前言

第1章 無線移動網絡的演進與群特征無線移動網絡

  1.1 無線移動網絡技術回顧

    1.1.1 移動通信繫統的發展

    1.1.2 其他新興無線應用網絡

    1.1.3 無線網絡發展趨勢

  1.2 無線網絡的組織形式

  1.3 群特征無線移動網絡的提出

  1.4 群特征無線移動網絡中的關鍵問題

    1.4.1 群特征無線移動網絡的研究方法

    1.4.2 群特征無線移動網絡體繫結構

    1.4.3 群特征無線移動網絡的關鍵技術

  參考文獻

部分 網絡結構的組織理論

  第2章 網絡組織結構基礎

  第3章 合群網絡的容量與效能分析

  第4章 基於網絡效用的合群無線網絡模型

  第5章 多信道無線合群網絡的聯合速率控制與功率分配

第二部分 合群網絡模型研究

  第6章 群移動網絡運動模型

  第7章 合群網絡模型

  第8章 合群管理算法規程

  第9章 多無線多信道合群網絡的跨層資源分配

第三部分 合群無線移動網絡技術

  第10章 基於合群網絡的無線協作通信技術

  第11章 合群網絡中繼節點選擇與協議

  第12章 合群網絡發射源檢測技術

  第13章 合群網絡協作頻譜感知技術

  第14章 基於合群的位置管理

  第15章 合群切換算法

第1章 無線移動網絡的演進與群特征無線移動網絡

1.1 無線移動網絡技術回顧

無線網絡經過幾十年的發展，深刻地影響和改變了人們的生產生活方式。未

來的無線網絡將能夠實現人們在任何時間、任何地點、與任何人以任何方式進行通

信的願望。為了達到這一目標，各種各樣的新技術層出不窮，有些還在理論研究階

段，有些已經開始實現商用。隨著各種無線技術的不斷成熟和應用的普及，無線網

絡也憑借其為用戶提供的靈活性、便利性等優勢備受追捧。隨著業務規模的不斷

擴大和對工作效率要求的不斷提高，現代企業越來越渴望靈活的無線網絡技術幫

他們解決問題；甚至更多人考慮到建設傳統網絡的繁瑣和成本問題，也希望通過無

線網絡技術實現他們的目的。幾年之間，無線網絡已經由時尚轉變成為了趨勢

（Yu，2005）。

所謂無線網絡，就是利用無線電波作為信息傳輸的媒介，擺脫了有線介質的束

縛。就應用層面來講，它與有線網絡的用途相似，兩者的不同之處在於傳輸信

息的媒介不同。除此之外，由於它是無線的，因此無論在硬件架設還是使用的機動

性方面均比有線網絡要優越許多。不過，無線網絡在抗干擾性、容量等方面又面臨

更大的挑戰。

無線網絡的初步應用，可以追溯到第二次世界大戰期間，當時美國陸軍采用無

線電信號進行信息的傳輸。他們研發出了無線電傳輸技術，並且采用高強度的加

密技術，在美軍和盟軍中廣泛使用。他們也許沒有想到，這項技術會在今天改變我

們的生活。許多學者從中得到靈感，在1971年，夏威夷大學的研究員發明了

個基於封包式技術的無線電通信網絡。這一被稱為ALOHANET的網絡，可以算

是早期的無線局域網絡（WLAN）。它包括7臺計算機，計算機采用雙向星形拓撲

橫跨四座夏威夷的島嶼，中心計算機放置在瓦胡島上。從那時開始，無線網絡正式

誕生。

1990年，IEEE正式啟動了802.11項目，無線網絡技術逐漸走向成熟，

IEEE802.11（Wi-Fi）標準誕生以來，先後有802.11a，802.11b，802.11g，802.11e，

802.11f，802.11h，802.11i，802.11j，802.11n等標準被制定或者醞釀，為實現高速

度、高質量的WLAN服務。

進入21世紀以來，無線網絡市場熱度迅速飆升，已經成為IT市場中新的增長

亮點。由於人們對網絡速度及使用方便性的期望越來越高，因此與計算機及移動

