Directional MAC

方向性(Directional)天線比全方向性(Omni-Directional)天線提供了更多的優勢，除

的天線來接收資料會有干擾現像發生 (4)節點無法同時透過不同的方向進行傳輸，在 這些假設之下，有許多方向性的MAC[3][5][7][8][10][11][12][13][14][15]相繼被提出。

在方向性MAC中，RTS/CTS/DATA以及ACK封包可以使用方向性的方式來傳送，讓 原本在IEEE 802.11 MAC協定下，因干擾情形而無法進行傳輸的節點，可以同時進行 傳輸。所以方向性MAC顯著提升了網路流量的效能表現，下面將介紹與方向性天線 有關的幾個MAC協定。

2.3.1 D-MAC

D-MAC[3]提出了兩種不同的Scheme: D-MAC Scheme 1與D-MAC Scheme 2。

D-MAC兩個Scheme的效能表現都比IEEE 802.11好，因為它允許兩個連線同時傳輸，這 是之前IEEE 802.11所不能達成的。如圖2-9(a)所示，D-MAC Scheme 1 的RTS、DATA 與ACK封包都是採用方向性的方式來傳輸，所以節點A與節點B、節點C與節點D可以 同時進行通訊而不會互相干擾。不過，這樣的方式卻有一些問題存在，例如: 在圖2-9(b) 中，因為方向性RTS封包的關係，節點C並不知道節點A與節點B正在通訊，所以當節 點C要傳送資料給節點B時，便會發生碰撞的問題。D-MAC Scheme 2可以解決D-MAC Scheme 1所帶來的問題，如圖2-9(c)所示，D-MAC Scheme 2同時採用了方向性以及全 方向性的RTS封包，因此節點B發出全方向性的RTS封包來通知A與節點C，所以節點C 只能往節點D的方向傳送資料，如此便保留了D-MAC Scheme 1同時傳輸的優點並且避 免了碰撞的發生。另外，如圖2-9(d)，[3]也提出了使用Wait-to-Send(DWTS)封包來避 免不必要的RTS重送現像。然而，D-MAC需要依靠追蹤(tracking)或者是定位(locating) 的技術(例如: GPS或者是週期性的Location Packet)來取得其他節點的位置，因此在某 些情況下會變的不適用。

圖 2-9 D-MAC (a) D-MAC SCHEME 1 (b) D-MAC SCHEME 1 Collision Problem (c) D-MAC SCHEME 2 (d) Wait-to-Send(DWTS)

2.3.2 Directional Virtual Carrier Sensing (DVCS)

Takai提出了DVCS[8]來預防方向性天線所帶來的碰撞問題，而DVCS可以分為三 個部分：

a. AOA Caching

每個節點運用了一個Angle-of-Arrival (AOA) Table來記錄鄰近節點所在的方位，透

dRTS dRTS oCTS oCTS oCTS oCTS

dDATA dDATA

過Switch-Beam Antenna 將整個區域切割成多個Sector，AOA Table 紀錄節點所在的 Sector。Sender在傳送資料給Receiver前，會先尋找AOA Table中Receiver所在的Sector，

之後便朝這個Sector傳送RTS。Receiver在收到RTS後，也會先尋找AOA Table中Sender 所在的Sector，然後朝此方向回傳CTS給Sender，接著兩個節點繼續用同樣的方式來 傳送Data與ACK封包。

b. Beam Locking and Unlocking

當Receiver接收到RTS封包後，它會鎖住往Sender的方向並傳送CTS封包，當Sender 接收到CTS封包後也會鎖住往Receiver的方向。一直到Data/ACK封包傳輸完成之後，

Sender/Receiver會解開原先被鎖住的方向，回到全方向接收的模式。

c. Directional Network Allocation Vector (DNAV)

DNAV主要用來取代IEEE 802.11中的NAV，每個DNAV都紀錄了一個方向以及一 個寬度，每個節點可以設定多個DNAV，節點每次接收到封包後，都會更新DNAV。

如圖2-10所示，共有三個DNAV被設定，除了這些DNAVs過期，否則這一個節點將無 法從 0^°到105^°或者是 270^°到 330^°等三個方向傳送任何訊號，但是它可以從105^°到 270^° 以及 330^°到^360°等方向傳送訊號。

圖 2-10 Three DNAVs set for different directions [8]

2.3.3 Circular Directional RTS/CTS

Circular Directional RTS/CTS[5]提出一個有效率的方向性MAC協定，所有的封包 一定都是使用方向性的方式來傳輸，因此在Handshake的過程中，如果Sender或 Receiver送出最少一個全方向性的控制封包，那麼傳輸的範圍將會因此被限制住(圖 2-11)，所以此方法中RTS/CTS/DATA/ACK封包都是使用方向性來傳送。在方向性MAC 中，如何得知鄰居節點的方向是一個必須解決的問題，比較常見的方法是每個節點都 配置一個GPS，藉由交換RTS/CTS封包時來通知對方自己的位置。[5]提出了一個 Location Table來紀錄相關的方向，節點在接收到封包後，透過Select Diversity可以由 訊號的強度來得到接收的方向，並把自己的ID、鄰居的ID、自己接收的方向以及封包 傳送的方向紀錄在Location Table(表2-2)裡。不過，由於所有的封包都是使用方向性來 傳輸，並無法確保每個節點都可以接收到封包，因此[5]還提出了一個Circular的方式 來傳送RTS/CTS封包，Sender首先傳送一個特定方向的RTS，例如Beam 1，接著在下 一個方向Beam 2傳送相同的RTS，這樣的動作會一直持續到所有的Beam都送出RTS 為止。如此一來可以保有方向性的傳輸距離，也可以讓所有鄰居節點藉由接收封包來 紀錄方向。

圖 2-11 The coverage range of a MAC protocol that uses an omni RTS transmission A

C B

Communication range in directional RTS

Communication range in omni-directional RTS

表 2-2 A record of Location Table

Me Neighbor My Beam Neighbor’s Beam

A B 4 2