理論：物聯網正向三個方面轉變

“物聯網”(IoT)這個名稱描述了讓互聯網得以延伸至實體世界的幾種技術和研究科目。射頻識別(RFID)、短程無線通信、實時定位和傳感器網絡等技術正變得日益普及，讓物聯網得以實現。

實際上，在萬維網問世、手機在全世界范圍里普及后，物聯網代表了在我們有生之年里發生的最具顛覆潛力的技術革新。隨著預期多達500億至1000億件物品在 2020年前被鏈接到互聯網上，我們正在經歷一次重大變化，日常物品將變得相互連接和智能化。

然而，對于“智能事物”及其形成的體系，人們的理解、使用、互動和經驗并未與之同步發展，而這造成了技術、社會、經濟和政治方面的巨大后果。為此，學術界和產業界的大批科研人員，還有商家、政府機構和城市正從三個主要方面探索這一激動人心的技術：科學理論、工程設計和用戶經驗。 在這種更全盤化視野的促進下，研究團體把專注點從系統轉移到了終端用戶。這種轉變的目標是向用戶提供理解和控制自己所在的環境所需的知識，以及超越傳統桌面的新的互動界面，從而讓用戶獲得更強大的能力。

物聯網已經改變了互聯網的使用方式。通過物聯網，各種各樣的物體、傳感器和設備能夠互相交互形成無處不在的網絡，從而改善我們的日常生活。比如在衛生保健領域，人體局域網(body area network)收集非常重要的病人信息，并將其送到服務提供商的計算系統，從而使更精確、更有效地監控大量的人群成為可能。嵌入在環境中的傳感器還可以給老年人和殘疾人提供隨處可得的生活幫助。

在互聯網和感應技術發展的同時，納米技術也在進步。自從理查德·費曼在1959年發表了關于納米技術的著名諾貝爾獎獲獎演講以來，這個領域發展迅猛，制造出有很多應用的復雜設備。特別是近些年來，納米通信學科的出現，目標是為納米設備創造新的交互模式以提高它們的性能和應用水平。

然而，納米設備并不一定限制在點對點通信中。在用戶周邊的各種物體和設備中嵌入納米傳感器將會給物聯網增加新的領域：納米物聯網(IoNT)。這些微型的傳感器通過納米網絡互聯，可以獲得物體內部以及難以訪問區域的細分數據，從而可以帶來新奇的發現和應用。舉例來說，人體納米傳感器可以提供心電圖和其他至關重要的信號，而環境中的納米傳感器則可以收集特定區域的病原體和過敏原信息。通過 IoNT 將這兩種數據源結合就能更容易精確診斷和監控病人的情況。

IoNT 的概念是由伊恩·阿基迪茲(Ian Akyildiz)和約瑟夫·喬奈特(Josep Jornet) 提出的。他們概述了電磁納米設備通信的總體架構，包括信道建模、信息編碼和協議。這些研究者描述了最適合納米級通信的元件，并集中討論了基于石墨烯的納米天線。這種天線在百億赫茲波段具有最高能效。然而，這導致了獨特的且易受影響的屬性，比如由分子吸收引起的路徑損失和噪聲會影響波在傳播過程中的衰減。阿基迪茲和喬奈特還提出了一種新的路由形式以及在基于 EM 的納米通信中需要的服務發現。

挑戰：納米通信看易行難

實現 IoNT 必須面對兩個挑戰:在納米網絡中建立數據采集和路由機制，開發中間件以鏈接傳統的微傳感器和納米網絡。我們也會涉及擴展目前的上下文和服務管理系統以支持 IoNT 所必需的東西，以及其他一些可能的 IoNT 應用。

設想中的IoNT包括下層鏈接眾多納米傳感器的納米級網絡，與納米網絡交互并分布式處理它們自己信息的設備以及上下文和服務管理系統。雖然研究者提出了多種納米通信方法，這里我們只考慮兩種最實際的：分子通信和電磁通信。

納米設備可以在生物環境中交互，比如在人體中就可以通過覆蓋現有的器官通信系統或者利用像核苷酸、氨基酸、 肽等的生物分子來通信。譬如，對細胞重新編程使其成為傳感器。

研究者建議了多種將信息轉換成生物分子然后將它們傳送給接收方納米設備來解碼的方法，包括分子擴散、鈣信號、細菌和病毒納米網絡以及使用神經元。細菌和病毒能夠攜帶基因數據，這對需要用DNA形式來對信息進行編碼的傳感器來說正好合適。

通過電磁通信來交互，是比分子通信更常規的方法。每個設備像一個微傳感器微粒，大小在 2 到 6 微米不等。它們的元件，包括天線、電磁收發器和處理器都是納米級的。如前所述，天線可能是由石墨烯材料制成并且工作在THz 波段。