設備結合緊密的Wi-Fi、CDMA/GPRS、藍牙、無線接入網絡等技術越來越受到人

們的追捧。在相應的配套產品大量面世之後，構建無線網絡所需的成本下降了，無

線網絡在生活中的使用已經非常普遍。

對於無線網絡的發展，可以分為兩個層面來分析，即無線接入網絡層面和無線

網絡組織層面。其中，無線接入網絡的發展是指單一無線接入技術的演進或革命

性的嶄新的無線接入技術的出現，當中存在新舊替換的問題（如代模擬移動網

絡現已完全不存在）；而無線網絡組織形式的發展則是指為適應新的無線接入技

術，網絡拓撲、控制、管理及結構等方面發生的變化，它們對無線接入技術來說是透

明的。

1.1.1 移動通信繫統的發展

無線網絡的發展經歷了巨大的變化。個人移動通信從第

一代模擬移動通信繫統，如美國的AMPS、英國的TACS、北歐的NMT-450等，發

展到第二代的數字移動通信網絡，包括歐洲的GSM繫統、日本的JDC、美國的D-

AMPS等，然後到支持分組的第三代移動通信網絡，如TD-SCDMA、CDMA2000

和WCDMA等，目前正在向高帶寬、高速移動，且支持各種多媒體應用的超3G（目

前把3G以後的各種無線接入技術統稱為超3G）無線網絡發展，如Wi-Fi、

WiMAX、UWB等。其演進過程大致經歷了三個階段：由模擬到數字；由語音到數

據；由窄帶到寬帶。

代移動通信網絡 該繫統以無線模擬接入網絡為基礎，以模擬

為基本模塊實現語音通信，並采用了蜂窩結構頻帶可重復利用，實現了大區域覆蓋

和移動環境下的不間斷通信。隨著用戶數的猛增，模擬蜂窩移動通信繫統漸漸顯

露出其缺陷：頻譜利用率低、通信容量有限；通話質量一般；保密性差；制式太多、標

準不統一，互不兼容；不能提供自動漫遊；不能提供數據業務等，這些致命弱點妨礙

了其進一步發展。模擬移動通信網在我國已於2001年12月13日24時全面

關閉。

第二代移動通信網絡 該繫統以無線數字接入網絡為基礎，主要存在兩種制

式：采用TDMA技術的GSM繫統和采用CDMA技術的IS-95繫統。其中，GSM

用戶占全球移動用戶的80%以上。我國目前廣泛使用的2G標準即為GSM，現移

動用戶已突破7億，中國聯通運營的窄帶CDMA（現已歸屬中國電信運營）也屬於

2G範疇。此外，在向3G過渡過程中出現的GPRS和EDGE繫統，由於其接入方

式和繫統結構與GSM沒有本質區別，暫將其劃入第二代無線接入繫統中

（Halonen，2003）。但第二代數字移動通信繫統帶寬有限，限制了數據業務的發

展，支持高速移動多媒體通信有一定難度，同時也未考慮跨接入域的全球漫遊。

第三代移動通信網絡 該繫統以高速無線數字接入網絡為基礎。3G無線網絡

早是由國際電信聯盟（ITU）於1985年提出的未來公共陸地移動通信繫統（Fu-

ture Public Land Mobile Telephone System，FPLMT），該繫統於1996年正式更名

為IMT-2000。2000年，ITU終確定了四個3G通信繫統的通信標準，即歐洲和

日本共同提出的WCDMA標準，美國以高通公司為代表提出的CDMA2000及我

國提出的TD-SCDMA，還有一種為企業和家庭用戶提供“後一英裡”的寬帶無

線連接方案WiMAX。第三代移動通信繫統的傳輸速率為384kb/s，為

14.4Mb/s。它是一個由地面移動通信繫統和衛星移動通信繫統組成的全球覆蓋

的，綜合了語音、數據、圖像和多媒體業務的，具有高智能的，適應信息化社會的，有

足夠用戶容量潛力的，能支持個人通信的第三代移動通信繫統。3G的目標可以概

括為通用性（Universality），開發迅速（Speed of Development），業務多樣化（Diver-

