移动Ad Hoc网络：前沿研究方向（第2版）

本书详细深入介绍了移动Ad Hoc网络*前沿的研究方向，共分5部分。第1部分为总体介绍，包括第1~6章，主要介绍多跳Ad Hoc网络的演进路线，移动多跳无线网络技术标准及应用场景，Ad Hoc网络的安全性问题，终端用户移动性架构的解决方案，移动Ad Hoc网络研究成果的实验及仿真等内容；第2部分为Mesh网络，包含第7~8章，主要介绍多频点多通道无线Mesh网络中的资源优化和Mesh网络中的服务质量等内容；第3部分为机会网络，包括第9~13章，主要介绍容延迟网络和机会网络的应用、机会网络中的移动模型，机会路由，机会网络中的数据传播及数据运算中的群体计算等内容；第4部分为车载自组织网络，包括第14~19章，主要介绍车载自组织网络数据通信协议的分类，VANET移动模型、拓扑结构和VANET仿真，VANET实验，VANET的MAC协议，认知无线电车载Ad Hoc网络：设计、实施及未来的挑战，以及下一种范式转变：从车载网络到汽车云；第5部分为传感器网络，包括第20~23章，主要介绍无线传感器网络的能量采集技术，机器人辅助的无线传感器网络：近期应用及未来面临的挑战，移动受限的水下网络：算法、系统和实验，以及水声网络的进展等内容。本书可以作为从事移动Ad Hoc网络及相关领域研究的系统设计师、算法设计师、软硬件工程师的业务工具书，同时对高等院校相关专业师生及其他科技工作者也有重要参考价值。

斯特凡诺?巴萨尼，于1991年从意大利比萨大学获得计算机科学学士学位，1998年5月从意大利米兰大学获得计算机科学博士学位，2002年12月从德克萨斯大学达拉斯分校获得电机工程博士学位。2002年1月起，在位于波士顿的东北大学电气和计算机工程系任计算机专业助理教授。
于鹏，辽宁大连人，现为中国洛阳电子装备试验中心高级工程师。长期从事通信及相关设备试验方法研究工作。出版译著3部，论文数十篇。

