作者：刘千里,魏子忠,陈量,田永春,于全
出版社：通信图书编辑部
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
移动互联网异构接入与融合控制试读：
前言
1969年，ARPANET诞生，催生人类历史上继蒸汽技术革命、电力技术革命以来，又一次影响全人类的伟大革命。经过几十年发展，互联网（Internet）为全球经济发展、技术创新和日常生活带来了革命性的影响。而移动通信作为通信技术领域发展最快的一个分支，应用越来越普及，成为人们日常生活的必需品。近年来，移动通信和互联网相互融合，形成移动互联网，催生了前所未有的产业革命、技术革新和应用创新，全面改变了人类的生活方式，成为社会生产生活中不可或缺的信息平台。
移动互联网依托各类不同频段、不同制式和组网协议的异构无线网络，将人们从桌面固定式机器前面解放出来，为人类提供了前所未有的便利。与此同时，也带来了通信手段、接入网络、核心网络、终端、业务以及运营商的异构性问题。目前，存在众多的无线网络技术，如小范围通信覆盖的WLAN、ZigBee、蓝牙等，大地域范围覆盖的2G、3G、4G移动通信系统和卫星通信、空基平台通信等，中等覆盖范围的WiMAX、WMAN和移动自组织网络等。如何有效利用这些特性不一、能力差别巨大的异构无线网络，为用户提供统一、可靠、体验良好的通信服务，实现在任何地方自由地进行通信这一美好理想，是业界广大从业人员不懈追求的目标。
作为基础和“底座”，移动互联网网络对于移动互联网的蓬勃发展至关重要，本书力图对网络技术进行较全面的剖析和介绍。主要内容安排如下：第1章从互联网、无线移动通信的起源与发展，谈到移动互联网的兴起，落脚到移动互联网网络的发展趋势和关键技术；第2章在分析电信网和互联网领域网络体系结构发展的基础上，分析提出移动互联网网络的主要特征、发展趋势和参考模型；第 3章以无线接入网络为主题，对蜂窝移动通信系统、无线局域网、无线个域网、移动自组织网络、无线传感器网络和认知网络等进行全面介绍；第4章重点介绍移动互联网中新兴的网络控制技术，包括SDN、NFV、网络虚拟化、云计算平台、基于应用的网络控制技术以及4G移动网络控制等；第5章介绍移动互联网从链路层到应用层对应的移动性管理技术，包括链路层垂直切换、网络层移动IPv6扩展技术和名址分离、运营商支持的用户移动模式、应用层移动业务支撑、移动定位及LBS等技术；第6章介绍服务质量保障技术，建立移动互联网的QoS保障框架，从网络分层和跨层角度阐述相应的服务质量保障技术，并提出移动互联网异构网络环境下的跨层QoS保障体系；第7章介绍移动互联网的网络融合管理技术，对网络管理体系架构、无线资源管理、接入策略管理、端到端重配置技术和融合业务管理等进行全面介绍；第8章对全书内容进行总结，并对移动互联网异构网络融合的未来发展进行展望。
本书是作者在总结多年无线网络科研工作的经验与成果，并且广泛学习吸收国内外无线网络领域相关成果的基础上编写成稿。本书不追求技术的面面俱到，但求综述网络技术领域的全面发展情况，呈现当前技术的最新研究成果。
中国工程院于全院士负责本书的整体筹划与审稿，刘千里高工编写了第1～3章，陈量高工编写了第4、5章，魏子忠高工编写了第6～8章，田永春研究员编写了第2、5、6章的部分内容。中国电科第54研究所石振芳研究员、王宏宇高工，中国电科第30研究所谢烨高工、刘杰博士，北京邮电大学刘尚博士等参与了资料的收集和部分章节内容的编写，中国电子系统工程公司研究所向东蕾高工、汪李峰高工、王晓东博士、魏胜群博士等同志在书稿写作过程中给予了大量支持和帮助，在此一并表示衷心的感谢！
移动互联网网络技术所涉及的范围较广，同时也是一个前沿研究领域，技术发展迅猛，加之由于笔者理论水平和研究的局限性，书中难免有疏漏乃至错误之处，作为抛砖引玉之作，敬请读者对本书提出宝贵的意见和建议，以利于作者不断改进，并对推进该领域的研究和发展尽绵薄之力。作者2015年5月第1章引言近几年，全球范围内掀起了一轮又一轮的移动互联网（Mobile Internet）热潮，智能手机、支付宝、微信、“互联网+”扑面而来，融入人们的生活；苹果、脸谱（Facebook）、谷歌（Google）、阿里巴巴、百度、腾讯、小米等国际巨头崛起，刮起了一阵阵改变人类生产、生活的科技革命旋风。移动互联网，[1,2]已经成为人类社会生产、生活中不可或缺的信息平台，发展前景十分广阔。作为基础和“底座”，网络是移动互联网不断蓬勃发展的前提。网络强，移动互联网弱不了；网络弱，移动互联网强不了。正是因为网络的极度重要性，网络一直是业界关注的重点技术领域，也是本书的主要议题。本章首先概要介绍互联网的起源与几十年来的发展情况，对无线移动通信的发展也进行了回顾，然后介绍两者结合导致了移动互联网的兴起，并进一步引出移动互联网络的发展趋势和关键技术领域，最后简要介绍全书的内容和章节安排。1.1互联网的起源与发展
