自从2015年12月发行*版以来，本书在不到一年的时间里已经成功推广至全国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、电子科技大学等重点高校。在这近一年的时间里，作者也收到了来自多位专家、老师的反馈意见，其中大多是支持与认可，同时也包括一些宝贵的指正与建议。
作者从事移动互联网相关课程的授课已有10年，在这期间积累了丰富的教学经验。并在《电气电子教学学报》等教学类刊物上发表论文5篇，内容涉及移动互联网课程教学改革探索、理论教学方法研究和创新授课模式等多个方面。
此次再版，作者在结合各位专家老师反馈意见的基础上对原书内容进行了更新。删去了部分陈旧内容并增加了一些关于新兴移动互联网应用技术的介绍。
全书分为上下两篇。上篇介绍移动互联网的基础理论，下篇介绍移动互联网的相关实验。
第1～8章介绍移动通信基础知识。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。相较于*版，对当前无线通信网络的发展状况进行了更新，尤其是4G和5G的技术革新。
第9～14章介绍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、智能机器人网络、移动智能小车网络和四旋翼飞行器在无线网络中的应用。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。
第15～22章介绍了移动互联网的应用开发。包括安卓和iOS操作系统开发、图形码、网络经济学、移动互联网算法、工业化、游戏和其未来发展趋势。相较于*版，该部分添加了两个全新的章节: “iOS编程与开发”和“网络经济学”。其中，iOS平台作为苹果公司的移动端操作系统，与安卓平台一并成为目前应用*广泛、市场占有份额*大的两个主流操作系统，基于该平台的应用开发已经成为移动互联网人才非常重要的必备技能之一。在新增的“iOS编程与开发”一章中，详细介绍了iOS平台的基础架构、关键技术，并提供了数个具有代表性的例子供读者学习参阅。另外，新增的“网络经济学”章节阐述了移动互联网技术与经济学等其他学科的交叉融合。该部分内容主要涉及的是网络资源的调度与分配，并通过经济学的手段和方法分析问题，如无线频谱的分配、无线网络流量的定价等。
第23～29章介绍了几个具有代表性的移动互联网实验，主要涉及安卓平台和iOS平台的编程开发。相较于*版，删去了传统的NS2仿真实验，添加了两个iOS编程实验，在保证内容完整性的前提下尽可能使实验内容与当前移动互联网发展状况相一致。
另外，为了保证本书内容的精练，在新版中删去了一些陈旧内容以及边缘技术的介绍。
本书涉及多个专业方向，作者在准备和写作的过程中认真阅读了大量书籍和参考文献，请教了很多业界专家学者。本书第2版得到了多位专家、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！
王新兵2017年1月于上海交通大学
王新兵，博士，上海交通大学特聘教授，博士生导师，电子信息与电气工程学院副院长（2016-）,国家杰出青年基金获得者。深入研究无线网络性能分析与优化设计，针对随机无线网络，提出“移动多播”，解决了*优多播容量的问题，并研究了网络的连接性、覆盖性和认知性等一系列问题，揭示了大规模无线网络的时间、空间和频率关系。研究无线网络中频率、时间和空间的规律，从博弈，代数和几何学的角度揭示了其数学特征，为*优的网络资源分配提供了上紧界与下紧界。先后承担国家自然科学基金、重点，工信部重大专项，科技部国际合作基金，教育部霍英东基金，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杂志和会议等发表论100余篇。代表性学术文章有IEEE IPCCC“*论文奖”,网络研究的A类国际会议ACM MobiCOM 2012、2009,IEEE INFOCOM 2014等20余篇, IEEE汇刊长文(regular paper)50余篇，其中无线网络的A类国际期刊如IEEE/ACM Trans on Networking, IEEE Transactions on Mobile Computing，IEEE Transactions on Parallel and Distributed System等20余篇；Google Scholar引用统计超过4000次，H-index 32，入选爱思唯尔（ELSEVIER）发布的2014、2015、2016中国高被引学者榜单；同时担任多个领域内知名国际期刊的编委，包括中国计算机学会（CCF）A类期刊IEEE/ACM Transactions on Networking,IEEE Transactions on Mobile Computing。