目 录
第1部分 总 体 介 绍
第1章 多跳Ad Hoc网络的演进路线 2
摘要 2
1.1 引言 2
1.2 MANET研究的主要成就和教训 3
1.2.1 MANET研究的主要成就 3
1.2.2 MANET研究存在的问题和经验教训 11
1.3 多跳Ad Hoc网络：从理论到现实 12
1.3.1 Mesh网络 13
1.3.2 机会网络 14
1.3.3 车载Ad Hoc网络（VANET） 17
1.3.4 传感器网络 18
1.4 小结与结论 20
参考文献 21
第2章　支持移动多跳无线网络技术和标准 29
摘要 29
2.1 引言 29
2.2 宽带无线接入技术 31
2.2.1 IEEE 802.16 Mesh 31
2.2.2 IEEE 802.16j 34
2.3 无线局域网络技术 37
2.3.1 IEEE 802.11s 37
2.3.2 IEEE 802.11n和IEEE 802.11z 41
2.3.3 IEEE 802.11p/WAVE 43
2.4 个域网技术 46
2.4.1 IEEE 802.15.5标准 46
2.4.2 ZigBee的工业标准 49
2.4.3 基于IPv6的WPAN 51
2.5 异构场景的移动性支持 56
2.6 结论 59
参考文献 60
第3章　应用场景 68
摘要 68
3.1 引言 68
3.2 军事应用 70
3.2.1 通信 70
3.2.2 协同 71
3.3 网络连接 72
3.3.1 星际互联网 72
3.3.2 农村地区 73
3.3.3 市/社区系统 74
3.4 无线传感器网络 74
3.4.1 身体和健康监测 75
3.4.2 智能住宅 75
3.4.3 工业监控 76
3.4.4 环境监测 77
3.4.5 动物监测 77
3.5 搜救 79
3.5.1 搜索和救援无人机 79
3.5.2 未知区域的多主体探测 80
3.6 车载自组织网络 82
3.6.1 驾驶安全支持系统 82
3.6.2 车辆协调 83
3.6.3 通知系统 83
3.6.4 智能交通系统 84
3.7 个人信息传输 85
3.8 结论 87
参考文献 87
第4章　Ad Hoc网络的安全性问题 94
摘要 94
4.1 引言 94
4.1.1 无线Ad Hoc网络的安全挑战 95
4.1.2 WSN、UWSN、WMN、DTN和VANET 96
4.2 无线传感器网络 97
4.2.1 对网络可用性和服务完整性的攻击 99
4.2.2 对隐私性和保密性的攻击 107
4.2.3 对数据完整性的攻击 108
4.2.4 WSN中的安全威胁和对策概要 110
4.3 无人值守无线传感器网络 110
4.3.1 数据生存能力 111
4.3.2 Self-Key自愈和入侵恢复 113
4.3.3 认证 114
4.3.4 UWSN安全威胁和对策概述 114
4.4 无线Mesh网络 115
4.4.1 安全面临的挑战和现有对策 116
4.4.2 无线Mesh网络中的安全威胁和对策摘要 117
4.5 容延迟网络 118
4.5.1 DTN的应用 119
4.5.2 DTN的安全问题 119
4.5.3 总结 120
4.6 车载Ad Hoc网络（VANET） 121
4.6.1 VANET的优势及存在的问题 121
4.6.2 VANET的设计目标和挑战 122
4.6.3 VANET的可测量性和服务完整性 123
4.6.4 VANET的安全和隐私 124
4.6.5 摘要和展望 126
4.7 结论和开放性的研究问题 126
参考文献 127
第5章　终端用户移动性架构的解决方案 137
摘要 137
5.1 引言 137
5.2 Mesh网络 138
5.2.1 Mesh技术和终端用户移动性 139
5.2.2 定义和挑战 139
5.2.3 微移动性支持 140
5.2.4 微移动和宏移动支持 149
5.3 无线传感器网络 161
5.3.1 基于接收器的移动性问题 162
5.3.2 FLEXOR：移动支持软件体系结构 164
5.4 结论 166
参考文献 167
第6章　移动Ad Hoc网络研究成果的实验及仿真 170
摘要 170
6.1 引言 170
6.2 移动Ad Hoc网络仿真工具和实验平台概述 171
6.2.1 仿真工具 171
6.2.2 实验平台 172
6.3 仿真和实验的区别：问题和参数 177
6.3.1 物理层问题 178
6.3.2 移动性建模 185
6.3.3 MAC层的注意事项 187
6.3.4 影响上层的因素和其他问题 191
6.3.5 模拟器性能的比较 192
6.4 完善的仿真：确认、验证和校准 194
6.5 模拟器和测试平台的前景展望 197
6.6 结论 199
参考文献 199
第2部分 Mesh网络
第7章 多频点多通道无线Mesh网络中的资源优化 212
摘要 212
7.1 引言 212
7.2 网络和干扰模型 214
7.3 SINR模型下的化链路激活 215
7.4 链路调度 217
7.4.1 优化公式化表述 218
7.4.2 列生成 220
7.4.3 功率控制和速率自适应的扩展 221
7.5 联合路由和调度 223
7.5.1 流量守恒路由 224
7.5.2 路径生成路由 224
7.6 处理信道分配和定向天线 225
7.6.1 信道分配 226
7.6.2 定向天线 229
7.7 协作网络 230
7.7.1 k-协作图表 230
7.7.2 超级链路分类 232
7.7.3 应用于k-协作的列生成 235
7.8 结论和未来展望 236
参考文献 237
第8章 Mesh网络中的服务质量 241
摘要 241
8.1 引言 241
8.2 QoS的定义 243
8.3 现有QoS路由方法的分类 243
8.4 基于优化路径选择的路由协议 245
8.4.1 弹性需求优化 248
8.4.2 固定需求优化 249
8.4.3 基于无关路由的鲁棒性优化 250
8.4.4 随机需求优化 252
8.4.5 饱和数据流优化 253
8.4.6 未解决问题 253
8.5 小权值路径选择的路由度量 254
8.5.1 设计原则 255
8.5.2 已有方法 257
8.5.3 未解决问题 266
8.6 基于反馈的路径选择 267
8.7 结论 268
参考文献 268
第3部分 机 会 网 络

