1. 引言

隨著傳統(tǒng)無線通信在極端環(huán)境（如微觀生物體內(nèi)、海洋深處）中的局限性凸顯，分子通信（Molecular Communication, MC）成為一種新型通信范式。分子通信通過分子作為信息載體，在納米尺度上傳輸信息，為生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、智能藥物遞送等應(yīng)用提供可能。

然而，傳統(tǒng)的分子通信仍然基于香農(nóng)信息論，主要關(guān)注信息傳輸?shù)奈锢韺訂栴}，如傳輸速率、信道建模、噪聲影響等。而分子語義通信（Molecular Semantic Communication, MSC）將語義信息引入分子通信，以提高通信效率，使接收方能夠更有效地理解和利用傳輸信息。這一概念受益于**語義通信（Semantic Communication, SemCom）**的最新進展。

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2. Molecular Communication（分子通信）

2.1 定義

分子通信是一種生物啟發(fā)式通信方式，它利用化學(xué)信號（如蛋白質(zhì)、激素、DNA 片段等）作為信息載體，通過化學(xué)擴散或生物合成途徑傳輸信息。

分子通信在以下領(lǐng)域具有應(yīng)用前景：

• 生物醫(yī)療（Biomedicine）：在生物體內(nèi)用于細胞間信息傳遞，如納米機器人之間的通信。
• 環(huán)境監(jiān)測（Environmental Monitoring）：利用化學(xué)信號探測污染物或化學(xué)物質(zhì)濃度。
• 智能藥物遞送（Smart Drug Delivery）：藥物納米載體在體內(nèi)的精準(zhǔn)遞送。

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2.2 分子通信的基本組成

分子通信系統(tǒng)一般由 五個關(guān)鍵組件 組成：

1. 信息源（Information Source）：產(chǎn)生待傳輸?shù)男畔?#xff0c;如細胞釋放的特定分子。
2. 編碼器（Encoder）：將信息轉(zhuǎn)換為可傳播的分子信號，例如利用化學(xué)反應(yīng)生成信號分子。
3. 信道（Channel）：指分子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，如水、血液或空氣。主要傳播方式包括：
   • 擴散傳播（Diffusion-based）：依賴于隨機熱運動，如細胞間信號傳遞。
   • 流體傳輸（Flow-based）：借助流體流動，如血液循環(huán)系統(tǒng)中的信息傳輸。
   • 攜帶者傳輸（Carrier-based）：通過載體（如細胞或納米機器人）傳遞信息。
4. 解碼器（Decoder）：在接收端解析接收到的分子，并恢復(fù)信息。
5. 目標(biāo)接收器（Target Receiver）：最終使用解碼后的信息，例如神經(jīng)元或藥物遞送系統(tǒng)。

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2.3 分子通信的信道建模

由于分子通信依賴于物理化學(xué)過程，常見的信道模型包括：

1. 布朗運動擴散模型（Brownian Motion Diffusion Model）

   • 適用于自由擴散環(huán)境，如細胞外基質(zhì)。
   • 其信道沖激響應(yīng)（Channel Impulse Response, CIR）可用 Fick’s 定律描述：
     $p(d,t)=\frac{1}{(4\pi Dt{)}^{3/2}}\exp \left(?\frac{d^2}{4Dt}\right)$
     其中：
     • $D$ 是擴散系數(shù)，
     • $d$ 是傳輸距離，
     • $t$ 是時間。

2. 流體動力學(xué)信道（Flow-based Channel）

   • 適用于血液循環(huán)、微流體通道等。
   • 主要受流速和湍流影響，信號隨時間衰減。

3. 受限擴散模型（Constrained Diffusion Model）

   • 適用于膜蛋白通道、細胞間通信等受限環(huán)境。

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2.4 分子通信的信號調(diào)制

由于比特?zé)o法直接映射到分子，分子通信需要特殊的信號調(diào)制方式：

• 濃度調(diào)制（Molecular Concentration Shift Keying, MCSK）：用不同濃度的分子表示 0 和 1。
• 時間調(diào)制（Molecular Pulse Position Modulation, MPPM）：用分子釋放的時間間隔編碼信息。
• 分子種類調(diào)制（Molecular Frequency Shift Keying, MFSK）：使用不同類型的分子編碼信息。

