用于定向天线的无线自组网MAC协议研究
摘要
无线自组网以其低成本、可协同执行复杂任务等优点获得了广泛关注，广泛应用于
智能交通、军事战场等场景。介质接入控制(MediaAccessControl,MAC)为无线自组网提
供可靠和有效的调度和协调机制，但是现有的引入定向天线的MAC协议邻居存在发现
时间较长且时隙调度过程控制帧过多的问题。时分多址(TimeDivisionMultipleAccess,
TDMA)协议通过合理的时隙分配和调度算法，可以支持大量节点的并行传输，减少冲突
和延迟，提高网络的总体吞吐量。然而现有的TDMA协议由于天线波束对准带来大量
控制帧开销，信道资源分配不均衡。基于上述亟待解决的问题，本文分别针对快速组网
的时隙预约机制以及时隙调度机制进行相应改进，主要的研究工作具体如下：
1、针对定向天线的频繁切换波束方向导致无线自组网波束对准困难的问题，提出
一种快速组网时隙预约改进算法。该算法基于定向天线模型，首先利用电信号的改变实
现波束方向的快速切换，其次对网络节点预留接入时隙表，根据该时隙表设置收发状态，
最后引入辅助发现机制的方案，通过节点通信携带自身邻居节点信息，得知潜在邻居节
点位置信息，进行波束对准，以此提高网络节点发现概率、减少时隙预约控制帧成本、
加速节点入网过程。仿真结果表明，快速组网时隙预约改进算法可以在较少时隙内完成
网络初始功能，降低控制帧开销，提高组网速度。
2、针对由于定向天线波束对准所导致的时隙调度控制帧开销过大，信道资源分配
不均衡等问题，提出一种动态分布式TDMA调度改进算法。该算法基于每个网络节点
维护的本地二维时频调度表，通过1跳邻居时隙使用信息对时隙进行动态调度，并根据
信息长度以及优先级对链路业务信息进行排序，利用时频调度表选择最合适的时隙，从
而动态的调整信道资源分配，以此实现网络突发业务的快速入网，降低波束切换带来的
开销，提升空间利用率，保障时隙资源公平分配。仿真结果表明动态分布式TDMA调
度改进算法因其动态分配资源开销较低，可以有效避免并发链路互扰现象的产生，从而
实现降低网络的端到端时延性能以及提高网络吞吐量。与高动态接入控制(HighDynamic
MediaAccessControl,HD-MAC)算法等对比可知，动态分布式TDMA调度改进算法可以
灵活适应网络拓扑改变，降低端到端时延，提升网络吞吐量。
关键词：无线自组网;MAC协议;TDMA协议;定向天线;时隙调度
用于定向天线的无线自组网MAC协议研究
ABSTRACT
Wirelessadhocnetworkshaveattractedwidespreadattentionduetotheirlowcostandthe
abilitytoperformcomplextaskscollaboratively,andarewidelyusedinscenariossuchas
intelligenttransportationandmilitarybattlefields.MediaAccessControl(MAC)providesa
reliableandeffectiveschedulingandcoordinationmechanismforwirelessadhocnetworks,but
theexistingMACprotocolthatintroducesdirectionalantennashasalongtimetodiscover
neighborsandthetimeslotschedulingprocesscontrolframeistoolong.manyquestions.Time
DivisionMultipleAccess(TDMA)protocolcansupportparalleltransmissionofalargenumber
ofnodesthrougha