué)鍵與其他2 個原子相連，其中一個為H 原子，保持不變，另外一個原子決定這一比特的信息. 假設(shè)原子H 代表“0”、F 代表“1”，則4 個分子傳遞的信息分別為“00”“01”“10”“11”.

圖3 基于氫氟碳化合物的分子類型鍵控調(diào)制

文獻(xiàn)［124］中提出的氫氟碳化合物分子可能存在同分異構(gòu)體的情況. 例如，如圖3 所示，傳遞信息“01”和“10”的分子就是同分異構(gòu)體. 與文獻(xiàn)［124］不同，文獻(xiàn)［125］則提出直接使用同分異構(gòu)體作為信號粒子，并提出了基于同分異構(gòu)體的信號粒子濃度調(diào)制機(jī)制ICSK（Isomer-based CSK）和信號粒子類型調(diào)制機(jī)制IMOSK（Isomer-based MOSK）. 除此之外，文獻(xiàn)［25］還提出了一種新的調(diào)制技術(shù)即IRSK（Isomer-based Ratio Shift Key?ing），信號被調(diào)制為2 種信號分子的數(shù)量比率，比率不同代表發(fā)送的信號不同. 例如，二進(jìn)制IRSK（binary IRSK）用粒子數(shù)比率為0∶1 和1∶0 的2 種分子來分別表示信號“0”和“1”.

除信號粒子的種類和數(shù)量外，信號粒子的釋放時間也可以用來調(diào)制信號.

（3）基于信號粒子釋放時間調(diào)制

文獻(xiàn)［126］提出了脈沖位置調(diào)制PPM（Pulse Posi?tion Modulation）機(jī)制，用不同的脈沖波釋放時間代表不同的信號. 例如，二進(jìn)制PPM 將一個發(fā)送時間間隔分成2 個相等時間段，當(dāng)發(fā)送信號為“1”時在前半段時間間隔內(nèi)發(fā)送脈沖波，發(fā)送信號為“0”時則在后半段時間間隔內(nèi)發(fā)送脈沖波. 在這之后，基于釋放時間的更加復(fù)雜的調(diào)制方案被提出. 文獻(xiàn)［87，127］提出了釋放時移鍵控RTSK（Release Time Shift Keying），信息被編碼到信號粒子的釋放時間間隔中. 文獻(xiàn)［128］則提出了TEC（Time-Elapse Communication）調(diào)制技術(shù)，也是將信息調(diào)制到脈沖信號的釋放時間間隔中. 不同于RTSK，TEC 機(jī)制僅將信息調(diào)制在其中的一段時間間隔上. 如圖4 所示，在TEC 中，2 個相鄰信號的釋放時間間隔由信號的傳輸時間td、信號在接收端的脈沖時間間隔tb，以及調(diào)制信息所需要的時間間隔共同決定. 接收機(jī)根據(jù)第二次收到信號的時間和第一次信號結(jié)束的時間來解調(diào)信息. 這種調(diào)制機(jī)制的缺陷是發(fā)射端和接收端需要提前知道信號的傳輸時間以及信號在接收端的脈沖長度.

圖4 TEC調(diào)制

除以上幾種調(diào)制機(jī)制以外，還有通過連續(xù)釋放不同類型的信號粒子以傳輸碼元符號的分子陣列通信（molecular array-based communication）機(jī)制［129］，以及利用空間域的自由度來傳達(dá)信息的調(diào)制技術(shù)［130～132］. 另外，考慮到信號粒子傳播緩慢，直接將大量信息編碼到DNA 的堿基序列中的核苷酸移位鍵控NSK（Nucleotide Shift Keying）也被提出. 文獻(xiàn)［133］將數(shù)據(jù)高密度地編碼至合成DNA 中以存儲大量信息，側(cè)面印證了NSK 的可行性.

4.2 信道編碼

在傳統(tǒng)通信技術(shù)中，編碼包括信源編碼和信道編碼. 信源編碼是為了對離散輸入源進(jìn)行有效表示，信道編碼則是為了通過引入冗余位來控制信道噪聲導(dǎo)致的錯誤. 由于分子通信中的信源編碼與傳統(tǒng)通信中的信源編碼并沒有區(qū)別，因此，本文主要討論信道編碼.

與傳統(tǒng)電磁通信系統(tǒng)不同，分子通信系統(tǒng)主要基于微納米尺度，需要使用復(fù)雜度較低的編碼方式，以降低對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能要求；并且，分子通信系統(tǒng)中的信號粒子傳輸時間延遲對通信的可靠性產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，粒子擴(kuò)散的隨機(jī)性也使信號容易受到ISI 的影響. 因此，電磁通信中的信道編碼技術(shù)是否適用于分子通信還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證.

目前，漢明碼是研究最多的用于分子通信的編碼.文獻(xiàn)［134］應(yīng)用經(jīng)典漢明碼在分子通信中引入了糾錯功能，并表明，使用經(jīng)典漢明碼可以在傳輸距離為1 微米的情況下提供約1.7 dB 的編碼增益. 為了使?jié)h明碼更加適用于分子通信，文獻(xiàn)［135］考慮了分子通信信道的特性，將信道解碼的理想距離函數(shù)由漢明距離函數(shù)替換成了分子編碼距離函數(shù)，并證明了使用分子編碼距離函數(shù)生成的碼的性能優(yōu)于漢明碼. 但這種編碼機(jī)制存在缺陷——基于分子編碼距離函數(shù)的漢明碼在編碼及解碼過程中需要大量的計(jì)算資源. 除了對漢明碼在分子通信中的性能進(jìn)行研究，文獻(xiàn)［136］還考慮了編碼的能量模型，提出了可對通信速率和能量效率進(jìn)行權(quán)衡的最小能量漢明碼.

另外，歐幾里得幾何低密度奇偶校驗(yàn)EG-LDPC（Euclidean Geometry Low Density Parity Check）碼和循環(huán)里德穆勒C-RM（Cyclic Reed-Muller）碼在分子通信中的可行實(shí)現(xiàn)方式也在文獻(xiàn)［137］中被提出. 其與漢明碼做了對比，結(jié)果表明，在信噪比較低時，LDPC 擁有最低的能量成本.

要想實(shí)現(xiàn)信號粒子的編碼、調(diào)制、釋放，以及發(fā)射機(jī)部署，發(fā)射機(jī)應(yīng)滿足相應(yīng)的條件.（a）小型化：要求設(shè)備是微米級或納米級，以適用于分子通信的應(yīng)用場景.（b）具有信號粒子的生成裝置或存儲空間：由于設(shè)備尺寸的限制，存儲的信號粒子數(shù)量有限，粒子的補(bǔ)給可能直接影響系統(tǒng)的通信速率與通信質(zhì)量.（c）生物相容性：分子通信系統(tǒng)被設(shè)想了許多具有潛力的應(yīng)用場景，例如靶向藥物傳遞、神經(jīng)修復(fù)等，要求設(shè)備可以植入生物組織，這就要求設(shè)備能夠適應(yīng)生物體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境并且對生物體不會造成侵害.（d）能夠控制發(fā)射：信號粒子的發(fā)射速率精度、在未釋放信號粒子期間的粒子泄露情況等將會影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量，這就要求發(fā)射機(jī)能夠有效控制發(fā)射過程. 然而，到目前為止，還未實(shí)現(xiàn)任何人工的微尺度/納米尺度的分子通信系統(tǒng)，分子通信發(fā)射機(jī)的物理設(shè)計(jì)還面臨著巨大的挑戰(zhàn). 并且，利用濃度、信號粒子類型、釋放時間等提出的各種調(diào)制編碼方案，大多利用的是基于發(fā)射機(jī)為一個理想的點(diǎn)源信道模型，接收機(jī)能夠完美地、選擇性地檢測多個分子. 這些調(diào)制編碼機(jī)制在實(shí)際條件下的性能仍然是未知的.

