高级无线网络——技术及商业模式(第3版)

本书全面讲解了建立5G无线网络所需的各种技术。书中介绍了当前流行的新兴无线网络，包括ad hoc网络、传感器网络、多跳蜂窝网络、认知无线电网络、异构网络、自组织网络、容迟网络、复杂网络、软件定义网络等，讲解了大量的网络技术、协议与算法；同时讨论了5G无线网络采用的新技术，如大规模MIMO技术、毫米波通信技术和云计算等。本书还将重点讨论网络服务提供商、运营商、监管机构及学术界关注的各种商业模式。

Savo G. Glisic，芬兰Oulu大学教授，在无线通信和网络方面有着丰富的教学经验，是无线通信领域的著名学者。在过去30多年里，他曾在美国加州理工大学和加州大学圣迭戈分校作过访问学者；为政府和业界提供过大量咨询服务；拥有大量授权发明专利，出版过大量学术论著，特别是他的姐妹篇著作《高级无线通信：4G认知与协作宽带技术》和《高级无线网络：4G认知与机会协作技术》，在国际无线通信与网络界有很大影响。他在学术界享有盛名，曾担任PIMRC'1997和IEEE ICC'2001等重要国际学术会议的程序委员会主席，IEEE通信学会(ComSoc)会员发展项目组主任和芬兰IEEE通信分会（ComSoc Chapter）首任主席。王磊，男，博士、教授、博士生导师、南京邮电大学教学质量监控与评估中心副主任、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、江苏省“青蓝工程”创新团队核心成员。2010年于南京邮电大学通信与信息工程学院获工学博士学位并留校从事教学与科研工作，2012—2013年在美国哥伦比亚大学（Columbia University）从事博士后研究工作，长期从事无线通信与信号处理、多媒体信息处理等方面研究。

第1章 概述――高级无线网络的广义模型 1
1.1 网络模型 2
1.1.1 节点渗透 2
1.1.2 链路渗透――认知链路 3
1.2 网络连通性 4
1.3 具有小世界特性的无线网络设计 5
1.3.1 蜂窝重组 5
1.3.2 流量分布感知重组 7
1.3.3 多蜂窝重组 7
1.4 频率信道备份 8
1.4.1 m / kf / s合约 9
1.4.2 随机冗余分配(R2A) 9
1.4.3 按需冗余分配 9
1.5 广义网络模型 10
1.6 s网格网络的路由协议 11
1.6.1 特定应用路由协议 13
1.7 网络性能 13
1.7.1 平均路径长度 14
1.7.2 分簇 14
1.8 节点、路由、拓扑和网络健壮性 14
1.9 功耗 15
1.10 协议的复杂度 16
1.11 性能评估 17
1.11.1 平均路径长度 17
1.11.2 分簇系数 18
1.11.3 节点健壮性 18
1.11.4 网络健壮性 18
1.11.5 功耗 19
1.11.6 协议的复杂度 20
1.12 本书概览 22
1.12.1 第1章：概述――高级无线网络的广义模型 22
1.12.2 第2章：自适应网络层 22
1.12.3 第3章：移动性管理 22
1.12.4 第4章：ad hoc网络 22
1.12.5 第5章：传感器网络 22
1.12.6 第6章：安全 22
1.12.7 第7章：网络经济学 22
1.12.8 第8章：多跳蜂窝网络 23
1.12.9 第9章：认知网络 23
1.12.10 第10章：随机几何 23
1.12.11 第11章：异构网络 23
1.12.12 第12章：接入点选择 23
1.12.13 第13章：自组织网络 23
1.12.14 第14章：复杂网络 24
1.12.15 第15章：大规模MIMO系统 24
1.12.16 第16章：网络优化理论 24
1.12.17 第17章：网络信息论 24
1.12.18 第18章：高级网络架构的稳定性 24
1.12.19 第19章：多运营商频谱共享 24
1.12.20 第20章：大规模网络和均场理论 24
1.12.21 第21章：毫米波网络 25
1.12.22 第22章：无线网络中的云计算 25
1.12.23 第23章：无线网络和匹配理论 25
1.12.24 第24章：动态无线网络基础设施 25
附录A.1 25
参考文献 26
第2章 自适应网络层 28
2.1 图和路由协议 28
2.2 图论 43
2.3 拓扑聚合路由 45
2.3.1 网络和聚合模型 46
参考文献 48
第3章 移动性管理 52
3.1 蜂窝网络 52
3.1.1 蜂窝网络中的移动性管理 53
3.1.2 位置注册和呼叫传递 56
3.1.3 位置更新和终端寻呼 59
3.1.4 4G无线网络中的WATM切换管理 69
3.1.5 卫星网络的移动性管理 70