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2.5 分子通信的挑戰(zhàn)

1. 高噪聲（High Noise）：隨機擴散和環(huán)境因素導(dǎo)致信號不穩(wěn)定。
2. 低吞吐量（Low Throughput）：由于分子信號傳播速度慢，數(shù)據(jù)速率較低。
3. 高時延（High Latency）：擴散過程耗時較長。

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3. Molecular Semantic Communication（分子語義通信）

3.1 定義

分子語義通信（Molecular Semantic Communication, MSC）是在分子通信的基礎(chǔ)上，引入語義信息（Semantic Information），使通信系統(tǒng)能夠感知、理解和優(yōu)化信息傳輸過程，而不僅僅關(guān)注信號的傳輸。

MSC 的核心目標(biāo)：

• 語義壓縮：減少冗余信息，提高有效信息的傳輸效率。
• 任務(wù)驅(qū)動通信：根據(jù)接收端的需求優(yōu)化傳輸內(nèi)容。
• 生物語義適配：利用已有的生物信號機制提高通信可靠性。

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3.2 語義通信在分子通信中的應(yīng)用

(1) 語義編碼

在 MSC 中，語義編碼的目標(biāo)是找到合適的分子編碼策略，以最小的分子資源傳遞最大的信息。例如：

• 智能藥物遞送（Smart Drug Delivery）：僅傳輸與目標(biāo)疾病相關(guān)的信息，而不是所有生物狀態(tài)數(shù)據(jù)。
• 細胞信號優(yōu)化（Cell Signaling Optimization）：利用語義優(yōu)化基因表達調(diào)控信息的傳輸。

(2) 語義解碼

• 語義解碼側(cè)重于接收端如何理解和使用接收到的信息，而不僅僅是恢復(fù)原始比特流。
• 例如，在神經(jīng)元分子通信中，MSC 可以通過語義推理提高神經(jīng)信號傳輸?shù)男省?/li>

(3) 語義信道建模

MSC 需要建立新的信道模型，其中信道容量不是由比特吞吐量決定，而是由語義信息傳輸能力決定：
$C_{\text{sem}}={\max }_{P(X)}I(M;\hat{M}|K)$
其中：

• $M$ 是語義信息，
• $\hat{M}$ 是重構(gòu)的語義信息，
• $K$ 是接收端的背景知識（如細胞的生物狀態(tài)）。

(4) 語義魯棒性

• 由于生物環(huán)境的不確定性，MSC 需要具有魯棒性，能夠在環(huán)境變化、噪聲干擾下保持信息有效性。
• 可能的解決方案包括：
  • 基于知識圖譜的語義增強（如結(jié)合基因網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)相互作用）。
  • 自適應(yīng)語義過濾（如僅傳遞與目標(biāo)任務(wù)相關(guān)的信息）。

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4. 總結(jié)

對比項	Molecular Communication（MC）	Molecular Semantic Communication（MSC）
核心目標(biāo)	傳輸分子信號	傳輸和理解語義信息
信號調(diào)制	濃度、時間、種類調(diào)制	語義驅(qū)動的信息優(yōu)化
通信度量	誤碼率、吞吐量	語義相似度、任務(wù)完成率
應(yīng)用場景	細胞信號、藥物遞送	智能生物系統(tǒng)、精準(zhǔn)醫(yī)療

MSC 結(jié)合語義通信和分子通信，提升了分子級通信系統(tǒng)的智能性和效率，在 6G 通信、醫(yī)療健康、人工生物智能等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。