考慮到要適應納米通信的特性，IoNT 的協議也需要修訂。在分子通信的情況下，這些特性可能包括由于生物環境中較高的噪聲水平、慢速的分子傳播以及細菌或病毒的運動而導致的慢速且不可靠的消息傳輸。在電磁通信的情況下，納米級的設備必須自行供電或者能夠獲取能量;必須能夠適應能量獲取階段與傳輸階段在時序上的差異，并能夠處理石墨烯天線的分子吸收導致的對傳輸可靠性可能產生的影響。

兩種網絡各有千秋

分子納米網絡：分子納米網絡而采用的拓撲可以假定各種各樣的形狀和尺寸:無尺度的、網格的等等。另一方面，分子納米網絡的信息損失率是非常高的。比如，分子由于環境流體運動而導致的擴散可能會使其丟失，而像抗生素這樣的外部化學制劑能夠殺死病毒和細菌。

這種納米網絡可以將待傳輸的信息用存儲在DNA 元件中的數據(類似于IP包)或者用二進制形式來表示。比如，1代表特定的濃度，0代表沒有分子傳輸。由于分子或其他攜帶消息的元件的范圍受到限制，分子納米網絡中的路由可能是多跳的。一個中繼納米設備不會有可以用來計算到目的地路由的路由表，因此路由機制是機會路由。

電磁納米網絡：雖然電磁納米網絡中的設備有專用的納米存儲器，但是它們可能不能存儲協議代碼，因而也不能計算到目的節點的路由。因此，預期路由架構是分層級的，納米設備在一跳的距離內與微網關通信，也就是一個星形拓撲。因為設備的內存有限，并且只會產生數納秒內就可傳輸掉的很少比特的包，所以納米設備和微網關之間的數據傳輸不應該會碰到封包碰撞。由于納米設備的能量受限，通信協議將會是基于查詢的，且各種查詢在微網關之間路由以到達特定的設備。

技術挑戰關險重重

實現 IoNT 需要考慮的一個重要因素就是必須采集環境中的納米設備所產生的大量數據。

系統架構：傳統的傳感器網絡架構使用一定數量的匯聚點從傳感器采集數據，但是這對納米網絡可能不可行。可能的解決方案是使用微網關，可以鏈接到納米傳感器的常規微傳感器從而作為設備的中間層。在電磁納米網絡中，每個微網關需要雙收發器:一個與納米網絡在 THz 波段通信，另一個與對等的微網關在 GHz 波段通信。

路由技術：大多數傳感器網絡的路由算法關注能效優化以及可擴展性。然而，納米傳感器和傳統的微傳感器之間有著重要差別，而這會影響到 IoNT 的算法設計。

首先，與微傳感器相比，納米傳感器使用非常少的能量，因此要求使用能量獲取技術來給納米傳感器供應能量。例如，生化藥劑可以給分子納米傳感器補充燃料，而電磁納米傳感器可以使用納米線振動來產生能量。

其次，納米設備的存儲設備以及計算處理能力相對受限，因此對于通信環境的拓撲結構也沒有過多了解。這意味著它們不能查找地址或者執行路徑計算。

非常規路由：由于一個納米網絡只有一個微網關，要路由批量數據就非常困難。一個可能的解決方案是結合非常規路由技術，比如移動容遲網絡，可以不失時機地利用裝備了移動設備的人或者車輛來傳輸數據到目的地。在電磁納米網絡中每一個設備都能夠裝備一個收發器，當靠近傳感器時就可以用來接收從傳感器發來的信號。在分子納米網絡中，一個中間的微網關需要在向移動載體傳輸數據前先融匯采集數據。這種方法有點像在某一環境中移動時從傳感器采集數據的“數據騾”。

系統管理：與無線傳感器網絡中間件類似，微網關系統管理模塊管理網關的內部操作。除了資源和服務質量管理外，一個主要的功能就是自我認知。納米網絡所在的環境通常惡劣且多變，這使得納米傳感器的數據傳輸的有效性和可靠性受到影響。例如，流體運動可能會干擾分子擴散，水汽可能會影響電磁信號。

由于環境條件的原因， 網絡拓撲可能是隨機的、動態的。因此，網絡中的納米設備可能對網絡拓撲沒有必須的認知。兩種類型的納米網絡中，微網關和納米網絡之間都有著主從關系:只有微網關才有完整的關于網絡和環境的認知以及重新設置網絡行為的能力。要達到高度的自我認知，微網關必須能夠推導出與之鏈接的納米網絡的拓撲結構，評估環境條件(哪些可能會隨著時間改變)，確定并調整可能會影響消息傳輸可靠性的波動。

