移動AdHoc網絡：前沿研究方向（第2版）

目    錄
第1部分  總 體 介 紹
第1章  多跳Ad Hoc網絡的演進路線    2
摘要    2
1.1  引言    2
1.2  MANET研究的主要成就和教訓    3
1.2.1  MANET研究的主要成就    3
1.2.2  MANET研究存在的問題和經驗教訓    11
1.3  多跳Ad Hoc網絡：從理論到現實    12
1.3.1  Mesh網絡    13
1.3.2  機會網絡    14
1.3.3  車載Ad Hoc網絡（VANET）    17
1.3.4  傳感器網絡    18
1.4  小結與結論    20
參考文獻    21
第2章　支持移動多跳無線網絡技術和標準    29
摘要    29
2.1  引言    29
2.2  寬帶無線接入技術    31
2.2.1  IEEE 802.16 Mesh    31
2.2.2  IEEE 802.16j    34
2.3  無線局域網絡技術    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  個域網技術    46
2.4.1  IEEE 802.15.5標準    46
2.4.2  ZigBee的工業標準    49
2.4.3  基於IPv6的WPAN    51
2.5  異構場景的移動性支持    56
2.6  結論    59
參考文獻    60
第3章　應用場景    68
摘要    68
3.1  引言    68
3.2  軍事應用    70
3.2.1  通信    70
3.2.2  協同    71
3.3  網絡連接    72
3.3.1  星際因特網    72
3.3.2  農村地區    73
3.3.3  市/社區系統    74
3.4  無線傳感器網絡    74
3.4.1  身體和健康監測    75
3.4.2  智能住宅    75
3.4.3  工業監控    76
3.4.4  環境監測    77
3.4.5  動物監測    77
3.5  搜救    79
3.5.1  搜索和救援無人機    79
3.5.2  未知區域的多主體探測    80
3.6  車載自組織網絡    82
3.6.1  駕駛安全支持系統    82
3.6.2  車輛協調    83
3.6.3  通知系統    83
3.6.4  智能交通系統    84
3.7  個人信息傳輸    85
3.8  結論    87
參考文獻    87
第4章　Ad Hoc網絡的安全性問題    94
摘要    94
4.1  引言    94
4.1.1  無線Ad Hoc網絡的安全挑戰    95
4.1.2  WSN、UWSN、WMN、DTN和VANET    96
4.2  無線傳感器網絡    97
4.2.1  對網絡可用性和服務完整性的攻擊    99
4.2.2  對隱私性和保密性的攻擊    107
4.2.3  對數據完整性的攻擊    108
4.2.4  WSN中的安全威脅和對策概要    110
4.3  無人值守無線傳感器網絡    110
4.3.1  數據生存能力    111
4.3.2  Self-Key自愈和入侵恢復    113
4.3.3  認證    114
4.3.4  UWSN安全威脅和對策概述    114
4.4  無線Mesh網絡    115
4.4.1  安全面臨的挑戰和現有對策    116
4.4.2  無線Mesh網絡中的安全威脅和對策摘要    117
4.5  容延遲網絡    118
4.5.1  DTN的應用    119
4.5.2  DTN的安全問題    119
4.5.3  總結    120
4.6  車載Ad Hoc網絡（VANET）    121
4.6.1  VANET的優勢及存在的問題    121
4.6.2  VANET的設計目標和挑戰    122
4.6.3  VANET的可測量性和服務完整性    123
4.6.4  VANET的安全和隱私    124
4.6.5  摘要和展望    126
4.7  結論和開放性的研究問題    126
參考文獻    127
第5章　終端用戶移動性架構的解決方案    137
摘要    137
5.1  引言    137
5.2  Mesh網絡    138
5.2.1  Mesh技術和終端用戶移動性    139
5.2.2  定義和挑戰    139
5.2.3  微移動性支持    140
5.2.4  微移動和宏移動支持    149
5.3  無線傳感器網絡    161
5.3.1  基於接收器的移動性問題    162
5.3.2  FLEXOR：移動支持軟件體系結構    164
5.4  結論    166
參考文獻    167
第6章　移動Ad Hoc網絡研究成果的實驗及模擬    170
摘要    170
6.1  引言    170
6.2  移動Ad Hoc網絡模擬工具和實驗平臺概述    171
6.2.1  模擬工具    171
