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网络很前沿的研究方向，共分5部分。部分为总体介绍，包括~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4~19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。

第1部分总体介绍
第1章多跳AdHoc网络的演进路线2
摘要2
1.1引言2
1.2MANET研究的主要成就和教训3
1.2.1MANET研究的主要成就3
1.2.2MANET研究存在的问题和经验教训11
1.3多跳AdHoc网络：从理论到现实12
1.3.1Mesh网络13
1.3.2机会网络14
1.3.3车载AdHoc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
2.2.1IEEE802.16Mesh31
2.2.2IEEE802.16j34
2.3无线局域网络技术37
2.3.1IEEE802.11s37
2.3.2IEEE802.11n和IEEE802.11z41
2.3.3IEEE802.11p/WAVE43
2.4个域网技术46
2.4.1IEEE802.15.5标准46
2.4.2ZigBee的工业标准49
2.4.3基于IPv6的WPAN51
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AdHoc网络的安全性问题94
摘要94
4.1引言94
4.1.1无线AdHoc网络的安全挑战95
4.1.2WSN、UWSN、WMN、DTN和VANET96
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
4.2.4WSN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
4.3.2Self-Key自愈和入侵恢复113
4.3.3认证114
4.3.4UWSN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
4.5.1DTN的应用119
4.5.2DTN的安全问题119
4.5.3总结120
4.6车载AdHoc网络（VANET）121
4.6.1VANET的优势及存在的问题121
4.6.2VANET的设计目标和挑战122
4.6.3VANET的可测量性和服务完整性123
4.6.4VANET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
5.2Mesh网络138
5.2.1Mesh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
5.3.2FLEXOR：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AdHoc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AdHoc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
6.3.3MAC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
7.3SINR模型下的最大化链路激活215
7.4最优链路调度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
7.7.1k-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
8.2QoS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最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――XMPP284
9.3DTN应用的关键机制285
9.3.1DTN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
9.4DTN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第一步：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
11.5.4DTN-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：PodNET399
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最优缓存配置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最优策略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全局最优化424
12.8.4基于基础设施的方法425
12.8.5P2P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
14.2VANET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459
14.2.7连接性460
14.2.8紧迫性460
14.2.9消息内容460
14.3面向可靠性的地域群播协议461
14.3.1VANET中可靠、高效的广播协议（ackPBSM）461
14.3.2持久性协议463
14.4基于关键时刻的地域群播协议463
14.4.1多跳车载广播（MultihopVehicularBroadcast，MHVB）464
14.4.2带确认的紧急信息传播-侦听转发（EmergencyMessage DisseminationwithACK OverhearingBasedRetransmission，EMDOR）464