近年來，受合成生物學(xué)和工程細(xì)胞的快速發(fā)展的啟發(fā)，研究人員開始設(shè)想利用基因電路構(gòu)建分子通信系統(tǒng)［20，138］. 文獻(xiàn)［43］提出了一種基于遺傳電路功能和脈沖幅度調(diào)制結(jié)合的閾值檢測基因工程細(xì)菌分子通信生物收發(fā)器. 文獻(xiàn)［139］則利用遺傳電路設(shè)計(jì)了具有奇偶校驗(yàn)編碼的生物細(xì)胞之間的分子通信系統(tǒng). 此外，研究人員還對基于合成生物電路的分子通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究. 文獻(xiàn)［140］通過識別正、負(fù)輸出信號樣本，分析了由自由擴(kuò)散連接的雙層細(xì)菌合成邏輯電路的信道容量.

合成生物學(xué)與工程細(xì)胞的結(jié)合在實(shí)現(xiàn)分子通信微納米尺度的發(fā)射機(jī)部署、信號的編碼調(diào)制與釋放方面具有巨大的潛力.

5 接收機(jī)

接收機(jī)的任務(wù)是識別并檢測信道的輸出，獲取信號粒子攜帶的信息. 接收機(jī)是通信系統(tǒng)中的重要組成部分，決定通信的有效性和可靠性.

5.1 接收機(jī)的組成

接收機(jī)由2 個功能單元組成，即分子天線單元（molecular antenna）和處理單元（processing unit）. 分子天線單元由識別器（recognition unit）和轉(zhuǎn)換器（trans?ducer）2 部分組成. 識別器是介于信道和接收機(jī)之間的“接口”，主要功能是建立選擇性連接（識別信號粒子類型）以及檢測到達(dá)接收機(jī)的信號粒子數(shù)目，前者可以最小化由其他信號粒子帶來的干擾，后者能用于解調(diào)和估計(jì)信道參數(shù). 轉(zhuǎn)換器的作用與識別器密切相關(guān)，它將識別器的信號轉(zhuǎn)換成可處理的形式，比如電信號、光信號、化學(xué)信號等. 處理單元接收到轉(zhuǎn)換器的信號以后，首先對信號進(jìn)行放大，然后通過解調(diào)技術(shù)恢復(fù)原始信號.

因?yàn)樾〕叽缃邮赵O(shè)備存在計(jì)算資源、存儲資源，以及能源有限等問題，所以，分子通信接收機(jī)的功能和物理設(shè)計(jì)需滿足以下條件.

（1）現(xiàn)場操作和信息處理能力：接收機(jī)可以不需要外部宏觀設(shè)備或控制器也能獨(dú)立處理信息.

（2）連續(xù)操作：識別器識別信號粒子之后應(yīng)返回到初始狀態(tài)，并能無錯誤地繼續(xù)檢測之后接收到的信號粒子.

（3）無標(biāo)記檢測：接收器能在信號粒子的固有特性基礎(chǔ)上識別粒子，不需要對粒子進(jìn)行標(biāo)記或做任何其他準(zhǔn)備.

（4）小型化：接收機(jī)由納米/微米尺度的組件構(gòu)成，以便于集成到納米機(jī)器中.

（5）生物相容性：生物醫(yī)療是分子通信設(shè)想的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，這就要求部署在生物體內(nèi)的設(shè)備不會對生命系統(tǒng)產(chǎn)生任何毒性；并且，設(shè)備與環(huán)境之間不會產(chǎn)生任何生理反應(yīng)，也不得引起免疫排斥等；同時，環(huán)境不會隨著時間的推移降低設(shè)備的性能.

（6）能源效率：由于小尺度設(shè)備的能源有限，因此必須優(yōu)化接收機(jī)對能源的應(yīng)用.

5.2 接收機(jī)的檢測

接收機(jī)對信號的檢測是通信過程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響通信質(zhì)量. 在檢測過程中，接收機(jī)根據(jù)識別器獲取的信道輸出（接收機(jī)附近環(huán)境中的信號粒子信息），來判決發(fā)射機(jī)傳遞的信號. 例如，在用OOK 進(jìn)行信號調(diào)制的通信系統(tǒng)中，接收機(jī)可以設(shè)定一個信號濃度判決閾值，根據(jù)檢測到的信號粒子濃度，判斷發(fā)送信號是“0”還是“1”.

5.2.1 接收機(jī)的分類

根據(jù)檢測過程是否影響信號粒子的傳播，目前被廣泛采用的基于擴(kuò)散的分子通信接收機(jī)主要分為2類：一類是穿透型接收機(jī)（passive receiver）［141］，如圖5（a）所示；另一類是吸附型接收機(jī)（absorbing receiver）［60］，如圖5（b）所示.

圖5 兩種不同類型的接收機(jī)

（1）穿透型接收機(jī)

穿透型接收機(jī)擁有讓信號粒子自由通過的表面結(jié)構(gòu)，對粒子的檢測過程不影響粒子的傳播，在分子通信中被廣泛應(yīng)用. 假設(shè)接收機(jī)為半徑是r、體積是VR（VR=(4/3)πr3）的球狀接收機(jī)，點(diǎn)源發(fā)射機(jī)與接收機(jī)球心的初始距離向量為dr0. 對于穿透型接收機(jī)，由于檢測過程并不影響信號粒子的傳播，因此其表面以及內(nèi)部的任意一點(diǎn)均為檢測區(qū)域. 將接收機(jī)檢測區(qū)域的任意一點(diǎn)與點(diǎn)源發(fā)射機(jī)的距離向量表示為dr，以擴(kuò)散信道為例，則接收機(jī)內(nèi)任意一點(diǎn)預(yù)期可檢測到的信號粒子濃度為（6）所示的C(dr,t)，即

令發(fā)射機(jī)釋放的信號粒子個數(shù)M=1，則有

h(dr,t)可以理解為在任意時刻t>0 時，單個信號粒子到達(dá)與發(fā)射機(jī)距離向量為dr處的接收機(jī)檢測區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)的概率. 那么在任意時刻t>0時，單個信號粒子被接收機(jī)檢測到的概率可以表示為

其中，ν表示接收機(jī)檢測區(qū)域?qū)?yīng)的所有dr. 當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離足夠遠(yuǎn)時，即dr0=‖dr0‖相對于接收機(jī)的尺寸足夠大時，可以假設(shè)接收機(jī)檢測區(qū)域內(nèi)的信號粒子濃度均勻分布，即C(dr,t)≈C(dr0,t)，則h(dr,t)≈h(dr0,t)，那么，積分（29）的解［99，142，143］為

若發(fā)射機(jī)在t=0 時刻釋放了M個信號粒子，則在任意時刻t>0 時，穿透型接收機(jī)可檢測到的信號粒子數(shù)量的期望值為

（2）吸附型接收機(jī)

吸附型接收機(jī)通常被假設(shè)為實(shí)體，其表面覆蓋了大量接收器. 一旦信號粒子到達(dá)接收機(jī)并與受體結(jié)合，粒子就會從環(huán)境中移除并成為接收機(jī)可識別的信號. 相比穿透型接收機(jī)，吸附型接收機(jī)更接近實(shí)際情景.

