移动互联网导论(第4版）

前言Foreword

时光荏苒，本书于2015年12月发行第1版至今已六年有余。自发行以来，作者得到了来自全国众多高校授课教师、通信类专业学生的支持与认可。同时，本书已成功推广至全国100余所高校，其中包括清华大学、北京大学、国防科技大学、北京航空航天大学、西安电子科技大学、北京邮电大学、电子科技大学等全部C9、985重点高校。
本次再版，作者结合各位专家、老师与使用本书的学生们的反馈意见，对书中移动互联网基础理论与前沿技术部分都进行了全面更新与补充。删除了部分陈旧内容，增加了一些移动互联网下的新应用，如移动群智感知技术，以及移动互联网理论框架下的更多几何学理论介绍。同时，也对实验部分进行了修改，以适应当下的编程环境。
本书分为上下两篇。上篇(第1～23章)介绍了移动互联网的基础理论，下篇(第24～30章)介绍了移动互联网的相关实验。
第1～8章介绍了移动通信基础知识，包括无线通信网络的理论基础、蜂窝系统的发展、无线局域网标准与安全以及Ad hoc网络等。相较于第3版，该部分主要补充了5G技术的进展及相关安全问题与安全技术的发展。在“无线局域网与IEEE 802.11标准”章节，更新了IEEE 802.11ax协议的技术细节，并补充了对IEEE 802.11ay的简要介绍。
第9～15章介绍了移动互联网中的新兴技术，包括传感器网络、物联网、软件定义网络、比特币与区块链、智能机器人网络、移动群智感知和网络几何理论。通过这些新兴技术，读者可以对移动互联网有更深一步的理解，更好地把握网络技术对于人类生产、生活产生的巨大影响力。相较于第3版，该部分添加了“移动群智感知”和“网络几何理论”两章。其中，前者系统地介绍了移动群智感知技术的发展历程与多种应用场景；后者则对移动互联网下的网络度量与分析提供了许多理论工具。
第16～23章介绍了移动互联网的应用开发，包括网络经济学，图形码，移动互联网智能化和算法、工业设计、游戏与其未来发展趋势，以及Android和iOS操作系统开发。相较于第3版，该部分对大数据支持下的知识图谱和移动搜索技术，以及对移动互联网游戏领域的发展都进行了补充，并新增了新冠肺炎疫情对于移动互联网带来的机遇与挑战的展望与思考。
第24～30章介绍了几个具有代表性的移动互联网实验，主要涉及Android平台和iOS平台的编程与开发。
本书涉及了移动互联网体系下的多个专业方向，作者在准备和写作的过程中认真阅读了大量书籍与参考文献，请教了很多业界专家学者。在本书的编写过程中得到了多位专家、老师和学生的支持与协助，在此向所有参与人员表示衷心的感谢！

作者2021.11

本书全面、深入地介绍移动互联网的基础理论、新兴技术、应用开发等内容，在系统地讲解移动互联网发展历史与应用现状的同时，还介绍移动互联网未来的发展趋势。本书注重对网络领域前沿知识的涵盖和介绍，在讲解基础理论知识的同时，还引入比特币、区块链等新兴的移动互联网技术。 本书可作为高等学校计算机专业、通信工程专业、电子与信息专业以及其他相近专业本科生的教科书，也可作为移动互联网技术人员的参考书。

本书全面、深入地介绍移动互联网的基础理论、新兴技术、应用开发等内容，在系统地讲解移动互联网发展历史与应用现状的同时，还介绍移动互联网未来的发展趋势。本书注重对网络领域前沿知识的涵盖和介绍，在讲解基础理论知识的同时，还引入比特币、区块链等新兴的移动互联网技术。 本书可作为高等学校计算机专业、通信工程专业、电子与信息专业以及其他相近专业本科生的教科书，也可作为移动互联网技术人员的参考书。

傅洛伊，上海交通大学计算机科学与工程系副教授。长期担任本科生核心课程《数据结构》、《电类工程导论（B类）》、《移动互联网》等多项教学工作。国家优秀青年科学基金获得者，主持国家重点研发计划项目课题1项和国家自然科学基金国际合作与交流项目1项，并长期致力于从事物联网传输优化、图与网络、数据挖掘及知识图谱等领域的基础理论和关键技术方面的研究。
王新兵 博士，上海交通大学特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。主要从事无线网络性能分析与优化设计、网络拓扑建模分析与大数据挖掘等方面研究工作；主持撰写了《基于条形码实验的教研结合》一文并发表于IEEE Communications Magazine期刊；先后承担国家自然科学基金，工信部重大专项，科技部国际合作基金，*霍英东基金，博士点、回国留学人员基金，上海市浦江人才、科技攻关重点项目等20余项；国外出版英文学术专著2部，在IEEE/ACM杂志和会议发表论文100余篇；主讲《无线通信原理与应用》、《移动无线网络》、《随机过程与排队论》等多项本科生与研究生课程。

