自從2015年12月發行*版以來，本書在不到一年的時間里已經成功推廣至全國100余所高校，其中包括清華大學、北京大學、國防科技大學、北京航空航天大學、西安電子科技大學、北京郵電大學、電子科技大學等重點高校。在這近一年的時間里，作者也收到了來自多位專家、老師的反饋意見，其中大多是支持與認可，同時也包括一些寶貴的指正與建議。
作者從事移動互聯網相關課程的授課已有10年，在這期間積累了豐富的教學經驗。并在《電氣電子教學學報》等教學類刊物上發表論文5篇，內容涉及移動互聯網課程教學改革探索、理論教學方法研究和創新授課模式等多個方面。
此次再版，作者在結合各位專家老師反饋意見的基礎上對原書內容進行了更新。刪去了部分陳舊內容并增加了一些關于新興移動互聯網應用技術的介紹。
全書分為上下兩篇。上篇介紹移動互聯網的基礎理論，下篇介紹移動互聯網的相關實驗。
第1～8章介紹移動通信基礎知識。包括無線通信網絡的理論基礎，蜂窩系統的發展，無線局域網標準與安全以及Ad hoc網絡。相較于*版，對當前無線通信網絡的發展狀況進行了更新，尤其是4G和5G的技術革新。
第9～14章介紹移動互聯網中的新興技術。包括傳感器網絡、物聯網、軟件定義網絡、智能機器人網絡、移動智能小車網絡和四旋翼飛行器在無線網絡中的應用。通過這些新興技術，讀者可以對移動互聯網有更深一步的理解，更好地把握網絡技術對于人類生產生活產生的巨大影響力。
第15～22章介紹了移動互聯網的應用開發。包括安卓和iOS操作系統開發、圖形碼、網絡經濟學、移動互聯網算法、工業化、游戲和其未來發展趨勢。相較于*版，該部分添加了兩個全新的章節: “iOS編程與開發”和“網絡經濟學”。其中，iOS平臺作為蘋果公司的移動端操作系統，與安卓平臺一并成為目前應用*廣泛、市場占有份額*大的兩個主流操作系統，基于該平臺的應用開發已經成為移動互聯網人才非常重要的必備技能之一。在新增的“iOS編程與開發”一章中，詳細介紹了iOS平臺的基礎架構、關鍵技術，并提供了數個具有代表性的例子供讀者學習參閱。另外，新增的“網絡經濟學”章節闡述了移動互聯網技術與經濟學等其他學科的交叉融合。該部分內容主要涉及的是網絡資源的調度與分配，并通過經濟學的手段和方法分析問題，如無線頻譜的分配、無線網絡流量的定價等。
第23～29章介紹了幾個具有代表性的移動互聯網實驗，主要涉及安卓平臺和iOS平臺的編程開發。相較于*版，刪去了傳統的NS2仿真實驗，添加了兩個iOS編程實驗，在保證內容完整性的前提下盡可能使實驗內容與當前移動互聯網發展狀況相一致。
另外，為了保證本書內容的精練，在新版中刪去了一些陳舊內容以及邊緣技術的介紹。
本書涉及多個專業方向，作者在準備和寫作的過程中認真閱讀了大量書籍和參考文獻，請教了很多業界專家學者。本書第2版得到了多位專家、老師和學生的支持與協助，在此向所有參與人員表示衷心的感謝！
王新兵2017年1月于上海交通大學
王新兵，博士，上海交通大學特聘教授，博士生導師，電子信息與電氣工程學院副院長（2016-）,國家杰出青年基金獲得者。深入研究無線網絡性能分析與優化設計，針對隨機無線網絡，提出“移動多播”，解決了*優多播容量的問題，并研究了網絡的連接性、覆蓋性和認知性等一系列問題，揭示了大規模無線網絡的時間、空間和頻率關系。研究無線網絡中頻率、時間和空間的規律，從博弈，代數和幾何學的角度揭示了其數學特征，為*優的網絡資源分配提供了上緊界與下緊界。先后承擔國家自然科學基金、重點，工信部重大專項，科技部國際合作基金，教育部霍英東基金，博士點、回國留學人員基金，上海市浦江人才、科技攻關重點項目等20余項。國外出版英文學術專著2部，在IEEE/ACM雜志和會議等發表論100余篇。