高级无线网络—4G技术

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目　录

第 1章　基础　1

1.1　4G网络及复合无线环境　1

1.2　协议增强器　7

1.2.1　用户数据报协议(UDP)的单元差错检测增强器　8

1.2.2　传输控制协议(TCP)的单元ACK压缩增强器　8

1.2.3　TCP的单元拥塞控制增强器　8

1.2.4　TCP的单元自动重传请求(ARQ)增强器　8

1.2.5　TCP/IP的前向擦除修正增强器　9

1.2.6　IP的双单元抖动控制增强器　9

1.2.7　TCP/IP的双单元选择性ARQ增强器　9

1.3　混合4G无线网络协议　9

1.3.1　控制信息和状态转移表　10

1.3.2　直接传输　11

1.3.3　单跳直接传输协议　11

1.3.4　两跳直接传输模式的协议　13

1.4　绿色无线网络　15

参考文献　16

第 2章　物理层和多址接入　21

2.1　高级时分多址——ATDMA　21

2.2　码分多址　22

2.3　正交频分复用　26

2.4　多载波CDMA　29

2.5　超宽带信号　31

2.6　MIMO信道和空时编码　36

参考文献　36

第3章　4G信道建模　41

3.1　宏蜂窝环境(1.8GHz)　41

3.2　城区宏蜂窝/微蜂窝环境的空间无线信道(2.154GHz)　44

3.2.1　环境描述　44

3.2.2　结论　45

3.3　微蜂窝和微微蜂窝环境下的MIMO信道(1.71/2.05GHz)　46

3.3.1　测试方案　48

3.3.2　特征分析法　49

3.3.3　功率分配机制　49

3.4　室外移动信道(5.3GHz)　50

3.4.1　路径损耗模型　51

3.4.2　多径数量分布　52

3.4.3　在城区环境中的交替测试　53

3.5　微蜂窝信道(8.45GHz)　55

3.5.1　方位角特性　55

3.5.2　前向到达波的时延特性　56

3.5.3　前向到达波的短期方位角扩展　56

3.6　无线MIMO局域网环境(5.2GHz)　56

3.6.1　数据估算　57

3.6.2　容量计算　58

3.6.3　测量环境　59

3.7　室内无线局域网信道(17GHz)　60

3.8　室内无线局域网信道(60GHz)　65

3.9　UWB(超宽带)信道模型　69

3.9.1　大尺度统计数据　71

3.9.2　小尺度统计数据　73

3.9.3　统计模型　74

3.9.4　仿真步骤　75

3.9.5　室内多径传播信道的簇模型　77

3.9.6　路径损耗建模　78

参考文献　81

第4章　自适应可重构链路层　89

4.1　自适应空中接口链路层容量　89

4.1.1　MAC信道模型　90

4.1.2　马尔科夫模型　91

4.1.3　Goodput和链路自适应　92

4.1.4　切换滞后　94

4.1.5　准确模式选择的链路业务率　94

4.1.6　自适应链中的非理想性　95

4.1.7　估计过程和估计误差　97

4.1.8　信道过程和估计时延　97

4.1.9　反馈过程和模式命令接收　97

4.1.10　非理想情况下的链路业务速率　97

4.1.11　状态概率对滞后区域宽度的敏感性　100

4.1.12　估计过程和估计误差　100

4.1.13　反馈过程和捕获误差　102

4.2　Ad hoc网络的自适应传输　103

4.3　无线链路自适应混合ARQ　108

4.3.1　RS码　109

4.3.2　PHY和MAC帧结构　109

4.3.3　差错控制方案　110

4.3.4　自适应FEC2的性能　113

4.3.5　仿真结果　115

4.4　随机学习链路层协议　115

4.4.1　随机学习机制　116

4.4.2　自适应链路层协议　116

4.5　红外链路接入协议　119

4.5.1　红外链路接入协议(IrLAP)层　119

4.5.2　IrLAP功能模型描述　121

参考文献　124

第5章　自适应媒体接入控制　129

5.1　WLAN增强型分布式协同功能　129

5.2　采用自适应天线的WLAN中的自适应MAC　131

5.3　无线传感器网络的MAC　137

5.3.1　S-MAC协议设计　138

5.3.2　周期监听睡眠　138

5.3.3　冲突避免　139

5.3.4　协同睡眠　140

5.3.5　选择和保持调度进程　140

5.3.6　保持同步　141

5.3.7　自适应监听　142

5.3.8　侦听避免和消息传递　142

5.3.9　侦听避免　142

5.3.10　消息传递　143

5.4　Ad hoc网络中的MAC　145

5.4.1　载波监听无线网络　146

5.4.2　上层交互　149

参考文献　151

第6章　通信量建模与分析　155

参考文献　162

第7章　自适应网络层　165

7.1　图与路由选择协议　165

7.1.1　元素概念　165

7.1.2　有向图　165

7.1.3　无向图　166

7.1.4　顶点的度　166

7.1.5　带权图　166