人类进入文明社会以来，经历了三次工业革命。第一次工业革命又叫产业革命，18世纪60年代首先发生在英国，是指资本主义由工场手工业过渡到大机器生产，在生产领域和社会关系上引起了根本性[3]变化，其标志是蒸汽机的广泛应用，因此也称为蒸汽技术革命；第二次工业革命，自19世纪70年代开始，几乎同时发生在德国、美国、英国、法国等国家，出现了新兴工业，如电力工业、化学工业、石油工业和汽车工业等，推动了生产力的迅猛发展，其最显著的标志[4]是电器的广泛应用，因此也称为电力技术革命；第三次工业革命，是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃，自20世纪40年代以来，以美国、苏联为首的国家引领了科学技术的发展，这是一次以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控[5]制技术革命。
第三次工业革命的重大突破之一是电子计算机技术的发明和利用，逐步推动了互联网的产生和发展。有人认为，互联网是第三次工业革命的重大发明之一，也有观点认为，第三次工业革命就是“互联网+行业”。不管怎么说，互联网这一举世瞩目的重大技术发明，通过改变人的思维方式、人的生活方式、人与人之间的关系，重新构建了社会生活和商业规则，目前仍在以迅猛的速度推动着人类社会的发展进步。1.1.1 互联网的起源
1957年，前苏联发射第一颗人造地球卫星Sputnik。作为对重大历史事件的直接反应以及由前苏联的卫星技术潜在的军事用途所导致的恐惧，美国国防部组建了高级研究项目局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）。当时，美国国防部为了保证美国本土防卫力量和海外防御武装在受到前苏联第一次核打击以后仍然具有一定的生存和反击能力，认为有必要设计出一种分散的指挥系统，它由多个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后，其他点仍能正常工作，并且这些点之间，能够绕过那些已被摧毁的指挥点而继续保持联系。
为了对这一构思进行验证，1969年美国国防部委托开发[6,7]ARPANET（ARPA Network），进行联网研究。同年，美军在ARPA制定的协定下将美国加利福尼亚大学、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学和犹他州大学的4台主要计算机连接起来，连接方式非常简单，如图1-1所示。这个协定由剑桥大学的BBN和MA 执行，在 1969年12月开始联机，当时的网络传输能力只有50kBit/s。其目的就是重新树立美国在军事科技应用开发方面的领导地位，从互联网的诞生历程可以发现，促使互联网最初起源的推动力是冷战时期的军备角力思维。
从1970年开始，加入ARPANET的节点数不断增加。当时ARPANET使用的协议是NCP（Network Control Protocol，网络控制协议），它允许计算机相互交流。最初的NCP下ARPANET上连接了15个节点共23台主机。图1-1 最初的ARPANET连接方式
1972年，ARPANET的网络节点数已经达到40个，这40个节点彼此之间可以发送小文本文件（当时称这种文件为电子邮件，也就是现在的E-mail）以及利用文件传输协议发送大文本文件，包括数据文件（即现在Internet中的FTP），同时也发现了通过把一台电脑模拟成另一台电脑的终端，远程使用该电脑资源的方法，这种方法被称为Telnet。由此可见，E-mail、FTP和Telnet是Internet上较早出现的重要工具，特别是E-mail，仍然是目前Internet上最主要的应用。但在NCP下，目的地之外的网络和计算机不分配地址，限制了未来增长的机会。无论如何，ARPANET成了第一个简单的、纯文字系统的Internet。
