分子通信与纳米网络：基础理论与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[土耳其] Baris Atakan 著，韩帅，孟维晓，彭木根 译

图书标签:

• 分子通信
• 纳米网络
• 生物启发通信
• 纳米技术
• 信息编码
• 信道建模
• 网络协议
• 应用场景
• 新兴技术
• 交叉学科

出版社： 哈尔滨工业大学出版社

ISBN：9787560365671

版次：1

商品编码：12355990

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-04-01

用纸：胶版纸

编辑推荐

本书可作为高等院校信息、通信、化学和生物学等学科的本科生和研究生教材，也可作为相关行业工程师和研究人员的参考书。

内容简介

本书从通信理论的角度介绍分子通信和纳米网络的原理和技术，主要探讨发射纳米机器（TN)和接受纳米机器（RN）两个节点的分子通信。根据信息分子如何被引导和传输至接收纳米机器，发射纳米机器和接受纳米机器之间的分子通信分为两种类型：第一种类型称为被动分子通信（PMC），第二种类型称为主动分子通信（AMC）。在被动分子通信中，分子从发射纳米机器被动扩散至接收纳米机器，不需要一个中间系统来引导和传输分子。在主动分子通信中，当分子被发射纳米机器发出后，需要一个中间系统来引导并传输至接收纳米机器。

目录

第1章 纳米机器间的分子通信
1.1 纳米机器、纳米机器人和基因工程机器
1.2 自然界中细胞间的分子通信
1.3 纳米机器间的分子通信
1.4 分子通信的架构
1.5 本书的组织结构
本章参考文献
第2章 基于吸收器的被动分子通信
2.1 PMC的通信架构
2.2分子的发射
2.3分子的扩散
2.4分子的接受
2.5基于完美吸收器的PMC统一模型
本章参考文献
第3章 基于配体一受体结合机制的被动分子通信
3.1被动分子通信架构
本章参考文献
第4章 主动分子通信
4.1基于分子马达的主动分子通信
4.2第一情景的建模方法
4.3第二情景的建模方法
4.4基于分子玛达的主动分子通信的通信理论和技术
4.5基于间隙链接通道的主动分子通信
4.6基于运动细菌的主动分子通信
4.7通过纳米机器联系的主动分子通信
本章参考文献
名词索引