14.4.3分布式平均功率调整协议（DistributedFairPowerAdjustmentProtocol，D-FPAV）465
14.4.4接收机共识（ReceiverConsensus，ReC）465
14.5小规模路由协议465
14.5.1DPP和OPERA466
14.5.2二进制划分辅助广播（Binary-Partition-AssistedBroadcast，BPAB）467
14.5.3跟踪检测及距离延迟传输协议（TrackDetectionandDistanceDefer Transmission，TRADE＆DDT）468
14.5.4基于连接受限的转发（Connection-BasedRestrictedForwarding，CBRF）469
14.5.5分布式车载广播（DistributedVehicularBroadcast，DV-CAST）469
14.5.6基于车辆密度的紧急广播（VehicleDensity-BasedEmergency Broadcasting，VDEB）469
14.5.7辅助拓扑地理机会路由（Topology-AssistedGeo-OpportunisticRouting，TO-GO）469
14.6大规模路由470
14.6.1距离感知传染路由（Distance-AwareEpidemicRouting，DAER）470
14.6.2连接感知路由（Connectivity-AwareRouting，CAR）470
14.6.3VANET中的有限延迟路由（延迟-贪婪）471
14.6.4VANET中的车辆辅助数据交付（Vehicle-AssistedDataDelivery，VADD）472
14.6.5VANET的低负荷交通中基于轨迹的数据传递（Trajectory-Based DataForwarding，TBD）472
14.6.6VANET中的一种静态节点辅助的自适应路由协议（SADV）473
14.6.7位置和延迟感知交叉层通信（Location-andDelay-Aware Cross-LayerCommunication，LD-CROP）473
14.6.8地理机会路由（GeographicalOpportunisticRouting，GeOpps）474
14.6.9基于道路的车载交通路由（Road-BasedVehicularTrafficRouting，RBVT）474
14.6.10改进的贪婪流量感知路由协议（ImprovedGreedyTraffic-Aware RoutingProtocol，GyTAR）474
14.6.11依据二相路由协议的访问覆盖路由（TOPO）475
14.7小结475
14.8结论与未来工作477
参考文献478
第15章VANET移动模型、拓扑结构和VANET仿真481
摘要481
15.1引言与动机481
15.2移动模型482
15.2.1汽车跟随模型483
15.2.2多车道交通模型484
15.3移动模拟器486
15.3.1商用移动模拟器486
15.3.2非商用移动模拟器488
15.4综合模拟器491
15.5车载通信建模495
15.5.1无线链路495
15.5.2无线信号传播496
15.5.3通信技术497
15.6公路上的连通性分析499
15.6.1无线电通信距离的计算500
15.6.2单车道时的连接性502
15.6.3双车道时的连接性505
15.7结论与未来工作506
参考文献507
第16章VANET实验510
摘要510
16.1引言510
16.2麻省理工学院：车载电话（CARTEL）512
16.2.1概述512
16.2.2测试平台设置512
16.2.3研究和实验512
16.3马萨诸塞大学：DieselNet514
16.3.1概述514
16.3.2测试平台设置514
16.3.3研究和实验515
16.4上海交通大学：上海网格（ShanghaiGrid）517
16.4.1概述517
16.4.2测试平台设置517
16.4.3研究和实验518
16.5台湾交通大学：VANET测试平台519
16.5.1概述519
16.5.2研究和实验520
16.6洛杉矶加州大学：CVeT521
16.6.1概述521
16.6.2研究和实验521
16.7通用汽车公司：DSRCFLEET522
16.7.1概述522
16.7.2研究和实验523
16.8FleetNet项目523
16.8.1概述523
16.8.2测试平台配置524
16.8.3研究和实验524
16.9车轮上的网络项目（NetworkOnWheels，NOW）524
16.9.1概述524
16.9.2系统安装525
16.9.3研究和实验525
16.10先进的安全车辆（AdvancedSafetyVehicle，ASV）525
16.10.1概述525
16.10.2每个阶段的任务526
16.11日本汽车研究所（JapanAutomobileResearchInstitute，JARI）527
16.11.1概述527
16.11.2与VANET相关的任务527
参考文献528
第17章VANET的MAC协议532
摘要532
17.1引言532
17.2MAC度量534
17.3车载MAC协议的IEEE标准534
17.3.1IEEE1609WAVE标准535
17.3.2IEEE1609.4标准536
17.3.3IEEE802.11p标准537
17.3.4WAVEMAC的挑战与问题538
17.4VANET的备用MAC协议538
17.4.1信道分配538
17.4.2随机接入543
17.4.3轮流接入546
17.5结论547
参考文献547
第18章认知无线电车载AdHoc网络：设计、实施及未来的挑战550
摘要550
18.1引言550
18.2认知无线电车载网络的特性552
18.2.1从CR网络继承的特性553
18.2.2从VANET继承的特性554
18.2.3新特性和假设555
18.3认知无线电车载网络的应用558
18.4CRV网络架构558
18.5CRV网络现有工作的分类和描述559