随后，ARPANET以平均每20天就增加一个节点的速度发展，图1-2是1977年的网络拓扑图。
互联网节点和链路的爆发式增长，导致随后的网络拓扑难以用简单、清晰的拓扑图来表示网络的连接。为此，很多研究机构专门开展互联网的拓扑探测和研究工作。图1-3是AT&T公司在2007年8月绘制[8]的互联网骨干网络拓扑结构图，可以看到，经过多年的发展，互联网已经长成一张巨型蜘蛛网。1.1.2 互联网的发展演进[9]
互联网诞生后，经历了脱胎换骨式的发展演进过程，以TCP/IP、NSFNET、WWW、IPv6 以及下一代互联网等为代表的里程碑式的重大事件，标志着互联网的滚动式发展、螺旋式上升，特别是近20年，以势不可挡之势迅速在全球广泛普及，已经成为人类生产、生活的必需品。图1-2 1977年3月的ARPANET拓扑图1-3 2007年8月AT&T公司绘制的互联网骨干网络拓扑
1.TCP/IP协议的产生
由于最初的通信协议对于节点以及用户机数量的限制，建立一种能保证计算机之间进行通信的标准规范（即通信协议）显得尤为重要。1973年，美国国防部也开始研究如何实现各种不同网络之间的互联问题。作为Internet的早期骨干网，ARPANET的试验奠定了Internet存在和发展的基础，ARPANET在技术上的另一个重大贡献是TCP/IP（传输控制协议/网际协议）协议簇的开发和利用，图1-4表示的是TCP/IP协议体系。1972年Robert E.Kahn（罗伯特·卡恩）来到[10ARPA，并提出了开放式网络框架，进而出现了大家熟知的TCP/IP～13]。1983年1月1日，所有连入ARPANET的主机实现了从NCP向TCP/IP协议的转换。为了将这些网络连接起来，美国人Vinton Cerf（温顿·瑟夫）提出一个想法：在每个网络内部各自使用自己的通信协议，在和其他网络通信时使用TCP/IP协议。这个设想最终导致了Internet的诞生，并确立了TCP/IP协议在网络互联方面不可动摇的地位，基于TCP/IP协议的公网发展推动了互联网的发展。
2.Internet的基础——NSFNET
Internet的第一次快速发展源于美国国家科学基金会（National [14]Science Foundation，NSF）的介入，即建立NSFNET。
1984年，NSF决定组建NSFNET。通过56kBit/s的通信线路将美国6个超级计算机中心连接起来，实现资源共享。NSFNET采取的是一种具有三级层次结构的广域网络，整个网络系统由主干网、地区网和校园网组成。各大学的主机可连接到本校的校园网，校园网可就近连接到地区网，每个地区网又连接到主干网，主干网再通过高速通信线路与ARPANET连接。这样一来，学校中的任一主机可以通过NSFNET来访问任何一个超级计算机中心，实现用户之间的信息交换。后来，NSFNET所覆盖的范围逐渐扩大到全美的大学和科研机构，NSFNET和ARPANET就是美国乃至世界Internet的基础。图1-4 TCP/IP协议体系
随着NSFNET的广泛流行，NSF不断升级它的骨干网络。1990年，NSFNET代替了原来的慢速ARPANET，成为互联网的骨干网络，图1-5是1992年的NSFNET骨干网，骨干网速率达到45MBit/s。而ARPANET在1989年被关闭，在1990年正式退役。
Internet的扩张不仅带来量的改变，同时也带来某些质的变化。由于多种学术团体、企业研究机构，甚至个人用户的进入，Internet的使用者不再限于纯计算机专业人员。新的使用者发现计算机相互间的通信对他们来讲更有吸引力。于是，他们逐步把Internet当作一种交流与通信的工具，而不仅是共享NSF巨型计算机的运算能力。NSFNET对Internet的最大贡献是使Internet向全社会开放，而不像以前的那样仅供计算机研究人员和政府机构使用。更多的非计算机专业人员希望通过使用广域网得到他们希望得到的信息。
3.万维网的出现[15]
万维网（World Wide Web，WWW）常简称为Web，它是一个结构性的框架，其目的是访问遍布在整个Internet上所有机器中相互链接的文档，形成世界性的信息库，使用户可以方便、快捷地获得全球范围的重要信息。
