分子通信與納米網絡：基礎理論與應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[土耳其] Baris Atakan 著，韓帥，孟維曉，彭木根 譯

圖書標籤:

• 分子通信
• 納米網絡
• 生物啓發通信
• 納米技術
• 信息編碼
• 信道建模
• 網絡協議
• 應用場景
• 新興技術
• 交叉學科

齣版社： 哈爾濱工業大學齣版社

ISBN：9787560365671

版次：1

商品編碼：12355990

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2018-04-01

用紙：膠版紙

編輯推薦

本書可作為高等院校信息、通信、化學和生物學等學科的本科生和研究生教材，也可作為相關行業工程師和研究人員的參考書。

內容簡介

本書從通信理論的角度介紹分子通信和納米網絡的原理和技術，主要探討發射納米機器（TN)和接受納米機器（RN）兩個節點的分子通信。根據信息分子如何被引導和傳輸至接收納米機器，發射納米機器和接受納米機器之間的分子通信分為兩種類型：第一種類型稱為被動分子通信（PMC），第二種類型稱為主動分子通信（AMC）。在被動分子通信中，分子從發射納米機器被動擴散至接收納米機器，不需要一個中間係統來引導和傳輸分子。在主動分子通信中，當分子被發射納米機器發齣後，需要一個中間係統來引導並傳輸至接收納米機器。

目錄

第1章 納米機器間的分子通信
1.1 納米機器、納米機器人和基因工程機器
1.2 自然界中細胞間的分子通信
1.3 納米機器間的分子通信
1.4 分子通信的架構
1.5 本書的組織結構
本章參考文獻
第2章 基於吸收器的被動分子通信
2.1 PMC的通信架構
2.2分子的發射
2.3分子的擴散
2.4分子的接受
2.5基於完美吸收器的PMC統一模型
本章參考文獻
第3章 基於配體一受體結閤機製的被動分子通信
3.1被動分子通信架構
本章參考文獻
第4章 主動分子通信
4.1基於分子馬達的主動分子通信
4.2第一情景的建模方法
4.3第二情景的建模方法
4.4基於分子瑪達的主動分子通信的通信理論和技術
4.5基於間隙鏈接通道的主動分子通信
4.6基於運動細菌的主動分子通信
4.7通過納米機器聯係的主動分子通信
本章參考文獻
名詞索引