6.2.2  實驗平臺    172
6.3  模擬和實驗的區別：問題和參數    177
6.3.1  物理層問題    178
6.3.2  移動性建模    185
6.3.3  MAC層的註意事項    187
6.3.4  影響上層的因素和其他問題    191
6.3.5  模擬器性能的比較    192
6.4  完善的模擬：確認、驗證和校準    194
6.5  模擬器和測試平臺的前景展望    197
6.6  結論    199
參考文獻    199
第2部分  Mesh網絡 
第7章  多頻點多通道無線Mesh網絡中的資源優化    212
摘要    212
7.1  引言    212
7.2  網絡和乾擾模型    214
7.3  SINR模型下的最大化鏈路激活    215
7.4  最優鏈路調度    217
7.4.1  優化公式化表述    218
7.4.2  列生成    220
7.4.3  功率控制和速率自適應的擴展    221
7.5  聯合路由和調度    223
7.5.1  流量守恆路由    224
7.5.2  路徑生成路由    224
7.6  處理通道分配和定向天線    225
7.6.1  通道分配    226
7.6.2  定向天線    229
7.7  協作網絡    230
7.7.1  k-協作圖表    230
7.7.2  超級鏈路分類    232
7.7.3  應用於k-協作的列生成    235
7.8  結論和未來展望    236
參考文獻    237
第8章  Mesh網絡中的服務質量    241
摘要    241
8.1  引言    241
8.2  QoS的定義    243
8.3  現有QoS路由方法的分類    243
8.4  基於優化路徑選擇的路由協議    245
8.4.1  彈性需求優化    248
8.4.2  固定需求優化    249
8.4.3  基於無關路由的魯棒性優化    250
8.4.4  隨機需求優化    252
8.4.5  飽和數據流優化    253
8.4.6  未解決問題    253
8.5  最小權值路徑選擇的路由度量    254
8.5.1  設計原則    255
8.5.2  已有方法    257
8.5.3  未解決問題    266
8.6  基於反饋的路徑選擇    267
8.7  結論    268
參考文獻    268
第3部分  機 會 網 絡

第9章  容延遲網絡和機會網絡的應用    276
摘要    276
9.1  應用場景    276
9.1.1  受限區域場景    276
9.1.2  市區場景    278
9.2  基於DTN的應用面臨的挑戰    280
9.2.1  案例研究：基於消息的應用——電子郵件    281
9.2.2  案例研究：基於流的應用——XMPP    284
9.3  DTN應用的關鍵機制    285
9.3.1  DTN應用程序的安全性    286
9.3.2  與傳統應用程序的交互    288
9.3.3  用戶界面    290
9.4  DTN應用（案例研究）    292
9.4.1  網頁    292
9.4.2  內容搜索    296
9.4.3  地下採礦中的應用    301
9.4.4  浮動內容    307
9.5  結論：DTN應用的反思    311
參考文獻    312
第10章　機會網絡中的移動模型    314
摘要    314
10.1  引言    314
10.2  基於接觸的度量、分析和建模    315
10.2.1  度量    315
10.2.2  基於接觸的數據集    317
10.2.3  相互接觸時間分析    319
10.2.4  相互接觸時間特性    320
10.2.5  接觸點數量及持續時間    326
10.3  軌跡模型    328
10.3.1  第一步：測量    328
10.3.2  自由空間模型    337
10.3.3  與空間有關的模型    337
10.3.4  與時間有關的模型    345
10.4  網絡協議設計的含義    348
10.4.1  冪律相互接觸時間    348
10.4.2  社會結構    350
10.5  新模式：延遲-資源權衡    353
10.5.1  延遲-容量權衡    353
10.5.2  延遲-負載均衡權衡    355
10.5.3  延遲-能量權衡    359
參考文獻    360
第11章　機會路由    365
摘要    365
11.1  引言    365
11.2  機會網絡基礎    367
11.2.1  連通性    367
11.2.2  移動性    369
11.2.3  節點資源    371
11.2.4  高效的機會轉發：機會與挑戰並存    372
11.3  不確定性處理：基於冗餘的路由    373
11.3.1  基於泛洪的方案    373
11.3.2  受控的復制方案    375