18.5.1频谱感测560
18.5.2频谱选择和接入563
18.6CRV中的研究问题565
18.6.1车辆移动性对频谱管理的影响565
18.6.2CRV的安全方面566
18.6.3CRV的建模与仿真566
18.7结论568
参考文献568
第19章下一种范式转变：从车载网络到汽车云573
摘要573
19.1动机573
19.2车辆模型575
19.3车载网络576
19.4云计算577
19.5汽车云579
19.6汽车云的独特特性580
19.6.1新型服务类型581
19.6.2汽车云的安全和隐私583
19.7可行的汽车云实例583
19.7.1机场数据中心583
19.7.2停车场数据云584
19.7.3商场数据中心584
19.7.4特殊事件管理585
19.7.5交通信号灯动态同步585
19.8更多应用场景586
19.8.1动态优化交通信号灯586
19.8.2动态分配HOV车道587
19.8.3有计划的疏散管理587
19.8.4意外情况的疏散管理588
19.8.5共享道路安全信息589
19.8.6自动缓解经常性拥堵589
19.8.7动态管理停车设施590
19.8.8国土安全应用590
19.8.9发展中国家的汽车云591
19.9汽车云的安全和隐私问题591
19.9.1概述591
19.9.2攻击模型593
19.9.3威胁分类594
19.9.4信任关系594
19.9.5高机动节点的认证595
19.9.6VC消息596
19.9.7要求597
19.9.8数据隔离和清理598
19.9.9数字签名598
19.9.10加密599
19.9.11认证599
19.9.12授权或访问控制599
19.9.13位置验证600
19.9.14用户身份验证600
19.9.15问题检测和资源验证600
19.9.16防篡改装置和算法600
19.9.17抵御和过滤攻击600
19.9.18化名600
19.9.19系统维护601
19.10密钥管理601
19.10.1匿名密钥601
19.10.2密钥分配和重新输入601
19.10.3密钥验证602
19.10.4密钥撤销603
19.11相关挑战研究603
19.12汽车云架构604
19.12.1静态架构604
19.12.2连接静态基础设施605
19.12.3一种简单的动态架构605
19.12.4安全和功能挑战606
19.13汽车云中的资源汇聚607
19.13.1虚拟化方法608
19.13.2负载均衡方法609
19.14VC仿真研究612
19.14.1仿真方案612
19.14.2仿真度量613
19.14.3仿真结果613
19.15下一步工作614
19.16未来发展615
致谢616
参考文献616
第5部分传感器网络
第20章无线传感器网络的能量采集技术624
摘要624
20.1引言624
20.2节点平台625
20.2.1能量采集传感器节点的体系架构625
20.2.2能量采集硬件模型625
20.2.3电池模型628
20.3能量采集技术629
20.4预测模型633
20.5EHWSN协议636
20.5.1任务分配636
20.5.2采集感知通信协议：MAC和路由641
致谢647
参考文献647
第21章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656
摘要656
21.1引言656
21.2机器人辅助的传感器布设659
21.2.1基于折返的传感器布设660
21.2.2利用静态中继的多机器人搜索和监测662
21.2.3重点覆盖模式664
21.3机器人辅助的传感器搬移670
21.3.1随机的机器人运动场景672
21.3.2确定的机器人运动场景：ACO方法673
21.3.3确定的机器人运动场景：混合方法676
21.4机器人辅助的传感器维护680
21.5未来挑战681
21.5.1机器人辅助的无线传感器网络681
21.5.2依靠机器人的无线传感器网络682
参考文献683
第22章移动受限的水下网络：算法、系统和实验688
摘要688
22.1引言688
22.2相关成果691
22.2.1传感器布设691
22.2.2传感器网络平台692
22.3分布式控制算法693
22.3.1问题陈述和相关知识693
22.3.2目标函数694
22.3.3通用的分布式控制器694
22.3.4高斯感测函数695
22.3.5基于高斯函数的分布式控制器696
22.3.6控制器的收敛性696
22.4通用系统结构和设计697
22.4.1处理698
22.4.2通信699
22.4.3感测700
22.4.4电源管理700
22.4.5数据存储701
22.4.6配置701
22.4.7用户界面702
22.5程序架构和设计的应用特例703
22.6实验及结果706
22.6.1采样应用程序706
22.6.2算法实现707
22.6.3实验室和水池的硬件实验708
22.6.4协方差可变的河流硬件实验710
22.6.5系统分析712
22.7结论716
致谢716
参考文献716
第23章水声网络的进展720
摘要720
23.1引言720
23.2通信体系架构721
23.3水下通信基础知识722
23.4物理层728
23.4.1非相干调制728
23.4.2相干调制729
23.4.3信道均衡730
23.4.4直接序列扩频732
23.4.5多载波调制733
23.4.6空间调制734
23.5MAC层736
23.5.1基于ALOHA的MAC协议736
23.5.2基于CSMA的MAC协议737
23.5.3基于CDMA的MAC协议739
23.6网络层741
23.6.1基于位置的路由协议742
23.6.2基于非定位的路由协议744
23.7跨层设计745
23.8实验平台简介746
23.8.1商用声学调制解调器747
23.8.2实验性的声学调制解调器749
23.8.3实验平台751
23.9UW-BUFFALO：布法罗大学水声网络测试平台754
23.10结论755
致谢755
参考文献755