代表性學術文章有IEEE IPCCC“*論文獎”,網絡研究的A類國際會議ACM MobiCOM 2012、2009,IEEE INFOCOM 2014等20余篇, IEEE匯刊長文(regular paper)50余篇，其中無線網絡的A類國際期刊如IEEE/ACM Trans on Networking, IEEE Transactions on Mobile Computing，IEEE Transactions on Parallel and Distributed System等20余篇；Google Scholar引用統計超過4000次，H-index 32，入選愛思唯爾（ELSEVIER）發布的2014、2015、2016中國高被引學者榜單；同時擔任多個領域內知名國際期刊的編委，包括中國計算機學會（CCF）A類期刊IEEE/ACM Transactions on Networking,IEEE Transactions on Mobile Computing。申請國家專利30余項（其中美國專利1項)，授權15項。研究獲得多位美國，加拿大，印度科學院工程院院士的引用與評價，20余位IEEE、ACM，AAA Fellow的引用與評價。因此獲得國家自然基金委杰出青年基金獲得者(2013)，中國計算機學會青年科學家獎（2012），IEEE通信學會亞太區杰出論文獎（2014）,IEEE通信學會亞太區杰出青年研究者獎（2009），以及ACM 中國理事會副主席(2013-)等。
第3章chapter3
蜂窩系統原理本章將關注于蜂窩系統并主要講解蜂窩通信的基礎知識。在一個無線通信系統中，人們非常關注整個系統的用戶容量（即整個無線網絡所能支持的*大用戶數量）。一種通信方案是使用大功率的天線覆蓋整個網絡，但是這并不是一個好的選擇。本章介紹蜂窩網絡使系統的容量增加的原理。
3.1蜂 窩 系 統
大多數商業廣播電視系統的設計目標是盡可能多地擴大無線電覆蓋面積。這些系統的設計者通常在國家有關部門所規定的*高位置架設天線并使用*大的功率去廣播信號。因此，這一天線所用的頻率在很大的距離范圍內不能復用，不然兩天線發射的信號可能造成干擾并影響信息傳輸的質量。兩天線間間隔的面積可能遠遠大于它們所能覆蓋的面積。
蜂窩系統采用的是一種截然不同的方法。它用小功率發射機在一個相對小的面積上高效地利用可供使用的頻段。設計一個高效率蜂窩系統的關鍵是將每個可用頻段的使用次數在一定區域內*大化。
蜂窩系統是被設計去控制多組低功率的無線電去覆蓋整個服務區（見圖31）。每組無線電為附近的移動設備服務。被每一組無線電服務的區域稱為小區。每個小區有一定數量的低功率無線電用于小區內的通信。小區內無線電功率會足夠大到滿足小區內所有移動節點（包括在小區邊緣節點）的通信。*初的系統只有較少的使用者，因此采用28km的小區半徑。在之后的成熟系統中就采用了2km來使得頻率復用率足夠大。
圖31蜂窩通信系統
隨著系統流量的增加，系統加入了新的小區和信道。如有系統使用一種不合理的小區模式，這將使系統的頻譜利用率變得很低，因為同信道之間的干擾會使得信道的復用變得艱難。另外，還會導致一種不經濟的設備部署，需要一個小區接著另一個小區去重新部署。因此，每當系統進入建設階段時，大量的工程量會被用在重新調整傳輸、切換和控制資源。利用規則的小區模式則可以消除這些困難。
