集中式多跳自组网络是有中心节点进行全网调度的多跳网络,突破了传统集中式蜂窝网络单跳的局限性,凭借其组网灵活、易扩展、抗毁性强等特点,在军事战场、应急通信等场景有着广泛应用,其控制稳定、协调性强的特点在业务质量要求较高的工业无线传感网中也有广阔的发展前景。但是在多跳网络中使用全向天线会造成多跳节点间更大的设备间干扰,一定程度来说干扰将降低整个系统的容量。目前研究中针对多跳网络定向天线组网模式的MAC层协议设计方案均具有一定的局限性,在实际应用场景中的协议设计开发缺乏入网、维护、调度等网络关键功能设计,难以对实际应用过程中的工程开发起到指导作用。本文针对以上问题,提出适用于集中式多跳网络的定向天线组网协议,对协议中涉及的网络接入、网络维护以及资源调度关键技术进行了分析和研究。本文充分考虑多跳网络节点间的干扰问题,建立了复用干扰模型、网络容量模型,旨在提高集中式无线多跳网络定向天线组网模式中的网络容量。通过对网络容量模型的求解,得到了采用定向天线条件下的协议参数设计方案。论文主要对以下三个方面进行了深入的研究。首先,针对全向天线在多跳网络中使用的诸多局限性,提出集中式定向天线多跳网络MAC层协议,规定了协议帧结构、系统消息类型等基本要素,设计了协议中涉及的关键功能模块,并且对于定向天线发送信令和业务消息覆盖范围不一致问题提出了解决方案。其次,针对无线多跳网络的节点干扰问题,利用泊松点过程建立了随机干扰模型,根据协议干扰清除机制和定向天线特性构建硬核泊松稀释模型,将邻居维护跳数和定向天线波瓣数量作为重要参数,量化平均干扰强度;从集中式定向天线多跳网络MAC层协议出发,针对定向天线组网模式中的系统开销问题,建立了有效吞吐量模型;根据节点使用定向天线入网过程中时延问题,构建网络接入时延模型,分析在接入时延约束下的有效吞吐量,给出了使网络有效吞吐量最大化的协议参数最优值,为集中式定向天线多跳网络的工程实现提供了MAC层的理论支撑。论文最后在Visual Studio软件中编写MAC层协议仿真代码,重点对定向天线模块进行开发,并对关键技术模块进行仿真验证,为硬件平台的实现提供MAC层程序基础。