探索通信的微观边界：从化学信号到智能系统的未来 在信息爆炸的时代，我们对通信的想象已不再局限于电磁波的浩瀚宇宙。一种全新的、隐秘而强大的通信方式正在微观世界中孕育，它借鉴生命体内部精妙的信号传递机制，并借助纳米技术的飞跃，预示着一个连接无处不在、智能渗透一切的未来。本书《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》正是引领读者穿越这片前沿疆域的指南，深入剖析分子通信的底层逻辑，并勾勒出其在广阔应用领域中的壮丽图景。 第一部分：分子通信的基石——微观信号的语言 本书的开篇，我们将一同踏入分子通信的微观世界，理解其与传统通信方式的本质区别。传统通信依赖于电磁波在介质中的传播，其基本单元是比特，代表着0和1。而分子通信，顾名思义，其信息载体是分子。这些分子，可以是化学物质、生物标志物，甚至是特定的粒子，它们在介质中扩散、碰撞、反应，从而携带和传递信息。 信息载体：分子的多样性与编码 我们首先会探讨构成分子通信信息载体的多样性。从简单的离子、小分子，到复杂的生物大分子如蛋白质、DNA，甚至更微小的纳米颗粒，它们都可以被赋予特定的信息含义。理解分子的化学性质、空间结构以及与其他物质的相互作用，是构建高效分子通信系统的基础。我们将深入研究如何将数字信息（比特）转化为分子的状态或浓度，例如通过控制分子的释放频率、种类、浓度梯度，甚至是分子的空间分布模式，来实现信息的编码。这涉及到信息论在分子层面的巧妙应用，以及如何设计鲁棒且高效的编码方案，以应对分子传输过程中的不确定性和损耗。 传输介质：液相、固相与气相的挑战 分子信号的传播高度依赖于其所处的介质。本书将详细分析不同介质（如水溶液、细胞内液体、土壤、空气，乃至材料内部）对分子传输的影响。我们将审视扩散这一最基本的传输机制，理解菲克定律等物理原理在分子传播中的作用，以及如何利用流体动力学、毛细作用等来增强或引导分子信号的传输。同时，我们也会探讨介质的粘度、温度、pH值等因素对分子传播速度和信息保真度的影响。此外，对于固相介质中的分子传输，例如在多孔材料或生物组织中的信号传递，其复杂性和特异性也将被深入剖析。 信道特性：噪声、衰减与干扰的微观战场 在微观尺度上，分子通信面临着与宏观通信截然不同的噪声和干扰源。本书将详细阐述这些“微观战场”的特点。分子热运动本身带来的随机性，是信息传播过程中最根本的噪声来源。介质吸收、分子降解、与其他分子的非特异性结合，都会导致信号衰减和信息丢失。化学反应、其他信号分子的交叉干扰，则会引入额外的噪声和失真。我们将深入研究如何量化这些噪声和干扰，并探讨如何通过优化信道编码、使用冗余机制、设计具有特定识别功能的分子，来提高通信的鲁棒性。 接收端：分子识别与信号解调的艺术 信息能否被准确接收，取决于接收端对分子信号的精准识别和解读。本书将重点介绍分子通信的接收机制。这包括特异性受体的作用，如同细胞膜上的受体能够特异性结合特定的信号分子，从而触发下游的信号通路。我们将探讨生物化学、分子生物学中的识别原理，并介绍如何在工程系统中构建类似的分子识别元件，例如基于抗体-抗原、酶-底物、DNA杂交等原理设计的传感器。此外，我们还将分析如何将识别到的分子信号转化为可测量的电信号、光学信号或其他可识别的输出，实现信息的解调，并讨论如何克服信号幅度微弱、响应延迟等挑战。 第二部分：构筑微观互联——纳米网络的涌现 当大量的分子通信节点汇聚在一起，它们便能形成一个互相协作、信息共享的纳米网络。本书的第二部分将聚焦于这一前沿领域，探索纳米网络的设计、部署、管理与应用。 网络拓扑与节点模型：从点到面，从分散到集成 纳米网络的拓扑结构与其物理形态和功能密切相关。我们将探讨各种可能的网络拓扑，如随机网络、网状网络、集群网络等，并分析不同拓扑结构对网络性能的影响。同时，本书将详细研究构成纳米网络的节点模型。这些节点可能是微小的传感器、执行器、信息处理单元，甚至单个的纳米器件。我们将分析节点的能耗、计算能力、通信能力以及能量收集机制。针对动态网络，即节点可以移动、增减或失效的网络，我们将研究其路由、拥塞控制和拓扑管理等问题。 路由与数据传输：微观信息流动的路径规划 在庞大且动态的纳米网络中，如何高效地将信息从源节点传输到目标节点，是一个核心挑战。本书将深入探讨分子通信路由协议。我们将分析基于浓度梯度的路由，如同生物体内的趋化性信号传递；基于节点间预设路径的路由，类似于物理连接的通信链路；以及自适应路由，能够根据网络状态实时调整路径。此外，我们还将研究数据传输策略，包括一次性传输、周期性传输、以及基于事件触发的传输，并探讨如何优化传输速率、延迟和能量消耗。 网络管理与协调：微观世界的秩序与智能 一个功能完善的纳米网络，需要有效的管理与协调机制。本书将探讨网络发现与加入的过程，即新节点如何融入现有网络并被识别。我们将研究资源分配问题，例如如何将有限的能量、计算资源分配给不同的节点。拥塞控制在分子通信中尤为重要，因为过多的分子信号涌入同一区域可能导致信号饱和和信息丢失。此外，我们还将探讨故障检测与恢复，以及如何实现安全通信，防止恶意节点窃取信息或干扰网络运行。分布式决策和协同感知是纳米网络的重要特征，我们将分析如何让网络中的节点协同工作，完成更加复杂的任务。 能量收集与可持续性：为微观节点注入生命 纳米网络的节点通常具有极小的尺寸和有限的能量供应。本书将重点关注能量收集技术，为纳米网络的可持续运行提供解决方案。我们将探讨利用环境能量，如光能（光伏效应）、热能（热电效应）、机械能（压电效应）等，将这些微弱的能量转化为可用的电能。此外，我们还将研究能量共享与传输机制，允许节点之间相互支援，延长网络寿命。针对生物兼容性问题，特别是当纳米网络应用于生物体内时，能量收集方案的选择需要格外谨慎，以避免对生物体造成损伤。 第三部分：驱动未来的革新——分子通信与纳米网络的广阔应用 《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》的第三部分，将目光投向了这些基础理论和技术在现实世界中的宏伟应用蓝图。这些应用不仅具有革新性，更将深刻地改变我们的生活方式和认知边界。 生物医学领域的革命：精准诊疗的微观使者 在生物医学领域，分子通信与纳米网络的应用潜力最为巨大。本书将详细探讨其在体内药物输送中的作用，例如设计能够响应特定生理环境（如pH值、特定酶浓度）而释放药物的纳米载体，实现靶向、精准的治疗。疾病诊断也将从中受益，通过部署微型传感器网络，实时监测体内的生物标志物，早期预警疾病的发生。生物成像方面，利用荧光分子或磁性纳米颗粒作为信号载体，实现高分辨率、高灵敏度的体内成像。此外，在组织工程和再生医学中，分子通信网络可以引导细胞的生长、分化和迁移，促进组织的修复与再生。神经接口的构建，也将受益于精确的分子信号传递，实现人脑与外部设备的无缝连接。 环境监测与治理：守护地球的微观哨兵 面对日益严峻的环境挑战，分子通信与纳米网络提供了全新的解决方案。本书将阐述其在环境污染物监测中的应用，例如在水体、土壤、空气中部署纳米传感器网络，实时检测重金属、农药、温室气体等污染物的浓度和分布。生态系统健康评估也将受益，通过监测关键生物标志物，评估生态系统的健康状况。在环境治理方面，纳米网络可以协同工作，例如利用催化纳米颗粒降解污染物，或通过精确控制释放的分子来调节土壤的化学性质，促进植被生长。灾害预警，如地震、火山爆发等，也可以通过监测环境中的异常分子信号来实现。 智能制造与材料科学：重塑物质世界的未来 在智能制造领域，分子通信网络能够实现自适应材料的制造，即材料能够根据外部环境变化自动调整其性质。例如，在结构材料中嵌入能够感知应力或温度变化的分子传感器，并触发响应性聚合物进行自我修复。智能传感器网络可以集成到生产线上，实时监测生产过程中的关键参数，优化生产效率和产品质量。在能源领域，分子通信可以用于优化电池性能，或者实现高效的能量收集和管理。新材料的设计与合成也将受益于分子层面的精确控制和信息传递。 其他新兴应用：拓展人类能力的边界 本书还将展望分子通信与纳米网络在更多新兴领域的应用。例如，在食品安全领域，用于实时监测食品中的有害物质和变质情况。在军事与国防领域，用于构建隐蔽的侦测网络或进行微型机器人协同作战。在人机交互方面，通过模拟生物体的感觉和反应，实现更加自然、直观的人机交互方式。甚至在太空探索中，利用分子通信实现远距离、低能耗的通信。 《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》是一次对通信前沿的深入探索，它不仅梳理了分子通信的底层原理，揭示了纳米网络构建的复杂性，更描绘了这些技术将如何驱动未来社会各个领域的深刻变革。本书希望籍此激发读者的好奇心与创造力，一同迎接一个更加智能、互联、高效的微观世界。