在現實中，小區的覆蓋面積是一個不規則的圓形。實際上的覆蓋面積由地形以及其他一些因素來控制。為設計的目的并做一次的近似，我們認為覆蓋的面積是一個正多邊形。例如，一個常功率的全方向天線，它的覆蓋面積將會是一個圓形。為了達到沒有死角的全覆蓋，需要一系列的正多邊形來組成小區。任何正多邊形，例如正三角形、正方形或是正六邊形可以被用于小區設計。正六邊形是一個常用的選擇，這主要有兩個原因: *個正六邊形的布局會需要更少的小區數，同時這也意味著需要更少的天線；第二個正六邊形的布局和其他形狀比起來更經濟實惠。在實際操作中，常常是在地圖上畫上一系列的正多邊形后，利用傳輸模型計算不同的方向的信噪比SNR或是利用近似求解的計算機程序。在本章接下來的部分里，我們將假設正多邊形是覆蓋面積。
◆移動互聯網導論(第2版)第◆3章蜂窩系統原理一個小區可以是由單個基站去提供服務，多個小區可組成區群。在蜂窩系統中，區群中各個基站都是以有線連接的方式連接至移動交換中心(MSC)。與基站相比，MSC有著更強的計算能力，具有更多的功能。因此，絕大多數通信操作都會由MSC去處理完成。
3.2移動性管理
雖然蜂窩的方法允許采用低功率發射機和頻率復用來增大系統的容量，但是這些優點并不意味著是沒有代價的。由于無線通信的顯著特征是具有支持用戶漫游的靈活性，而小的地理覆蓋區域意味著移動用戶需要常常從一個小區離開進入另一個小區。為了保持正在進行的通話的連續性，當移動臺從當前服務基站的小區進入另一個覆蓋區域時，該鏈路連接必須從當前服務基站切換到新基站。因此，必須采用一種有效且高效的切換機制來支持業務連續性，并保持端到端的QoS（服務質量）要求。執行和管理切換的過程稱為切換管理。
蜂窩通信的原理如下: 移動主機（MH）被分配到一個家鄉網絡，并由一個地址進行區別，該地址稱為家鄉地址。在家鄉網絡中，一個稱為家鄉代理的代理機制跟蹤MH的當前位置，以方便該MH的信息向目的地傳遞。隨著MH遠離其家鄉網絡，必須保持該MH與其家代理的聯系，以便家鄉代理能夠跟蹤MH的當前位置，從而達到傳遞信息的目的。在蜂窩通信中，跟蹤用戶的當前位置以保持MH與其他家鄉代理之間的聯系過程稱為位置管理。
由于用戶的移動性使得切換管理和位置管理成為必需，這些管理功能被認為是移動管理的兩個組成部分。
3.2.1切換管理
在一次通話過程中，當移動臺進入不同的小區時，本次通話就必須傳遞到一個屬于新小區的新信道上，這一操作過程稱為切換。切換操作包括新基站的識別以及在新基站支持數據和控制信號的信道分配。正如上面所提到的，MSC具有執行多種不同功能的計算能力，因此，切換操作通常由MSC負責完成。MSC跟蹤器所管轄的所有小區的資源占用情況，當移動臺在一次通話期間進入一個不同的小區時，MSC就會確定新小區中未被占用的可用信道，并做出是否轉移鏈路的決策。如果新基站可以提供用于處理載有信號的信號與控制信號的信道，從而支持切換連接，就會發生切換，否則就不會發生切換。
3.2.2位置管理
如前所述，MH總是與一個家鄉網絡以及屬于其家鄉網絡代理管理的家鄉地址聯系在一起。當MH離開其家鄉網絡時，就會進入一個稱為外地網絡的區域，此時，MH必須通過外地代理向其家鄉代理進行注冊，從而使家鄉代理知道其當前位置，以方便消息傳遞。MH在開啟時向其家鄉代理進行注冊，當它進入外地網絡時，需要通過外地代理向其家鄉代理進行注冊，即家鄉代理與外地代理之間是相互聯系的，當家鄉代理要向MH傳遞信息時，它會通過外地代理將該信息傳給該MH。在注冊過程中，家鄉代理需要從外地代理所傳遞的身份鑒別信息中確認提交注冊的移動主機確實屬于其管轄范圍。驗證在注冊過程中所提交的身份信息確實屬于一個正確的MH的過程稱為鑒權過程。
3.3區群和頻率復用
相鄰同信道小區之間的間隔區域可以設置采用不同頻率段的其他小區，從而提供頻率隔離。使用不同頻率段的一組小區稱為一個區群，設N為區群的大小，表示其所包含的小區數目。這樣，區群中的各個小區就包含可用信道總數的1/N。從這個意義上講，N也稱為蜂窩系統的頻率復用因子。
3.3.1通過頻率復用擴大系統容量