7.1.6　途径和路　167

7.1.7　连通图　167

7.1.8　树　168

7.1.9　生成树　168

7.1.10　**小生成树计算　169

7.1.11　**短路径生成树　171

7.2　图论　180

7.3　采用拓扑集合的路由选择　182

7.4　网络与聚合模型　183

7.4.1　线性分割法　185

7.4.2　QoS-aware拓扑集合　187

7.4.3　网状网构成　187

7.4.4　星型网构成　187

7.4.5　线段路由算法　188

7.4.6　性能指标　190

7.4.7　性能分析实例　191

参考文献　194

第8章　有效容量　201

8.1　有效业务源的参数　201

8.1.1　有效业务源　203

8.1.2　修整概率　203

8.1.3　修整时延　204

8.1.4　性能举例　206

8.2　有效链路层容量　208

8.2.1　链路层信道模型　208

8.2.2　无线信道的有效容量模型　211

8.2.3　物理层与链路层信道模型　214

8.2.4　性能分析　216

参考文献　218

第9章　自适应TCP层　221

9.1　自适应TCP层　221

9.1.1　高带宽时延积　222

9.1.2　缓存大小　222

9.1.3　往返时延(RTT)　223

9.1.4　TCP层的不公平问题　224

9.1.5　非拥塞丢包　225

9.1.6　端到端的方案　226

9.1.7　不对称带宽　226

9.2　TCP操作和性能　227

9.2.1　TCP发送端　227

9.2.2　重传超时　227

9.2.3　窗口自适应　228

9.2.4　丢包恢复　228

9.2.5　TCP-OldTahoe(超时恢复)　228

9.2.6　TCP-Tahoe(快速重传)　228

9.2.7　TCP-Reno快速重传，快速(但保守)恢复　228

9.2.8　TCP-NewReno(快速重传，快速恢复)　229

9.2.9　伪重传　229

9.2.10　TCP过程建模　230

9.3　蜂窝移动网络的TCP　230

9.3.1　在移动环境下改进TCP　231

9.3.2　Mobile TCP设计　232

9.3.3　SH-TCP 客户程序　234

9.3.4　M-TCP 协议　235

9.3.5　性能示例　236

9.4　拥塞避免的随机早期检测网关　237

9.4.1　RED算法　238

9.4.2　性能示例　238

9.5　移动Ad hoc网络TCP　240

9.5.1　路由重计算效应　240

9.5.2　网络分区效应　240

9.5.3　多径路由效应　240

9.5.4　ATCP子层　241

9.5.5　ATCP协议设计　242

9.5.6　性能示例　244

参考文献　246

第 10章　跨层优化　249

10.1　引言　249

10.2　视频传输的跨层结构　251

参考文献　253

第 11章　移动性管理　259

11.1　介绍　259

11.1.1　蜂窝网络中的移动性管理　260

11.1.2　位置注册和4G中的呼叫传送　263

11.2　蜂窝系统和优先切换　278

11.2.1　信道分配优先策略　280

11.2.2　信道预留——信道预留切换策略　281

11.2.3　信道预留排队切换策略　281

11.2.4　性能示例　285

11.3　小区驻留时间分布　286

11.4　在微微蜂窝和微蜂窝网络中的移动预测　290

11.4.1　PST-QoS保证架构　291

11.4.2　**可能群模型　292

参考文献　302

第 12章　自适应资源管理　309

12.1　信道分配机制　309

12.1.1　不同的信道分配策略　311

12.1.2　固定信道分配　311

12.1.3　信道借用机制　312

12.1.4　混合信道借用机制　313

12.1.5　动态信道分配机制　315

12.1.6　集中式DCA机制　316

12.1.7　基于小区的分布式DCA机制　317

12.1.8　基于信号强度测量的分布式DCA机制　319

12.1.9　一维蜂窝系统　320

12.1.10　固定的复用分区　322

12.1.11　自适应的信道分配复用分区机制(ACA RUP)　322

12.2　4G中的资源管理　324

12.3　基于移动代理的资源管理　325

12.4　CDMA蜂窝多媒体无线网络　332

12.4.1　SCAC原理　334

12.4.2　QoS区分范例　337

12.4.3　业务模型　339

12.4.4　性能评价　340

12.4.5　相关结果　340

12.4.6　基于模型的静态完全共享MdCAC系统　341

12.4.7　基于测量的完全共享MsCAC系统　342

12.4.8　完全共享动态SCAC系统　343

12.4.9　具有QoS区分的动态SCAC系统　343

12.4.10　单级别系统举例　344

12.4.11　NRT包接入控制　346

12.4.12　假设　347

12.4.13　平均上限(UL)数据吞吐量的估计值　347

12.4.14　DFIMA(动态反馈信息的访问控制)　348