评分☆☆☆☆☆

这本书带给我的惊喜，远不止于理论的深度，更在于其对未来应用前景的广阔描绘。 当我翻阅到关于“体内通信”和“药物递送”的章节时，脑海中瞬间涌现出无数的场景。想象一下，未来的纳米机器人可以在人体血管中穿梭，通过分子信号相互协作，精确地定位病灶，释放药物，甚至进行微创手术。这种“生物兼容”的通信方式，避免了传统电子设备可能带来的排异反应或生物损伤，开启了医疗健康领域全新的可能性。书中对这方面的探讨，不仅仅是停留在概念层面，而是深入分析了实现这些应用所面临的技术挑战，以及可能的解决方案。例如，如何设计具有特定识别功能的分子信标，如何控制分子的释放速率和浓度，以及如何确保通信的稳定性和隐私性等等。这些内容让我看到了科学家们为将科学幻想变为现实所付出的艰辛努力和智慧结晶。 书中对“纳米传感器网络”的应用也同样令人振奋。试想一下，部署在大气、土壤或水体中的微型传感器，能够通过分子信号实时监测环境污染物，并进行预警。或者，在工业生产过程中，纳米传感器网络可以监测设备的运行状态，预测故障，从而提高生产效率和安全性。作者通过生动的案例分析，阐释了分子通信如何在这些场景下发挥其独特的优势：低功耗、生物降解性、以及在恶劣环境下的鲁棒性。这些应用不仅仅是科幻小说中的情节，而是正在逐步实现的科技前沿，这本书为我们提供了一个清晰的蓝图，让我们得以窥见一个被纳米技术和分子通信重塑的未来世界。