申请国家专利30余项（其中美国专利1项)，授权15项。研究获得多位美国，加拿大，印度科学院工程院院士的引用与评价，20余位IEEE、ACM，AAA Fellow的引用与评价。因此获得国家自然基金委杰出青年基金获得者(2013)，中国计算机学会青年科学家奖（2012），IEEE通信学会亚太区杰出论文奖（2014）,IEEE通信学会亚太区杰出青年研究者奖（2009），以及ACM 中国理事会副主席(2013-)等。
第3章chapter3
蜂窝系统原理本章将关注于蜂窝系统并主要讲解蜂窝通信的基础知识。在一个无线通信系统中，人们非常关注整个系统的用户容量（即整个无线网络所能支持的*大用户数量）。一种通信方案是使用大功率的天线覆盖整个网络，但是这并不是一个好的选择。本章介绍蜂窝网络使系统的容量增加的原理。
3.1蜂 窝 系 统
大多数商业广播电视系统的设计目标是尽可能多地扩大无线电覆盖面积。这些系统的设计者通常在国家有关部门所规定的*高位置架设天线并使用*大的功率去广播信号。因此，这一天线所用的频率在很大的距离范围内不能复用，不然两天线发射的信号可能造成干扰并影响信息传输的质量。两天线间间隔的面积可能远远大于它们所能覆盖的面积。
蜂窝系统采用的是一种截然不同的方法。它用小功率发射机在一个相对小的面积上高效地利用可供使用的频段。设计一个高效率蜂窝系统的关键是将每个可用频段的使用次数在一定区域内*大化。
蜂窝系统是被设计去控制多组低功率的无线电去覆盖整个服务区（见图31）。每组无线电为附近的移动设备服务。被每一组无线电服务的区域称为小区。每个小区有一定数量的低功率无线电用于小区内的通信。小区内无线电功率会足够大到满足小区内所有移动节点（包括在小区边缘节点）的通信。*初的系统只有较少的使用者，因此采用28km的小区半径。在之后的成熟系统中就采用了2km来使得频率复用率足够大。
图31蜂窝通信系统
随着系统流量的增加，系统加入了新的小区和信道。如有系统使用一种不合理的小区模式，这将使系统的频谱利用率变得很低，因为同信道之间的干扰会使得信道的复用变得艰难。另外，还会导致一种不经济的设备部署，需要一个小区接着另一个小区去重新部署。因此，每当系统进入建设阶段时，大量的工程量会被用在重新调整传输、切换和控制资源。利用规则的小区模式则可以消除这些困难。
在现实中，小区的覆盖面积是一个不规则的圆形。实际上的覆盖面积由地形以及其他一些因素来控制。为设计的目的并做一次的近似，我们认为覆盖的面积是一个正多边形。例如，一个常功率的全方向天线，它的覆盖面积将会是一个圆形。为了达到没有死角的全覆盖，需要一系列的正多边形来组成小区。任何正多边形，例如正三角形、正方形或是正六边形可以被用于小区设计。正六边形是一个常用的选择，这主要有两个原因: *个正六边形的布局会需要更少的小区数，同时这也意味着需要更少的天线；第二个正六边形的布局和其他形状比起来更经济实惠。在实际操作中，常常是在地图上画上一系列的正多边形后，利用传输模型计算不同的方向的信噪比SNR或是利用近似求解的计算机程序。在本章接下来的部分里，我们将假设正多边形是覆盖面积。
◆移动互联网导论(第2版)第◆3章蜂窝系统原理一个小区可以是由单个基站去提供服务，多个小区可组成区群。在蜂窝系统中，区群中各个基站都是以有线连接的方式连接至移动交换中心(MSC)。与基站相比，MSC有着更强的计算能力，具有更多的功能。因此，绝大多数通信操作都会由MSC去处理完成。
3.2移动性管理
虽然蜂窝的方法允许采用低功率发射机和频率复用来增大系统的容量，但是这些优点并不意味着是没有代价的。由于无线通信的显著特征是具有支持用户漫游的灵活性，而小的地理覆盖区域意味着移动用户需要常常从一个小区离开进入另一个小区。为了保持正在进行的通话的连续性，当移动台从当前服务基站的小区进入另一个覆盖区域时，该链路连接必须从当前服务基站切换到新基站。因此，必须采用一种有效且高效的切换机制来支持业务连续性，并保持端到端的QoS（服务质量）要求。执行和管理切换的过程称为切换管理。