sity of Services）和有競爭的投放市場（Competitive Delivery）。

超三代（B3G）無線網絡 該網絡是第三代移動通信繫統之後各種無線接入網

絡的統稱。雖然3G繫統已經能提供包括無線流媒體、E-mail、Web瀏覽在內的各

種數據業務，但仍然不能滿足未來多媒體通信高速率和高容量的需求。於是B3G

移動通信繫統的研究、開發和標準化工作也開始受到業界的普遍關注。B3G目前

僅是一個統稱，它能提供20～100Mb/s的高速傳輸，支持高速無線局域網、智能傳

輸繫統、數字音視頻廣播等。B3G繫統中上下行傳輸鏈路分離，采用OFDM調制

解調技術，並能與WLAN、CDMA繫統相融合。其主要特征為網絡異構性、泛在

移動性、網絡自組織化、軟件可重配置、終端異構性及全服務融合（Akyildiz，

1999）。

（1）異構性。

第二代、第三代及超三代無線接入網絡在覆蓋範圍、工作頻率、工作模式及傳

輸帶寬等方面各不相同又互相補充，目前尚不能互相取代，且在今後相當長一段時

間內仍會共存，加上未來可能出現的各種無線接入技術，使得無線接入網絡具備異

構性（Akyildiz，2005）。

（2）移動性。

隨著無線接入技術的發展，不僅無線網絡中的普通節點不停地移動，無線接入

節點也開始支持移動性，這將會造成無線網絡資源被不停地分配、釋放，網絡的拓撲

和路由也不斷發生變化，並且將由個體的移動性逐漸演變為群體及網絡的移動性。

（3）全IP化。

自從在2.5G移動通信繫統中引入IP後，蜂窩網絡的發展就與IP分不開，

3GPPR4版本更是提出了全IP化的體繫結構，而基於Wi-Fi、WiMAX等的各種

無線寬帶接入繫統更是天然地繼承了TCP/IP協議棧。於是各種異構無線接入網

絡在IP層面統一起來（Robles，2001）。

（4）高帶寬。

進入3G之後，蜂窩網絡的帶寬可以達到2Mb/s～14.4Mb/s，而基於WiMAX

的無線城域網帶寬更是高達100Mb/s。越來越高的帶寬為無線多媒體通信提供

了可能。但對於無線網絡來說，由於節點的移動，高帶寬也會造成鏈路中斷時的高

丟失率。

（5）多模化。

隨著無線接入技術的演進，無線終端也開始同時支持多種無線接入方式，比如

GPRS-CDMA、GPRS-WLAN等，這使得終端可選擇不同的無線接口進行通信。

並且，兩個多模終端之間可以同時通過多種無線網絡進行通信，呈現出多徑性，而

構成這些路徑的鏈路甚至可以基於不同的無線接入技術。

無線接入網絡演進過程中呈現的這些新特點，為異構無線網絡中的多媒體通

信帶來了挑戰。為了把這些無線接入網絡有效連接起來，為上層提供各種業務，無

線網絡組織形式及連接性成為首先要研究的問題。

1.1.2 其他新興無線應用網絡

雖然移動通信網絡歷經幾代的發展，已逐步成熟，能夠為移動網絡用戶提供優

質多樣的移動網絡服務。但人們對網絡通信的依賴已超出了單一的通信功能，信

息網絡正以各種形式滲入人類的日常生活。人們越來越多的行為、活動依賴無線

移動網絡，相應的，一些新興的無線應用網絡也伴隨而生。

WLAN：幾乎與GSM網絡同時誕生和發展的無線局域網WLAN網絡，是目

前應用廣泛的無線接入網絡之一。WLAN作為一種局域網技術，使用2.4GHz

或5GHz無線電波作為數據傳輸的媒介，傳輸距離一般為幾十至幾百米。WLAN

通用的標準是IEEE定義的802.11繫列標準，主干網絡通常使用電纜或光纖，

無線局域網用戶通過一個或多個無線接入點（Wireless Access Points，WAP）接入

無線局域網，WLAN已經廣泛應用在商務區、大學、機場及其他公共區域。