與穿透型接收機(jī)不同，吸附型接收機(jī)的檢測區(qū)域僅為其表面，并且，吸附型接收機(jī)在檢測到環(huán)境中的信號粒子后，就會將檢測到的信號粒子移除. 也就是說，接收機(jī)表面的信號粒子濃度為0. 以擴(kuò)散信道為例，信號粒子的擴(kuò)散方程除具有式（5）中的初始條件和邊界條件以外，還有接收機(jī)帶來的邊界條件，即

其中，dr為接收機(jī)表面的任意一點(diǎn)與點(diǎn)源發(fā)射機(jī)的距離向量；ν表示接收機(jī)檢測區(qū)域?qū)?yīng)的所有dr. 假設(shè)接收機(jī)可以完全吸收所有到達(dá)接收機(jī)表面的信號粒子，利用式（5）和式（32）中的初始條件與邊界條件求解擴(kuò)散方程，可以推導(dǎo)得到單個信號粒子到達(dá)接收機(jī)表面并且被吸收的概率［60，144］為

那么，若發(fā)射機(jī)在t=0 時刻釋放了M個信號粒子，則在任意時刻t>0 時，吸附型接收機(jī)可檢測到的信號粒子數(shù)量的期望值為

由于吸附型接收機(jī)會影響信號粒子的傳輸，當(dāng)系統(tǒng)中存在多個吸附型接收機(jī)時，接收機(jī)將會相互干擾，多個吸附型接收機(jī)的模型可參考文獻(xiàn)［145］.

由于信號粒子傳輸?shù)碾S機(jī)性，接收機(jī)實(shí)際檢測到的信號粒子數(shù)量并非其期望值. 當(dāng)發(fā)射機(jī)釋放的信號粒子個數(shù)M足夠大時，任意時刻到達(dá)接收機(jī)的信號粒子數(shù)量服從參數(shù)為接收信號期望值的非平穩(wěn)泊松過程［98，109］，即

5.2.2 噪聲

在接收端，信號還會受到噪聲的干擾，這種干擾會影響到達(dá)接收機(jī)的信號粒子的濃度/數(shù)量以及時間特性. 以O(shè)OK 調(diào)制機(jī)制為例，在連續(xù)傳輸多個信號時，假設(shè)傳輸?shù)男盘柺莝[i]?{0,1}，由于信號粒子傳輸?shù)碾S機(jī)性，之前傳輸?shù)男盘柫Ｗ涌赡軙埩粼谛诺乐?，對?dāng)前的接收信號產(chǎn)生影響，也就是ISI［146］. 假設(shè)信源每隔時間T發(fā)送一次信號，則接收機(jī)可檢測到的ISI 信號粒子數(shù)量的期望值為

在僅發(fā)送一次信號的情況下，ISI將不存在.

除ISI 外，許多接收信號模型增加了加性噪聲，表示接收信號可能受到的干擾. 例如，文獻(xiàn)［147］將來源于環(huán)境中其他源的同種粒子帶來的環(huán)境噪聲建模為噪聲粒子數(shù)量服從參數(shù)為nnoise(t)的泊松模型. 在這種情況下，接收機(jī)在任意時刻檢測到信號粒子數(shù)量為

文獻(xiàn)［141］還考慮了由信號粒子的總體離散性質(zhì)以及潛在的隨機(jī)運(yùn)動性質(zhì)帶來的采樣噪聲和計(jì)數(shù)噪聲. 其中，計(jì)數(shù)噪聲屬于高斯白噪聲，其方差隨著信號值的變化而變化，是一個時變值；計(jì)數(shù)噪聲服從均值為0、方差為σ2(t)的正態(tài)分布，并且在三維環(huán)境中該方差［98］為

其中，y(t)是接收信號粒子濃度的期望值；r是接收機(jī)的半徑.

除以上幾種噪聲源之外，還有多種產(chǎn)生噪聲的方式. 比如，由接收設(shè)備自身因素導(dǎo)致的噪聲；粒子在一定環(huán)境下自動降解；多個發(fā)送器一起發(fā)送信號粒子，接收器無法準(zhǔn)確識別與自己配對設(shè)備發(fā)送的粒子等. 這些噪聲在具體的通信場景中的影響都值得研究人員進(jìn)一步分析.

5.2.3 檢測技術(shù)

在檢測過程中，接收機(jī)通常使用2 種方法采集信號：一種是對具體時刻到達(dá)接收機(jī)的信號粒子的數(shù)量/濃度進(jìn)行采樣［95］；另一種是記錄某一時間間隔內(nèi)到達(dá)接收機(jī)的信號粒子總數(shù)量（也叫作信號粒子的能量）［148］. 接收機(jī)通過這些數(shù)據(jù)恢復(fù)發(fā)射機(jī)傳遞的信號.例如，接收機(jī)將檢測到的OOK 調(diào)制信號的能量或濃度幅值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，若幅值或能量超過閾值，則判定發(fā)送信號是“1”，否則是“0”［149］. 然而，由于噪聲以及ISI 的影響，實(shí)際接收信號存在誤差，可能導(dǎo)致接收機(jī)判決錯誤. 為了克服噪聲和ISI 對信號的影響，研究人員提出了多種檢測技術(shù).

（1）符號檢測

符號檢測是指接收機(jī)僅利用當(dāng)前時間間隔內(nèi)采集到的信號進(jìn)行判決，這種檢測方式適用于當(dāng)前接收信號受ISI的影響較小、ISI的影響可以被近似建?；蚪邮諜C(jī)可以簡單存儲之前時隙檢測判決得到的符號碼元等幾種情況. 文獻(xiàn)［94］將ISI 用高斯分布近似表示，通過設(shè)定固定閾值，實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前信號的檢測判決. 由于檢測閾值會直接影響到誤碼率，因此，文獻(xiàn)［150］根據(jù)接收機(jī)存儲的之前傳輸?shù)姆柎a元，判斷ISI 對當(dāng)前時隙信號的影響，利用判決閾值與誤碼率之間的閉合表達(dá)式，通過最小化誤碼率獲取最佳判決閾值. 文獻(xiàn)［109，151，152］則是構(gòu)建了檢測閾值與信噪比之間的關(guān)系，通過最大化信噪比，獲取檢測閾值. 因?yàn)镮SI 和其他噪聲源對每個符號時間間隔的影響存在差別，所以，固定的檢測閾值存在缺陷，自適應(yīng)閾值檢測方法相繼被提出. 根據(jù)之前傳輸?shù)姆柎a元判斷ISI 對當(dāng)前時隙的影響，自適應(yīng)調(diào)整閾值的檢測方法在文獻(xiàn)［95，148，153～156］中被提出.

（2）序列檢測

序列檢測是指接收機(jī)根據(jù)一組碼元序列的檢測信號恢復(fù)獲得發(fā)射機(jī)傳遞的信號，其最優(yōu)接收決策規(guī)則是在所有接收樣本的聯(lián)合似然條件下，選擇最有可能的序列，通常采用極大似然估計(jì)法獲得接收信號對應(yīng)的序列. 序列檢測的缺陷在于序列越長，其復(fù)雜度越高. 以二進(jìn)制調(diào)制機(jī)制為例，若序列長度為m，則對應(yīng)有2m組可能的序列值，接收機(jī)需要確定發(fā)送信號為2m組序列其中一組的可能性；并且，序列越長，接收樣本的聯(lián)合似然條件越復(fù)雜，求解越困難.