蜂窝通信的原理如下: 移动主机（MH）被分配到一个家乡网络，并由一个地址进行区别，该地址称为家乡地址。在家乡网络中，一个称为家乡代理的代理机制跟踪MH的当前位置，以方便该MH的信息向目的地传递。随着MH远离其家乡网络，必须保持该MH与其家代理的联系，以便家乡代理能够跟踪MH的当前位置，从而达到传递信息的目的。在蜂窝通信中，跟踪用户的当前位置以保持MH与其他家乡代理之间的联系过程称为位置管理。
由于用户的移动性使得切换管理和位置管理成为必需，这些管理功能被认为是移动管理的两个组成部分。
3.2.1切换管理
在一次通话过程中，当移动台进入不同的小区时，本次通话就必须传递到一个属于新小区的新信道上，这一操作过程称为切换。切换操作包括新基站的识别以及在新基站支持数据和控制信号的信道分配。正如上面所提到的，MSC具有执行多种不同功能的计算能力，因此，切换操作通常由MSC负责完成。MSC跟踪器所管辖的所有小区的资源占用情况，当移动台在一次通话期间进入一个不同的小区时，MSC就会确定新小区中未被占用的可用信道，并做出是否转移链路的决策。如果新基站可以提供用于处理载有信号的信号与控制信号的信道，从而支持切换连接，就会发生切换，否则就不会发生切换。
3.2.2位置管理
如前所述，MH总是与一个家乡网络以及属于其家乡网络代理管理的家乡地址联系在一起。当MH离开其家乡网络时，就会进入一个称为外地网络的区域，此时，MH必须通过外地代理向其家乡代理进行注册，从而使家乡代理知道其当前位置，以方便消息传递。MH在开启时向其家乡代理进行注册，当它进入外地网络时，需要通过外地代理向其家乡代理进行注册，即家乡代理与外地代理之间是相互联系的，当家乡代理要向MH传递信息时，它会通过外地代理将该信息传给该MH。在注册过程中，家乡代理需要从外地代理所传递的身份鉴别信息中确认提交注册的移动主机确实属于其管辖范围。验证在注册过程中所提交的身份信息确实属于一个正确的MH的过程称为鉴权过程。
3.3区群和频率复用
相邻同信道小区之间的间隔区域可以设置采用不同频率段的其他小区，从而提供频率隔离。使用不同频率段的一组小区称为一个区群，设N为区群的大小，表示其所包含的小区数目。这样，区群中的各个小区就包含可用信道总数的1/N。从这个意义上讲，N也称为蜂窝系统的频率复用因子。
3.3.1通过频率复用扩大系统容量
假定为每个小区分配J个信道（J≤K），如果K个信道在Ｎ个小区进行分配，分成*的互不相交的不同信道，每组Ｊ个信道，则K=JN（31）总地来说，一个区群中的Ｎ个小区全部可用频率。由于Ｋ为可用信道总数，所以由式(31)可以看出,随着分配给每个小区的信道数J的增大，区群尺寸N会减少。因此，通过减少区群尺寸，就可以提高各个小区的容量。
区群可进行多次复制，从而形成整个蜂窝通信系统。设M为区群复制的次数，C为采用频率复用的整个蜂窝系统的信道总数，那么，C就是系统容量并且可以表示为C=MJN（32）如果N减少，J按比例增大以满足式（31），此时，为了覆盖相同的地理位置，就必须将更小的区群复制更多次数，这意味着M必须增大。由于JN（=K）保持恒定并且M增大，式（32）表明系统容量C随之增大，即当N*小化时，得到C*大化。稍后会知道*小化N将增大同信道干扰。
3.3.2频率复用下的小区规划
前面已经指出，本章的蜂窝通信的讨论是基于正六边形小区的二维排列链的。此时，寻找离特定小区*近的同信道相邻小区的规划如下所述。
确定*近的同信道相邻小区的规划。如下两个步骤可以用来确定*近的同信道小区的位置。
步骤1: 沿着任何一条六边形链移动i个小区。
步骤2: 逆时针旋转60°后再移动j个小区。
当i=3且j=2时，采用上述规则确定蜂窝系统中同信道小区位置的方法如图32所示,图中同信道小区为带有阴影的小区。
蜂窝网络中区群的概念和频率复用的思想如图33所示，图中具有相同编号的小区使用相同的频率段，这些同信道小区必须隔开一定的距离，使得同信道干扰在指定的QoS门限值以下，参数i与j是同信道小区之间*近的相邻小区个数的度量。区群尺寸N与i和j的关系可以用如下方程表示：N=i2+ij+j2（33）例如，在图33（b）中，i=1，j=2，因此，N=7。区群尺寸N=7时，由于各小区都包含可用信道总数的1/7，所以频率复用因子为7。
蜂窝系统的优点如下。
(1) 可以采用低功率发射机。
(2) 允许进行频率复用。
