Android Application Simulation for Prototyping Wireless NanoNetworks Communication

论文摘要

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术,主要研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品或器件。它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。在纳米尺度下,纳米机器是最基本的功能单元,由纳米组件构成,并可以完成简单的任务。不同纳米机器之间的合作和信息交换将大大拓展单个纳米器件的应用范围。纳米网络在此背景下应运而生,而且是近几年快速发展的一个新的研究领域,在生物医学、环境监测、工业自动化和通信等领域均有重要应用前景。纳米网络并不是传统通信网络在纳米尺度的扩展,它由许多互联的纳米器件（生物分子、人造纳米器件等）组成,通过分子通信等机制,能够完成很多相对简单的任务,譬如计算、数据存储,传感等。传统通信技术因为尺寸原因和发射机、接收机及其他组件的功耗问题而不适用于纳米网络。分子通信基于纳米器件,尺寸小,功耗低,而且分子间可以实现通信,是最有希望的纳米通信网络。依照发射机和接收机的距离不同,分子通信可以分为短距离（nm-μm）,中等距离（μm-mm）和长距离（mm-m）。对于短距离通信,分子信号及分子马达是两种主要的方法；对于中等距离通信,基于鞭状细菌和触媒马达的通信已经被提出并研究；对于长距离通信,研究人员提出了信息素和光转导方法,其中光转导方法可以将分子信号转化成光信息,是实现纳米网络长距离无线分子通信的最有希望的技术途径。对于分子、生物及基因系统,现在已经有一些模拟工具,但是迄今为止还没有纳米网络的模拟工具。这种模拟工具可以使用不同的网络拓扑结构及不同的分子通信机制,研究影响分子信息传播的通信参数和信息传输规律。长程纳米网络通信具有高传输速率等特点,但是迄今为止研究不多。本文将研究重点放在长程分子通信上,并对其进行系统原型设计、分析和验证。在介绍了研究目的和目标的基础上,本论文介绍了纳米网络通信和长程分子通信的概念及其应用。纳米机器之间的通信可以通过力、声波、电磁波、化学方法或分子通信等方法实现。纳米力学通信通过发射机和接收机的力学接触来传递信息；声波通信是通过声波能量进行编码来实现；电磁波通信是通过调制电磁波的方法来实现；分子通信是通过发射机和接收机间的分子来传递信息。本论文中,纳米网络指的是纳米机器间通过分子通信方式实现互联。长距离通信可以分为有线和无线两种方式。无线方式一般通过空气、水或血液等来传递信息,不需要电导或其他物理链接。有线方式一般通过物理链接来实现信号传输。本文重点讨论光转导方法,其先将分子信号通过荧光蛋白质或分子有机发光二极管转换成光信号,然后通过生物荧光共振能量传输过程、高增益纳米机器及半导体混频器等方法将光信号传输出去,在终端再将光信号通过分子线或分子开关等方式转换成分子信息。分子线方法可以通过荧光染料或光电效应实现光信息到分子信息的转换：而分子开关通过两个或多个稳定状态的切换实现信息转换。通过这些技术,将光信号转换成电信号,而电子到分子信息的转换是通过神经元来完成的。然后,对Android开发平台进行了详细的说明,包括Android的系统架构,应用组件,安全机制,系统特点和局限性等。Android是以Linux为核心的手机操作平台,作为一款开放式操作系统,随着Android的快速发展,如今已允许开发者使用多种编程语言来开发Android应用程序,而不再是以前只能使用Java开发Android应用程序的单一局面,因而受到众多开发者的欢迎,成为真正意义上的开发式操作系统。Android的系统架构和其操作系统一样,采用了分层的架构。从架构图看,android分为四个层,从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和linux核心层。Android应用程序包含一些运行应用程序所必须的能够被Android系统实例化的组件。这些组件主要包括Activity,Service, Broadcase receiver和Content provider。一个Activity通常展现为一个可视化的用户界面。每一个activity都是相对独立的,而且是Activity（android.app.Activity）的子类。一个应用程序可能只包含一个activity,或者像上面提到的消息服务程序一样有多个activity。一个应用程序包含几个activity以及各个activity完成什么样的功能完全取决于应用程序以及它的设计。通常每个应用程序都包含一个在应用程序启动后第一个展现给用户的activity。在当前展现给用户的activity中启动一个新的activity,可以实现从一个activity转换到另外一个activity。每个activity都会有一个用于绘制用户界面的窗口。展示activity窗口的可视化内容区域是一些具有层次关系（很像数据结构中的树）的视图,而视图则是由类View的子类表示的。每个视图控制窗口中的一个矩形区域。父视图包含一些子视图并管理子视图的布局。位于叶节点的视图直接控制并响应用户的动作。因此视图就是activity与用户交互的接口。Service没有用户界面,但它会在后台一直运行。每个service都扩展自类说serivce。应用程序可以连接到一个正在运行中的service。当连接到一个service后,可以使用这个service向外暴露的接口与这个service进行通信。Broadcase receiver不执行任何任务,仅仅是接受并响应广播通知的一类组件。一个应用程序可以包含任意数量的boradcase reveiver来响应它认为很重要的通知。所有的broadcast receiver都扩展自类broadcastReceivero Broadcast receiver不包含任何用户界面。然而它们可以启动一个activity以响应接受到的信息,或者通过NotificationManager通知用户。