seminar - bezicne_mreze_nanosenzora
Post on 26-Dec-2015
6 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
SEMINAR
UVOD U NANOZNANOST
Bežične mreže nanosenzora
Grković Lovro
Jović Dino
Karač Marija
Počepan Davor
Zagreb, siječanj 2014.
Sadržaj
1. Uvod ..................................................................................................................... 3
2. Nanokomunikacije ................................................................................................ 4
2.1. Molekularne nanokomunikacije ..................................................................... 5
2.2. Elektromagnetske nanokomunikacije ............................................................ 5
2.2.1. Nanoprijemnik i nanoodašiljač ........................................................................................ 7
2.2.2. Radijski kanal u području teraherca ................................................................................ 8
3. Bežične mreže nanosenzora .............................................................................. 11
4. Arhitektura bežične mreže nanosenzora ............................................................ 13
5. Zaključak ............................................................................................................ 14
1. Uvod
Senzor ili pretvornik je ureĎaj koji mjeri fizikalnu veličinu (npr. temperaturu,
tlak...) i pretvara je u signal pogodan za daljnju obradu. Sa senzorima se susrećemo
u svakodnevnom životu i gotovo da ne postoji neki tehnološki proizvod koji u sebi ne
sadrži barem jedan senzor.
Razvojem nanotehnologije pojavili su se nanosenzori koji u gotovo svim
svojim segmentima nadilaze mogučnosti klasičnih makro-senzora. Dimenzije
nanosenzora se mjere u desecima nanometara, a kako bi detektirali veličine koje nas
zanimaju koriste se razne nanočestice, ugljikove nanočestice, nano-žice, kvantne
točke, itd. Područje njihove primjene je šire od primjene klasičnih senzora upravo
zbog njihovih malih dimenzija, veće osjetljivosti, selektivnosti i manjeg vremena
odziva te manje potrošnje energije od klasičnih senzora. Njihova najvažnija uporaba
je u medicini i osnova su za izgradnju nano proizvoda poput čipova i nano robota. Za
njihovu izgradnju se trenutno najviše koriste metode:
- top-down lithography
- bottom-up assembly
- molecular self-assembly
Slika 1. Podjela nanosenzora
Nanosenzori su svi biološki, kemijski ili mehanički senzori koji informacije o
nano česticama šalju u makro svijet. Tako se osim samog razvoja nanosenzora radi i
na razvoju njihove meĎusobne komunikacije, ali i komunikacije s makro okolinom što
je potaknulo nastanak novog znanstvenog područja – nanokomunikacije.
2. Nanokomunikacije
Kao što je već gore navedeno, kad govorimo o nanokomunikacijama,
govorimo o znanstvenom području koje se odnosi na bežične komunikacije izmeĎu
senzora i makro okoline. Ono se bavi svom tematikom i problematikom običnih
bežičnih senzorskih mreža.
Nanokomunikacije možemo podijeliti na dva dijela:
1. Molekularne nanokomunikacije
2. Elektromagnetske nanokomunikacije
Slika 2. Osnovna podjela bežičnih mreža nanosenzora
2.1. Molekularne nanokomunikacije
Kod ove vrste komunikacije prijenosni medij su molekule. Molekularne
primopredajnike je zbog njihovih dimnezija i domene u kojoj rade lako integrirati u
nano ureĎaje. Prijemnik je napravljen tako da reagira u dodiru s odreĎenom
molekulom koja nosi informaciju dok je odašiljač napravljen tako da može otpustiti
točno odreĎenu molekulu kad za to dobije naredbu ili nakon što obavi odreĎeni
proces. Otpuštene molekule koje nose informaciju mogu putovati spontanom
difuzijom kroz fluidni medij (diffusion-based), difuzijom kroz fluidni medij čiji tok je
točno odreĎen (flow-based) ili uz pomoć aktivnih nosioca koji ih prenose prethodno
odreĎenim putanjama (walkway-based).
2.2. Elektromagnetske nanokomunikacije
Obuhvaćaju komunikaciju na nano razini putem elektromagnetskih valova.
Komunikacija je vrlo slična makro bežičnoj komunikaciji što podrazumjeva sam fizički
komunikacijski sloj (radijski kanal), sve komunikacijske protokole i mrežne topologije.