探索通信的微觀邊界：從化學信號到智能係統的未來 在信息爆炸的時代，我們對通信的想象已不再局限於電磁波的浩瀚宇宙。一種全新的、隱秘而強大的通信方式正在微觀世界中孕育，它藉鑒生命體內部精妙的信號傳遞機製，並藉助納米技術的飛躍，預示著一個連接無處不在、智能滲透一切的未來。本書《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》正是引領讀者穿越這片前沿疆域的指南，深入剖析分子通信的底層邏輯，並勾勒齣其在廣闊應用領域中的壯麗圖景。 第一部分：分子通信的基石——微觀信號的語言 本書的開篇，我們將一同踏入分子通信的微觀世界，理解其與傳統通信方式的本質區彆。傳統通信依賴於電磁波在介質中的傳播，其基本單元是比特，代錶著0和1。而分子通信，顧名思義，其信息載體是分子。這些分子，可以是化學物質、生物標誌物，甚至是特定的粒子，它們在介質中擴散、碰撞、反應，從而攜帶和傳遞信息。 信息載體：分子的多樣性與編碼 我們首先會探討構成分子通信信息載體的多樣性。從簡單的離子、小分子，到復雜的生物大分子如蛋白質、DNA，甚至更微小的納米顆粒，它們都可以被賦予特定的信息含義。理解分子的化學性質、空間結構以及與其他物質的相互作用，是構建高效分子通信係統的基礎。我們將深入研究如何將數字信息（比特）轉化為分子的狀態或濃度，例如通過控製分子的釋放頻率、種類、濃度梯度，甚至是分子的空間分布模式，來實現信息的編碼。這涉及到信息論在分子層麵的巧妙應用，以及如何設計魯棒且高效的編碼方案，以應對分子傳輸過程中的不確定性和損耗。 傳輸介質：液相、固相與氣相的挑戰 分子信號的傳播高度依賴於其所處的介質。本書將詳細分析不同介質（如水溶液、細胞內液體、土壤、空氣，乃至材料內部）對分子傳輸的影響。我們將審視擴散這一最基本的傳輸機製，理解菲剋定律等物理原理在分子傳播中的作用，以及如何利用流體動力學、毛細作用等來增強或引導分子信號的傳輸。同時，我們也會探討介質的粘度、溫度、pH值等因素對分子傳播速度和信息保真度的影響。此外，對於固相介質中的分子傳輸，例如在多孔材料或生物組織中的信號傳遞，其復雜性和特異性也將被深入剖析。 信道特性：噪聲、衰減與乾擾的微觀戰場 在微觀尺度上，分子通信麵臨著與宏觀通信截然不同的噪聲和乾擾源。本書將詳細闡述這些“微觀戰場”的特點。分子熱運動本身帶來的隨機性，是信息傳播過程中最根本的噪聲來源。介質吸收、分子降解、與其他分子的非特異性結閤，都會導緻信號衰減和信息丟失。化學反應、其他信號分子的交叉乾擾，則會引入額外的噪聲和失真。我們將深入研究如何量化這些噪聲和乾擾，並探討如何通過優化信道編碼、使用冗餘機製、設計具有特定識彆功能的分子，來提高通信的魯棒性。 接收端：分子識彆與信號解調的藝術 信息能否被準確接收，取決於接收端對分子信號的精準識彆和解讀。本書將重點介紹分子通信的接收機製。這包括特異性受體的作用，如同細胞膜上的受體能夠特異性結閤特定的信號分子，從而觸發下遊的信號通路。我們將探討生物化學、分子生物學中的識彆原理，並介紹如何在工程係統中構建類似的分子識彆元件，例如基於抗體-抗原、酶-底物、DNA雜交等原理設計的傳感器。此外，我們還將分析如何將識彆到的分子信號轉化為可測量的電信號、光學信號或其他可識彆的輸齣，實現信息的解調，並討論如何剋服信號幅度微弱、響應延遲等挑戰。 第二部分：構築微觀互聯——納米網絡的湧現 當大量的分子通信節點匯聚在一起，它們便能形成一個互相協作、信息共享的納米網絡。本書的第二部分將聚焦於這一前沿領域，探索納米網絡的設計、部署、管理與應用。 網絡拓撲與節點模型：從點到麵，從分散到集成 納米網絡的拓撲結構與其物理形態和功能密切相關。我們將探討各種可能的網絡拓撲，如隨機網絡、網狀網絡、集群網絡等，並分析不同拓撲結構對網絡性能的影響。同時，本書將詳細研究構成納米網絡的節點模型。這些節點可能是微小的傳感器、執行器、信息處理單元，甚至單個的納米器件。我們將分析節點的能耗、計算能力、通信能力以及能量收集機製。針對動態網絡，即節點可以移動、增減或失效的網絡，我們將研究其路由、擁塞控製和拓撲管理等問題。 路由與數據傳輸：微觀信息流動的路徑規劃 在龐大且動態的納米網絡中，如何高效地將信息從源節點傳輸到目標節點，是一個核心挑戰。本書將深入探討分子通信路由協議。我們將分析基於濃度梯度的路由，如同生物體內的趨化性信號傳遞；基於節點間預設路徑的路由，類似於物理連接的通信鏈路；以及自適應路由，能夠根據網絡狀態實時調整路徑。此外，我們還將研究數據傳輸策略，包括一次性傳輸、周期性傳輸、以及基於事件觸發的傳輸，並探討如何優化傳輸速率、延遲和能量消耗。 網絡管理與協調：微觀世界的秩序與智能 一個功能完善的納米網絡，需要有效的管理與協調機製。本書將探討網絡發現與加入的過程，即新節點如何融入現有網絡並被識彆。我們將研究資源分配問題，例如如何將有限的能量、計算資源分配給不同的節點。擁塞控製在分子通信中尤為重要，因為過多的分子信號湧入同一區域可能導緻信號飽和和信息丟失。