11.3.3  基於編碼的方案    377
11.3.4  基於復制轉發的討論    379
11.4  利用結構優勢：基於效用的轉發    380
11.4.1  基於連接的效用    380
11.4.2  基於未連接的效用    387
11.5  混合解決方案：結合冗餘和效用    388
11.5.1  基於效用的泛洪    389
11.5.2  噴射和基於效用的噴射    389
11.5.3  智能復制    390
11.5.4  DTN-MANET的混合環境    390
11.6  結論    391
參考文獻    391
第12章　機會網絡中的數據傳播    397
摘要    397
12.1  引言    397
12.2  初步設想：PodNET    399
12.2.1  數據組織    400
12.2.2  內容為中心的傳播策略    400
12.2.3  性能結果    401
12.2.4  要點總結    402
12.3  社會意識方案    403
12.3.1  社會意識效用    403
12.3.2  社會意識傳輸策略    405
12.3.3  性能結果    405
12.3.4  要點總結    406
12.4  發布/訂閱方案    406
12.4.1  群體檢測    408
12.4.2  疊置處理    409
12.4.3  性能結果    410
12.4.4  要點總結    411
12.5  全局優化    411
12.5.1  系統模型    411
12.5.2  延遲效用函數    412
12.5.3  最優緩存配置    413
12.5.4  從全局到局部的決策    414
12.5.5  性能結果    414
12.5.6  要點總結    415
12.6  基於基礎設施的方案    415
12.6.1  推動-追蹤系統    416
12.6.2  性能結果    418
12.6.3  要點總結    419
12.7  由無結構P2P系統啟發的方法    419
12.7.1  系統模型    420
12.7.2  穩定區域    420
12.7.3  最優策略    421
12.7.4  要點總結    422
12.8  拓展閱讀    422
12.8.1  社會意識方案    422
12.8.2  發布/訂閱方案    423
12.8.3  全局最優化    424
12.8.4  基於基礎設施的方法    425
12.8.5  P2P系統啟發的解決方案    426
參考文獻    426
第13章　數據運算中的群體計算    432
摘要    432
13.1  引言    432
13.2  理想的並行操作模型    434
13.2.1  定義    434
13.2.2  現實世界的軌跡    435
13.3  數據運算    437
13.4  社會意識的數據運算    440
13.4.1  群體結構    440
13.4.2  工作設備和主設備的選擇    442
13.4.3  限制任務壽命    445
13.4.4  主設備選擇：團體和日期中心    446
13.4.5  展望    448
13.5  相關工作    448
13.6  結論和下一步工作    449
致謝    450
參考文獻    450
第４部分  車載自組織網絡
第14章　車載自組織網絡數據通信協議的分類    454
摘要    454
14.1  引言    454
14.2  VANET通信協議分類    456
14.2.1  定義和命名問題    456
14.2.2  公路尺寸    457
14.2.3  鄰居信息    458
14.2.4  確認    458
14.2.5  選擇開始轉發車輛    458
14.2.6  轉發競爭    459
14.2.7  連接性    460
14.2.8  緊迫性    460
14.2.9  消息內容    460
14.3  面向可靠性的地域群播協議    461
14.3.1  VANET中可靠、高效的廣播協議（ackPBSM）    461
14.3.2  持久性協議    463
14.4  基於關鍵時刻的地域群播協議    463
14.4.1  多跳車載廣播（Multihop Vehicular Broadcast，MHVB）    464
14.4.2  帶確認的緊急信息傳播-偵聽轉發（Emergency Message 
Dissemination with ACK-Overhearing Based Retransmission，EMDOR）    464
14.4.3  分佈式平均功率調整協議（Distributed Fair Power Adjustment Protocol，
D-FPAV）    465
14.4.4  接收機共識（Receiver Consensus，ReC）    465
14.5  小規模路由協議    465
14.5.1  DPP和OPERA    466