Najzanimljiviji dio ovog sustava je upravo radijski kanal pošto za njega ne možemo
predvidjeti kakav će biti na strani prijemnika već ga opisujemo vjerojatnosnim
modelima. Najbitniji element je antena jer njenim odabirom možemo uvelike utjecati
na kvalitetu bežične komunikacije. Za antenu se preporučuje da njena fizička duljina
iznosi pola valne duljine emitiranih magnetskih valova pošto je frekvencija
komunikacije u obrnuto proporcionalnom odnosu s njenom fizičkom duljinom. Prema
tome zaključujemo da će za komunikaciju s nanoantenama biti potrebne vrlo velike
frekvencije u raspon od megaherca do teraherca kako bi antene bile što manjih
dimenzija.
Riješenja na nanoskali nisu ograničena samo trenutno postojećom
tehnologijom za izradu nano ureĎaja nego i zakonima fizike. Na primjer, ne možemo
o nanosenzoru razmišljati kao jako umanjenom i pojednostavljenom klasičnom
senzoru. Postoje veliki kompromisi izmeĎu veličine nanosenzora, njegovih
mogućnosti i vrsti aplikacije u kojoj se može koristiti. Zbog toga nastaju problemi koje
je potrebno riješiti na ovom području:
- Konstrukcija antene
- Razrada modela radijskog kana u nano području
- Odabir frekvencije rada i zadovoljavajuće prijenosne brzine
- Razrada modela smetnji u nano području i njihova eliminacija
2.2.1. Nanoprijemnik i nanoodašiljač
Odašiljač i prijemnik na nanoskali se razlikuju i po izgledu i po principu rada od
klasičnih radijskih prijemnika i odašiljača. Najveća razlika je u tome što je kod njih uz
električan efekt na samoj anteni bitan i onaj mehanički. Na slici 3 možemo vidjeti
klasičan radio odašiljač u makro svijetu koji se sastoji od VF oscilatora, zvuka
(informacije), pojačala i antene. Nanoantena izgraĎena od ugljikove nanocijevčice
uspješno zamjenjuje sve te elemente praktički odjednom.
Slika 3. Klasičan radio odašiljač
Ugljikova nanocijevčica ima dobra električna i mehanička svojstva zbog kojih
se može koristiti kao nanoodašiljač ili prijemnik. Dovoljno je elastična za mehaničke
titraje, a ima i dobru električnu vodljivost za prijenos električnih signala (informacije)
Slika 4. Principijalna shema nanoodašiljača/nanoprijemnika
2.2.2. Radijski kanal u području teraherca
Za kvalitetnu komunikaciju izmeĎu samih nanosenzora kao i nanosenzora i
makro okoline potrebno je modelirati radijski kanal u nanosvijetu. Neke od pojava do
kojih dolazi u ovom kanalu dogaĎaju se i u normalnom širenju elektromagnetskih
valova dok dolazi i do pojava koje su netipične za širenje elektromagnetskih valova u
makro svijetu.
Podjela modela kanala:
Gubici rasprostiranja
Šum
Kapacitet kanal
Gubici rasprostiranja
Uz klasično gušenje signala zbog širenja tokom propagacije u nanosvijetu dolazi i do
gušenja zbog molekularne apsorcije. Klasično gušenje signala zbog širenja ovisi o
frekvenciji vala te o udaljenosti do koje val propagira. Do gušenja signala zbog
molekularne apsorcije dolazi zbog pretvaranja energije vala u kinetičku energiju nekih
molekula koje mu se naĎu na putu. Ovo gušenje ovisi o koncentraciji i mješavini
odreĎenih molekula duž puta propagacije. Različite molekule rezoniraju na različitim
frekvencijama, no apsorcija do koje dolazi nije ograničena na samo molekule čija je
frekvencija jednaka frekvenciji vala već i na neke druge molekule sličnih svojstva.
Upravo zbog toga je ovakav radijski kanal u nano svijetu dosta frekvencijski
selektivan, odnosno, neke frekvencije može gušiti mnogo više od drugih.
Kod gubitaka mogu se još spomenuti i gubici zbog višestaznog širenja vala te gubici
zbog Rayleighovog raspršenja.
