移动Ad Hoc网络：前沿研究方向（第2版）

第1部分  总 体 介 绍

第1章  多跳Ad Hoc网络的演进路线 2

摘要 2

1.1  引言 2

1.2  MANET研究的主要成就和教训 3

1.2.1  MANET研究的主要成就 3

1.2.2  MANET研究存在的问题和经验教训 11

1.3  多跳Ad Hoc网络：从理论到现实 12

1.3.1  Mesh网络 13

1.3.2  机会网络 14

1.3.3  车载Ad Hoc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

2.2.1  IEEE 802.16 Mesh 31

2.2.2  IEEE 802.16j 34

2.3  无线局域网络技术 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  个域网技术 46

2.4.1  IEEE 802.15.5标准 46

2.4.2  ZigBee的工业标准 49

2.4.3  基于IPv6的WPAN 51

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　Ad Hoc网络的安全性问题 94

摘要 94

4.1  引言 94

4.1.1  无线Ad Hoc网络的安全挑战 95

4.1.2  WSN、UWSN、WMN、DTN和VANET 96

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

4.2.4  WSN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

4.3.2  Self-Key自愈和入侵恢复 113

4.3.3  认证 114

4.3.4  UWSN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

4.5.1  DTN的应用 119

4.5.2  DTN的安全问题 119

4.5.3  总结 120

4.6  车载Ad Hoc网络（VANET） 121

4.6.1  VANET的优势及存在的问题 121

4.6.2  VANET的设计目标和挑战 122

4.6.3  VANET的可测量性和服务完整性 123

4.6.4  VANET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

5.2  Mesh网络 138

5.2.1  Mesh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

5.3.2  FLEXOR：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Ad Hoc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Ad Hoc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

6.3.3  MAC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

7.3  SINR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

7.7.1  k-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

8.2  QoS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——XMPP 284

9.3  DTN应用的关键机制 285

9.3.1  DTN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

9.4  DTN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

11.5.4  DTN-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：PodNET 399

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

12.8.5  P2P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

14.2  VANET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

14.3.1  VANET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（Multihop Vehicular Broadcast，MHVB） 464

14.4.2  带确认的紧急信息传播-侦听转发（Emergency Message 

Dissemination with ACK-Overhearing Based Retransmission，EMDOR） 464

14.4.3  分布式平均功率调整协议（Distributed Fair Power Adjustment Protocol，

D-FPAV） 465

14.4.4  接收机共识（Receiver Consensus，ReC） 465

14.5  小规模路由协议 465

14.5.1  DPP和OPERA 466

14.5.2  二进制划分辅助广播（Binary-Partition-Assisted Broadcast，BPAB） 467

14.5.3  跟踪检测及距离延迟传输协议（Track Detection and Distance Defer

Transmission，TRADE＆DDT） 468

14.5.4  基于连接受限的转发（Connection-Based Restricted Forwarding，CBRF） 469

14.5.5  分布式车载广播（Distributed Vehicular Broadcast，DV-CAST） 469

14.5.6  基于车辆密度的紧急广播（Vehicle Density-Based Emergency 

Broadcasting，VDEB） 469

14.5.7  辅助拓扑地理机会路由（Topology-Assisted Geo-Opportunistic Routing，

TO-GO） 469

14.6  大规模路由 470

14.6.1  距离感知传染路由（Distance-Aware Epidemic Routing，DAER） 470

14.6.2  连接感知路由（Connectivity-Aware Routing，CAR） 470

14.6.3  VANET中的有限延迟路由（延迟-贪婪） 471

14.6.4  VANET中的车辆辅助数据交付（Vehicle-Assisted Data Delivery，VADD） 472

14.6.5  VANET的低负荷交通中基于轨迹的数据传递（Trajectory-Based

Data Forwarding，TBD） 472

14.6.6  VANET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-and Delay-Aware 

Cross-Layer Communication，LD-CROP） 473

14.6.8  地理机会路由（Geographical Opportunistic Routing，GeOpps） 474

14.6.9  基于道路的车载交通路由（Road-Based Vehicular Traffic Routing，RBVT） 474

14.6.10  改进的贪婪流量感知路由协议（Improved Greedy Traffic-Aware 

Routing Protocol，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：DieselNet 514

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：CVeT 521

16.6.1  概述 521

16.6.2  研究和实验 521

16.7  通用汽车公司：DSRC FLEET 522

16.7.1  概述 522

16.7.2  研究和实验 523

16.8  FleetNet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（Network On Wheels，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（Advanced Safety Vehicle，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（Japan Automobile Research Institute，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

17.2  MAC 度量 534

17.3  车载MAC协议的IEEE标准 534

17.3.1  IEEE1609 WAVE标准 535

17.3.2  IEEE1609.4标准 536

17.3.3  IEEE 802.11p标准 537

17.3.4  WAVE MAC的挑战与问题 538

17.4  VANET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Ad Hoc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

18.4  CRV网络架构 558

18.5  CRV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

18.6  CRV中的研究问题 565

18.6.1  车辆移动性对频谱管理的影响 565

18.6.2  CRV的安全方面 566

18.6.3  CRV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

19.9.6  VC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

19.14  VC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

20.5  EHWSN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

23.5  MAC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

23.9  UW-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