14.5.2  二進制劃分輔助廣播（Binary-Partition-Assisted Broadcast，BPAB）    467
14.5.3  跟蹤檢測及距離延遲傳輸協議（Track Detection and Distance Defer
Transmission，TRADE＆DDT）    468
14.5.4  基於連接受限的轉發（Connection-Based Restricted Forwarding，CBRF）    469
14.5.5  分佈式車載廣播（Distributed Vehicular Broadcast，DV-CAST）    469
14.5.6  基於車輛密度的緊急廣播（Vehicle Density-Based Emergency 
Broadcasting，VDEB）    469
14.5.7  輔助拓撲地理機會路由（Topology-Assisted Geo-Opportunistic Routing，
TO-GO）    469
14.6  大規模路由    470
14.6.1  距離感知傳染路由（Distance-Aware Epidemic Routing，DAER）    470
14.6.2  連接感知路由（Connectivity-Aware Routing，CAR）    470
14.6.3  VANET中的有限延遲路由（延遲-貪婪）    471
14.6.4  VANET中的車輛輔助數據交付（Vehicle-Assisted Data Delivery，VADD）    472
14.6.5  VANET的低負荷交通中基於軌跡的數據傳遞（Trajectory-Based
Data Forwarding，TBD）    472
14.6.6  VANET中的一種靜態節點輔助的自適應路由協議（SADV）    473
14.6.7  位置和延遲感知交叉層通信（Location-and Delay-Aware 
Cross-Layer Communication，LD-CROP）    473
14.6.8  地理機會路由（Geographical Opportunistic Routing，GeOpps）    474
14.6.9  基於道路的車載交通路由（Road-Based Vehicular Traffic Routing，RBVT）    474
14.6.10  改進的貪婪流量感知路由協議（Improved Greedy Traffic-Aware 
Routing Protocol，GyTAR）    474
14.6.11  依據二相路由協議的訪問覆蓋路由（TOPO）    475
14.7  小結    475
14.8  結論與未來工作    477
參考文獻    478
第15章　VANET移動模型、拓撲結構和VANET模擬    481
摘要    481
15.1  引言與動機    481
15.2  移動模型    482
15.2.1  汽車跟隨模型    483
15.2.2  多車道交通模型    484
15.3  移動模擬器    486
15.3.1  商用移動模擬器    486
15.3.2  非商用移動模擬器    488
15.4  綜合模擬器    491
15.5  車載通信建模    495
15.5.1  無線鏈路    495
15.5.2  無線信號傳播    496
15.5.3  通信技術    497
15.6  公路上的連通性分析    499
15.6.1  無線電通信距離的計算    500
15.6.2  自行車道時的連接性    502
15.6.3  雙車道時的連接性    505
15.7  結論與未來工作    506
參考文獻    507
第16章　VANET實驗    510
摘要    510
16.1  引言    510
16.2  麻省理工學院：車載電話（CARTEL）    512
16.2.1  概述    512
16.2.2  測試平臺設置    512
16.2.3  研究和實驗    512
16.3  馬薩諸塞大學：DieselNet    514
16.3.1  概述    514
16.3.2  測試平臺設置    514
16.3.3  研究和實驗    515
16.4  上海交通大學：上海網格（ShanghaiGrid）    517
16.4.1  概述    517
16.4.2  測試平臺設置    517
16.4.3  研究和實驗    518
16.5  台灣交通大學：VANET 測試平臺    519
16.5.1  概述    519
16.5.2  研究和實驗    520
16.6  洛杉磯加州大學：CVeT    521
16.6.1  概述    521
16.6.2  研究和實驗    521
16.7  通用汽車公司：DSRC FLEET    522
16.7.1  概述    522
16.7.2  研究和實驗    523
16.8  FleetNet項目    523
16.8.1  概述    523
16.8.2  測試平臺配置    524
16.8.3  研究和實驗    524