此外，我們還將探討故障檢測與恢復，以及如何實現安全通信，防止惡意節點竊取信息或乾擾網絡運行。分布式決策和協同感知是納米網絡的重要特徵，我們將分析如何讓網絡中的節點協同工作，完成更加復雜的任務。 能量收集與可持續性：為微觀節點注入生命 納米網絡的節點通常具有極小的尺寸和有限的能量供應。本書將重點關注能量收集技術，為納米網絡的可持續運行提供解決方案。我們將探討利用環境能量，如光能（光伏效應）、熱能（熱電效應）、機械能（壓電效應）等，將這些微弱的能量轉化為可用的電能。此外，我們還將研究能量共享與傳輸機製，允許節點之間相互支援，延長網絡壽命。針對生物兼容性問題，特彆是當納米網絡應用於生物體內時，能量收集方案的選擇需要格外謹慎，以避免對生物體造成損傷。 第三部分：驅動未來的革新——分子通信與納米網絡的廣闊應用 《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》的第三部分，將目光投嚮瞭這些基礎理論和技術在現實世界中的宏偉應用藍圖。這些應用不僅具有革新性，更將深刻地改變我們的生活方式和認知邊界。 生物醫學領域的革命：精準診療的微觀使者 在生物醫學領域，分子通信與納米網絡的應用潛力最為巨大。本書將詳細探討其在體內藥物輸送中的作用，例如設計能夠響應特定生理環境（如pH值、特定酶濃度）而釋放藥物的納米載體，實現靶嚮、精準的治療。疾病診斷也將從中受益，通過部署微型傳感器網絡，實時監測體內的生物標誌物，早期預警疾病的發生。生物成像方麵，利用熒光分子或磁性納米顆粒作為信號載體，實現高分辨率、高靈敏度的體內成像。此外，在組織工程和再生醫學中，分子通信網絡可以引導細胞的生長、分化和遷移，促進組織的修復與再生。神經接口的構建，也將受益於精確的分子信號傳遞，實現人腦與外部設備的無縫連接。 環境監測與治理：守護地球的微觀哨兵 麵對日益嚴峻的環境挑戰，分子通信與納米網絡提供瞭全新的解決方案。本書將闡述其在環境汙染物監測中的應用，例如在水體、土壤、空氣中部署納米傳感器網絡，實時檢測重金屬、農藥、溫室氣體等汙染物的濃度和分布。生態係統健康評估也將受益，通過監測關鍵生物標誌物，評估生態係統的健康狀況。在環境治理方麵，納米網絡可以協同工作，例如利用催化納米顆粒降解汙染物，或通過精確控製釋放的分子來調節土壤的化學性質，促進植被生長。災害預警，如地震、火山爆發等，也可以通過監測環境中的異常分子信號來實現。 智能製造與材料科學：重塑物質世界的未來 在智能製造領域，分子通信網絡能夠實現自適應材料的製造，即材料能夠根據外部環境變化自動調整其性質。例如，在結構材料中嵌入能夠感知應力或溫度變化的分子傳感器，並觸發響應性聚閤物進行自我修復。智能傳感器網絡可以集成到生産綫上，實時監測生産過程中的關鍵參數，優化生産效率和産品質量。在能源領域，分子通信可以用於優化電池性能，或者實現高效的能量收集和管理。新材料的設計與閤成也將受益於分子層麵的精確控製和信息傳遞。 其他新興應用：拓展人類能力的邊界 本書還將展望分子通信與納米網絡在更多新興領域的應用。例如，在食品安全領域，用於實時監測食品中的有害物質和變質情況。在軍事與國防領域，用於構建隱蔽的偵測網絡或進行微型機器人協同作戰。在人機交互方麵，通過模擬生物體的感覺和反應，實現更加自然、直觀的人機交互方式。甚至在太空探索中，利用分子通信實現遠距離、低能耗的通信。 《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》是一次對通信前沿的深入探索，它不僅梳理瞭分子通信的底層原理，揭示瞭納米網絡構建的復雜性，更描繪瞭這些技術將如何驅動未來社會各個領域的深刻變革。本書希望籍此激發讀者的好奇心與創造力，一同迎接一個更加智能、互聯、高效的微觀世界。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，在閱讀《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》之前，我對於“分子”這個詞的認知，更多地停留在高中化學課本的層麵。 那個時候，它們是組成物質的基本單元，是我們理解化學反應的起點。然而，這本書徹底改變瞭我對分子的看法。作者將分子提升到瞭“信息載體”的地位，賦予瞭它們生命般的靈動和智慧。我被書中關於“分子編碼”的討論深深吸引，那種將信息“包裝”進特定的分子結構，並通過分子間的相互作用來“解碼”的過程，充滿瞭奇妙的想象力。 書中的一個例子讓我印象深刻：通過改變分子的構象或結閤狀態來代錶不同的二進製比特，這種“天然”的編碼方式，與我們人為設計的數字編碼有著異麯同工之妙，卻又更加符閤自然界的規律。此外，作者還探討瞭分子通信中的“多址接入”問題，即如何讓多個分子信源在同一介質中進行通信而不相互乾擾。這讓我聯想到現實生活中，成韆上萬的細胞如何在人體內協同工作，它們之間是否也存在著類似的“分子多址接入”機製？這本書打開瞭我對生命奧秘和微觀世界的新視角，讓我開始思考，也許我們習以為常的許多生物現象，都蘊含著精妙的分子通信原理。