常用于降低分子通信中序列檢測算法復(fù)雜度的是Viterbi 算法，該算法構(gòu)建了一個網(wǎng)格圖，網(wǎng)格的每條路徑代表一個候選序列. 當(dāng)接收到新樣本時，接收機(jī)可以通過使用Viterbi 算法丟棄不太可能的序列，從而降低序列檢測器的復(fù)雜度和網(wǎng)格搜索的序列數(shù)量. 文獻(xiàn)［75］利用最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則和最大似然準(zhǔn)則獲取接收信號的各網(wǎng)格路徑的權(quán)重. 由于最大后驗(yàn)概率和極大似然檢測器的復(fù)雜性會隨著ISI 長度的增加而呈指數(shù)增長，因此，文獻(xiàn)［25］提出了一種基于最小均方誤差準(zhǔn)則的次優(yōu)線性均衡器，用來降低ISI 對接收信號的影響. 為了提高次優(yōu)檢測的性能，文獻(xiàn)［25］還提出了一種非線性均衡器，即決策反饋均衡器，其性能優(yōu)于線性均衡器. 使用Viterbi 算法的近最優(yōu)極大似然序列檢測器在文獻(xiàn)［71］中也被提出. 文獻(xiàn)［114］還考慮了存在流或酶的情況下的最優(yōu)極大似然檢測器.

（3）ISI消除

為了克服ISI 對接收信號的影響，研究人員還提出了基于接收機(jī)或基于發(fā)射機(jī)的ISI消除方案.

基于接收機(jī)的ISI 消除方案主要有：推遲接收信號采樣時間以減少之前時隙殘留信號對當(dāng)前時隙信號的影響［157］；利用基于信號脈沖導(dǎo)數(shù)的信號檢測方法降低ISI對高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)男盘栐斐傻挠绊懀?58］.

基于發(fā)射機(jī)的ISI消除方案主要有以下幾種.

（a）在信號發(fā)送時，先發(fā)送A粒子，然后在預(yù)定延遲后發(fā)送B 粒子；接收機(jī)通過接收到A 粒子和B 粒子的數(shù)量差對符號進(jìn)行解碼，從而消除ISI帶來的影響［159］.

（b）使用不同種類的信號粒子分別表示連續(xù)傳輸?shù)男盘栆越档虸SI［160］.

（c）使用分子躍遷鍵控調(diào)制技術(shù)——傳輸“0”時不發(fā)射信號粒子，傳輸“1”時，釋放A 或B 粒子，釋放種類取決于傳輸比特“1”后面是“0”還是“1”，以抑制ISI 并提高數(shù)據(jù)速率［161］.

（d）通過增加酶降低環(huán)境中殘留的信號粒子的濃度，減少ISI對信號的影響［89］.

（4）非相干檢測

很多檢測方法要求知道信道響應(yīng)，并根據(jù)信道響應(yīng)設(shè)計(jì)檢測器. 然而，信道、接收機(jī)、發(fā)送機(jī)任意一方的微小干擾都可能導(dǎo)致信道響應(yīng)的很大變化，例如，信道溫度的隨時間變化將會導(dǎo)致粒子的擴(kuò)散系數(shù)（或者擴(kuò)散的速率）變成一個時變函數(shù)，從而導(dǎo)致信道響應(yīng)隨時間變化；并且，在已知信道參數(shù)的條件下，精確地估計(jì)信道響應(yīng)也極度困難. 因此，無需信道信息的低復(fù)雜度非相干檢測方案對于分子通信檢測非常重要.

非相干檢測方案不僅可以避免獲取或估計(jì)信道響應(yīng)的挑戰(zhàn)，還可以避免如序列檢測中的復(fù)雜計(jì)算［162］.文獻(xiàn)［162～165］提出利用多種非相干指標(biāo)來表征接收信號的瞬態(tài)特征，例如接收信號的局部幾何形狀、連續(xù)符號形狀和能量差異；此外，文獻(xiàn)［163］中還設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的組合方案以實(shí)現(xiàn)更可靠的信號檢測. 基于無監(jiān)督聚類的非相干檢測方案也在文獻(xiàn)［166］中被提出.文獻(xiàn)［167］則提出了利用相鄰時間間隔之間累積濃度的差異進(jìn)行非相干檢測. 文獻(xiàn)［168］提出只利用信道脈沖響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征檢測信號. 文獻(xiàn)［169］提出利用恒定組合碼，對沒有統(tǒng)計(jì)/瞬時信道脈沖響應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行極大似然檢測.

除以上4種主要的檢測機(jī)制外，研究人員還討論分析了避免進(jìn)行同步的基于信號峰值的異步檢測的方案［170］、基于信號頻率域的檢測方案［171］，以及中繼傳輸系統(tǒng)中的檢測機(jī)制［172］. 雖然研究人員已經(jīng)提出了多種信號檢測方法，但是，要將檢測算法部署到實(shí)際應(yīng)用中仍面臨很大挑戰(zhàn). 更低復(fù)雜度、應(yīng)用于更全面的系統(tǒng)、考慮了更全面的環(huán)境影響因素的檢測機(jī)制仍需進(jìn)一步研究探索.

（5）誤碼率

在通信系統(tǒng)中，誤碼率和信道容量［173～176］是評估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù). 其中，對于分子通信中的誤碼率，以濃度鍵控調(diào)制技術(shù)為例，接收機(jī)首先檢測信號脈沖響應(yīng)的峰值，之后將檢測到的峰值與預(yù)先設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，從而解調(diào)出發(fā)送信號. 決策規(guī)則可以寫成

其中，c是接收到的信號峰值；?是閾值；Y是解調(diào)后的輸出. 利用這個決策規(guī)則，誤碼率可以寫成

其中，Pe(1|0)代表發(fā)射機(jī)發(fā)送信號“0”接收機(jī)解調(diào)信號后輸出“1”的概率；Pe(0|1)代表發(fā)射機(jī)發(fā)送信號“0”接收機(jī)解調(diào)信號后輸出“1”的概率.

在噪聲分析中可知，在不考慮ISI 的情況下，噪聲主要是高斯噪聲. 假設(shè)發(fā)送信號“0”和“1”的高斯噪聲的方差分別為和，那么

其中，c0和c1別是發(fā)送信號“0”和“1”的分子濃度的均值；Q(·)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的右尾函數(shù). 假設(shè)發(fā)送信號“0”和“1”的概率分別為p0和p1，并且p1=1-p0，誤碼率Pe可以推導(dǎo)為

如本節(jié)所述，研究人員已經(jīng)提出了多種分子通信檢測方案. 然而，這些方案在設(shè)想的小尺度設(shè)備上依舊很難實(shí)現(xiàn)；并且，這些檢測方案主要是基于理想接收機(jī)設(shè)計(jì)的——接收機(jī)的架構(gòu)和形狀簡單，能夠完全檢測其附近的信號粒子. 因此，這些檢測方案在實(shí)際系統(tǒng)中的性能是不確定的. 盡管當(dāng)前已經(jīng)開始研究更加實(shí)際的接收機(jī)，但還只是處于起步階段，開發(fā)的接收信號模型還不夠復(fù)雜，無法反映許多復(fù)雜性. 要實(shí)現(xiàn)微納米尺度的接收機(jī)，還需要分子通信研究人員結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)開展更多的研究，并對檢測方案進(jìn)行優(yōu)化升級.

6 同步

在通信系統(tǒng)中，同步是信息可靠傳遞的重要條件.同步是指對系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，使它們在時間上存在統(tǒng)一性或一致性，其目的是使通信雙方協(xié)調(diào)一致地工作. 目前為止，分子通信研究人員對同步機(jī)制的研究主要基于擴(kuò)散分子通信系統(tǒng). 分子通信中的同步主要包括以下3種.

