基于多波束定向天線的無線區域網路MAC協定研究
無線通信是科學技術的一種應用，它對現代社會發展有着非常重要的意義。無線通信領域不斷成熟，無線通信裝置需要支援更高的資料速率和更安全的通信。
研究表明，無線區域網路（WLAN）是支援這種通信能力的主要手段。
近年來WLAN的網絡應用逐漸多樣和複雜化，其中音視訊等多媒體業務對無線區域網路的信道容量、服務品質、資料傳輸速率和帶寬使用率等提出更高的要求。
雖然現有研究使用信道分離、功率控制和路由改進等方法能夠一定程度上解決網絡應用日益增長的要求，但仍無法滿足網絡應用對信道容量、服務品質等的需求。
在無線區域網路中使用多波束定向天線可以提高網絡的性能。多波束定向天線的信号集中在某一波束範圍，能夠擴大無線區域網路的覆寫範圍，減小信号幹擾，提高信道帶寬使用率。
在同樣的網絡覆寫範圍，使用多波束天線可以減小節點的傳輸功率，進而在資源緊缺的無線區域網路環境中達到延長電池使用壽命，延長整個網絡生存周期的目的。
多波束定向天線應用于無線區域網路有很多優點，可以很大程度上減少信号幹擾，擴大傳輸範圍、提高資料率。
但多波束定向天線的引入也給MAC協定的設計帶來挑戰，例如“聾節點”和“定向隐藏終端”問題等。
是以，本文在無線區域網路絡結構中，提出兩種基于多波束定向天線的異步鄰居發現算法，并在此基礎上提出一個集中式的定向MAC協定。
首先本文研究了基于多波束定向天線的無線區域網路鄰居發現算法，提出了兩種基于三步握手機制的鄰居發現算法：異步分層掃描算法（AHS）和異步定向掃描算法（ADS）。
對于有兩個或多于兩個節點同時發送消息給接入點（AP）會産生沖突的情況，這兩種算法一定程度上能夠減少沖突。
并對算法進行了仿真，分析了其适用的場景和影響兩種算法性能的因素。
實驗結果表明AHS算法适用于AP周圍鄰居節點較密集的場景，而ADS算法适用于大部分鄰居節點離AP較遠的場景。
在鄰居發現算法的基礎上，設計了一個使用多波束定向天線的無線區域網路中的集中式定向MAC協定。
集中式定向MAC協定分為下行鍊路通信和上行鍊路通信兩個階段，其中下行鍊路通信階段AP将資料定向傳輸給節點，告知節點何時開始和結束上行鍊路階段。
在上行鍊路階段，節點使用CSMA/CA競争方式和RTS/CTS方式獲得信道使用權，定向發送資料幀給AP，AP定向回複ACK給節點。
理論上比較了集中式定向MAC協定和傳統MAC協定的性能，通過仿真實驗驗證了集中式定向MAC協定有更好的性能。
本文的創新點如下：（1）提出基于三步握手機制的異步分層掃描鄰居發現算法AHS和異步定向掃描鄰居發現算法ADS。
AP定向發送輪詢消息，收到輪詢消息的節點回複ACK，收到ACK的AP給該節點回複RACK，通過類似TCP協定建立連接配接的三步握手機制實作AP和節點互相發現的目的。
基于三步握手機制實作鄰居發現算法，增加了算法可靠性。兩個或多于兩個節點同時給AP回複ACK會帶來沖突。
收到輪詢消息的節點在某個區間随機選擇一個整數，然後等待整數倍資料的傳輸時間再定向發送ACK，通過這種方式減少沖突，在相同時間内算法能使AP發現更多的鄰居節點。
AHS算法和ADS算法是異步算法，不需要時間同步，減少了網絡成本。
AHS算法和ADS算法都是基于三步握手機制且使用相同的思想解決沖突，但AHS算法是分層掃描，先發現離AP較近的節點。
提出一個集中式定向MAC協定，将鄰居發現過程和MAC協定相結合。
該協定分為下行鍊路階段和上行鍊路階段，由AP控制節點何時進入上行鍊路階段和何時結束上行鍊路階段，并且AP運作DRR算法保證各節點與AP通信的公平性。
下行鍊路階段，AP将資料傳輸給周圍節點，随機選擇波束方向，發送資料幀或信标幀。節點全向接收到傳給自己的資料幀，定向發送ACK給AP。
波束範圍内其他節點根據資料包中的字段設定上行鍊路階段開始和結束的時間。其他節點通過資料幀獲得上行鍊路階段開始和結束的資訊。
集中式定向MAC協定結合競争機制和AP集中控制算法，與傳統的無線MAC協定相比，有更好的性能。