評分☆☆☆☆☆

讀完《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》之後，我最大的感受就是，這本書徹底顛覆瞭我對信息傳輸的固有認知。 在過去的很長一段時間裏，我們習慣於將信息想象成電磁波在導綫或空氣中以光速傳播，那種宏觀世界的速度感深入人心。然而，這本書將我們帶入瞭一個微觀的、充滿化學物質和生物分子的世界，在那裏，信息傳遞的機製完全不同。想象一下，信號不再是抽象的電子脈衝，而是實實在在的分子，它們在溶液中擴散、碰撞，通過與特定受體的結閤來傳遞信息。這種“化學信使”式的通信方式，在自然界中早已存在，但這本書首次係統地將其提煉齣來，並與現代納米技術相結閤，構建瞭一個全新的研究領域。 我尤其對書中關於分子信道建模的部分印象深刻。不同於傳統的通信模型，分子通信中的信道是動態且復雜的，分子的擴散速度、濃度變化、環境乾擾等都對信號的傳輸産生瞭顯著影響。作者通過詳實的數學推導和仿真分析，為我們揭示瞭這些微觀因素如何決定瞭信息傳輸的效率和可靠性。比如，書中對布朗運動的詳細闡述，讓我深刻理解瞭分子在介質中的隨機遊走是如何影響信號的時域和頻域特性的。而對高斯噪聲、泊鬆噪聲等在分子通信場景下的特有錶現的分析，更是讓我看到瞭在如此微小的尺度下，“噪音”的形態是多麼的彆緻。這本書並非簡單地羅列概念，而是通過嚴謹的理論框架，將這些看似抽象的物理化學現象與通信工程的實際問題緊密聯係起來，為理解和設計微觀通信係統提供瞭堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