數據分析：傳統的傳感器網絡中，數據采集通常通過靜態樹實現。樹上的每一個節點將感知到的數據通過樹傳給根上的匯聚節點。然而，由于每一個微網關鏈接了很多的納米傳感器，這種方法可能會導致巨大的數據流量，尤其當感知是周期性的時候。因此，需要一種動態的數據采集樹以實現微網關之間的節點到節點的交互。

在分子和電磁納米網絡中，微網關都需要整合從各種納米傳感器送來的數據，然后再沿著樹發送。然而，納米設備之間的數據傳輸導致時序上的差異可能會使消息在到達匯聚點之前產生長時間的延遲。在分子納米網絡中，信息傳輸可能需要相當長的時間，尤其當查詢需要反饋的時候。在電磁納米網絡中，能量獲取是一個主要的限制，因為在達到傳輸條件之前的獲取過程可能需要一分鐘。所以，必須在微網關中實現一種最優時延的數據融合過程， 使得網關可以在沿著數據采集樹進一步傳輸之前處理所有的信息。

能量節約：微網關在和納米網絡鏈接的時候可能會迅速耗盡它們的能量。微網關和納米設備的動態時序同步使決定何時讓微網關進入睡眠狀態以節約能量成為可能。例如，在分子網絡中，如果大量的外部流體可能會延遲分子到達目的地，那么網關就可以進入睡眠狀態，并且在分子預計到達的時間喚醒。在電磁網絡中，微網關可以在納米設備獲取能量時進入睡眠狀態。

問題：納米物聯機中有危

除了數據采集和中間件之外,IoNT 研究者必須解決與上下文管理、安全和隱私、服務組合及發現等相關的問題。

IoNT 能夠從各種數據源采集極細粒度(用顯微鏡可見的) 的數據,因此需要上下文模型來處理這些數據。隨著研究者為普適計算應用開發出眾多的上下文模型和推理技術,通過納米網絡采集到的各式各樣的數據就需要橫跨多個特定領域本體的跨域推理技術。

納米傳感器收集到的敏感數據也需要用新的安全隱私機制來保護,這些敏感數據可能包括個體詳細的化學和生物樣本。譬如, 分子納米網絡可能會收集到人類感染有害病毒的數據,而這可能會揭示疾病的本質和嚴重性。必須有安全保護措施以確保這樣的數據不會落到壞人的手中。

服務也是 IoNT 的關鍵方面。目前面向服務的體系架構不足以處理納米網絡中各種各樣的大量數據。解決這個問題的一種方法就是將服務層分成應用層和數據采集層,每一層都包含集群服務組合和發現模型。

實戰：納米物聯的

內嵌與外延

納米網絡采集到的細粒度的數據使得 IoNT 有可能擴展現有的應用或者提供新的應用,以解決在IoT 中受到限制或者無法利用的問題。我們可以預期,在不久的將來,IoNT 應用將會出現在衛生保健、環境和農業監測以及某些交叉領域中。

最明顯的 IoNT 應用就是使用聯網的在體納米傳感器來采集和監測病人的重要生物活動，包括疾病過程。這些傳感器能夠提供準實時的數據給穿戴設備上的微網關，微網關再將數據傳送給病人的醫生。在體納米網絡還能夠分析體液和呼吸,并且執行其他種類的醫學測試,省去病人去實驗室的麻煩。

另一個可能的應用是將納米傳感器放置在人口密度高的公共場所,比如醫院、機場、餐館,來追蹤病毒性疾病的傳播過程以及更好地理解不同類型的人們是如何被感染的。

聯網的納米傳感器還可以被用來監測環境,包括污染、溫室氣體以及輻射。農業部門也可能會在幫助檢測農作物和牲畜中的有毒細菌、病毒和其他傳染性病原體比如大腸桿菌和瘋牛病的過程中受益。

IoNT 能夠擴展到多個領域。比如,在乳制品和衛生保健部門之間可以建立鏈接來消除或者最大程度降低生產條件對某些特定類型過敏人群的影響。

納米技術改變了解決各種各樣問題的傳統方法，尤其是在制造業和衛生保健領域。然而，直到今天,研究者幾乎沒有將注意力放到在環境中嵌入納米設備來支持終端用戶的計算上。IoNT 的愿景可以通過引入日常使用的納米設備之間,以及納米設備、微設備之間的新的通信模式，同時克服其他一些技術障礙來實現。開發一種真正無處不在的、 可以更好地服務于人類的計算環境的時機已經成熟了。