目录Contents

上篇基 础 理 论
第1章无线通信网络概述3
1.1无线通信网络的历史与发展4
1.2无线通信网络的主要特点5
1.3无线通信网络的基础技术6
1.4无线通信网络的新兴技术7
1.5移动互联网渗透7
习题7
参考文献7
第2章无线电的传播9
2.1有线介质与无线介质9
2.2无线电的传播机制12
2.3天线与天线增益13
2.4路径损耗模型16
2.5多径效应与多普勒效应21
习题23
参考文献23
第3章蜂窝系统原理24
3.1蜂窝系统24
3.2移动性管理25
3.2.1切换管理26
3.2.2位置管理26◆移动互联网导论(第4版)目录
3.3区群和频率复用26
3.3.1通过频率复用扩大系统容量27
3.3.2频率复用下的小区规划27
3.3.3六边形小区的几何结构29
3.3.4频率复用比30
3.4同信道与邻信道干扰31
3.4.1同信道干扰32
3.4.2邻信道干扰33
3.5扩大系统容量的其他方法34
3.5.1小区分裂34
3.5.2定向天线（天线扇区化）35
3.6信道分配策略36
习题37
参考文献37
第4章3G、4G和5G38
4.13G38
4.1.1技术起源38
4.1.2标准参数39
4.1.3应用领域42
4.24G43
4.2.1技术层面44
4.2.24G概念44
4.2.3系统网络结构45
4.2.4关键技术45
4.2.54G国际标准45
4.2.6性能48
4.35G49
4.3.15G概念49
4.3.25G系统与网络架构49
4.3.45G关键技术50
4.3.55G应用场景50
4.3.65G标准制定51
习题52
参考文献52
第5章移动IP53
5.1移动IP概述53
5.1.1移动IP的出现背景53
5.1.2移动IP设计目标及设计要求53
5.1.3移动IP的发展历史54
5.2移动IP算法55
5.2.1基本术语55
5.2.2移动IP的基本操作原理55
5.2.3移动IP的工作过程56
5.2.4移动IP存在的问题65
5.3移动IPv666
5.3.1移动IPv6操作66
5.3.2移动IPv6与移动IPv4的区别68
习题69
参考文献69
人物介绍——互联网之父Vinton G. Cerf71
第6章无线局域网与IEEE 802.11标准72
6.1无线局域网的构成72
6.2无线局域网的拓扑结构73
6.3IEEE 802.11标准家族74
6.3.1IEEE 802.1174
6.3.2IEEE 802.11b75
6.3.3IEEE 802.11a75
6.3.4IEEE 802.11g76
6.3.5IEEE 802.11n76
6.3.6IEEE 802.11ac78
6.3.7IEEE 802.11ad79
6.3.8IEEE 802.11aa80
6.3.9IEEE 802.11af81
6.3.10IEEE 802.11ax82
6.3.11IEEE 802.11ay85
习题86
参考文献86
第7章无线移动互联网安全88
7.1概述88
7.2无线局域网的安全威胁和安全机制89
7.2.1安全威胁89
7.2.2WEP加密机制89
7.2.3WEP认证机制91
7.2.4IEEE 802.1X认证机制93
7.2.5WAPI协议95
7.2.6IEEE 802.11i TKIP和CCMP97
7.3移动网络的安全问题与安全技术100
7.3.1移动网络的安全问题100
7.3.2移动终端和移动应用的安全问题105
习题108
参考文献108
第8章Ad hoc网络109
8.1Ad hoc网络概述109
8.1.1Ad hoc网络产生背景109
8.1.2Ad hoc网络发展历史109
8.1.3Ad hoc网络定义110
8.1.4Ad hoc网络特点110
8.1.5Ad hoc网络的应用112
8.1.6Ad hoc网络面临的问题112
8.2Ad hoc网络的体系结构113
8.2.1Ad hoc网络的节点结构113
8.2.2Ad hoc网络的拓扑结构114
8.2.3Ad hoc网络协议栈简介115
8.2.4Ad hoc网络的跨层设计116
8.3Ad hoc网络的关键性技术117
8.3.1隐藏终端和暴露终端118
8.3.2Ad hoc网络路由协议122
8.4Ad hoc的服务质量和安全问题132
8.4.1服务质量的概念132
8.4.2跨层模型132
8.4.3Ad hoc网络中的安全问题133
习题136
参考文献136
人物介绍——无线网络专家Dina Katabi教授137
第9章传感器网络138
9.1传感器网络概述138