3.2 具有优先切换功能的蜂窝系统 71
3.2.1 性能示例 78
3.3 蜂窝驻留时间分布 79
3.4 微蜂窝及微微蜂窝网络中的移动性预测 83
3.4.1 PST-QoS保证框架 84
3.4.2 最有可能的簇模型 85
附录A.3 中间蜂窝的距离计算 91
参考文献 96
第4章 ad hoc网络 99
4.1 路由协议 99
4.1.1 ad hoc路由协议 100
4.1.2 反应式协议 104
4.2 混合路由协议 114
4.3 可扩展路由策略 118
4.4 多路径路由 124
4.5 分簇协议 126
4.5.1 引言 126
4.5.2 分簇算法 127
4.6 路由的实现方案 135
4.7 分布式QoS路由 141
4.7.1 转发收到的令牌 144
4.7.2 带宽路由 144
参考文献 148
第5章 传感器网络 151
5.1 引言 151
5.2 传感器网络参数 152
5.3 传感器网络架构 154
5.3.1 物理层 155
5.3.2 数据链路层 155
5.3.3 网络层 157
5.3.4 传输层 160
5.3.5 应用层 161
5.4 移动传感器网络部署 162
5.5 定向扩散 164
5.6 无线传感器中的聚合 167
5.7 边界估计 170
5.7.1 ?中递归二元分区(RDP)的数量 172
5.7.2 克劳夫特不等式 172
5.7.3 可实现精度的上限 173
5.7.4 系统优化 174
5.8 传感器网络中的很好传输半径 176
5.9 数据漏斗 180

5.10 传感器网络中的等效传输控制协议 183
参考文献 183
第6章 安全 189
6.1 认证 189
6.1.1 攻击简单的加密认证 191
6.1.2 规范认证协议 193
6.2 安全架构 195
6.3 密钥管理 198
6.4 ad hoc网络中的安全性 201
6.4.1 自组织公钥管理 204
6.5 传感器网络中的安全性 205
参考文献 207
第7章 网络经济学 209
7.1 网络经济学基础 209
7.1.1 外部效应 209
7.1.2 服务定价 210
7.1.3 拥塞收费 211
7.1.4 拥塞博弈 212
7.1.5 建模服务差异化 213
7.1.6 竞争 214
7.1.7 拍卖 214
7.1.8 为QoS投标 215
7.1.9 带宽拍卖 216
7.1.10 投资 217
7.2 无线网络微观经济学：赞助数据 220
7.2.1 解决方案 220
7.2.2 赞助数据模型 221
7.3 市场均衡的频谱定价 223
7.3.1 网络和定价模型 224
7.3.2 频谱定价优化 224
7.3.3 分布式解决方案 227
7.3.4 分布式定价模型的稳定性 228
7.4 序列频谱共享 230
7.4.1 序列频谱共享和相关市场模型 230
7.4.2 迭代协商算法 233
7.5 数据计划交易 236
7.5.1 用户买卖双方交易激励模型的建立 237
7.5.2 ISP交易策略 240
参考文献 241
第8章 多跳蜂窝网络 244
8.1 多跳、多运营商、多技术无线网络建模 244
8.2 技术背景 244
8.3 系统模型和表示 246
8.4 m3路由发现协议 248
8.4.1 最小距离路由 248
8.4.2 有限干扰路由/调度 249
8.5 m3路由发现协议的性能 251
8.6 协议的复杂度 252
8.7 流量卸载激励 254
8.7.1 MNO与SSO之间的协作谈判 257
8.8 性能说明 258
8.8.1 m3路由发现协议 258
8.8.2 改进的m3路由发现协议的容量和吞吐量 260
8.8.3 流量卸载激励 261
8.8.4 移动性的实现和影响 263
参考文献 264
第9章 认知网络 266
9.1 技术背景 266
9.1.1 基本原理 266
9.1.2 网络层和传输层协议 267
9.2 多跳认知网络频谱拍卖 268
9.2.1 技术背景 270
9.2.2 系统模型 270
9.2.3 启发式真实拍卖 273
9.2.4 随机拍卖 275
9.3 多跳认知蜂窝网络中的复合拍卖 279
9.3.1 网络模型 279
9.3.2 频谱感知路由发现协议 282
9.3.3 联合资源拍卖和小费计划 284
9.3.4 基于强化学习的拍卖方案 286
9.3.5 基于小组的拍卖设计 286
9.3.6 一般场景的进一步延伸 290
9.3.7 系统性能 290
参考文献 299
第10章 随机几何 301
10.1 技术背景 301
10.1.1 点过程 301
10.1.2 中断概率 303
10.1.3 多层蜂窝网络 304
参考文献 306