第9章 容延迟网络和机会网络的应用 276
摘要 276
9.1 应用场景 276
9.1.1 受限区域场景 276
9.1.2 市区场景 278
9.2 基于DTN的应用面临的挑战 280
9.2.1 案例研究：基于消息的应用——电子邮件 281
9.2.2 案例研究：基于流的应用——XMPP 284
9.3 DTN应用的关键机制 285
9.3.1 DTN应用程序的安全性 286
9.3.2 与传统应用程序的交互 288
9.3.3 用户界面 290
9.4 DTN应用（案例研究） 292
9.4.1 网页 292
9.4.2 内容搜索 296
9.4.3 地下采矿中的应用 301
9.4.4 浮动内容 307
9.5 结论：DTN应用的反思 311
参考文献 312
第10章　机会网络中的移动模型 314
摘要 314
10.1 引言 314
10.2 基于接触的度量、分析和建模 315
10.2.1 度量 315
10.2.2 基于接触的数据集 317
10.2.3 相互接触时间分析 319
10.2.4 相互接触时间特性 320
10.2.5 接触点数量及持续时间 326
10.3 轨迹模型 328
10.3.1 步：测量 328
10.3.2 自由空间模型 337
10.3.3 与空间有关的模型 337
10.3.4 与时间有关的模型 345
10.4 网络协议设计的含义 348
10.4.1 幂律相互接触时间 348
10.4.2 社会结构 350
10.5 新模式：延迟-资源权衡 353
10.5.1 延迟-容量权衡 353
10.5.2 延迟-负载均衡权衡 355
10.5.3 延迟-能量权衡 359
参考文献 360
第11章　机会路由 365
摘要 365
11.1 引言 365
11.2 机会网络基础 367
11.2.1 连通性 367
11.2.2 移动性 369
11.2.3 节点资源 371
11.2.4 高效的机会转发：机会与挑战并存 372
11.3 不确定性处理：基于冗余的路由 373
11.3.1 基于泛洪的方案 373
11.3.2 受控的复制方案 375
11.3.3 基于编码的方案 377
11.3.4 基于复制转发的讨论 379
11.4 利用结构优势：基于效用的转发 380
11.4.1 基于连接的效用 380
11.4.2 基于未连接的效用 387
11.5 混合解决方案：结合冗余和效用 388
11.5.1 基于效用的泛洪 389
11.5.2 喷射和基于效用的喷射 389
11.5.3 智能复制 390
11.5.4 DTN-MANET的混合环境 390
11.6 结论 391
参考文献 391
第12章　机会网络中的数据传播 397
摘要 397
12.1 引言 397
12.2 初步设想：PodNET 399
12.2.1 数据组织 400
12.2.2 内容为中心的传播策略 400
12.2.3 性能结果 401
12.2.4 要点总结 402
12.3 社会意识方案 403
12.3.1 社会意识效用 403
12.3.2 社会意识传输策略 405
12.3.3 性能结果 405
12.3.4 要点总结 406
12.4 发布/订阅方案 406
12.4.1 群体检测 408
12.4.2 叠置处理 409
12.4.3 性能结果 410
12.4.4 要点总结 411
12.5 全局优化 411
12.5.1 系统模型 411
12.5.2 延迟效用函数 412
12.5.3 缓存配置 413
12.5.4 从全局到局部的决策 414
12.5.5 性能结果 414
12.5.6 要点总结 415
12.6 基于基础设施的方案 415
12.6.1 推动-追踪系统 416
12.6.2 性能结果 418
12.6.3 要点总结 419
12.7 由无结构P2P系统启发的方法 419
12.7.1 系统模型 420
12.7.2 稳定区域 420
12.7.3 策略 421
12.7.4 要点总结 422
12.8 拓展阅读 422
12.8.1 社会意识方案 422
12.8.2 发布/订阅方案 423
12.8.3 全局化 424
12.8.4 基于基础设施的方法 425
12.8.5 P2P系统启发的解决方案 426
参考文献 426
第13章　数据运算中的群体计算 432
摘要 432
13.1 引言 432
13.2 理想的并行操作模型 434
13.2.1 定义 434
13.2.2 现实世界的轨迹 435
13.3 数据运算 437
13.4 社会意识的数据运算 440
13.4.1 群体结构 440
13.4.2 工作设备和主设备的选择 442
13.4.3 限制任务寿命 445
13.4.4 主设备选择：团体和日期中心 446
13.4.5 展望 448
13.5 相关工作 448
13.6 结论和下一步工作 449
致谢 450
参考文献 450
第４部分 车载自组织网络
第14章　车载自组织网络数据通信协议的分类 454
摘要 454
14.1 引言 454
14.2 VANET通信协议分类 456
14.2.1 定义和命名问题 456
14.2.2 公路尺寸 457
14.2.3 邻居信息 458
14.2.4 确认 458
14.2.5 选择开始转发车辆 458
14.2.6 转发竞争