评分☆☆☆☆☆

《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》不仅仅是一本技术书籍，它更像是一扇通往未来科技大门的钥匙。 当我读到书中关于“分子网络安全”的章节时，一种前所未有的危机感和兴奋感油然而生。在微观世界里，信息安全同样至关重要，甚至可能面临着全新的挑战。书中探讨了如何防止未经授权的分子窃听、如何对抗恶意的分子干扰，以及如何建立一个安全的分子通信协议。这让我意识到，随着纳米技术和分子通信的飞速发展，网络安全的概念也将随之扩展到微观层面。 书中对“生物传感器网络”在监控和安全领域的应用分析，更是让我脑洞大开。想象一下，在边境地区部署微型的、能够通过特定分子信号进行通信的传感器，能够实时监测非法物质的渗透，并向上级指挥中心发送警报。这种“隐形”且高效的监控方式，将为国家安全带来革命性的提升。这本书不仅仅是描绘了一个美好的未来，更是指出了实现这些未来所必须克服的技术难题，以及科学家们正在探索的解决方案，让我对这个充满未知与可能的领域充满了好奇和期待。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，在阅读《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》之前，我对于“分子”这个词的认知，更多地停留在高中化学课本的层面。 那个时候，它们是组成物质的基本单元，是我们理解化学反应的起点。然而，这本书彻底改变了我对分子的看法。作者将分子提升到了“信息载体”的地位，赋予了它们生命般的灵动和智慧。我被书中关于“分子编码”的讨论深深吸引，那种将信息“包装”进特定的分子结构，并通过分子间的相互作用来“解码”的过程，充满了奇妙的想象力。 书中的一个例子让我印象深刻：通过改变分子的构象或结合状态来代表不同的二进制比特，这种“天然”的编码方式，与我们人为设计的数字编码有着异曲同工之妙，却又更加符合自然界的规律。此外，作者还探讨了分子通信中的“多址接入”问题，即如何让多个分子信源在同一介质中进行通信而不相互干扰。这让我联想到现实生活中，成千上万的细胞如何在人体内协同工作，它们之间是否也存在着类似的“分子多址接入”机制？这本书打开了我对生命奥秘和微观世界的新视角，让我开始思考，也许我们习以为常的许多生物现象，都蕴含着精妙的分子通信原理。

评分☆☆☆☆☆

读完《分子通信与纳米网络：基础理论与应用》之后，我最大的感受就是，这本书彻底颠覆了我对信息传输的固有认知。 在过去的很长一段时间里，我们习惯于将信息想象成电磁波在导线或空气中以光速传播，那种宏观世界的速度感深入人心。然而，这本书将我们带入了一个微观的、充满化学物质和生物分子的世界，在那里，信息传递的机制完全不同。想象一下，信号不再是抽象的电子脉冲，而是实实在在的分子，它们在溶液中扩散、碰撞，通过与特定受体的结合来传递信息。这种“化学信使”式的通信方式，在自然界中早已存在，但这本书首次系统地将其提炼出来，并与现代纳米技术相结合，构建了一个全新的研究领域。 我尤其对书中关于分子信道建模的部分印象深刻。不同于传统的通信模型，分子通信中的信道是动态且复杂的，分子的扩散速度、浓度变化、环境干扰等都对信号的传输产生了显著影响。作者通过详实的数学推导和仿真分析，为我们揭示了这些微观因素如何决定了信息传输的效率和可靠性。比如，书中对布朗运动的详细阐述，让我深刻理解了分子在介质中的随机游走是如何影响信号的时域和频域特性的。而对高斯噪声、泊松噪声等在分子通信场景下的特有表现的分析，更是让我看到了在如此微小的尺度下，“噪音”的形态是多么的别致。这本书并非简单地罗列概念，而是通过严谨的理论框架，将这些看似抽象的物理化学现象与通信工程的实际问题紧密联系起来，为理解和设计微观通信系统提供了坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书的理论深度和严谨性，足以让任何一位希望深入了解分子通信领域的读者受益匪浅。 作者在开篇就为我们构建了一个扎实的理论基础，从信息论的基本概念出发，逐步引入了分子通信特有的建模方法。我特别欣赏书中对“信源编码”、“信道编码”和“解调”等通信工程核心概念在分子通信语境下的重新诠释。例如，如何设计能够高效“编码”信息的分子序列，如何在分子扩散过程中“纠正”错误，以及如何设计能够精确“识别”和“响应”特定分子的受体。 书中对不同分子信道模型（如扩散信道、水力信道等）的详细比较和分析，让我得以全面了解各种物理环境对分子通信性能的影响。作者通过大量数学公式和仿真结果，清晰地展示了在不同信道模型下，信噪比、误码率等关键性能指标的变化趋势。这种深入浅出的讲解方式，即使是对于非专业背景的读者，也能够逐步理解其中的奥秘。这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一堂生动的微观通信理论课，它教会我们如何用一种全新的思维方式来理解和设计信息系统。