群特征无线移动网络组织理论与技术

前言
第1章 无线移动网络的演进与群特征无线移动网络
  1.1 无线移动网络技术回顾
    1.1.1 移动通信系统的发展
    1.1.2 其他新兴无线应用网络
    1.1.3 无线网络发展趋势
  1.2 无线网络的组织形式
  1.3 群特征无线移动网络的提出
  1.4 群特征无线移动网络中的关键问题
    1.4.1 群特征无线移动网络的研究方法
    1.4.2 群特征无线移动网络体系结构
    1.4.3 群特征无线移动网络的关键技术
  参考文献
部分 网络结构的组织理论
  第2章 网络组织结构基础
  第3章 合群网络的容量与效能分析
  第4章 基于网络效用的合群无线网络模型
  第5章 多信道无线合群网络的联合速率控制与功率分配
第二部分 合群网络模型研究
  第6章 群移动网络运动模型
  第7章 合群网络模型
  第8章 合群管理算法规程
  第9章 多无线多信道合群网络的跨层资源分配
第三部分 合群无线移动网络技术
  第10章 基于合群网络的无线协作通信技术
  第11章 合群网络中继节点选择与协议
  第12章 合群网络发射源检测技术
  第13章 合群网络协作频谱感知技术
  第14章 基于合群的位置管理
  第15章 合群切换算法

第1章 无线移动网络的演进与群特征无线移动网络
1.1 无线移动网络技术回顾
无线网络经过几十年的发展，深刻地影响和改变了人们的生产生活方式。未
来的无线网络将能够实现人们在任何时间、任何地点、与任何人以任何方式进行通
信的愿望。为了达到这一目标，各种各样的新技术层出不穷，有些还在理论研究阶
段，有些已经开始实现商用。随着各种无线技术的不断成熟和应用的普及，无线网
络也凭借其为用户提供的灵活性、便利性等优势备受追捧。随着业务规模的不断
扩大和对工作效率要求的不断提高，现代企业越来越渴望灵活的无线网络技术帮
他们解决问题；甚至更多人考虑到建设传统网络的繁琐和成本问题，也希望通过无
线网络技术实现他们的目的。几年之间，无线网络已经由时尚转变成为了趋势
（Yu，2005）。
所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介，摆脱了有线介质的束
缚。就应用层面来讲，它与有线网络的用途相似，两者的不同之处在于传输信
息的媒介不同。除此之外，由于它是无线的，因此无论在硬件架设还是使用的机动
性方面均比有线网络要优越许多。不过，无线网络在抗干扰性、容量等方面又面临
更大的挑战。
无线网络的初步应用，可以追溯到第二次世界大战期间，当时美国陆军采用无
线电信号进行信息的传输。他们研发出了无线电传输技术，并且采用高强度的加
密技术，在美军和盟军中广泛使用。他们也许没有想到，这项技术会在今天改变我
们的生活。许多学者从中得到灵感，在1971年，夏威夷大学的研究员发明了
个基于封包式技术的无线电通信网络。这一被称为ALOHANET的网络，可以算
是早期的无线局域网络（WLAN）。它包括7台计算机，计算机采用双向星形拓扑
横跨四座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。从那时开始，无线网络正式
诞生。
1990年，IEEE正式启动了802.11项目，无线网络技术逐渐走向成熟，
IEEE802.11（Wi-Fi）标准诞生以来，先后有802.11a，802.11b，802.11g，802.11e，
802.11f，802.11h，802.11i，802.11j，802.11n等标准被制定或者酝酿，为实现高速
度、高质量的WLAN服务。
进入21世纪以来，无线网络市场热度迅速飙升，已经成为IT市场中新的增长
亮点。由于人们对网络速度及使用方便性的期望越来越高，因此与计算机及移动
设备结合紧密的Wi-Fi、CDMA/GPRS、蓝牙、无线接入网络等技术越来越受到人
们的追捧。在相应的配套产品大量面世之后，构建无线网络所需的成本下降了，无
线网络在生活中的使用已经非常普遍。
对于无线网络的发展，可以分为两个层面来分析，即无线接入网络层面和无线
网络组织层面。其中，无线接入网络的发展是指单一无线接入技术的演进或革命
性的崭新的无线接入技术的出现，当中存在新旧替换的问题（如代模拟移动网
络现已完全不存在）；而无线网络组织形式的发展则是指为适应新的无线接入技
术，网络拓扑、控制、管理及结构等方面发生的变化，它们对无线接入技术来说是透
明的。
1.1.1 移动通信系统的发展
无线网络的发展经历了巨大的变化。个人移动通信从第
一代模拟移动通信系统，如美国的AMPS、英国的TACS、北欧的NMT-450等，发
展到第二代的数字移动通信网络，包括欧洲的GSM系统、日本的JDC、美国的D-
AMPS等，然后到支持分组的第三代移动通信网络，如TD-SCDMA、CDMA2000
和WCDMA等，目前正在向高带宽、高速移动，且支持各种多媒体应用的超3G（目
前把3G以后的各种无线接入技术统称为超3G）无线网络发展，如Wi-Fi、