（1）符號同步：接收機(jī)確定傳輸信號符號間隔的開始時刻，這對于實(shí)現(xiàn)最佳采樣信號至關(guān)重要，是實(shí)現(xiàn)可靠通信鏈路的關(guān)鍵要求之一.

（2）時鐘同步：對要求精確時間信息或者一致時鐘的通信雙方進(jìn)行時間校準(zhǔn)，使得兩者的時鐘一致，進(jìn)而完成兩者之間的協(xié)同合作，比如，在要求納米設(shè)備同時釋放藥物的應(yīng)用中，使設(shè)備之間的時鐘保持一致和準(zhǔn)確是多個設(shè)備同時運(yùn)作的基礎(chǔ).

（3）振蕩同步：利用系統(tǒng)中的負(fù)反饋機(jī)制或閾值觸發(fā)機(jī)制引起全局同頻或同時響應(yīng)，主要用于納米網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)之間的同步.

6.1 符號同步

在基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)中，由于粒子擴(kuò)散是一個非常緩慢的過程，發(fā)送信號與接收信號之間總是存在不可忽略的時間延遲，如圖6 所示. 這種時間延遲將會導(dǎo)致接收機(jī)無法確定接收信號所在時間間隔的開始時刻，無法準(zhǔn)確地對信號進(jìn)行采樣. 因此，在檢測之前，實(shí)現(xiàn)信號的符號同步非常重要.

圖6 發(fā)送信號與接收信號之間的時間延遲

文獻(xiàn)［177］提出了基于信號粒子種類調(diào)制的通信系統(tǒng)中的盲同步方案. 在該系統(tǒng)中，因?yàn)樾盘柫Ｗ舆\(yùn)動具有隨機(jī)性，所以，之前釋放的多種信號粒子可能會在當(dāng)前時隙到達(dá)接收機(jī)，導(dǎo)致接收機(jī)上多個檢測不同信號粒子的天線都檢測到信號. 由于所有信號粒子在當(dāng)前時刻到達(dá)接收機(jī)的概率服從與傳輸時間相關(guān)的高斯分布，因此，接收機(jī)可以利用多種信號粒子在當(dāng)前時刻的采樣值構(gòu)建似然函數(shù)，然后應(yīng)用極大似然估計(jì)法，估計(jì)出信號粒子的傳輸時間，進(jìn)而確定接收信號的符號開始時刻.

文獻(xiàn)［178，179］則進(jìn)一步考慮了發(fā)射機(jī)因尺寸和能量限制，可能沒有配備內(nèi)部時鐘，并且無法按照固定頻率釋放信號粒子的情況. 在這種情況下，發(fā)送信號的釋放時刻是一個隨機(jī)值，信號之間的時間間隔是隨機(jī)值，每一個接收信號對應(yīng)的開始時刻均是隨機(jī)值. 針對這一情況，文獻(xiàn)［178，179］考慮了以下幾種確定信號釋放時刻的方案.

（1）極大似然估計(jì)法：因?yàn)樾盘柌蓸又捣膮?shù)為接收信號期望值的泊松分布，而接收信號期望值只與信號的傳輸時間相關(guān)，所以，可以通過極大似然估計(jì)法估計(jì)得到當(dāng)前接收信號的最大概率傳輸時間，進(jìn)而確定信號的釋放時刻.

（2）線性濾波法：因?yàn)榻邮招盘柶谕抵慌c傳輸時間相關(guān)，所以，可以通過線性濾波法估計(jì)得到信號采樣值與期望值乘積之和最大時對應(yīng)的信號傳輸時間，進(jìn)而確定信號的釋放時刻.

（3）峰值觀測法：因?yàn)榻邮招盘柶谕档姆逯禃r間與信號的傳輸時間無關(guān)，是一個可以直接獲得的確定值，所以，可以將采樣信號的峰值時刻減去信號期望值的峰值時刻，獲得信號的釋放時刻.

（4）閾值觸發(fā)法：設(shè)定檢測信號的最小閾值，當(dāng)采樣信號高于這個閾值時，即認(rèn)為其為信號的釋放時刻.

幾種方案中，極大似然估計(jì)法的誤差最小，但是，它的計(jì)算復(fù)雜度也最高.

綜合考慮文獻(xiàn)［177］和文獻(xiàn)［178，179］中提到的信號粒子存在未知傳輸時間延遲、發(fā)射機(jī)沒有配備內(nèi)部時鐘，并且無法以固定頻率釋放信號粒子的情況，文獻(xiàn)［180，181］提出了另一種符號同步方法：發(fā)射機(jī)同時釋放2種類型的粒子，擴(kuò)散速度更快的粒子作為同步信號粒子，擴(kuò)散速度更慢的信號粒子用于攜帶信息；接收機(jī)根據(jù)2個同步信號粒子的峰值時間，可以確定發(fā)射機(jī)兩次釋放粒子的時間間隔，進(jìn)而確定對信號粒子的采樣時間間隔.

除上述幾種符號同步機(jī)制外，考慮到基于粒子釋放時間調(diào)制的系統(tǒng)對于符號同步錯誤更加敏感，文獻(xiàn)［182～184］還提出了基于線性時不變泊松信道的分子通信系統(tǒng)的符號同步方案. 由于同步誤差值服從特定分布，接收機(jī)可以根據(jù)檢測信號構(gòu)建似然函數(shù)，利用極大似然估計(jì)法估計(jì)出同步誤差，進(jìn)而確定檢測信號的時間間隔.

6.2 時鐘同步

在分子通信系統(tǒng)中，不同設(shè)備在同一時刻可能具有不同時鐘值，即設(shè)備的時鐘值存在差異，這將影響多個設(shè)備之間的協(xié)同合作，因此，對系統(tǒng)中多個設(shè)備進(jìn)行時鐘同步非常重要.

在時鐘同步過程中，時鐘參考設(shè)備發(fā)送自身時鐘信息，接收方根據(jù)這一信息調(diào)整自身時鐘，消除設(shè)備之間的時鐘差，實(shí)現(xiàn)時鐘同步. 然而，由于粒子擴(kuò)散緩慢，攜帶時鐘信息的信號傳輸時間不可忽略. 針對這一情況，當(dāng)前時鐘同步方案主要基于通信雙方可多次互換時鐘信息的系統(tǒng)，如圖7 所示，設(shè)備根據(jù)接收到的多個時鐘值，估計(jì)出設(shè)備之間的時鐘差，并調(diào)整自身時鐘，實(shí)現(xiàn)時鐘同步. 在進(jìn)行雙向信息交換過程中，因?yàn)樾盘柫Ｗ哟嬖谖粗膫鬏敃r延，所以，接收方接收到發(fā)送方時鐘信息的時刻，相對于信息釋放時刻存在較大時間延遲. 因此，克服時間延遲的影響，并獲取設(shè)備之間的時鐘差，是實(shí)現(xiàn)時鐘同步的關(guān)鍵.