WiMAX：WiMAX技術是一種寬帶無線接入技術，支持從固定到全移動等多

種應用模式。WiMAX與Wi-Fi一樣都是用於傳輸無線信號的技術，但Wi-Fi解

決的是無線局域網的接入問題，而WiMAX解決的是無線城域網的接入問題。由

於現在WiMAX並不提供Wi-Fi的便攜性，但是通過與Wi-Fi應用相結合，它可以

作為Wi-Fi接入點之間的骨干連接，從而極大地擴展Wi-Fi用戶的無線網絡接入

範圍。與此同時，WiMAX可以吸納采用Wi-Fi技術的運營商及企業用戶加入到

WiMAX陣營，從而克服WiMAX終端可能存在的成本問題（Ghosh，2005）。

無線AdHoc網絡：與WLAN和WiMAX針對網絡接入不同，無線AdHoc

網絡更加關注的是網絡的結構，可以說無線AdHoc網絡不是一種具體的技術或

網絡繫統，而是一類具有相同特性的分布式網絡的合稱。AdHoc網絡可以在任

何時刻任何地方構建。該網絡中的節點能相互協調地遵循一種自組織原則，自動

探測網絡的拓撲信息，自動選擇傳輸路由，即使網絡發生動態變化或某些節點嚴重

受損時，仍可以迅速調整其拓撲結構以保持必要的通信能力（Chlamtac，2003）。

Mesh：無線Mesh網絡是一種多點到多點的高容量高速率無線多跳網絡，每

個用戶節點在收發業務的同時可以轉發來自其他用戶節點的信息，與移動Ad

Hoc網絡具有類似的網絡拓撲結構，具有一定的自配置、自組織與自管理特性。

但無線Mesh網絡通常由若干節點提供基站的功能，使整個網絡和骨干網相連接，

從而解決無線接入“後一英裡”的瓶頸問題，且節點也可以不經過基站而與網絡

中的任意其他節點進行通信（Akyildiz，2005）。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks）：無線傳感器網絡是由具備傳感

功能的無線通信節點組成的網絡。每一個傳感器節點由數據采集模塊（傳感器、

A/D轉換器）、數據處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發器）

和供電模塊（電池、DC/AC能量轉換器）等組成。它廣泛應用於國防軍事、國家安

全、環境科學、交通管理、災害預測、醫療衛生、制造業、城市信息化建設等領域

（Akyildiz，2002）。

車輛網絡（Vehicular Networks）：現代科技的發展使得汽車的功能大幅提升，

車輛不再隻是傳統的交通工具，可通過搭配各種相關信息產品成為一個綜合信息

平臺。車輛網絡的相關研究與應用在此背景下應運而生。GPRS、3G/B3G、Wi-Fi

和WiMAX等各種無線移動網絡技術的發展和普及，使得用戶在車輛上獲取網絡

服務成為可能。車輛自身也成為一種特殊的網絡用戶，除了通過固定基礎設施接

入網絡外，還可以使用DSRC等短程通信技術進行車輛與車輛間的信息交互，形

成車輛網絡。車輛網絡除了在應用環境上有所不同外，一個重要的技術特征是節

點的高移動性，從而帶來了相應的物理通信、網絡移動性管理等相關研究課題，也

使得其成為新型移動無線網絡研究的熱點之一。

物聯網（the Internet of Things）：隨著射頻識別（RFID）、紅外感應器、定位技

術的發展和普及，物聯網的概念在20世紀末被提出。物聯網提出的思想是把所有

物品通過上述信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，實現智能化

識別、定位、跟蹤、監控和管理。因此，雖然將物聯網列入無線網絡應用的討論範

疇，但物聯網所關注的更多的是短距離信息交換及Internet網絡環境下的信息管

理與處理，其網絡化的特征更多地表現在終的信息平臺，而非通信節點。