基于多波束定向天线的无线局域网MAC协议研究

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将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。
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