16.9  車輪上的網絡項目（Network On Wheels，NOW）    524
16.9.1  概述    524
16.9.2  系統安裝    525
16.9.3  研究和實驗    525
16.10  先進的安全車輛（Advanced Safety Vehicle，ASV）    525
16.10.1  概述    525
16.10.2  每個階段的任務    526
16.11  日本汽車研究所（Japan Automobile Research Institute，JARI）    527
16.11.1  概述    527
16.11.2  與VANET相關的任務    527
參考文獻    528
第17章　VANET的MAC協議    532
摘要    532
17.1  引言    532
17.2  MAC 度量    534
17.3  車載MAC協議的IEEE標準    534
17.3.1  IEEE1609 WAVE標準    535
17.3.2  IEEE1609.4標準    536
17.3.3  IEEE 802.11p標準    537
17.3.4  WAVE MAC的挑戰與問題    538
17.4  VANET的備用MAC協議    538
17.4.1  通道分配    538
17.4.2  隨機接入    543
17.4.3  輪流接入    546
17.5  結論    547
參考文獻    547
第18章　認知無線電車載Ad Hoc網絡：設計、實施及未來的挑戰    550
摘要    550
18.1  引言    550
18.2  認知無線電車載網絡的特性    552
18.2.1  從CR網絡繼承的特性    553
18.2.2  從VANET繼承的特性    554
18.2.3  新特性和假設    555
18.3  認知無線電車載網絡的應用    558
18.4  CRV網絡架構    558
18.5  CRV網絡現有工作的分類和描述    559
18.5.1  頻譜傳感    560
18.5.2  頻譜選擇和接入    563
18.6  CRV中的研究問題    565
18.6.1  車輛移動性對頻譜管理的影響    565
18.6.2  CRV的安全方面    566
18.6.3  CRV的建模與模擬    566
18.7  結論    568
參考文獻    568
第19章　下一種範式轉變：從車載網絡到汽車雲    573
摘要    573
19.1  動機    573
19.2  車輛模型    575
19.3  車載網絡    576
19.4  雲計算    577
19.5  汽車雲    579
19.6  汽車雲的獨特特性    580
19.6.1  新型服務類型    581
19.6.2  汽車雲的安全和隱私    583
19.7  可行的汽車雲實例    583
19.7.1  機場數據中心    583
19.7.2  停車場數據雲    584
19.7.3  商場數據中心    584
19.7.4  特殊事件管理    585
19.7.5  交通信號燈動態同步    585
19.8  更多應用場景    586
19.8.1  動態優化交通信號燈    586
19.8.2  動態分配HOV車道    587
19.8.3  有計劃的疏散管理    587
19.8.4  意外情況的疏散管理    588
19.8.5  共享道路安全信息    589
19.8.6  自動緩解經常性擁堵    589
19.8.7  動態管理停車設施    590
19.8.8  國土安全應用    590
19.8.9  發展中國家的汽車雲    591
19.9  汽車雲的安全和隱私問題    591
19.9.1  概述    591
19.9.2  攻擊模型    593
19.9.3  威脅分類    594
19.9.4  信任關系    594
19.9.5  高機動節點的認證    595
19.9.6  VC消息    596
19.9.7  要求    597
19.9.8  數據隔離和清理    598
19.9.9  數字簽名    598
19.9.10  加密    599
19.9.11  認證    599
19.9.12  授權或訪問控制    599
19.9.13  位置驗證    600
19.9.14  用戶身份驗證    600
19.9.15  問題檢測和資源驗證    600
19.9.16  防篡改裝置和算法    600
19.9.17  抵禦和過濾攻擊    600
19.9.18  化名    600
19.9.19  系統維護    601
19.10  密鑰管理    601
19.10.1  匿名密鑰    601
19.10.2  密鑰分配和重新輸入    601
19.10.3  密鑰驗證    602
19.10.4  密鑰撤銷    603
19.11  相關挑戰研究    603
19.12  汽車雲架構    604