WiMAX、UWB等。其演进过程大致经历了三个阶段：由模拟到数字；由语音到数
据；由窄带到宽带。
代移动通信网络 该系统以无线模拟接入网络为基础，以模拟电路单元
为基本模块实现语音通信，并采用了蜂窝结构频带可重复利用，实现了大区域覆盖
和移动环境下的不间断通信。随着用户数的猛增，模拟蜂窝移动通信系统渐渐显
露出其缺陷：频谱利用率低、通信容量有限；通话质量一般；保密性差；制式太多、标
准不统一，互不兼容；不能提供自动漫游；不能提供数据业务等，这些致命弱点妨碍
了其进一步发展。模拟移动通信网在我国已于2001年12月13日24时全面
关闭。
第二代移动通信网络 该系统以无线数字接入网络为基础，主要存在两种制
式：采用TDMA技术的GSM系统和采用CDMA技术的IS-95系统。其中，GSM
用户占全球移动用户的80%以上。我国目前广泛使用的2G标准即为GSM，现移
动用户已突破7亿，中国联通运营的窄带CDMA（现已归属中国电信运营）也属于
2G范畴。此外，在向3G过渡过程中出现的GPRS和EDGE系统，由于其接入方
式和系统结构与GSM没有本质区别，暂将其划入第二代无线接入系统中
（Halonen，2003）。但第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的发
展，支持高速移动多媒体通信有一定难度，同时也未考虑跨接入域的全球漫游。
第三代移动通信网络 该系统以高速无线数字接入网络为基础。3G无线网络
早是由国际电信联盟（ITU）于1985年提出的未来公共陆地移动通信系统（Fu-
ture Public Land Mobile Telephone System，FPLMT），该系统于1996年正式更名
为IMT-2000。2000年，ITU终确定了四个3G通信系统的通信标准，即欧洲和
日本共同提出的WCDMA标准，美国以高通公司为代表提出的CDMA2000及我
国提出的TD-SCDMA，还有一种为企业和家庭用户提供“后一英里”的宽带无
线连接方案WiMAX。第三代移动通信系统的传输速率为384kb/s，为
14.4Mb/s。它是一个由地面移动通信系统和卫星移动通信系统组成的全球覆盖
的，综合了语音、数据、图像和多媒体业务的，具有高智能的，适应信息化社会的，有
足够用户容量潜力的，能支持个人通信的第三代移动通信系统。3G的目标可以概
括为通用性（Universality），开发迅速（Speed of Development），业务多样化（Diver-
sity of Services）和有竞争的投放市场（Competitive Delivery）。
超三代（B3G）无线网络 该网络是第三代移动通信系统之后各种无线接入网
络的统称。虽然3G系统已经能提供包括无线流媒体、E-mail、Web浏览在内的各
种数据业务，但仍然不能满足未来多媒体通信高速率和高容量的需求。于是B3G
移动通信系统的研究、开发和标准化工作也开始受到业界的普遍关注。B3G目前
仅是一个统称，它能提供20～100Mb/s的高速传输，支持高速无线局域网、智能传
输系统、数字音视频广播等。B3G系统中上下行传输链路分离，采用OFDM调制
解调技术，并能与WLAN、CDMA系统相融合。其主要特征为网络异构性、泛在
移动性、网络自组织化、软件可重配置、终端异构性及全服务融合（Akyildiz，
1999）。
（1）异构性。
第二代、第三代及超三代无线接入网络在覆盖范围、工作频率、工作模式及传
输带宽等方面各不相同又互相补充，目前尚不能互相取代，且在今后相当长一段时
间内仍会共存，加上未来可能出现的各种无线接入技术，使得无线接入网络具备异
构性（Akyildiz，2005）。
（2）移动性。
随着无线接入技术的发展，不仅无线网络中的普通节点不停地移动，无线接入
节点也开始支持移动性，这将会造成无线网络资源被不停地分配、释放，网络的拓扑
和路由也不断发生变化，并且将由个体的移动性逐渐演变为群体及网络的移动性。
（3）全IP化。
自从在2.5G移动通信系统中引入IP后，蜂窝网络的发展就与IP分不开，
3GPPR4版本更是提出了全IP化的体系结构，而基于Wi-Fi、WiMAX等的各种
无线宽带接入系统更是天然地继承了TCP/IP协议栈。于是各种异构无线接入网
络在IP层面统一起来（Robles，2001）。
（4）高带宽。
进入3G之后，蜂窝网络的带宽可以达到2Mb/s～14.4Mb/s，而基于WiMAX
的无线城域网带宽更是高达100Mb/s。越来越高的带宽为无线多媒体通信提供
了可能。但对于无线网络来说，由于节点的移动，高带宽也会造成链路中断时的高
丢失率。
（5）多模化。
随着无线接入技术的演进，无线终端也开始同时支持多种无线接入方式，比如
GPRS-CDMA、GPRS-WLAN等，这使得终端可选择不同的无线接口进行通信。
并且，两个多模终端之间可以同时通过多种无线网络进行通信，呈现出多径性，而
构成这些路径的链路甚至可以基于不同的无线接入技术。
无线接入网络演进过程中呈现的这些新特点，为异构无线网络中的多媒体通