12.4.15　性能实例　349

12.4.16　实现问题　355

12.5　联合数据速率与功率管理　356

12.5.1　集中式**小总传输功率(CMTTP)算法　356

12.5.2　**大吞吐量的功率控制(MTPC)算法　357

12.5.3　统计分布式多速率功率控制(SDMPC)算法　358

12.5.4　拉格朗日乘数功率控制(LRPC)算法　359

12.5.5　选择性功率控制(SPC)算法　360

12.5.6　多目标框架下的无线资源管理算法　360

12.5.7　多目标分布式功率和速率控制(MODPRC)算法　361

12.5.8　多目标的全部分布式功率和速率控制算法　363

12.5.9　吞吐量**大化/功率**小化(MTMPC)算法　363

12.6　无线网络中的动态频谱共享　366

12.6.1　信道容量(Channel Capacity)　366

12.6.2　信道模型(Channel models)　366

12.6.3　分集接收(Diversity reception)　367

12.6.4　性能评估　367

12.6.5　多址接入技术和用户容量　368

12.6.6　多用户监测　368

12.6.7　干扰与共存　368

12.6.8　信道估计/缺陷　369

12.6.9　信号和干扰模型　369

12.6.10　接收机结构　370

12.6.11　干扰抑制电路模型　371

12.6.12　性能分析　375

12.6.13　性能实例　376

参考文献　379

第 13章　Ad hoc网络　387

13.1　路由协议　387

13.1.1　路由协议　389

13.1.2　反应式路由协议　392

13.2　混合路由协议　404

13.2.1　回环(Loop-back)终止　405

13.2.2　提前终止　405

13.2.3　选择性广播(SBC)　406

13.3　可扩展路由策略　408

13.3.1　分层路由协议　408

13.3.2　性能实例　410

13.3.3　鱼眼路由协议(FSR)　411

13.4　　多路径路由协议　413

13.5　分群协议　415

13.5.1　简介　415

13.5.2　分群算法　416

13.5.3　具有预测的分群　417

13.6　路由缓存策略　424

13.7　分布式QoS路由　430

13.7.1　无线链路可靠性　430

13.7.2　路由　431

13.7.3　路由消息　431

13.7.4　基于令牌的路由　431

13.7.5　延迟受限的路由　432

13.7.6　令牌　433

13.7.7　转发接收到的令牌　433

13.7.8　带宽受限的路由　434

13.7.9　转发接收到的令牌　435

13.7.10　性能实例　435

参考文献　437

第 14章　传感器网络　443

14.1　简介　443

14.2　传感器网络参数　444

14.2.1　预部署和部署阶段　446

14.2.2　后部署阶段　446

14.2.3　由新加入节点引起的重部署阶段　446

14.3　传感器网络的结构　447

14.3.1　物理层　447

14.3.2　数据链路层　447

14.3.3　网络层　449

14.3.4　传输层　453

14.3.5　应用层　454

14.4　移动传感器网络的部署　455

14.5　定向扩散(Directed Diffusion)　457

14.5.1　数据传播　459

14.5.2　路径增强　460

14.6　无线传感器网络中的聚合　460

14.7　边界估计　463

14.7.1　P中RDP的数量　464

14.7.2　Kraft不等式　465

14.7.3　可达到精确度的上限　465

14.7.4　系统优化　466

14.8　传感器网络的**优传输半径　468

14.9　数据漏斗　472

14.10　传感器网络中的等效传输控制协议　475

参考文献　478

第 15章　网络安全　489

15.1　认证　489

15.1.1　对密码系统的攻击　491

15.1.2　典型的认证协议　493

15.2　安全架构　496

15.3　密钥管理　499

15.3.1　加密　500

15.3.2　篡改检测码　501

15.3.3　回放检测码　501

15.3.4　密钥信息已知的验证　501

15.3.5　点对点密钥分发　501

15.4　GSM网络中的安全管理　503

15.5　UMTS网络中的安全管理　507

15.6　UMTS/WLAN交互工作时的安全架构　508

15.7　Ad hoc网络中的安全　510

15.8　传感器网络中的安全　515

参考文献　517

第 16章　主动网络　523

16.1　概述　523

16.2　可编程网络参考模型　525

16.2.1　IETF ForCES　526

16.2.2　主动网络参考结构　526

16.3　向4G无线网络演进　528

16.4　可编程4G移动网络结构　531

16.5　认知分组网络　533

16.5.1　认知分组自适应　535

16.5.2　基于随机神经网络的算法　535