假定為每個小區分配J個信道（J≤K），如果K個信道在Ｎ個小區進行分配，分成*的互不相交的不同信道，每組Ｊ個信道，則K=JN（31）總地來說，一個區群中的Ｎ個小區全部可用頻率。由于Ｋ為可用信道總數，所以由式(31)可以看出,隨著分配給每個小區的信道數J的增大，區群尺寸N會減少。因此，通過減少區群尺寸，就可以提高各個小區的容量。
區群可進行多次復制，從而形成整個蜂窩通信系統。設M為區群復制的次數，C為采用頻率復用的整個蜂窩系統的信道總數，那么，C就是系統容量并且可以表示為C=MJN（32）如果N減少，J按比例增大以滿足式（31），此時，為了覆蓋相同的地理位置，就必須將更小的區群復制更多次數，這意味著M必須增大。由于JN（=K）保持恒定并且M增大，式（32）表明系統容量C隨之增大，即當N*小化時，得到C*大化。稍后會知道*小化N將增大同信道干擾。
3.3.2頻率復用下的小區規劃
前面已經指出，本章的蜂窩通信的討論是基于正六邊形小區的二維排列鏈的。此時，尋找離特定小區*近的同信道相鄰小區的規劃如下所述。
確定*近的同信道相鄰小區的規劃。如下兩個步驟可以用來確定*近的同信道小區的位置。
步驟1: 沿著任何一條六邊形鏈移動i個小區。
步驟2: 逆時針旋轉60°后再移動j個小區。
當i=3且j=2時，采用上述規則確定蜂窩系統中同信道小區位置的方法如圖32所示,圖中同信道小區為帶有陰影的小區。
蜂窩網絡中區群的概念和頻率復用的思想如圖33所示，圖中具有相同編號的小區使用相同的頻率段，這些同信道小區必須隔開一定的距離，使得同信道干擾在指定的QoS門限值以下，參數i與j是同信道小區之間*近的相鄰小區個數的度量。區群尺寸N與i和j的關系可以用如下方程表示：N=i2+ij+j2（33）例如，在圖33（b）中，i=1，j=2，因此，N=7。區群尺寸N=7時，由于各小區都包含可用信道總數的1/7，所以頻率復用因子為7。
蜂窩系統的優點如下。
(1) 可以采用低功率發射機。
(2) 允許進行頻率復用。
頻率復用要求對小區結構進行規劃，從而使得同信道干擾保持在一個可接受的水平。隨著同信道小區之間距離的增大，同信道干擾就會減少。如果小區尺寸一定，則信圖32確定蜂窩系統中同信道小區位置的示意圖
圖33區群
號功率與同信道干擾功率之比的平均值將獨立于各個小區的發射功率。任何各個同信道小區之間的距離均可采用六邊形小區的幾何尺寸進行測量。
3.3.3六邊形小區的幾何結構
六邊形小區陣列的幾何陣列如圖34所示，圖中R為六邊形小區的半徑（從中心到頂點的距離）。一個六邊形有6個等距離的相鄰六邊形。從圖34可以看出，在分蜂窩陣列中，連接任何小區中心及其各相鄰小區中心的直線之間的夾角為60°的整數倍。注意圖34中60°角是指垂直直線與30°直線構成的夾角，這兩條直線均連接六邊形小區中心的直線。
圖34*近的同信道小區之間的距離
在六邊形區域中，*近的同信道小區之間的距離可以從圖34所示的幾何圖形計算出來。為了表示方便，將所研究的小區稱為候選小區。兩個相鄰六邊形小區中心之間的距離為3R。設Dnorm為候選小區中心與*近的同信道小區之間的距離，它被兩個相鄰小區中心之間的距離3R進行了歸一化。注意，兩個相鄰小區之間的歸一化距離（i=1且j=0，或者i=0且j=1）為單位1，設D為相鄰信道小區中心之間的實際距離，這樣D就是Dnorm與R的函數。