圖7 雙向交換自身時鐘信息

文獻(xiàn)［185，186］根據(jù)信號粒子的傳輸時延服從逆高斯分布，構(gòu)建了關(guān)于設(shè)備之間時鐘差的似然函數(shù)，利用極大似然估計(jì)法估計(jì)出設(shè)備之間的時鐘差. 文獻(xiàn)［187］則是利用雙向交換時鐘信息過程中，信號粒子正向傳輸時延（如圖7 中的節(jié)點(diǎn)A 到節(jié)點(diǎn)B）和逆向傳輸時延（如圖7 中的節(jié)點(diǎn)B 到節(jié)點(diǎn)A）的時間差服從高斯分布，構(gòu)建關(guān)于設(shè)備之間時鐘差的似然函數(shù)，然后用極大似然估計(jì)法估計(jì)出時鐘差. 除固定通信系統(tǒng)外，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)還可能存在移動的情況，文獻(xiàn)［188］提出了一個節(jié)點(diǎn)以固定速度移動情況下的時鐘同步機(jī)制. 固定節(jié)點(diǎn)同時釋放2種不同類型的信號粒子，移動節(jié)點(diǎn)將接收到粒子時的時鐘信息反饋給固定節(jié)點(diǎn). 因?yàn)樾盘柫Ｗ釉? 個節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時延服從高斯分布，所以，固定節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)建時鐘差相關(guān)的傳輸時延似然函數(shù)，利用多輪與移動節(jié)點(diǎn)信息交換時的時鐘值，估計(jì)得到設(shè)備之間的時鐘差.

除了2 個節(jié)點(diǎn)之間直接交換時鐘信息外，文獻(xiàn)［189］還提出了基于參考時鐘設(shè)備的多節(jié)點(diǎn)時鐘同步.如圖8 所示，在系統(tǒng)中，參考時鐘設(shè)備（節(jié)點(diǎn)P）同時釋放信號粒子到達(dá)2 個節(jié)點(diǎn)，由于參考設(shè)備與2 個節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，因此，粒子到達(dá)2 個節(jié)點(diǎn)所需的時間也不同. 不過，這2 個傳輸時間的差值服從高斯分布，可以通過多輪信號傳遞，構(gòu)建關(guān)于2個節(jié)點(diǎn)之間的時鐘誤差的傳輸時間差似然函數(shù). 通過極大似然估計(jì)法，可以獲得2個節(jié)點(diǎn)之間的時鐘差.

圖8 雙向交換接收到參考時鐘信息的時鐘值

由于雙向傳輸時鐘信號過程中正向和逆向傳輸環(huán)境很難保持一致，例如，在存在流的環(huán)境中逆向傳輸存在困難，因此，單向傳輸時鐘信息的同步機(jī)制在文獻(xiàn)［190］中被提出. 由于單個信號脈沖在接收端的輸出具有相應(yīng)的幅值時間特征，接收機(jī)可以通過對單個信號在接收機(jī)的多個時間采樣，估計(jì)出信號粒子的傳輸時延. 根據(jù)時鐘信息中包含的發(fā)射機(jī)時鐘以及傳輸時延，接收機(jī)可以獲得設(shè)備之間的時鐘差，調(diào)整自身時鐘，實(shí)現(xiàn)時鐘同步. 在文獻(xiàn)［191～194］中，環(huán)境中存在流、信號粒子需要合成時間以及發(fā)射機(jī)與接收機(jī)均移動的情況下的時鐘同步也相繼被研究.

6.3 振蕩同步

分子通信中的振蕩同步主要被用于同步網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點(diǎn)，以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同合作. 最早提出的振蕩同步系統(tǒng)是文獻(xiàn)［195］中的合成基因網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的多個細(xì)胞通過合成基因網(wǎng)絡(luò)，同時產(chǎn)生某種信號粒子或者抑制粒子的產(chǎn)生，形成全局細(xì)胞響應(yīng)，達(dá)到同步的目的. 在這個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，單個細(xì)胞內(nèi)的合成基因生成的信號粒子會產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑴p少細(xì)胞內(nèi)該粒子的進(jìn)一步合成，并且，粒子還會擴(kuò)散進(jìn)入其他細(xì)胞中，作用于其他細(xì)胞內(nèi)的粒子合成. 當(dāng)環(huán)境中的信號粒子高于或低于相應(yīng)濃度閾值時，所有細(xì)胞都會停止生成或繼續(xù)生成信號粒子. 然而，這種振蕩同步主要通過生物體內(nèi)的特定生物細(xì)胞實(shí)現(xiàn).

受自然界啟發(fā)，納米網(wǎng)絡(luò)的振蕩同步機(jī)制在文獻(xiàn)［196～198］中被進(jìn)一步研究. 網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點(diǎn)利用細(xì)菌的群體感應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的振蕩同步. 細(xì)菌通過感知環(huán)境中引誘劑分子的濃度，估計(jì)環(huán)境中的細(xì)菌數(shù)量.當(dāng)環(huán)境中的引誘劑分子濃度達(dá)到某一個閾值時，細(xì)菌菌落將會表現(xiàn)出全局同步行為，例如生成膜、產(chǎn)生熒光等. 在群體感知細(xì)菌納米網(wǎng)絡(luò)中，可以通過觀察由閾值觸發(fā)的基因表達(dá)產(chǎn)生的現(xiàn)象，觀測系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)同步.

與群體感知同步機(jī)制中的閾值觸發(fā)不同，文獻(xiàn)［199～201］采用的是與文獻(xiàn)［195］類似的負(fù)反饋機(jī)制.在外界刺激下，信號粒子開始由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并擴(kuò)散到環(huán)境中、隨著粒子濃度升高并達(dá)到某閾值，粒子的生成會受到抑制，多個節(jié)點(diǎn)將會停止生成信號粒子；當(dāng)粒子濃度低于某閾值時，多個節(jié)點(diǎn)又繼續(xù)生成信號粒子. 系統(tǒng)中的多個節(jié)點(diǎn)在這種振蕩同步機(jī)制下，表現(xiàn)為同步/同頻地產(chǎn)生/停止產(chǎn)生信號粒子，環(huán)境中的信號粒子呈現(xiàn)周期性波動. 利用閾值觸發(fā)機(jī)制或負(fù)反饋機(jī)制，文獻(xiàn)［202～204］還設(shè)計(jì)了信號粒子濃度呈周期變化的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在無法預(yù)知環(huán)境狀況的條件下的自動同頻響應(yīng).

如本節(jié)所述，研究人員已經(jīng)提出了多種分子通信同步機(jī)制. 然而，其中的符號同步和時鐘同步機(jī)制對于有限能力的微納米設(shè)備來說過于復(fù)雜，這些同步方案依賴穩(wěn)定的信道脈沖響應(yīng)，而實(shí)際的通信信道卻并非如此. 此外，其中的振蕩同步機(jī)制，除依賴特定的細(xì)胞外，在實(shí)際系統(tǒng)中的性能也暫時無法預(yù)知. 實(shí)際通信系統(tǒng)中的同步性能，還需要研究人員進(jìn)一步完善，并通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)性能.

7 移動分子通信

同傳統(tǒng)無線通信一樣，分子通信系統(tǒng)中也存在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)不斷移動的情況，并且，對于許多分子通信應(yīng)用來說，這種移動是必不可少的. 例如在身體健康監(jiān)測應(yīng)用中，需要利用納米機(jī)器在體內(nèi)不斷移動，采集環(huán)境中的信息，如某些物質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)或者濃度水平，以實(shí)現(xiàn)對某些疾病的監(jiān)控.

在最初提出的納米尺度移動通信場景中，信號僅在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)碰撞或緊鄰時才開始傳遞［205，206］. 在文獻(xiàn)［205］中，信息傳遞需要通過節(jié)點(diǎn)碰撞、粘附之后的神經(jīng)通信完成；文獻(xiàn)［206］中的信息傳遞則是在納米機(jī)器彼此緊鄰時，通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster reso?nance energy transfer）實(shí)現(xiàn). 然而，這樣的通信場景需要使用特定的細(xì)胞，并且需要發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行碰撞或緊鄰，在系統(tǒng)的部署中存在局限性.