16.6　认知无线电中的博弈论模型　538

16.7　生物激励网络　543

16.7.1　生物类比　543

16.7.2　仿生网络结构　545

参考文献　546

第 17章　网络配置　555

17.1　蜂窝系统重叠覆盖　555

17.2　CDMA宏蜂窝网络中嵌入微蜂窝　558

17.2.1　宏蜂窝与微蜂窝的链路预算　560

17.2.2　性能举例　563

17.3　多层无线蜂窝网络　564

17.3.1　网络模型　564

17.3.2　性能举例　568

17.4　本地多点分发业务　570

17.4.1　干扰估计　571

17.4.2　选择极化　572

17.5　4G网络中的自组织技术　573

17.5.1　动因　573

17.5.2　网络自组织技术　575

参考文献　577

第 18章　网络管理　581

18.1　简单网络管理协议　581

18.2　分布式网络管理　585

18.3　基于移动代理的网络管理　586

18.3.1　移动代理平台　587

18.3.2　多运营商网络中的移动代理　587

18.3.3　路由算法与移动代理的融合　589

18.4　Ad hoc网络管理　593

18.4.1　异构环境　593

18.4.2　时变的拓扑结构　593

18.4.3　能量限制　593

18.4.4　网络分裂　594

18.4.5　信号质量的变化　594

18.4.6　窃听　594

18.4.7　Ad hoc网络管理协议功能　594

18.4.8　ANMP结构　595

参考文献　599

第 19章　网络信息论　603

19.1　高级蜂窝网络的有效容量　603

19.1.1　4G蜂窝网络系统模型　605

19.1.2　接收信号　605

19.1.3　多径信道：远近效应和功率控制　607

19.1.4　多径信道：跟踪误差、RAKE接收机和干扰删除　608

19.1.5　干扰删除器建模：非线性多用户检测　610

19.1.6　近似(Approximations)　612

19.1.7　中断概率　612

19.2　Ad hoc网络容量　617

19.2.1　约定式网络　617

19.2.2　随机网络　618

19.2.3　约定式网络：传输容量上限　619

19.2.4　约定式网络：传输容量下限　622

19.2.5　随机式网络：吞吐量下限　623

19.3　信息论和网络结构　626

19.3.1　网络结构　626

19.3.2　可行速率向量的定义　627

19.3.3　传输容量　628

19.3.4　高衰减情况下容量上限(Upper bounds under high attenuation)　629

19.3.5　高衰减下多跳可行下限　630

19.3.6　低衰减情况(The low-attenuation regime)　631

19.3.7　高斯多中继信道　631

19.4　无线多跳Ad hoc 网络中的协作传输　632

19.4.1　传输策略和误差传播　635

19.4.2　OLA扩散算法(OLA flooding algorithm)　635

19.4.3　仿真环境　636

19.5　网络编码　638

19.5.1　**大流-**小割集定理(Max-flow min-cut theorem，MFMCT)　639

19.5.2　通过一个通用LCM达到**大流的界　640

19.5.3　与LCM关联的传输方案　642

19.5.4　无记忆通信网　643

19.5.5　有记忆网络　644

19.5.6　无环网络上通用LCM的创建(Construction of a generic LCM on an acyclic network)　644

19.5.7　时不变LCM和启发式构建(Time-invariant LCM and heuristic construction)　645

19.6　基于MIMO的无线网络容量　647

19.7　多点对一点传输的传感器网络容量　653

19.7.1　网络结构　654

19.7.2　容量结果　655

参考文献　657

第 20章　能效无线网络　661

20.1　能量效用函数　661

20.2　**小能量路由　663

20.3　**大化网络生存期　664

20.4　传感器网络中的能效媒体接入控制　668

参考文献　671

第 21章　服务质量(QoS)管理　675

21.1　盲QoS评测系统　675

21.2　WLAN中的QoS规范　678

21.2.1　基于竞争的多查询机制　678

21.2.2　查询效率　679

21.3　RLC/MAC层的动态调度　682

21.3.1　DSMC功能单元　683

21.3.2　计算高服务率　684

21.3.3　头块时延　687

21.3.4　干扰模型　687

21.3.5　新到达块的标准时延　688

21.3.6　会话中的高服务速率　688

21.4　基于OFDMA的宽带无线接入系统中的QoS　689

21.4.1　迭代解　692

21.4.2　**大化容量的资源分配　694

21.5　预测流量控制和QoS　695

参考文献　699