扩散分子通信中基于TDMA的分布式调度算法：理论设计与性能验证

《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》：A Distributed Scheduling Algorithm for TDMA in Diffusion-Based Molecular Communication

　　本文针对扩散分子通信(Molecular Communication via Diffusion, MCvD)系统中多发射端导致的用户间干扰(Inter-User Interference, IUI)问题，提出了一种新型分布式时分多址(Time-Division Multiple Access, TDMA)调度算法。该算法仅需各纳米设备监听信道并测量时间，无需同步或中央控制单元分配时隙，通过粒子基仿真验证了其功能，并与理想集中式算法比较表明，在较大数据包长度下可获得相近的时域信道利用率，为分子通信网络的高效多址接入提供了创新解决方案。

　　

在微纳尺度健康监测、靶向给药等生物医学应用领域，纳米设备构成的通信网络需高效协作。然而，扩散分子通信系统中，当多个发射纳米设备同时向同一接收端发送信息时，分子在扩散信道中传播延迟不一，易导致用户间干扰，严重制约通信可靠性。现有多址方案如码分多址需复杂编码、分子分多址需多种分子受体，而传统时分多址依赖全局同步或中央调度，在资源受限的纳米尺度难以实现。因此，开发无需同步、分布式的调度算法成为推动分子通信实际应用的关键挑战。

为解决这一问题，来自奥地利林茨约翰开普勒大学通信工程与射频系统研究所的Michael Gattringer等研究人员，在《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》上发表论文，提出了一种基于载波侦听多址/冲突避免思想的新型分布式TDMA调度算法。该算法仅要求各发射端具备本地计时与信道监听能力，通过动态调整传输偏移时间，自发形成无冲突的传输时隙序列。

研究采用的关键技术方法包括：基于粒子基仿真验证算法性能；通过理论推导确定信道延迟上限与静默阈值；设计随机等待机制解决传输冲突；利用二进制浓度键控调制与阈值检测实现信息解调。

系统模型构建方面，研究考虑了一个接收端位于原点、多个发射端随机分布的扩散场景。各纳米设备被建模为点源与虚拟球体，信息通过分子浓度变化传递，分子运动遵循布朗运动规律。通信过程采用周期性比特间隔传输，利用非对称分子发射数量区分逻辑0/1。

算法工作原理核心是三个状态变量的协同：本地时间t_local,k记录复位后时长，静默时间t_quiet,k监测信道空闲持续时间，偏移时间t_os,k存储传输起始时刻。当静默时间达到阈值t_quiet,th时触发复位，各发射端按偏移时间顺序发起传输。通过三种典型情况动态调整偏移时间：当传输间隔过大时立即缩减偏移；当间隔较小时微调对齐；当发生冲突时延迟传输并增加偏移值。

针对分子通信信道延迟特性，研究推导了传输开始/结束检测时间的理论上限t_delay,1与t_delay,2。为解决偏移时间相等导致的碰撞问题，引入随机等待时间τ∈{τ₁,τ₂}，并满足τ₁+t_delay,1≤τ₂与τ₁≥t_delay,2的约束条件，确保冲突可被检测且复位机制有效。

性能分析表明，分布式算法效率γ_dist随数据包长度增加渐近逼近理想集中式算法γ_cent。当发射端数量n→∞或平均包长m→∞时，信道利用率可接近理论最优值。

仿真验证设置扩散系数D=10^-9 m²/s、最大距离‖Δr‖_max=10^-5 m等参数，四台发射端包长分别设为5-8比特。粒子基仿真结果显示，算法能从随机初始状态快速收敛至稳定运行状态，形成周期性无冲突传输序列。

接收端信号检测采用动态阈值策略，根据各发射端距离自适应调整判决门限。实验过程中未观察到传输错误，实测效率达72.72%，与理论预测高度吻合。

该研究首次实现了分子通信中完全分布式的TDMA调度，突破了传统方案对同步与中央控制的依赖。所提算法仅需本地计时与信道监听能力，特别适合资源受限的纳米设备应用场景。理论推导为参数配置提供严格依据，粒子基仿真验证了实际可行性。未来研究方向包括生物实现路径探索与抗干扰能力增强，为分子通信网络从理论走向实际应用奠定了重要基础。