信带来了挑战。为了把这些无线接入网络有效连接起来，为上层提供各种业务，无
线网络组织形式及连接性成为首先要研究的问题。
1.1.2 其他新兴无线应用网络
虽然移动通信网络历经几代的发展，已逐步成熟，能够为移动网络用户提供优
质多样的移动网络服务。但人们对网络通信的依赖已超出了单一的通信功能，信
息网络正以各种形式渗入人类的日常生活。人们越来越多的行为、活动依赖无线
移动网络，相应的，一些新兴的无线应用网络也伴随而生。
WLAN：几乎与GSM网络同时诞生和发展的无线局域网WLAN网络，是目
前应用广泛的无线接入网络之一。WLAN作为一种局域网技术，使用2.4GHz
或5GHz无线电波作为数据传输的媒介，传输距离一般为几十至几百米。WLAN
通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准，主干网络通常使用电缆或光纤，
无线局域网用户通过一个或多个无线接入点（Wireless Access Points，WAP）接入
无线局域网，WLAN已经广泛应用在商务区、大学、机场及其他公共区域。
WiMAX：WiMAX技术是一种宽带无线接入技术，支持从固定到全移动等多
种应用模式。WiMAX与Wi-Fi一样都是用于传输无线信号的技术，但Wi-Fi解
决的是无线局域网的接入问题，而WiMAX解决的是无线城域网的接入问题。由
于现在WiMAX并不提供Wi-Fi的便携性，但是通过与Wi-Fi应用相结合，它可以
作为Wi-Fi接入点之间的骨干连接，从而极大地扩展Wi-Fi用户的无线网络接入
范围。与此同时，WiMAX可以吸纳采用Wi-Fi技术的运营商及企业用户加入到
WiMAX阵营，从而克服WiMAX终端可能存在的成本问题（Ghosh，2005）。
无线AdHoc网络：与WLAN和WiMAX针对网络接入不同，无线AdHoc
网络更加关注的是网络的结构，可以说无线AdHoc网络不是一种具体的技术或
网络系统，而是一类具有相同特性的分布式网络的合称。AdHoc网络可以在任
何时刻任何地方构建。该网络中的节点能相互协调地遵循一种自组织原则，自动
探测网络的拓扑信息，自动选择传输路由，即使网络发生动态变化或某些节点严重
受损时，仍可以迅速调整其拓扑结构以保持必要的通信能力（Chlamtac，2003）。
Mesh：无线Mesh网络是一种多点到多点的高容量高速率无线多跳网络，每
个用户节点在收发业务的同时可以转发来自其他用户节点的信息，与移动Ad
Hoc网络具有类似的网络拓扑结构，具有一定的自配置、自组织与自管理特性。
但无线Mesh网络通常由若干节点提供基站的功能，使整个网络和骨干网相连接，
从而解决无线接入“后一英里”的瓶颈问题，且节点也可以不经过基站而与网络
中的任意其他节点进行通信（Akyildiz，2005）。
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）：无线传感器网络是由具备传感
功能的无线通信节点组成的网络。每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、
A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）
和供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等组成。它广泛应用于国防军事、国家安
全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域
（Akyildiz，2002）。
车辆网络（Vehicular Networks）：现代科技的发展使得汽车的功能大幅提升，
车辆不再只是传统的交通工具，可通过搭配各种相关信息产品成为一个综合信息
平台。车辆网络的相关研究与应用在此背景下应运而生。GPRS、3G/B3G、Wi-Fi
和WiMAX等各种无线移动网络技术的发展和普及，使得用户在车辆上获取网络
服务成为可能。车辆自身也成为一种特殊的网络用户，除了通过固定基础设施接
入网络外，还可以使用DSRC等短程通信技术进行车辆与车辆间的信息交互，形
成车辆网络。车辆网络除了在应用环境上有所不同外，一个重要的技术特征是节
点的高移动性，从而带来了相应的物理通信、网络移动性管理等相关研究课题，也
使得其成为新型移动无线网络研究的热点之一。
物联网（the Internet of Things）：随着射频识别（RFID）、红外感应器、定位技
术的发展和普及，物联网的概念在20世纪末被提出。物联网提出的思想是把所有
物品通过上述信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现智能化
识别、定位、跟踪、监控和管理。因此，虽然将物联网列入无线网络应用的讨论范
畴，但物联网所关注的更多的是短距离信息交换及Internet网络环境下的信息管
理与处理，其网络化的特征更多地表现在终的信息平台，而非通信节点。