混合天线模式下的无线自组织网MAC 协议研究

混合天线模式下的无线自组织网是由拥有全向天线的节点和有向天线的节点共同构成的无线网络。随着通信技术的发展，有向天线的广泛使用，不同的设备分别采用全向天线或者有向天线共同构成无线自组织网已经成为一个现实的需求。然而，当前大量的MAC协议的研究只是针对单一的天线类型进行设计，在混合天线模式下无法正常工作，或者会牺牲有向天线的性能，造成网络吞吐量的下降。为此，本课题将深入研究混合天线模式下自组织网的特点、性能、网络容量等理论，在此基础上，设计新的MAC协议。该协议可以自适应地用于混合天线模式的节点，使得配置有向天线和全向天线的异构节点能够相互连接构成自组织网络，同时充分利用网络中有线天线的性能，减少有向传输导致的隐终端、"聋"问题，减少干扰，提高空间复用，从而增加无线自组织网的吞吐量，为有向天线在自组织网中的实际应用提供良好的理论和技术基础。

在当前无线自组织网MAC协议的研究中，往往都假设系统中所有的节点都配置有同一类型的天线。而随着通信技术的进步，特别是近期无线传感网的迅速发展，不同的设备分别采用全向天线或者有向天线共同构成无线自组织网已经成为一个现实的需求。本项目通过研究混合天线模式下的MAC协议，使得配置有向天线和全向天线的节点能够相互连接构成自组织网络，以充分发挥网络中有向天线的性能。.首先分析混合天线模式下自组织网的特性，包括干扰模型、天线参数等因素对于系统的影响，发现邻居发现是无线ad hoc网络自组织过程中的关键步骤之一，邻居发现效率的高低直接影响着网络的性能。以静态无线ad hoc网络为研究对象，归纳了制约邻居发现效率的主要问题并提出了解决方案。主要的工作内容包括：.(1) 针对ad hoc网络的邻居发现问题提出了一种新的信道接入机制。.(2) 设计和实现了忙音辅助邻居发现算法。.(3) 针对基于混合天线的ad hoc网络，提出了一种集中式的邻居发现方法，可以有效解决波束协调问题。.然后分析混合天线模式下MAC协议中隐终端问题、暴露终端问题以及“聋”问题等问题，设计合理的解决方案和策略，提出有效解决这些问题的算法，减少干扰，提高空间复用，从而增加无线自组织网的吞吐量，为有向天线在自组织网中的实际应用提供了理论和技术基础。设计实现了以下算法：.(1) 设计了能够适用于混合天线模式下的MAC协议TCDMAC，通过一对收发忙音BTt、BTr的解决方案，忙音的覆盖范围达到Rdd。.(2)设计了DMTMAC协议使用多组忙音解决隐终端和“聋”问题。.(3)设计了DFMAC协议，在不需要加入别的硬件机制的前提下，通过网络间节点的协作，充分发挥定向节点的优势。.(4)设计了一个DCSMAC协议，采用定向天线循环扫描两周的方式来解决由于定向天线的方向性以及定向天线和全向天线的发送模式的不同而产生的握手失败问题。.在完成MAC协议设计之后，又对跨层协议进行了研究和设计。从分析数据包的接收和转发过程入手,以降低处理机的处理时延为目标，提出了一种基于混合天下的无线跨层MAC-ROUTER设计，实现了CLMRCR协议，采用控制路由的思想以及定向天线远距离传输的优势来减少转发节点的处理时间。大大降低处理机的处理时延和资源消耗，从而降低端到端的时延。