航空自组网是指直接使用机载通信设备在飞机间进行通信的分布式自组织多跳网络,是一种新型的航空通信方式。由于卫星通信成本高、容量有限,地基基站覆盖范围有限,航空自组网有望成为航空移动通信网络特殊场景下的重要补充。然而,航空自组网具有无中心,网络跨度大,节点间距离远,拓扑变化迅速,业务多样等特点,导致其信道接入受限,传播时延较大,难以快速建立链路和保障不同类型业务的QoS,给其MAC协议设计带来了额外的挑战。因此,本文结合国家自然科学基金课题“跨洋民用航空宽带移动通信组网及关键技术研究”,重点研究航空自组网MAC协议,针对航空自组网公平接入、快速建立链路以及保证业务QoS的需求,提出了基于定向天线的航空自组网MAC协议(TD-DAMAC),利用定向天线传输距离远、空间复用度高的特点,建立飞机间稳定、高效的传输链路,增大航空自组网单跳传输距离,提高网络吞吐量,满足航空自组网多样的业务传输需求。主要研究工作如下:(1)针对航空自组网飞机节点距离远与定向邻居握手的问题,设计了具有保护间隔的子时隙模式帧结构与包含控制信息的分组结构。针对定向航空自组网邻居发现与链路建立的问题,结合ADS-B系统,提出了基于ADS-B的邻居发现算法,根据邻居节点个数按概率切换扫描波束,利用反向波束内邻居个数改变节点发送模式概率,以此降低邻居发现时间,提高链路建立效率。针对航空自组网信道接入的问题,结合动态分配策略,提出了基于节点业务量和链路负载的时隙分配策略,通过邻居信息控制分组的交互,固定分配时隙保证信道接入时延,根据节点业务需求和链路负载情况,预约附加时隙满足突发业务的传输需求,启用单向传输模式提高时隙利用率与传输效率,以此避免时隙竞争冲突,提高信道利用率,保证信道的公平使用。(2)针对航空高优先级业务的QoS需求,提出了TD-DAMAC基于航空业务优先级与负载的动态帧长优化策略,采用多队列的方式对航空业务进行优先级区分,通过跟踪高优先级业务队列的负载情况,以2的幂进行帧长的动态扩展与收缩,为航空自组网中安全系数较高的业务分配更多的时隙资源,既保证了高优先级业务的QoS,满足了多样航空业务的传输需求,也有效地提高了信道利用率。(3)搭建了航空自组网TD-DAMAC的NS2仿真验证平台,实现了本文提出的TD-DAMAC协议,仿真表明:相比SBA-R,TD-DAMAC降低了30%至40%的邻居发现时间;相比DMAC、MMAC与全向STDMA,TD-DAMAC提高了网络吞吐量,能够提供85%以上的分组投递率,在节点密度不是很大的情况下可以降低平均传输时延,能够在一定程度上提升航空自组网的性能。