通常程序会在状态栏上放置一个持久的图标,用户可以打开这个图标并读取通知信息。应用程序可以通过content provider访问其它应用程序的一些私有数据,这是Android提供的一种标准的共享数据的机制。共享的数据可以是存储在文件系统中、SQLite数据库中或其它的一些媒体中。content provider扩展自ContentProvider类,通过实现此类的一组标准的接口可以使其它应用程序存取由它控制的数据。然而应用程序并不会直接调用ContentProvider中的方法,而是通过类ContentResolver。ContentResolver能够与任何一个ContentProvider通信,它与ContentProvider合作管理进程间的通信。任何时候当Android系统收到一个需要某个组件进行处理的请求的时候,Android会确保处理此请求的组件的宿主进程是否已经在运行,如果没有,则立即启动这个进程,当请求的组件的宿主进程已经在运行,它会继续查看请求的组件是否可以使用,如果不能立即使用,它会创建一个请求的组件的实例来响应请求。Android是一个权限分离的系统。这是利用Linux已有的权限管理机制,通过为每一个Application分配不同的uid和gid,从而使得不同的Application之间的私有数据和访问达到隔离的目的。与此同时,Android还在此基础上进行扩展,提供了permission机制,它主要是用来对Application可以执行的某些具体操作进行权限细分和访问控制,同时提供了per-URI permission机制,用来提供对某些特定的数据块进行ad-hoc方式的访问。最后,本论文给出了纳米网络系统的原型设计。基于Android应用平台和和相应的集成开发工具,设计开发了分子通信系统YAZHRAA。首先,通过安装Java虚拟机、Eclipse IDE等必要步骤建立了Android开发环境。然后,建立一个本纳米网络系统的新项目并开始设计。基于系统需求分析,本系统需要YazhraaActivity, YaumaalbeneenActivity, SysActivity, ExActivity, SysListActivity, ExListActivity, AboutActivity等活动,并通过编程建立相应界面和应用。最后,更新声明文件,将所有组件组合起来并能够编译。基于此纳米网络系统,本文介绍了远程健康服务的纳米网络架构,这种网络可以基于光转导机制实现,由纳米机器之间的互联完成通信。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1 Preface
• 1.2 Motivation
• 1.3 Objectives
• 1.4 Overview of This Work
• 1.5 Outline
• CHAPTER 2: NANONETWORKS COMMUNICATION
• 2.1 Little Background
• 2.2 Molecular Communication for Nanonetworks
• 2.2.1 Long-Range Molecular Communication
• 2.2.1.1 Light Transduction Method
• 2.2.2 Long range Molecular Communications Applications
• 2.3 Summary
• CHAPTER 3: ANDROID COMPUTING PLATFORM
• 3.1 Quickview
• 3.2 Early History of Android
• 3.3 Android Platform Versions
• 3.4 Android Architecture
• 3.4.1 Applications
• 3.4.2 Application Framework
• 3.4.3 Libraries
• 3.4.4 Android Runtime
• 3.4.5 Liux Kernel
• 3.5 Android Application Components
• 3.5.1 Activities
• 3.5.2 Services
• 3.5.3 Content Providers
• 3.5.4 Broadcast Receivers
• 3.6 Android Security Mechanisms
• 3.7 Android Significance and Features
• 3.8 Android Downsides and Limitations
• 3.9 Summary
• CHAPTER 4:YAZHRAA SIMULATION APPLICATION
• 4.1 Quick Start
• 4.2 Setting Up Android Development Environment
• 4.3 Creating New Project
• 4.4 Exploring the Structure of an Android Application
• 4.5 Yazhraa Application Design
• 4.6 Building the Activities
• 4.6.1 Yazhraa Activity Layour
• 4.6.2 YaumaalbeneenActivity Layout
• 4.6.3 SysActivity Layout
• 4.6.4 ExActivity Layout
• 4.6.5 SysListActivity Layout
• 4.6.6 ExListActivity
• 4.6.7 AboutActivity Layout
• 4.7 Update Manifest File
• 4.8 Summary
• CHAPTER 5:CONCLUSIONS & FUTURE WORK
• 5.1 Conclusion
• 5.2 Future Work
• BIBLIOGRAPHY
• APPENDIX A: CODES FOR YAZHRAAAPP. LAYOUTS
• ACKNOWLEDGMENT