频率复用要求对小区结构进行规划，从而使得同信道干扰保持在一个可接受的水平。随着同信道小区之间距离的增大，同信道干扰就会减少。如果小区尺寸一定，则信图32确定蜂窝系统中同信道小区位置的示意图
图33区群
号功率与同信道干扰功率之比的平均值将独立于各个小区的发射功率。任何各个同信道小区之间的距离均可采用六边形小区的几何尺寸进行测量。
3.3.3六边形小区的几何结构
六边形小区阵列的几何阵列如图34所示，图中R为六边形小区的半径（从中心到顶点的距离）。一个六边形有6个等距离的相邻六边形。从图34可以看出，在分蜂窝阵列中，连接任何小区中心及其各相邻小区中心的直线之间的夹角为60°的整数倍。注意图34中60°角是指垂直直线与30°直线构成的夹角，这两条直线均连接六边形小区中心的直线。
图34*近的同信道小区之间的距离
在六边形区域中，*近的同信道小区之间的距离可以从图34所示的几何图形计算出来。为了表示方便，将所研究的小区称为候选小区。两个相邻六边形小区中心之间的距离为3R。设Dnorm为候选小区中心与*近的同信道小区之间的距离，它被两个相邻小区中心之间的距离3R进行了归一化。注意，两个相邻小区之间的归一化距离（i=1且j=0，或者i=0且j=1）为单位1，设D为相邻信道小区中心之间的实际距离，这样D就是Dnorm与R的函数。
由图34所示的几何图形，易得D2norm=j2cos230°+(i+jsin30°)2=i2+j2+ij（34）由式（34）和式（33）可得Dnorm=N由于两个相邻六边形小区中心之间的实际距离为3R。因此，候选小区中心与*近的同信道小区中心之间的实际距离为D=Dnorm×3R＝3NR(35)对于六边形小区而言，每个小区都有6个*近的同信道小区，同信道小区分层排列。通常，候选小区被第k层的6k个小区所包围，小区尺寸相同时，各层中的同信道小区都位于由该层同信道小区连接而成的六边形边界上。由于D是两个*近的同信道小区之间的半径，那么第k层的同信道小区连接而成的六边形的半径为kD。i=2且j=1时的频率复用方案中N=7，其前两层同信道小区如图35所示，由该图容易观察到，*层的半径为D，第二次的半径为2D。
图35N=7时的两层同信道干扰小区
3.3.4频率复用比
频率复用比q定义为q=DR(36)因为频率复用会导致同信道小区的出现，所以q也称为同信道复用比。
将式（35）代入式（36）中，得到频率复用比q与区群尺寸（或频率复用因子）N之间的关系为q=3N（37）由于q随着N的增大而增大，并且小的N值影响蜂窝系统容量的增大，同时同信道干扰也增大，因此，所选择的q或N应该使得信号与同信道干扰之比保持在可以接受的水平。几种频率复用方案以及相应的区群尺寸和频率复用比列于表31中，以便参考使用。表31频率复用比与区群尺寸
频率复用方案（i，j）区群尺寸N频率复用比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同信道与相邻信道干扰
在无线通信系统中，前向链路与反向链路所使用的信道在时间或在频率上进行分隔，从而允许双工通信。蜂窝系统所能够提供的信道数量是有限的，蜂窝系统的容量就是由这一可利用的信道总数给予定义的。系统容量作为可用信道总数的函数取决于可用信道的分配方式，特别地，如果*近的小区之间的间隔足以使得任意给定频率它们之间的干扰被控制在一个可接受电平之下，那么两个或多个不同的小区就可以采用相同的一段频率或无线信道。采用相同频率段的小区称为同信道小区，同信道小区之间的干扰称为同信道干扰。频率或信道均代表无线资源。
本节讨论蜂窝阵列中候选小区的性能。任一给定的基站可以提供处理许多移动用户业务的能力。基站接收机接收到的来自目标用户的信号通常受同一小区中其他移动台发射信号、背景噪声以及相邻小区中移动台发射信号的干扰的影响。假定上行链路的传输与下行链路的传输在时域（即时分双工）或在频率（即频分双工）存在适当的间隔，此时，来自另一条链路的传输干扰就可以忽略不计。基站接收机收到的来自相同小区中其他移动台的干扰称为小区内干扰，而来自其他小区的干扰则称为小区间干扰。影响各移动主机接收性能的下行链路的小区间干扰所导致的问题要比基站接收机处上行链路干扰所导致的问题严重得多。其原因可归结为基站接收机比各移动用户接收机更为复杂这一事实。
如果整个蜂窝系统中不同的小区使用不同的频率段，那么小区间干扰就会控制在*小水平，但是这时的系统容量又会受到限制；为扩大系统容量，必须采用频率复用。另一方面，频率复用后将引入来自采用相同频率段小区的同信道干扰，因此，需对频率复用进行仔细规划，从而使得同信道干扰保持在可接受的水平。