1989年3月，欧洲原子核研究组织（CERN）物理学家Tim Berners Lee（蒂姆·伯纳斯·李）撰写了《关于信息化管理的建议》一文，提出了最初的链接文档网的建议。1990年11月12日，他和Robert Cailliau（罗伯特·卡里奥）合作提出了一个更加正式的、关于万维网的建议，随后他在一台NeXT工作站上写了第一个网页以实现他文中的想法，第一个基于文本的原型系统投入运行。图1-5 1992年NSFNET T3骨干网
1991年8月，伯纳斯·李在alt.hypertext新闻组上贴了万维网项目简介的文章，标志着Internet上万维网公共服务的首次亮相；12月，他在德克萨斯州的圣安东尼奥举行的Hypertext'91会议上，进行了一次公开演示。
1993年4月30日，欧洲原子核研究组织宣布万维网对任何人免费开放，并不收取任何费用。两个月后，Gopher 宣布不再免费，造成大量用户从 Gopher 转向万维网。
1994年6月，北美的中国新闻计算机网络（China News Digest，CND），在其电子出版物《华夏文摘》上将World Wide Web称为“万维网”，其中文名称汉语拼音也是以WWW开始。万维网这一名称后来被广泛采用。
1994年10月，万维网联盟（World Wide Web Consortium，W3C）在拥有“世界理工大学之最”称号的麻省理工学院（MIT）计算机科学实验室成立，其创建者和领导人正是万维网的发明者蒂姆·伯纳斯·李，这个组织的作用是使计算机能够在万维网上实现不同形式信息间更有效的存储和通信。
万维网的主要组件是Web客户端和Web服务器程序，可以让Web客户端（常用浏览器）访问浏览Web服务器上的页面。
在万维网中，网页是网站的基本信息单位，是WWW的基本文档。它由文字、图片、动画、声音等多种媒体信息以及链接组成，是用HTML（Hyper Text Markup Lauguage，超文本标记语言）编写的，通过链接实现与其他网页或网站的关联和跳转。网页文件可在WWW上传输，是能被浏览器识别显示的文本文件，其扩展名是.htm和.html。网站由众多不同内容的网页构成，网页的内容可体现网站的全部功能。通常把进入网站首先看到的网页称为首页或主页（Homepage），例如，新浪、网易、搜狐就是国内比较知名的大型门户网站。
通过万维网在网页间冲浪，使用的是超文本传输协议（Hyper [16,17]Text Transfer Protocol，HTTP）。顾名思义，HTTP提供了访问超文本信息的功能，是WWW浏览器和WWW服务器之间的应用层通信协议。HTTP是用于分布式协作超文本信息系统的、通用的、面向对象的协议。
4.IPv6
以IPv4为核心的互联网技术，在全球范围取得巨大成功的同时，受限于 32位地址长度和A、B、C这3类编址方式，网络地址资源有限，以致IP地址已于2011年2月3日分配完毕。地址的不足严重地制约了互联网的进一步发展，特别是中国及其他发展中国家互联网的应用和发展。
一方面是地址资源数量的限制；另一方面是随着电子技术及网络技术的发展，计算机网络进入了人们的日常生活，可能身边的每一样东西都需要连入Internet。在这样的环境下，IPv6应运而生。[18～23]
1995年起，IETF制定了一系列IPv6标准，并不断发展完善，用于替代现行IPv4协议。IPv6地址长度128位，因此，新的地址空间12838支持2（约3.4×10）个地址，号称“全世界连一粒沙子都可以有自己的IP地址”。这不但解决了网络地址资源数量的问题，同时，也为除电脑外的设备连入互联网在数量限制上扫清了障碍。此外，IPv6还能在移动性、安全性、多播和服务质量保证等方面提供更强的能力。因此，各国政府、科研机构、标准化组织和各大公司都将 IPv6 视为下一代互联网的重要关键技术。近几年，我国每年都举办全球IPv6下一代互联网高峰会议，交流在IPv6研究、开发、测试和应用中的最新进展。
5.下一代互联网
互联网产生后迅速发展和广泛普及，成为人类社会重要的信息基础设施。但是，随着互联网上应用的不断发展变化，基于TCP/IP的现有互联网也逐渐暴露出许多的不适应。当前，互联网上暴露出的主要问题有：移动性差、灵活性差、服务质量难以保障、安全性不强、可管可控能力弱等。另一方面，互联网的规模远远超出当初的设想，骨干路由表超线性增长，网络扩容速度赶不上流量增长的速度，互联网正坍塌于自身规模的庞大，轻载网络的设想难以成为现实的选择。