由圖34所示的幾何圖形，易得D2norm=j2cos230°+(i+jsin30°)2=i2+j2+ij（34）由式（34）和式（33）可得Dnorm=N由于兩個相鄰六邊形小區中心之間的實際距離為3R。因此，候選小區中心與*近的同信道小區中心之間的實際距離為D=Dnorm×3R＝3NR(35)對于六邊形小區而言，每個小區都有6個*近的同信道小區，同信道小區分層排列。通常，候選小區被第k層的6k個小區所包圍，小區尺寸相同時，各層中的同信道小區都位于由該層同信道小區連接而成的六邊形邊界上。由于D是兩個*近的同信道小區之間的半徑，那么第k層的同信道小區連接而成的六邊形的半徑為kD。i=2且j=1時的頻率復用方案中N=7，其前兩層同信道小區如圖35所示，由該圖容易觀察到，*層的半徑為D，第二次的半徑為2D。
圖35N=7時的兩層同信道干擾小區
3.3.4頻率復用比
頻率復用比q定義為q=DR(36)因為頻率復用會導致同信道小區的出現，所以q也稱為同信道復用比。
將式（35）代入式（36）中，得到頻率復用比q與區群尺寸（或頻率復用因子）N之間的關系為q=3N（37）由于q隨著N的增大而增大，并且小的N值影響蜂窩系統容量的增大，同時同信道干擾也增大，因此，所選擇的q或N應該使得信號與同信道干擾之比保持在可以接受的水平。幾種頻率復用方案以及相應的區群尺寸和頻率復用比列于表31中，以便參考使用。表31頻率復用比與區群尺寸
頻率復用方案（i，j）區群尺寸N頻率復用比q（1,0）33.00（2,0）43.46（2,1）74.58（3,0）95.20（2,2）126.00（3,1）136.24（3,2）197.55（4,1）217.94（3,3）279.00（4,2）289.17（4,3）3710.543.4同信道與相鄰信道干擾
在無線通信系統中，前向鏈路與反向鏈路所使用的信道在時間或在頻率上進行分隔，從而允許雙工通信。蜂窩系統所能夠提供的信道數量是有限的，蜂窩系統的容量就是由這一可利用的信道總數給予定義的。系統容量作為可用信道總數的函數取決于可用信道的分配方式，特別地，如果*近的小區之間的間隔足以使得任意給定頻率它們之間的干擾被控制在一個可接受電平之下，那么兩個或多個不同的小區就可以采用相同的一段頻率或無線信道。采用相同頻率段的小區稱為同信道小區，同信道小區之間的干擾稱為同信道干擾。頻率或信道均代表無線資源。
本節討論蜂窩陣列中候選小區的性能。任一給定的基站可以提供處理許多移動用戶業務的能力。基站接收機接收到的來自目標用戶的信號通常受同一小區中其他移動臺發射信號、背景噪聲以及相鄰小區中移動臺發射信號的干擾的影響。假定上行鏈路的傳輸與下行鏈路的傳輸在時域（即時分雙工）或在頻率（即頻分雙工）存在適當的間隔，此時，來自另一條鏈路的傳輸干擾就可以忽略不計。基站接收機收到的來自相同小區中其他移動臺的干擾稱為小區內干擾，而來自其他小區的干擾則稱為小區間干擾。影響各移動主機接收性能的下行鏈路的小區間干擾所導致的問題要比基站接收機處上行鏈路干擾所導致的問題嚴重得多。其原因可歸結為基站接收機比各移動用戶接收機更為復雜這一事實。
如果整個蜂窩系統中不同的小區使用不同的頻率段，那么小區間干擾就會控制在*小水平，但是這時的系統容量又會受到限制；為擴大系統容量，必須采用頻率復用。另一方面，頻率復用后將引入來自采用相同頻率段小區的同信道干擾，因此，需對頻率復用進行仔細規劃，從而使得同信道干擾保持在可接受的水平。
3.4.1同信道干擾
正如之前所說，無線信道是干擾受限的。除同信道干擾外，其他鄰近小區不同于候選小區的頻率運行，所以來自非同信道小區的干擾是*小的。于是，同信道干擾在小區間干擾中起主要作用，這樣在評估系統性能時，需將來自同信道小區的干擾考慮進去。為了簡化后續分析，我們僅考慮平均信道質量作為與距離有關的路徑損耗的函數，而不考慮由傳播陰影和多徑衰落造成的信道統計特性的細節。