無需發(fā)射機(jī)和接收機(jī)碰撞的移動分子通信系統(tǒng)隨即被提出. 文獻(xiàn)［207］提出使用細(xì)菌作為移動系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，細(xì)菌的移動過程被建模為一個獨(dú)立同分布模型，即在每個時隙中，細(xì)菌在整個網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立同分布地選擇其新位置. 文獻(xiàn)［208］則考慮了發(fā)射機(jī)或接收機(jī)自身具有固定移動速度的模型，移動距離與移動時間有關(guān). 但是目前研究最廣泛的還是隨機(jī)游走模型：與信號粒子擴(kuò)散時的移動狀況類似，發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的移動過程為維納過程，具有獨(dú)立高斯分布［209，210］，在時間間隔τ內(nèi)移動的位移服從均值為0、方差為2Dτ的高斯分布，其中D為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的擴(kuò)散系數(shù).

與固定分子通信系統(tǒng)相比，在無需碰撞接觸的移動分子通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離隨時間持續(xù)變化，這將導(dǎo)致信號粒子的傳播距離無法確定，進(jìn)而無法確定粒子到達(dá)接收機(jī)的情況. 對于基于擴(kuò)散的分子通信系統(tǒng)，收發(fā)機(jī)的移動將會導(dǎo)致信道脈沖響應(yīng)（6）的距離向量d變?yōu)闀r變量. 在任意時刻t由發(fā)射機(jī)釋放的信號粒子，經(jīng)過傳播時間τ后的信道脈沖響變?yōu)?/p>

其中，Dm為信號粒子的擴(kuò)散系數(shù). 從式（46）可以看出，移動分子通信系統(tǒng)的信道響應(yīng)是一個時變過程. 文獻(xiàn)［211，212］對移動分子通信的信道進(jìn)行了建模分析，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的擴(kuò)散系數(shù)分別為Dt和Dr，在一個信號符號時間間隔內(nèi)，假設(shè)初始時刻t0時發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離向量為d(t0)，當(dāng)信號粒子的傳播時間為τ時，系統(tǒng)的信道脈沖響應(yīng)為

其中，D′為接收機(jī)和信號粒子的等效擴(kuò)散系數(shù)，且D′=Dm+Dr［213］.

由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)，在任意符號時間間隔開始時刻距離向量d(t0)均不同. 假設(shè)在t=0時刻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始位置分別為(xt0,yt0,zt0)和(xr0,yr0,zr0)，即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的初始距離為

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在有限時間間隔t=t0內(nèi)在各方向的位移分別為

則在經(jīng)過有限時間間隔t0后發(fā)射機(jī)的位置為

接收機(jī)的位置為

則

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離為

由于xr-xt，yr-yt，zr-zt均是均值不為0 的正態(tài)分布，因此

信號傳輸?shù)牟淮_定使得適用于固定分子通信系統(tǒng)中的檢測機(jī)制、同步機(jī)制等不能直接應(yīng)用于移動分子通信系統(tǒng)中. 研究人員們對移動分子通信系統(tǒng)展開了許多研究，例如，移動分子通信系統(tǒng)中接收信號的均值與方差［214］、誤碼性能［215］和首次碰撞時間［216］. 另外，適用于移動分子通信的調(diào)制機(jī)制［217］、同步機(jī)制［188，191，192］、距離估計(jì)［218］和檢測機(jī)制［92，219～222］也被進(jìn)一步研究. 但是，對移動分子通信的深入研究還有很大空間，例如，具有復(fù)雜變化因素的實(shí)際信道環(huán)境中的移動系統(tǒng)，以及實(shí)際的微納米設(shè)備在信道中的移動模型，均需研究人員進(jìn)一步研究.

8 分子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

近些年來，分子通信在理論層面已經(jīng)取得了許多突破性進(jìn)展. 然而，由于分子通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)部署需要通信工程師、機(jī)械工程師、化學(xué)工程師和生物工程師協(xié)作完成，并且運(yùn)作所需的實(shí)驗(yàn)成本過高，絕大多數(shù)理論成果沒有在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，這極大地限制了分子通信研究前進(jìn)的腳步. 近年來，許多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域展開了研究，以探索分子通信的實(shí)用性.

文獻(xiàn)［223］制作了首個桌面分子實(shí)驗(yàn)平臺（test?bed），該平臺使用酒精金屬氧化物傳感器作為接收機(jī)，使用一套電控的噴射設(shè)備構(gòu)成發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由開放平臺Arduino微控制器控制. 在這個平臺上，文本消息被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制序列并進(jìn)行開關(guān)鍵控OOK調(diào)制，即信號“1”和“0”分別被表示為噴射酒精和不噴射酒精，然后使用桌面風(fēng)扇引導(dǎo)發(fā)射機(jī)釋放的酒精分子傳播.這個系統(tǒng)在2014年IEEE INFOCOM進(jìn)行了展示［224］.

雖然分子通信是受生物學(xué)和自然所啟發(fā)而產(chǎn)生的科學(xué)，但是作為信息載體的信號粒子不需要被限制在那些自然界出現(xiàn)的粒子［18］. 生物相容性磁性納米顆粒是在生物技術(shù)中已經(jīng)具有良好運(yùn)用的人造顆粒之一［225］，這些粒子可通過增加其大小或涂層來進(jìn)行定制，以適應(yīng)特定的應(yīng)用. 文獻(xiàn)［226］設(shè)計(jì)了一種可穿戴式磁性粒子檢測器，該檢測器可作為部署在人體內(nèi)部的分子通信系統(tǒng)與部署在外部的信號處理單元之間的接口，該系統(tǒng)采用磁性納米粒子作為信號載體，可以通過射頻諧振電路來對血管中發(fā)送的二進(jìn)制信號進(jìn)行檢測.

文獻(xiàn)［227，228］進(jìn)一步將文獻(xiàn)［226］中的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為一個測試實(shí)驗(yàn)平臺. 該實(shí)驗(yàn)平臺以最初為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而開發(fā)的超順磁性氧化鐵納米粒子為信息載體. 信號粒子分散在水懸浮液并儲存在注射器中，該注射器與內(nèi)徑為0.4 mm 的導(dǎo)管相連，導(dǎo)管的尾端連接至一個計(jì)算機(jī)控制的蠕動泵，以確保粒子在管中的移動，該泵可以以5.26 mL/min 的流速提供離散的抽水動作.通過一個Y 型連接器將帶有顆粒的管的末端與另一個半徑為0.75 mm 的提供背景流速的水流管相連，恒定的背景水流速度由另一個泵控制. 隨后，Y 型連接器的出口進(jìn)入信道模塊，信道管的內(nèi)半徑也為0.75 mm，該信道中的流速為背景流速和顆粒注入流速之和，在顆粒注射過程中為10.26 mL/min，在其余時間內(nèi)為5 mL/min. 在接收端，管道穿過一個用于檢測的感應(yīng)線圈，當(dāng)磁性粒子在磁化計(jì)的檢測范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生正比于磁性粒子數(shù)目強(qiáng)度的電信號，通過觀測和處理產(chǎn)生的電信號，即可完成對發(fā)送信號的檢測.