9.2无线传感器网络139
9.2.1IEEE 1451与智能传感器139
9.2.2无线传感器网络体系结构141
9.3无线传感器网络的应用143
9.3.1军事应用143
9.3.2医疗卫生应用144
9.3.3环境及农业应用145
9.3.4智能家居应用146
9.3.5其他应用146
9.4无线传感器网络系统147
习题148
参考文献148
人物介绍——图灵奖得主Edmund M. Clarke教授149
第10章物联网150
10.1物联网综述150
10.1.1物联网的历史150
10.1.2物联网的发展近况151
10.1.3物联网的应用152
10.2超宽带无线通信技术155
10.2.1超宽带无线通信技术的历史156
10.2.2超宽带无线通信技术的特点157
10.2.3超宽带无线通信技术的应用158
10.3软件定义的无线电159
10.3.1软件定义的无线电的历史160
10.3.2软件定义的无线电的特点162
10.3.3软件定义的无线电的应用162
10.3.4软件定义的无线电的发展前景163
10.4射频识别163
10.4.1射频识别的历史164
10.4.2射频识别的特点165
10.4.3射频识别的应用166
10.5低功耗蓝牙无线技术167
10.5.1低功耗蓝牙无线技术的历史167
10.5.2低功耗蓝牙无线技术的特点168
10.5.3低功耗蓝牙无线技术的应用168
10.6人体域网169
10.6.1人体域网的历史169
10.6.2人体域网的应用170
10.7认知无线电170
10.7.1认知无线电的历史171
10.7.2认知无线电的特点172
10.7.3认知无线电的应用172
习题175
参考文献175
人物介绍——ACM/IEEE Fellow刘云浩教授177
第11章软件定义网络178
11.1网络发展概述178
11.1.1计算机网络发展现状178
11.1.2计算机网络发展面临的问题179
11.1.3云计算网络180
11.2软件定义网络概述181
11.2.1软件定义网络的发展181
11.2.2软件定义网络的定义182
11.2.3软件定义网络的优势183
11.3软件定义网络关键技术184
11.3.1OpenFlow概述185
11.3.2VXLAN概述187
11.3.3其他关键技术190
11.4软件定义网络标准现状192
11.4.1标准化组织192
11.4.2开源项目193
习题193
第12章比特币与区块链194
12.1比特币概述194
12.1.1比特币的诞生194
12.1.2比特币的发展195
12.2比特币的原理196
12.2.1比特币钱包197
12.2.2比特币交易过程197
12.2.3比特币挖矿过程199
12.3比特币的困难和挑战202
12.4区块链简介202
12.4.1区块链的核心——去中心化203
12.4.2区块链的技术原理204
12.4.3区块链技术与数字货币206
12.4.4区块链的应用与挑战207
12.5比特币网络中的研究问题210
12.5.1比特币网络中的信息传播210
12.5.2比特币网络中交易信息的回溯212
习题216
参考文献216
第13章智能机器人网络218
13.1智能机器人平台218
13.1.1NAO人形机器人218
13.1.2H20系列人形机器人222
13.1.3我国机器人现状223
13.2网络模块225
13.2.1WiFi225
13.2.2ZigBee227
13.3相关拓展231
13.3.1分布式系统与算法231
13.3.2人工智能232
13.3.3机器学习234
习题237
参考文献237
人物介绍——人工智能专家Judea Pearl教授238
第14章移动群智感知239
14.1移动群智感知概述239
14.2群智感知网络数据收集241
14.2.1任务分配241
14.2.2激励机制242
14.3感知采集压缩243
14.3.1压缩感知基本原理244
14.3.2信号的稀疏表示244
14.3.3测量矩阵245
14.3.4重构算法246
14.3.5小结246
14.4移动情境感知246
14.4.1情境感知系统246
14.4.2情境信息的组成和分类247
14.4.3移动情境感知的应用研究247
14.5数据传输与信息传播248
14.6安全与隐私保护250
习题252
参考文献252
人物介绍——图灵奖得主Les Valiant教授253
第15章网络几何理论254
15.1时空自由度254
15.1.1时空自由度的参数定义254