用符號S與I分別表示接收機解調器輸出端的有用信號功率與同信道干擾功率，設Ni表示產生同信道干擾的小區數，Ii表示由第i個同信道小區基站的發射信號產生的干擾功率。那么，在移動臺接收機處信號功率與同信道干擾功率之比（S/I）為SI=S∑Nii=1Ii正如之前所討論的，任一點處的平均接收信號強度按照發射機之間距離的冪指數規律衰減。
設Di為第i個干擾源與移動臺之間的距離，給定移動臺接收到由第i個干擾小區產生的干擾與Di-k成正比，其中k為路徑損耗指數。該路徑損耗指數k通常由測量確定，在許多情況下，其取值范圍是2≤k≤5。
除同信道干擾外，時刻存在背景噪聲的影響。但是，在干擾起主要作用的環境中，可以忽略背景噪聲。前面已經指出，有用接收信號功率S正比于r-k，其中，r為移動臺與其所屬服務站之間的距離。如果所有基站的發射功率相同，并且在整個地理覆蓋區域內路徑損耗指數相同，則來自第i個同信道小區的同信號干擾Ii，對所有i而言，僅取決于Di與k。典型移動臺接收機處的S/I可以近似為SI=r-k∑Nii=1D-ki（38）同信道干擾的程度是移動臺在其所屬小區位置的函數。當移動臺位于小區邊界時（即r=R），由于有用信號功率*小，所以此時發生同信道干擾的*壞情況。由于蜂窩系統具有六邊形的形狀，因此在*層總存在6個同信道干擾小區，如果忽略來自第二層以及更高層的同信道干擾，則Ni=6，在r=R的情況下，利用Di≈D，i=1,2,…,Ni，有SI=(D/R)kNI=qkNI=(3N)kNI（39）于是，頻率復用比可以表示為q=NI×SI1/k=6×SI1/k(310)當移動臺位于小區邊界時（此時r=R），會經歷向前信道中同信道干擾的*壞情況。如果采用移動臺與*層干擾基站之間距離的某種更好的近似，如圖36所示，則由式（38）可知，S/I可以表示為SI=R-k2(D-R)-k+2D-k+2(D+R)-k（311）圖36N=7時同信道干擾的*壞情況
由于D/R=q，當路徑損耗指數k=4時，式（311）可以寫為SI=12(q-1)-4+2q-4+2(q+1)-4雖然頻率復用因子增大后（如從7增大到9）可以獲得可接受的S/I，但N的增大卻帶來了系統容量的降低，因為9個小區復用時提供給各個小區的頻率復用率為1/9，而7個小區復用時頻率利用率為1/7。容量的下降可能是不允許的，從運營的角度講，并不要求滿足*壞情況，因為這種情況很少發生。*壞的情況會以一個很小但不為零的概率發生，從而在通話的某一間隔內造成性能低于規定水平。認識到這一事件后，設計人員通常希望找到*優的折中方案。
3.4.2鄰信道干擾
鄰信道干擾（ACI）是由于有用信號相鄰的信號頻率產生的。ACI主要是由于接收機濾波器不理想從而使鄰近頻率泄露到通帶造成的。考慮兩個使用相鄰信道的移動用戶的上行鏈路傳輸，其中一個用戶距離基站非常近，另一個用戶距離小區邊界非常近，如果沒有適當的傳輸功率控制，則來自距離基站近的移動臺的接收功率遠大于來自遠處的移動臺的接收功率，這種遠近效應會大大增強接收信號對弱接收信號的ACI。為了降低ACI，應該:
（1） 采用帶外輻射低的調制方式（例如，MSK優于QPSK，GMSK優于MSK）。
(2) 仔細設計接收機前端的帶通濾波器。
（3） 通過將相鄰信道分配給不同的小區，使用適當的信道交織。
（4） 如果區群尺寸足夠大，就要避免在相鄰小區中使用相鄰信道，從而進一步降低ACI。
（5） 通過TDD或FDD適當地對上行鏈路與下行鏈路進行分隔。
3.5擴大系統容量的其他方法
正如之前所討論的，通過頻率復用可以擴大蜂窩系統的容量。采用如下兩種方式進行小區規劃和天線設計，同樣能夠提高系統容量。
(1) 小區分裂。
(2) 定向天線(天線扇區化)。
……
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