译  者  序

移动Ad Hoc网络是复杂的分布式网络系统，是自组织、自愈网络，由无线移动节点组成。无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性Ad Hoc网络拓扑，从而允许人们和设备在没有通信基础设施的环境中进行无缝互联互通。移动Ad Hoc网络中，每个节点具有足够的智能进行连续侦听和寻找其他邻近节点，动态地确定数据包的传输路径，从而把数据包逐跳地转发到网络中的任何其他节点，避免因网络节点的移动、RF传播条件变化、节点被毁等原因造成网络结构性损伤。
移动Ad Hoc网络几乎涉及所有方面：从战机、战舰、坦克、士兵的装备到普通家庭消费类产品，如汽车、笔记本电脑、佩戴式数字设备及蜂窝电话等。事实上，即使很小的传感器也可能包含Ad Hoc通信节点。因此，移动Ad Hoc网络的应用领域非常宽广，是当前移动通信和计算机网络的一个研究热点，也是译者非常感兴趣的一个技术方向。
众多科技人员和院校学生非常需要一些介绍移动Ad Hoc网络基础理论并关注技术应用设计方面的参考书籍。此书的翻译者就是一群从事移动Ad Hoc技术研究、应用与测试的技术人员。在学习和工作过程中，译者切身感受到文献的重要性，找到合适的技术参考资料，学习和工作的效率就会大大提高。因此，我们根据自身在科研试验中的工作经验和应用感受，对自己参考过的一些比较优秀、比较有特色的外文技术书籍进行了翻译，希望能够和广大读者共同分享和深入交流，这也是译者翻译本书的重要动力来源。
本书的特点在于其全面性和系统性。传统移动Ad Hoc网络相关书籍可能只关注资源分配或路由机制等某一方面的研究难点，本书则是以Ad Hoc网络的整个发展历程为主线，详细介绍了目前四种成熟的网络范式，包括Mesh网络、机会网络、车载自组织网络和传感器网络。作者针对每种网络范式的移动模型、资源优化、路由协议、实验仿真等研究内容进行了深入分析，展望了相关网络技术在未来发展中可能面临的挑战，对应用理论知识解决实际问题时的技术思路具有示范意义。本书是一本适合高等院校相关专业师生教学参考和相关领域科研人员阅读的 书籍。
本书由于鹏、申振、陈军、贾宁宁、蒋攀攀和安新源合作翻译。参加翻译的还有朱徐诚、蒋天宇、卢施旭、陈瑞等。
由于译者水平有限，对书中的有些术语难免把握不准，翻译不到位，不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

译  者
前    言

随着大量移动用户对因特网业务的需求，移动多跳Ad Hoc网络应运而生。在这些网络中，如经常提及的MANET（移动Ad Hoc 网络），无线网络节点（如用户移动设备）之间能够在无任何网络基础设施的条件下实现数据传输：相邻用户可通过其移动设备在Ad Hoc模式下的无线信道直接通信。因此，在MANET支持下，用户设备能够通过相互协作提供因特网接入服务，这些服务以前通常是由网络基础设施（如路由器、交换机和服务器）提供的。
在出版我们的前一本书Mobile Ad Hoc Networking（IEEE-Wiley，2004）时，移动Ad Hoc网络被视为无线网络技术中创新性和挑战性的技术之一，已稳步成为电信界日益普及的主要技术之一。为此，我们在前一本书中从物理层到应用层详细介绍了MANET。大约10年后，我们发现移动Ad Hoc网络的预期并未完全实现，MANET技术在人们的生活中并未应用。发生了什么？为什么？我们带着这些问题编写了本书。我们主要的关注点包括：
?    分析MANET失败的原因；
?    举例说明移动Ad Hoc网络如何产生一些前沿的研究方向；
?    介绍从MANET中衍生的新兴技术，包括其当前的发展和面临的挑战；
?    阐述那些已成功渗入每个人生活中的新技术。
我们首先分析了通用Ad Hoc技术缺乏成功案例的原因，并介绍了一些新兴技术是如何规避这些错误的：
?    引入一些基础设施对多跳Ad Hoc网络范式自身进行了扩展，提供高性价比的无线宽带因特网接入。Mesh网络章节包含了此方法相关的例子。
?    不把节点移动性作为一个问题看待，而是作为一个特性加以利用，设计全新的网络范式。机会网络章节包含了这方面相关的例子。
?    把多跳Ad Hoc网络范式应用于特定的场景中，在这些场景中网络的自组织特性和无需预部署基础设施的特性是一个亮点而不是硬性条件。应用驱动型网络的相关章节，如车载网络和传感器网络等，包含了相关的  例子。
本书所描述的新兴网络技术引入了新的挑战与应对措施，为了便于理解这些新挑战与应对措施，我们选择了从实现技术、标准、应用场景、通信安全需求和移动架构方案等多个方面逐一加以描述。
本书也同时列举了Mesh网络、机会网络、车载网络和传感器网络面临的新挑战和研究成果。
本书适用于计算机科学和电气工程专业的学生、通信行业的研究人员和开发人员，以及所有能够从本书的解决方案中受益的移动网络领域的从业人员。基于研究者的专业知识，我们相信本书中所覆盖的主题均极具创新性。此外，本书对移动Ad Hoc网络领域的热门主题和尖端技术在相关章节中均进行了阐述。
我们借此机会对本书的所有作者表达深深的谢意，他们为本书贡献了所有高质量的章节。感谢所有的修订者，虽然时间紧迫，但他们仍为本书做了宝贵的工作。此外，特别感谢WILEY-IEEE的联合作者Mary Hatcher及Wiley和Thomson Digital团队，他们参与了本书的所有阶段并做出了卓越贡献。