第11章 异构网络 310
11.1 预备工作 310
11.2 自组织小型蜂窝网络 311
11.2.1 技术背景 311
11.2.2 系统模型 312
11.2.3 自组织SCN 315
11.3 动态网络架构 316
11.3.1 系统模型 316
11.3.2 很好网络架构 319
11.3.3 很优拓扑的动态跟踪 324
11.3.4 性能图解 328
11.4 异构网络经济学 333
11.4.1 仅宏蜂窝服务 334
11.4.2 飞蜂窝简介 335
11.4.3 用户的预留收益的影响 337
11.4.4 飞蜂窝频率复用 338
11.4.5 飞蜂窝运营成本 338
11.4.6 有限的飞蜂窝覆盖 339
参考文献 340
第12章 接入点选择 344
12.1 技术背景 344
12.2 网络选择博弈 346
12.3 联合AP选择和功率分配 349
12.3.1 单AP网络 350
12.3.2 联合AP选择和功率控制 352
12.3.3 分布式算法 353
12.4 联合AP选择和波束成形优化 356
12.4.1 网络模型 356
参考文献 365
第13章 自组织网络 368
13.1 自组织网络优化 368
13.2 系统模型 368
13.3 天线倾斜度和AP关联的联合优化 370
13.3.1 系统目标函数 370
13.3.2 优化问题 371
参考文献 373
第14章 复杂网络 374
14.1 大规模网络的演进趋势 374
14.1.1 网络类型 374
14.2 网络特性 377
14.3 随机图 380
参考文献 382
第15章 大规模MIMO系统 384
15.1 线性预编码的多蜂窝下行链路系统 385
15.1.1 技术背景 385
15.2 系统模型 387
15.2.1 信道不确定性建模 388
15.2.2 随机优化 389
15.3 理想信道状态信息的优化 389
15.4 WSRM问题的健壮性设计 391
15.4.1 近似方案1 392
15.4.2 近似方案2 394
附录A.15 399
附录B.15 399
参考文献 401
第16章 网络优化理论 403
16.1 引言 403
16.2 分层优化分解 403
16.2.1 TCP拥塞控制 404
16.2.2 TCP Reno/RED 405
16.2.3 TCP Vegas/DropTail 405
16.2.4 MAC协议优化 406
16.2.5 效用很优MAC协议/社交很优 408
16.3 跨层设计 410
16.3.1 拥塞控制和路由 410
16.3.2 拥塞控制和物理资源分配 413
16.3.3 拥塞和竞争控制 415
16.3.4 拥塞控制、路由和调度 417
16.4 优化问题分解方法 419
16.4.1 耦合约束解耦 419
16.4.2 基本NUM对偶分解 419
16.4.3 耦合约束 422
16.4.4 解耦耦合目标 422
16.4.5 替代分解 424
参考文献 426
第17章 网络信息论 429
17.1 ad hoc网络容量 429
17.1.1 任意网络 429
17.1.2 随机网络 430
17.1.3 任意网络：传输容量的上限 431
17.1.4 任意网络：传输容量的下限 434
17.1.5 随机网络：吞吐量的下限 435
17.2 信息论和网络架构 438
17.2.1 高衰减下的上限 440
17.2.2 高衰减下的多跳和可行下限 441
17.3 无线多跳ad hoc网络中的协作传输 444
参考文献 449
第18章 高级网络架构的稳定性 451
18.1 协作认知无线网络的稳定性 451
18.2 系统模型 452
18.2.1 网络架构 452
18.2.2 信道 453
18.2.3 协作通信 453
18.3 系统优化 455
18.4 很优控制策略 456
18.5 可实现速率 458
18.5.1 协作通信网络的稳定域 458
18.5.2 非协作通信网络的稳定域 460
18.6 稳定传输策略 461
18.6.1 网络参数 461
18.6.2 静态传输策略 462
18.6.3 STAT策略的Lyapunov漂移分析 462
18.6.4 动态传输策略的稳定性 465
参考文献 466
第19章 多运营商频谱共享 468
19.1 频谱共享的商业模式 468
19.1.1 技术背景 468
19.1.2 多运营商合作模型 470
19.1.3 系统性能 476
19.1.4 性能图示 486
19.2 多跳网络中的频谱共享 492
19.2.1 多运营商合作模型 493
19.2.2 系统分析 495

19.2.3 系统性能 503
参考文献 507