19.12.1  靜態架構    604
19.12.2  連接靜態基礎設施    605
19.12.3  一種簡單的動態架構    605
19.12.4  安全和功能挑戰    606
19.13  汽車雲中的資源匯聚    607
19.13.1  虛擬化方法    608
19.13.2  負載均衡方法    609
19.14  VC模擬研究    612
19.14.1  模擬方案    612
19.14.2  模擬度量    613
19.14.3  模擬結果    613
19.15  下一步工作    614
19.16  未來發展    615
致謝    616
參考文獻    616
第5部分  傳感器網絡
第20章　無線傳感器網絡的能量採集技術    624
摘要    624
20.1  引言    624
20.2  節點平臺    625
20.2.1  能量採集傳感器節點的體系架構    625
20.2.2  能量採集硬件模型    625
20.2.3  電池模型    628
20.3  能量採集技術    629
20.4  預測模型    633
20.5  EHWSN協議    636
20.5.1  任務分配    636
20.5.2  採集感知通信協議：MAC和路由    641
致謝    647
參考文獻    647
第21章　機器人輔助的無線傳感器網絡：近期應用及未來面臨的挑戰    656
摘要    656
21.1  引言    656
21.2  機器人輔助的傳感器布設    659
21.2.1  基於折返的傳感器布設    660
21.2.2  利用靜態中繼的多機器人搜索和監測    662
21.2.3  重點覆蓋模式    664
21.3  機器人輔助的傳感器搬移    670
21.3.1  隨機的機器人運動場景    672
21.3.2  確定的機器人運動場景：ACO方法    673
21.3.3  確定的機器人運動場景：混合方法    676
21.4  機器人輔助的傳感器維護    680
21.5  未來挑戰    681
21.5.1  機器人輔助的無線傳感器網絡    681
21.5.2  依靠機器人的無線傳感器網絡    682
參考文獻    683
第22章　移動受限的水下網絡：算法、系統和實驗    688
摘要    688
22.1  引言    688
22.2  相關成果    691
22.2.1  傳感器布設    691
22.2.2  傳感器網絡平臺    692
22.3  分佈式控制算法    693
22.3.1  問題陳述和相關知識    693
22.3.2  目標函數    694
22.3.3  通用的分佈式控制器    694
22.3.4  高斯傳感函數    695
22.3.5  基於高斯函數的分佈式控制器    696
22.3.6  控制器的收斂性    696
22.4  通用系統結構和設計    697
22.4.1  處理    698
22.4.2  通信    699
22.4.3  傳感    700
22.4.4  電源管理    700
22.4.5  數據存儲    701
22.4.6  配置    701
22.4.7  用戶界面    702
22.5  程序架構和設計的應用特例    703
22.6  實驗及結果    706
22.6.1  採樣應用程序    706
22.6.2  算法實現    707
22.6.3  實驗室和水池的硬件實驗    708
22.6.4  協方差可變的河流硬件實驗    710
22.6.5  系統分析    712
22.7  結論    716
致謝    716
參考文獻    716
第23章　水聲網絡的進展    720
摘要    720
23.1  引言    720
23.2  通信體系架構    721
23.3  水下通信基礎知識    722
23.4  物理層    728
23.4.1  非相乾調制    728
23.4.2  相乾調制    729
23.4.3  通道均衡    730
23.4.4  直接序列擴頻    732
23.4.5  多載波調制    733
23.4.6  空間調制    734
23.5  MAC層    736
23.5.1  基於ALOHA的MAC協議    736
23.5.2  基於CSMA的MAC協議    737
23.5.3  基於CDMA的MAC協議    739
23.6  網絡層    741
23.6.1  基於位置的路由協議    742
23.6.2  基於非定位的路由協議    744
23.7  跨層設計    745
23.8  實驗平臺簡介    746
23.8.1  商用聲學調制解調器    747
23.8.2  實驗性的聲學調制解調器    749
23.8.3  實驗平臺    751
23.9  UW-BUFFALO：布法羅大學水聲網絡測試平臺    754
23.10  結論    755
致謝    755
參考文獻    755