Šum
Kod nanokomunikacija najveći izvor šuma je molekularna apsorcija. Ona naime, ne
samo da guši signal već i unosi ne tako zanemarivu razinu šuma u koristan signal.
Ovaj šum ovisi o tome kakva se mješavina molekula nalazi na samom putu koji val
prolazi te o broju odreĎenih molekula. Problem koji se ovdje javlja je to što
molekularni šum po svojoj spektralnoj karakteristici nije niti bijeli šum, niti Gaussov
šum. Bijeli šum i Gaussov šum u makro svijetu su najrasprostranjeniji oblici šuma u
komunikacijama te ih se modernom tehnologijom lako eliminira postojećim filtrima.
Ovdje taj problem još uvijek nije do kraja riješen. Sa slike 5 može se vidjeti da u
terahercnom kanalu pri udaljenostima komunikacije većim od 10mm postoje jaki
propadi u jačini signala. Ti propadi su upravo svojstvo molekularnog šuma te mogu
ozbiljno narušiti nanokomunikaciju.
PredviĎa se da će se za komunikaciju izmeĎu samih nanosenzora koristiti terahercno
područje (0.1-10THz), pošto su za male udaljenosti gubici (atenuacija) tamo
prihvatljivi. Dok će se za komunikaciju izmeĎu nanosenzora i makro svijeta koristiti
frekvencije ispod 1 THz jer je u tom području povoljnija propagacija za veće
udaljenosti. Ovakvo riješenje je dobro, pošto nam je jako bitno da pri meĎusobnoj
komunikaciji nanosenzora možemo ostvariti jako male antene dok je pri komunikaciji
nanosenzora i makro okoline dospustivo da te antene budu malo veće pošto u
našem sustavu one neće biti ni približno toliko rasporostranjene kao antene na
samim nanosenzorima.
Slika 5. Frekvencijska karakteristika terahercnog kanala u nanosvijetu. Gubici su
prikazani u dB.
Slika 6. Frekvencijska karakteristika molekularnog šuma u terahercnom kanalu. Šum
je prikazan temperaturom šuma u Kelvinima.
Frekvencijska karakteristika kanala sa slike 5 je snimana pri temperaturi od
296K pri tlaku jedne atmosfere i sa 1% molekula vode u okuženju.
Kapacitet kanala
Brzina koju možemo postići u nanokomunikaciji , na sreću, vrlo je velika.
Velika brzina nam je potrebna zbog toga što nanosenzori moraju odašiljati veliku
količinu informacija sa nanoskale u makro svijet. Nanosenzori reagiraju i skupljaju
informacije za gotovo svaku pojedinu molekulu sa kojom doĎu u dodir te tako
generiraju bilijune dogaĎaja koji trebaju biti odaslano. Gustoća postavljenih
nanosenzora takoĎer je ogromna.
Sam kapacitet najviše ovisi o udaljenosti komuniciranja i moleklarnoj strukturi medija.
Ako u obzir uzmemo da udaljenost neće biti veća od desetak milimetara (kod
bežičnih nano mreža) prijenosne brzine će nam se moći popeti sve do par terabita po
sekundi.
3. Bežične mreže nanosenzora
Bežične mreže nanosenzora mogu se podijeliti u četiri glavne skupine:
- Biomedicinske
- Vojne
- Industrijske
- Ekološke
Biomedicinske aplikacije
Veliki broj aplikacija bežičnih mreža nanosenzora se koristi u području
biomedicine. Nanoskala je prirodna domena molekula, proteina, DNA, organela i
večine staničnih komponenata. Biološki nanosenzori nam služe kao sučelje izmeĎu
bioloških fenomena i električkih nano ureĎaja.
Natrij, glukoza i ostali ioni u krvi, kolesterol, stanice raka ili prisustvo ostalih
različitih infektivnih prenosioca se mogu pratiti korištenjem nanosenzora. Različiti
nanosenzori rasporeĎeni po različitim dijelovima ljudskog tijela mogu tvoriti
nanosenzorsku mrežu pomoću koje se može pratiti razina različitih supstanci u
ljudskom tijelu. Što je još zanimljivije, bežično sučelje izmeĎu nanosenzora i mikro-
ureĎaja kao što je na primjer mobitel ili neka specijalizirana medicinska oprema se
može iskoristiti za prikupljanje svih tih podataka i prosljeĎivanje do nadležnog
medicinskog osoblja (slika 7).