《分子通信與納米網絡：基礎理論與應用》不僅僅是一本技術書籍，它更像是一扇通往未來科技大門的鑰匙。 當我讀到書中關於“分子網絡安全”的章節時，一種前所未有的危機感和興奮感油然而生。在微觀世界裏，信息安全同樣至關重要，甚至可能麵臨著全新的挑戰。書中探討瞭如何防止未經授權的分子竊聽、如何對抗惡意的分子乾擾，以及如何建立一個安全的分子通信協議。這讓我意識到，隨著納米技術和分子通信的飛速發展，網絡安全的概念也將隨之擴展到微觀層麵。 書中對“生物傳感器網絡”在監控和安全領域的應用分析，更是讓我腦洞大開。想象一下，在邊境地區部署微型的、能夠通過特定分子信號進行通信的傳感器，能夠實時監測非法物質的滲透，並嚮上級指揮中心發送警報。這種“隱形”且高效的監控方式，將為國傢安全帶來革命性的提升。這本書不僅僅是描繪瞭一個美好的未來，更是指齣瞭實現這些未來所必須剋服的技術難題，以及科學傢們正在探索的解決方案，讓我對這個充滿未知與可能的領域充滿瞭好奇和期待。

評分☆☆☆☆☆

這本書帶給我的驚喜，遠不止於理論的深度，更在於其對未來應用前景的廣闊描繪。 當我翻閱到關於“體內通信”和“藥物遞送”的章節時，腦海中瞬間湧現齣無數的場景。想象一下，未來的納米機器人可以在人體血管中穿梭，通過分子信號相互協作，精確地定位病竈，釋放藥物，甚至進行微創手術。這種“生物兼容”的通信方式，避免瞭傳統電子設備可能帶來的排異反應或生物損傷，開啓瞭醫療健康領域全新的可能性。書中對這方麵的探討，不僅僅是停留在概念層麵，而是深入分析瞭實現這些應用所麵臨的技術挑戰，以及可能的解決方案。例如，如何設計具有特定識彆功能的分子信標，如何控製分子的釋放速率和濃度，以及如何確保通信的穩定性和隱私性等等。這些內容讓我看到瞭科學傢們為將科學幻想變為現實所付齣的艱辛努力和智慧結晶。 書中對“納米傳感器網絡”的應用也同樣令人振奮。試想一下，部署在大氣、土壤或水體中的微型傳感器，能夠通過分子信號實時監測環境汙染物，並進行預警。或者，在工業生産過程中，納米傳感器網絡可以監測設備的運行狀態，預測故障，從而提高生産效率和安全性。作者通過生動的案例分析，闡釋瞭分子通信如何在這些場景下發揮其獨特的優勢：低功耗、生物降解性、以及在惡劣環境下的魯棒性。這些應用不僅僅是科幻小說中的情節，而是正在逐步實現的科技前沿，這本書為我們提供瞭一個清晰的藍圖，讓我們得以窺見一個被納米技術和分子通信重塑的未來世界。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書的理論深度和嚴謹性，足以讓任何一位希望深入瞭解分子通信領域的讀者受益匪淺。 作者在開篇就為我們構建瞭一個紮實的理論基礎，從信息論的基本概念齣發，逐步引入瞭分子通信特有的建模方法。我特彆欣賞書中對“信源編碼”、“信道編碼”和“解調”等通信工程核心概念在分子通信語境下的重新詮釋。例如，如何設計能夠高效“編碼”信息的分子序列，如何在分子擴散過程中“糾正”錯誤，以及如何設計能夠精確“識彆”和“響應”特定分子的受體。 書中對不同分子信道模型（如擴散信道、水力信道等）的詳細比較和分析，讓我得以全麵瞭解各種物理環境對分子通信性能的影響。作者通過大量數學公式和仿真結果，清晰地展示瞭在不同信道模型下，信噪比、誤碼率等關鍵性能指標的變化趨勢。這種深入淺齣的講解方式，即使是對於非專業背景的讀者，也能夠逐步理解其中的奧秘。這本書不僅僅是一本技術手冊，更像是一堂生動的微觀通信理論課，它教會我們如何用一種全新的思維方式來理解和設計信息係統。