基于多波束定向天线的无线局域网MAC协议研究
无线通信是科学技术的一种应用，它对现代社会发展有着非常重要的意义。无线通信领域不断成熟，无线通信设备需要支持更高的数据速率和更安全的通信。
研究表明，无线局域网（WLAN）是支持这种通信能力的主要手段。
近年来WLAN的网络应用逐渐多样和复杂化，其中音视频等多媒体业务对无线局域网的信道容量、服务质量、数据传输速率和带宽利用率等提出更高的要求。
虽然现有研究使用信道分离、功率控制和路由改进等方法能够一定程度上解决网络应用日益增长的要求，但仍无法满足网络应用对信道容量、服务质量等的需求。
在无线局域网中使用多波束定向天线可以提高网络的性能。多波束定向天线的信号集中在某一波束范围，能够扩大无线局域网的覆盖范围，减小信号干扰，提高信道带宽利用率。
在同样的网络覆盖范围，使用多波束天线可以减小节点的传输功率，从而在资源紧缺的无线局域网环境中达到延长电池使用寿命，延长整个网络生存周期的目的。
多波束定向天线应用于无线局域网有很多优点，可以很大程度上减少信号干扰，扩大传输范围、提高数据率。
但多波束定向天线的引入也给MAC协议的设计带来挑战，例如“聋节点”和“定向隐藏终端”问题等。
因此，本文在无线局域网络结构中，提出两种基于多波束定向天线的异步邻居发现算法，并在此基础上提出一个集中式的定向MAC协议。
首先本文研究了基于多波束定向天线的无线局域网邻居发现算法，提出了两种基于三步握手机制的邻居发现算法：异步分层扫描算法（AHS）和异步定向扫描算法（ADS）。
对于有两个或多于两个节点同时发送消息给接入点（AP）会产生冲突的情况，这两种算法一定程度上能够减少冲突。
并对算法进行了仿真，分析了其适用的场景和影响两种算法性能的因素。
实验结果表明AHS算法适用于AP周围邻居节点较密集的场景，而ADS算法适用于大部分邻居节点离AP较远的场景。
在邻居发现算法的基础上，设计了一个使用多波束定向天线的无线局域网中的集中式定向MAC协议。
集中式定向MAC协议分为下行链路通信和上行链路通信两个阶段，其中下行链路通信阶段AP将数据定向传输给节点，告知节点何时开始和结束上行链路阶段。
在上行链路阶段，节点使用CSMA/CA竞争方式和RTS/CTS方式获得信道使用权，定向发送数据帧给AP，AP定向回复ACK给节点。
理论上比较了集中式定向MAC协议和传统MAC协议的性能，通过仿真实验验证了集中式定向MAC协议有更好的性能。
本文的创新点如下：（1）提出基于三步握手机制的异步分层扫描邻居发现算法AHS和异步定向扫描邻居发现算法ADS。
AP定向发送轮询消息，收到轮询消息的节点回复ACK，收到ACK的AP给该节点回复RACK，通过类似TCP协议建立连接的三步握手机制实现AP和节点互相发现的目的。
基于三步握手机制实现邻居发现算法，增加了算法可靠性。两个或多于两个节点同时给AP回复ACK会带来冲突。
收到轮询消息的节点在某个区间随机选择一个整数，然后等待整数倍数据的传输时间再定向发送ACK，通过这种方式减少冲突，在相同时间内算法能使AP发现更多的邻居节点。
AHS算法和ADS算法是异步算法，不需要时间同步，减少了网络成本。
AHS算法和ADS算法都是基于三步握手机制且使用相同的思想解决冲突，但AHS算法是分层扫描，先发现离AP较近的节点。
提出一个集中式定向MAC协议，将邻居发现过程和MAC协议相结合。
该协议分为下行链路阶段和上行链路阶段，由AP控制节点何时进入上行链路阶段和何时结束上行链路阶段，并且AP运行DRR算法保证各节点与AP通信的公平性。
下行链路阶段，AP将数据传输给周围节点，随机选择波束方向，发送数据帧或信标帧。节点全向接收到传给自己的数据帧，定向发送ACK给AP。
波束范围内其他节点根据数据包中的字段设置上行链路阶段开始和结束的时间。其他节点通过数据帧获得上行链路阶段开始和结束的信息。
集中式定向MAC协议结合竞争机制和AP集中控制算法，与传统的无线MAC协议相比，有更好的性能。