第20章 大规模网络和均场理论 509
20.1 用于大型异构蜂窝网络的均场理论 509
20.1.1 系统模型 509
20.1.2 宏基站(MBS)优化问题 510
20.1.3 微基站(FBS)中的均场博弈 511
20.1.4 干扰平均估计 512
20.2 大型网络模型压缩 513
20.2.1 模型定义 513
20.2.2 均场分析 515
20.3 大规模DTN的均场理论模型 515
20.4 组播DTN中自适应感染恢复的均场建模 520
20.4.1 技术背景 520
20.4.2 系统模型 522
20.4.3 组播DTN的恢复方案 524
20.4.4 系统性能 528
20.4.5 模型的扩展和实现问题 529
20.4.6 图示 532
20.5 无尺度随机网络的均场理论 541
20.5.1 网络模型 541
20.5.2 Barabasi的无尺度模型 542
20.5.3 均场网络模型 544
20.5.4 不接近BA模型 544
20.6 频谱共享和均场理论 547
20.6.1 使用均场理论的很优无线服务提供商选择策略 547
20.6.2 终端数量有限的无线服务提供商选择策略 548
20.7 复杂系统的动态建模 548
20.7.1 动态系统模型 549
20.7.2 网络的出生-死亡模型 553
20.7.3 网络重新布局 554
20.7.4 多时间尺度系统优化 555
附录A.20 求解非线性ODE系统的迭代算法(DiNSE算法) 556
附录B.20 DNCM的目的地感染率 557
附录C.20 基本流行病感染率 557
参考文献 557
第21章 毫米波网络 560
21.1 子蜂窝结构中的毫米波技术 560
21.1.1 毫米波技术的局限性 560
21.1.2 网络模型 561
21.1.3 网络性能 564
21.1.4 密集毫米波网络的性能 567
21.2 动态毫米波网络的微观经济学 568
21.2.1 动态小型蜂窝网络 568
21.2.2 动态小型蜂窝网络模型 569
21.2.3 动态小型蜂窝网络性能 569
参考文献 575
第22章 无线网络中的云计算 578
22.1 技术背景 578
22.2 系统模型 579
22.3 系统优化 582
22.4 动态控制算法 584
22.4.1 终端资源分配 584
22.4.2 服务器资源分配 586
22.5 可实现速率 586
22.5.1 终端可支持的输入速率区域 586
22.5.2 服务器可支持的输入速率区域 587
22.6 稳定控制策略 588
22.6.1 Lyapunov漂移 588
22.6.2 随机固定策略 589
22.6.3 基于帧的策略 589
22.6.4 动态控制策略 591
参考文献 592
第23章 无线网络和匹配理论 594
23.1 技术背景：匹配市场 594
23.1.1 双边匹配 594
23.1.2 单边匹配 597
23.2 多个运营商蜂窝网络的分布式稳定匹配与流量卸载 598
23.2.1 系统模型 598
23.2.2 提出问题 599
23.3 具有流量卸载的蜂窝网络的大学入学博弈模型 600
23.3.1 系统模型 601
23.3.2 类比大学入学匹配的接入点选择问题 602
23.4 用于无线网络缓存的多对多匹配博弈 604
23.4.1 系统模型 604
23.4.2 主动缓存和匹配理论 605
23.4.3 主动缓存算法 606
23.5 具有流量卸载的蜂窝网络中外部性的多对一匹配 607
23.5.1 系统模型 607
23.5.2 将卸载蜂窝关联作为具有外部性的匹配博弈 609
23.6 蜂窝网络中D2D对的匹配安全性 611
23.6.1 系统模型 611
23.6.2 真正偏好 612
23.6.3 作弊：联盟策略 613
参考文献 614
第24章 动态无线网络基础设施 616
24.1 多运营商蜂窝网络中的基础设施共享 616
24.1.1 系统模型 617
24.1.2 基础设施共享机制 617
24.2 用户提供的连接 619
24.2.1 系统模型 620
24.2.2 总体服务价值 621
24.3 网络虚拟化 622
24.3.1 电信领域面向服务的网络虚拟化 623
24.4 软件定义网络(SDN) 625
24.4.1 当前的SDN架构 626
24.4.2 SDN架构的组件 627
24.4.3 SDN的控制模型 628
24.4.4 SDN和基于基础设施的无线接入网络 629
24.5 SDN安全 630
24.5.1 可编程网络中的安全性 630
24.5.2 SDN中的安全威胁 631
24.5.3 SDN的安全解决方案 631
参考文献 632