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。

前 言 如今，无线通信技术已经从第一代演进到第五代(5G)，无线通信技术发展的重点在于物理层性能的提升。不过，这种理念还有两点缺憾：第一，无线信道的网络容量远不如光纤网络的网络容量；第二，无线网络用户的移动性问题没有得到足够的重视。在密集型网络中，用户终端和接入点数量显著增加，第五代无线通信技术的无线接入链路变得越来越短，这将要求更频繁的切换，因此对连接的可靠性提出了更高的要求。 未来网络的很大一部分将用于处理人-物联网(IoTP)通信，在这种通信中，复杂的物理层解决方案并不能很好地处理相关的问题，并且人-物联网通信将使用简单的解决方案。由于上述原因，大多数学者都认为相对于无线接入技术，5G技术将更加关注无线网络技术。在5G关键技术的研究中，不同的领域侧重于不同的解决方案。微蜂窝技术、毫米波物理层、认知网络、大规模MIMO技术、多运营商网络管理中的频谱和基础设施共享、动态网络架构、用户确定性网络等都在5G通信中得到了应用。 这些网络的设计和分析使用了许多功能强大的数学分析工具，如凸优化、动态优化和随机优化、随机几何学、均场理论、匹配理论和博弈论，以及许多经济学/微观经济学中常见的数学分析工具。 本书提倡这样一个观点，在未来的无线网络中，上述技术将同时出现，并关注于以下三个主要原则。 1．设计同时包含部分或所有技术的异构网络。 2．复杂网络优化。 3．设计有效的商业模式，提升有限资源的利用率。 因此，这本书的副标题为：技术及商业模式。 这本书献给富有开拓性思维的研究人员、网络设计人员和管理者，他们终将实现未来的网络愿景。 Savo G. Glisic

目 录 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 带宽限制路由 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 传感器网络中的最佳传输半径 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 最佳网络架构 319 11.3.3 最优拓扑的动态跟踪 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 效用最优MAC协议/社交最优 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 最优控制策略 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 不完全BA模型 544 20.6 频谱共享和均场理论 547 20.6.1 使用均场理论的最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