3.4.1同信道干扰
正如之前所说，无线信道是干扰受限的。除同信道干扰外，其他邻近小区不同于候选小区的频率运行，所以来自非同信道小区的干扰是*小的。于是，同信道干扰在小区间干扰中起主要作用，这样在评估系统性能时，需将来自同信道小区的干扰考虑进去。为了简化后续分析，我们仅考虑平均信道质量作为与距离有关的路径损耗的函数，而不考虑由传播阴影和多径衰落造成的信道统计特性的细节。
用符号S与I分别表示接收机解调器输出端的有用信号功率与同信道干扰功率，设Ni表示产生同信道干扰的小区数，Ii表示由第i个同信道小区基站的发射信号产生的干扰功率。那么，在移动台接收机处信号功率与同信道干扰功率之比（S/I）为SI=S∑Nii=1Ii正如之前所讨论的，任一点处的平均接收信号强度按照发射机之间距离的幂指数规律衰减。
设Di为第i个干扰源与移动台之间的距离，给定移动台接收到由第i个干扰小区产生的干扰与Di-k成正比，其中k为路径损耗指数。该路径损耗指数k通常由测量确定，在许多情况下，其取值范围是2≤k≤5。
除同信道干扰外，时刻存在背景噪声的影响。但是，在干扰起主要作用的环境中，可以忽略背景噪声。前面已经指出，有用接收信号功率S正比于r-k，其中，r为移动台与其所属服务站之间的距离。如果所有基站的发射功率相同，并且在整个地理覆盖区域内路径损耗指数相同，则来自第i个同信道小区的同信号干扰Ii，对所有i而言，仅取决于Di与k。典型移动台接收机处的S/I可以近似为SI=r-k∑Nii=1D-ki（38）同信道干扰的程度是移动台在其所属小区位置的函数。当移动台位于小区边界时（即r=R），由于有用信号功率*小，所以此时发生同信道干扰的*坏情况。由于蜂窝系统具有六边形的形状，因此在*层总存在6个同信道干扰小区，如果忽略来自第二层以及更高层的同信道干扰，则Ni=6，在r=R的情况下，利用Di≈D，i=1,2,…,Ni，有SI=(D/R)kNI=qkNI=(3N)kNI（39）于是，频率复用比可以表示为q=NI×SI1/k=6×SI1/k(310)当移动台位于小区边界时（此时r=R），会经历向前信道中同信道干扰的*坏情况。如果采用移动台与*层干扰基站之间距离的某种更好的近似，如图36所示，则由式（38）可知，S/I可以表示为SI=R-k2(D-R)-k+2D-k+2(D+R)-k（311）图36N=7时同信道干扰的*坏情况
由于D/R=q，当路径损耗指数k=4时，式（311）可以写为SI=12(q-1)-4+2q-4+2(q+1)-4虽然频率复用因子增大后（如从7增大到9）可以获得可接受的S/I，但N的增大却带来了系统容量的降低，因为9个小区复用时提供给各个小区的频率复用率为1/9，而7个小区复用时频率利用率为1/7。容量的下降可能是不允许的，从运营的角度讲，并不要求满足*坏情况，因为这种情况很少发生。*坏的情况会以一个很小但不为零的概率发生，从而在通话的某一间隔内造成性能低于规定水平。认识到这一事件后，设计人员通常希望找到*优的折中方案。
3.4.2邻信道干扰
邻信道干扰（ACI）是由于有用信号相邻的信号频率产生的。ACI主要是由于接收机滤波器不理想从而使邻近频率泄露到通带造成的。考虑两个使用相邻信道的移动用户的上行链路传输，其中一个用户距离基站非常近，另一个用户距离小区边界非常近，如果没有适当的传输功率控制，则来自距离基站近的移动台的接收功率远大于来自远处的移动台的接收功率，这种远近效应会大大增强接收信号对弱接收信号的ACI。为了降低ACI，应该:
（1） 采用带外辐射低的调制方式（例如，MSK优于QPSK，GMSK优于MSK）。
(2) 仔细设计接收机前端的带通滤波器。
（3） 通过将相邻信道分配给不同的小区，使用适当的信道交织。
（4） 如果区群尺寸足够大，就要避免在相邻小区中使用相邻信道，从而进一步降低ACI。
（5） 通过TDD或FDD适当地对上行链路与下行链路进行分隔。
3.5扩大系统容量的其他方法
正如之前所讨论的，通过频率复用可以扩大蜂窝系统的容量。采用如下两种方式进行小区规划和天线设计，同样能够提高系统容量。
(1) 小区分裂。
(2) 定向天线(天线扇区化)。
……
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