文獻(xiàn)［229，230］展示了一種基于光驅(qū)動質(zhì)子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)的實(shí)驗(yàn)平臺. 細(xì)菌視紫紅質(zhì)是一種獨(dú)特的光敏蛋白，具有光致變色和光驅(qū)質(zhì)子泵功能. 光驅(qū)動的質(zhì)子泵細(xì)菌視紫紅質(zhì)是自然界中已知最快的光反應(yīng)之一. 利用一個光子的能量，質(zhì)子可以在不到45 μs 的時間內(nèi)通過細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移［231］. 該實(shí)驗(yàn)的調(diào)制器基礎(chǔ)是E.coli 細(xì)菌細(xì)胞膜上細(xì)菌視紫紅質(zhì)的會對輸入的光信號產(chǎn)生響應(yīng). 裝有細(xì)菌懸液的玻璃管安裝在光隔離培養(yǎng)箱中，以保持實(shí)驗(yàn)的背景環(huán)境，LED 光源聚焦在細(xì)菌懸浮液上，并通過Arduino 微控制器和電腦進(jìn)行控制.發(fā)送的信號通過OOK 調(diào)制方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的光信號.當(dāng)光源在照亮細(xì)菌質(zhì)膜泵中的細(xì)菌視紫紅質(zhì)時，質(zhì)子從細(xì)菌向外擴(kuò)散到周圍的介質(zhì)中，導(dǎo)致環(huán)境中的PH 值降低. 細(xì)菌對光信號的響應(yīng)可通過細(xì)菌懸浮液中部署的pH 傳感器所檢測到的pH 值變化信號體現(xiàn)，通過對PH值信號的處理最終完成信號的解調(diào).

同樣采用觀測PH 值來接收信號，文獻(xiàn)［232］中模擬人體血管的環(huán)境來檢測葡萄糖濃度，發(fā)送端由一個包含葡萄糖水溶液的注射器和一個裝有鹽溶液的注射器構(gòu)成，兩者分別利用各自連接的泵提供液體在導(dǎo)管中的流速，同樣采用OOK 調(diào)制方式（有無葡萄糖溶液的釋放）. 在接收端，將基于InGaZnO（氧化銦鎵鋅）的電解質(zhì)門控場效應(yīng)晶體管作為傳感器，通過在晶體管表面固定一定濃度的葡萄糖氧化酶，并且利用葡萄糖的分解反應(yīng)［233］

該反應(yīng)右側(cè)產(chǎn)生的氫離子會導(dǎo)致培養(yǎng)基中的PH值變化，通過測量局部PH值的變化來估算葡萄糖的濃度，最后對葡萄糖濃度變化的曲線進(jìn)行信號處理來解調(diào)信號.

文獻(xiàn)［234］利用羅丹明6G（Rhodamine 6G）（一種熒光染料）作為信息載體，設(shè)計(jì)了一個平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)檢測信號的實(shí)驗(yàn)平臺，如圖9 所示. 發(fā)送端通過OOK 調(diào)制（釋放或者不釋放羅丹明6G）將羅丹明6G 釋放進(jìn)入有泵驅(qū)動的水箱中. 接收端利用平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，用激光照亮含有羅丹明6G 的水流，再用高速攝像機(jī)記錄接收機(jī)處不同時刻的發(fā)光圖像，以熒光亮度作為接收信號的強(qiáng)度，對接收信號進(jìn)行分析和解調(diào).

圖9 平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)檢測信號的實(shí)驗(yàn)平臺[234]

文獻(xiàn)［235］設(shè)計(jì)了一種微觀的基于合成分子通信的調(diào)制器，如圖10所示，通過電化學(xué)和電溶解技術(shù)將電信號轉(zhuǎn)換為生物DNA 信號，通過一些化學(xué)流程將DNA固定在多層金薄膜上. 系統(tǒng)可通過電信號刺激使DNA從多層薄膜上釋放，釋放DNA 的量取決于電信號的強(qiáng)度. 因此，發(fā)送端電信號的有無直接影響容器環(huán)境中的DNA 濃度. 接收端利用Nanodrop（可在幾秒鐘內(nèi)量化DNA，RNA和蛋白質(zhì)樣品的試劑盒）對環(huán)境中的DNA濃度進(jìn)行測量，然后對檢測到的DNA 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解調(diào)出發(fā)送的信號.

圖10 基于合成分子通信的調(diào)制系統(tǒng)[235]

文獻(xiàn)［236～238］提出了基于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO）分子通信平臺. 在這個裝置中，發(fā)射器和接收器配備了多個噴霧和接收機(jī)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率. 結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率是SISO分子通信平臺的1.78倍.

盡管分子通信在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域有一定進(jìn)展，但是目前依舊無法實(shí)現(xiàn)整個小尺度通信系統(tǒng). 主要困難在于尚未實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能的微觀發(fā)射裝置和接收裝置. 分子通信發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的物理架構(gòu)設(shè)計(jì)將成為實(shí)現(xiàn)小尺度通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn).

9 總結(jié)與展望

分子通信是一個涉及通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、納米技術(shù)的多學(xué)科交叉方向. 本文主要從分子通信基本概念、信道、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、同步、移動分子通信，以及實(shí)驗(yàn)平臺等幾個方面對分子通信系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納和總結(jié). 分子通信研究人員在理論層面已經(jīng)開展了大量研究工作，盡管如此，分子通信的研究依然面臨巨大的挑戰(zhàn). 一方面，當(dāng)前的研究主要集中于對分子通信理論層面的研究，但是，理論的正確性與可靠性需要實(shí)際通信系統(tǒng)驗(yàn)證. 然而，由于分子通信的跨學(xué)科屬性以及昂貴的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)主要是宏觀系統(tǒng)，構(gòu)建小尺度的分子通信系統(tǒng)依然存在很大困難. 另一方面，現(xiàn)有的理論分析中應(yīng)用的系統(tǒng)模型主要是基于理想狀態(tài)，例如，無限大的通信環(huán)境、信號粒子的擴(kuò)散系數(shù)保持恒定等，但是，實(shí)際環(huán)境中存在多種復(fù)雜的變化，更實(shí)際的通信模型需要分子通信研究人員更進(jìn)一步研究分析.

為了使分子通信系統(tǒng)進(jìn)一步實(shí)際化并能真正部署到應(yīng)用環(huán)境中，未來分子通信的研究需要做到一下幾點(diǎn).

（1）多學(xué)科交叉進(jìn)一步完善分子通信系統(tǒng)，從化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)等方面對分子通信系統(tǒng)進(jìn)行更深層的探究. 目前分子通信已經(jīng)搭建了基礎(chǔ)的理論體系，但是在應(yīng)用上還需要與各個學(xué)科交叉，需要納米技術(shù)的支持，也需要結(jié)合生物學(xué)中的特性來完成更高效的通信，構(gòu)建實(shí)際的分子通信實(shí)驗(yàn)平臺.

（2）在實(shí)驗(yàn)中完善理論體系. 在分子通信系統(tǒng)的研究中，大多數(shù)理論體系都是建立在理想的模型下，然而，在實(shí)際通信中會有許多不確定因素，現(xiàn)有理論不一定能夠保證正常通信. 除此之外，還需要基于實(shí)際的通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)性能，調(diào)整對應(yīng)的調(diào)制機(jī)制、編碼機(jī)制和檢測機(jī)制等. 同時，還需要對分子通信的實(shí)現(xiàn)環(huán)境進(jìn)行研發(fā)，設(shè)置參數(shù)探究不定因素對分子通信系統(tǒng)通信的影響. 最后根據(jù)現(xiàn)有理論基礎(chǔ)與仿真技術(shù)，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的建模工具，設(shè)立計(jì)算機(jī)仿真平臺，從而為后續(xù)研究跨學(xué)科共同開發(fā)提供工具.