15.1.2时空自由度相关工作255
15.2复杂性自由度256
15.2.1多播生成树分析: 从复杂性角度建树256
15.2.2在网络计算中: 信息流的复杂性关系257
15.3刻画网络模型的常用工具258
15.3.1网络中心性258
15.3.2网络形状259
15.3.3节点位置分布260
15.3.4运动模型261
15.3.5传输结构刻画261
15.3.6网络事件刻画261
15.4分析计算的常用工具262
15.4.1概率近似262
15.4.2上下界逼近262
15.4.3数量阶263
15.4.4运算处理264
15.4.5其他常用定理265
15.5数学证明常用思想及历史人物贡献268
15.5.1数学证明常用思想268
15.5.2历史上代表性数学人物及其贡献268
习题271
参考文献272
第16章网络经济学273
16.1博弈论273
16.1.1完全信息静态博弈273
16.1.2完全信息动态博弈278
16.1.3不完全信息静态博弈279
16.1.4不完全信息动态博弈282
16.2拍卖机制283
16.2.1拍卖的要素284
16.2.2拍卖的分类285
16.2.3VCG拍卖289
16.2.4全支付拍卖290
16.3契约理论291
16.3.1契约要素291
16.3.2契约模型291
16.3.3契约可行性293
16.3.4契约理论应用293
16.3.5契约理论小结295
16.4市场理论295
16.4.1市场均衡295
16.4.2用户行为分析297
16.4.3厂家行为分析298
16.5谈判理论299
16.5.1谈判理论的发展历史及分类300
16.5.2纳什谈判理论300
16.5.3纳什谈判理论在无线网络中的应用302
习题303
参考文献304
第17章图形码306
17.1一维条形码306
17.1.1一维条形码的分类307
17.1.2一维条形码的应用308
17.2QR码309
17.2.1二维码的诞生309
17.2.2QR码的公开及其普及310
17.2.3QR码标准及其进化310
17.2.4QR码的优点311
17.2.5QR码的符号结构311
17.2.6QR码的特征311
17.2.7版本和规格312
17.2.8QR码的应用313
17.3其他二维码315
17.3.1Data Matrix码315
17.3.2PDF417码316
17.3.3Aztec码317
17.3.4MaxiCode317
17.3.5EZcode318
17.4高维码318
17.4.1HCCB318
17.4.2COBRA318
习题320
第18章移动互联网智能化和算法321
18.1智能移动互联网322
18.1.1移动社交网络322
18.1.2基于大规模视频流的实时分析与处理323
18.1.3智慧城市323
18.1.4医疗图像分析系统324
18.1.5互联网金融大数据324
18.2众筹网络324
18.2.1资源调度方案325
18.2.2网络节点激励机制325
18.2.3众筹网络安全机制325
18.3移动互联网的计算325
18.3.1大数据分析——强大的工具325
18.3.2分布式计算327
18.4大数据知识图谱328
18.4.1知识表示328
18.4.2知识抽取328
18.5移动搜索系统329
18.6两个实例329
18.6.1朋友关系预测329
18.6.2车载互联网路由优化329
习题331
参考文献331
第19章移动互联网的工业设计332
19.1移动互联网的产品332
19.1.1产品分类332
19.1.2产品特点335
19.2移动互联网产品的设计和研发335
19.2.1移动互联网产品用户的特点336
19.2.2移动互联网产品的设计原则336
19.2.3移动互联网产品的设计要素337
19.2.4与传统产品设计的不同点337
习题338
参考文献338
人物介绍——苹果公司创始人乔布斯340
第20章移动互联网游戏342
20.1移动互联网游戏产业链342
20.2移动互联网游戏类型343
20.3移动互联网游戏发展史与经典游戏344
20.4移动互联网游戏的发展前景347
20.5移动互联网游戏公司miHoYo348
习题349
参考文献350
第21章互联网的未来及影响351
21.1互联网带来的行业变革351
21.2互联网金融： 数字化时代的金融变革360
21.2.1互联网金融与金融互联网360
21.2.2互联网金融的新模式361
21.3互联网对传统教育的挑战363
21.3.1互联网对传统教育的影响364
21.3.2因特网对