Slika 7. Bežična mreža nanosenzora
Vojne aplikacije
Komunikacija izmeĎu nanosenzora donijela je brojne nove mogućnosti za
izradu aplikacija za korištenje u vojnoj industriji. Na primjer kemijski i biološki
nanosenzori se mogu iskoristiti za otkrivanje štetnih kemikalija i biološkog oružja.
Jedna od glavnih prednosti korištenja nanosenzora ispred klasičnih kemijskih
senzora je ta što klasični kemijski sastojci mogu biti otkriveni do koncentracije od
nekoliko molekula. Pomoću kemijskih nanosenzora se takoĎer može dobiti natrag
molekularna kompozicija neke prostorije ili bojnog polja bez potrebe za velikom
opremom kao što su ureĎaji koji se koriste za spektroskopiju.
Industrijske i ekološke aplikacije
Aplikacije nanotehnologije sežu od novih rastezljivih i savitljivih elektroničkih
ureĎaja i tekstilnih materijala za inteligentno samočišćenje do kemijskih nanosenzora
koji prate kemijske sastave koji se ispuštaju i razmjenjuju izmeĎu biljaka.
Primjene bežičnih mreža nanosenzora su praktički neograničene, a sve se
temelji na izradi nanosenzora koji bi se u idealnom slučaju ponašao kao neovisna
jedinica sa svojim napajanjem, procesorom, memorijom, senzorom, aktuatorom te
prijemnikom/odašiljačem.
4. Arhitektura bežične mreže nanosenzora
MeĎusobna povezanost nanosenzora i nanoaktuatorskih ureĎaja, postojanje
bežične mreže i na posljetku Interneta, zahtjevaju razvoj novih mrežnih arhitektura.
Primjer jedne takve je gore navedeni primjer za pračenje zdravlja pacijenta. Ona se
sastoji od nano-čvorova, nano-rutera, nano-mikro sučelja i prolaza.
Nano-čvorovi su sposobni izvršavati jednostavne izračune, imaju ograničenu
memoriju i mogu odašiljati na vrlo male udaljenosti, uglavnom zbog njihove smanjene
energije i ograničenih komunkacijskih mogućnosti.
Nano-ruteri imaju veću sposobnost izračuna od nano-čvorova i pogodni su za
prikupljanje informacija od ograničenih nanosenzorskih ureĎaja. Oni takoĎer mogu
poslužiti za kontrolu ponašanja nano-čvorova preko jednostavnih kontrolnih naredbi
kao što su on/off, sleep, read, value, itd.
Nano-mikro sučelja se koriste za skupljanje informacija od nano-rutera kako bi
ih prebacili u mikro skalu i obrnuto. Smatraju se hibridnim ureĎajima koji su sposobni
komunicirati na nanoskali koristeći nanokomunikacijske tehnike kao i koristiti klasičnu
komunikaciju u konvencionalnim komunikacijskim mrežama.
Prolazi (eng. Gateway) su ureĎaji koji služe za daljinsko upravljanje
nanosenzorske mreže preko Interneta.
Slika 8. Arhitektura bežične mreže nanosenzora
5. Zaključak
Bežične mreže nanosenzora imati će ogroman utjecaj u gotovo svakom
pogedu našeg života. Iako se dosta radilo na nanokomunikaciji postoji još uvijek
dosta neriješenih problema. Zapravo, još uvijek ne postoji niti integrirani nanosenzor
koji bi u sebi imao nano odašiljač/prijemnik, jedinicu za napajanje, procesor,
memoriju, senzor te aktuator. U samoj nanokomunikaciji radi se na razvoju
nanoantena, ispituju se novi materijali i kemijski premazi koji bi nanoantenu učinili
puno efikasnijom. Radi se i na izboru oblika impulsa kojima bi se komuniciralo,
metodi višestrukog pristupa nanokanalu, nano antenskim nizovima, kodiranju u
nanokanalu, modulacijama za nanokomunikacije te na mnogim drugim riješenjima.
Tek kada se većina tih problema riješe moći ćemo govoriti o stavljanju
nanosenzorskih mreža (i nanosenzora) u komercijalnu upotrebu kako je to na
početku i zamišljano.
top related