为了解决这些问题，多年来，业界开展了一系列下一代互联网（也称未来网络）的研究工作。下一代互联网的演进，一直有“革命路线”与“渐进路线”之争。革命路线指全新打造，从头再来；渐进路线指改进完善，兼容过渡。简单地说，凡是不改变互联网IP的主体地位，则属于改良范畴，为渐进路线；而想要替代IP主体地位的网络就叫革命性网络。渐进路线的典型代表是基于IPv6逐步演进过渡的下一代网络，而革命路线的代表有全球网络创新环境（Global [24]Environment for Network Innovations，GENI）计划以及当前炙手可[25,26]热的软件定义网络（Software Defined Network，SDN）架构。
为彻底改变我国第一代互联网落后于人的现状，抓住下一代互联网的发展机遇，自20世纪90年代末开始，我国一直高度重视未来网络的研究。2003年，由国家发展和改革委员会主导，中国工程院、科技部、教育部、中国科学院等八部委联合开展了中国下一代互联网[27]示范工程（CNGI）项目，在下一代互联网研究与产业化方面获得重大突破，建成包括6个核心网络、22个城市、59个节点以及北京和上海两个国际交换中心的网络、273个驻地网的IPv6示范网络。CNGI项目成立了由中国工程院牵头的专家委员会，参与单位包括五大电信运营商和教育科研网、100多所高校和研究单位以及几十家设备制造商，产、学、研、用合作对我国下一代互联网技术和产业的发展产生了深刻影响。
近几年，国家发改委又启动了我国第二期下一代互联网工程（CNGI2）项目的研讨、论证，推动我国在下一代互联网领域的深化研究和产业化发展，对未来网络的发展、从IPv4向IPv6网络演进的过渡技术方案以及下一阶段项目部署等都提出了建议。
同时，相关部委和科研机构都纷纷推出未来网络的研究计划，如科技部在2012～2016年度启动“面向服务的未来互联网体系结构与机制”项目。2011年，中国工程院和南京市政府共同组织了“2011中国未来网络发展与创新论坛”，并举办了“中国（南京）未来网络创新中心”、“南京未来网络产业有限公司”揭牌仪式，前者为产业型研究院，后者为学科型公司，两者共同组成了未来网络谷（Future Network Valley），力求形成从芯片设计、设备制造、系统集成到应用服务的完整产业链。
值得指出的是，互联网之所以能有今天的发展，有两个因素功不可没：一是IP和TCP简单易用的接口；二是设备之间无需有十分紧密的联系。这样一来，不同的公司、组织以及不同的人都可以参与建设互联网。要想建立技术上可行、同时商业环境上友好的网络，唯一的途径是各自为政，没有人独揽大权。联系过于紧密的事物是难以测度的。一个相反的例子就是电话网络最初的发展。所有的电话网络都由一个组织包揽建网、设立标准、技术研发的全部工作。互联网从未按照这种模式发展。从一开始大家就各自为政，十分灵活。这是互联网之所以成长壮大并如此多样的原因之一。1.2无线移动通信的发展
无线移动通信系统的初步应用，可以追溯到20世纪40年代第二次世界大战期间。当时，美军和盟军首次采用无线电通信系统，通过[28]高强度加密进行信息传输。1946年，贝尔实验室根据美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）的计划在圣路易斯建立了世界上第一个公用移动电话系统，工作于150MHz频段。随后，前西德于1950年、法国于1956年、英国于1959年相继推出了公用移动电话系统。这些系统采用无线通信手段来传输信息，但还没有进行无线互联组网，因此，属于无线网络的初级阶段，可以归纳为无线移动通信系统。
1971年，夏威夷大学的研究人员创造了第一个基于分组技术的无线电通信网络，就是堪称经典的ALOHA（Additive Link Online [29]Hawaii）系统，采用双向星型拓扑横跨4座夏威夷的岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上，使地理上分散的用户通过无线电来使用中心计算机，这个系统算是相当早期的无线局域网络。从这时开始，无线网络可以说是正式诞生了。
此后，无线通信手段越来越丰富，各类调制解调、编解码、复用和多址、天线等技术层出不穷，长波、中波、短波、超短波、分米波、厘米波、毫米波和红外线等无线通信频谱资源也逐渐扩展。与之相应，无线通信网络也得到了蓬勃发展，针对各种各样的应用场景，先后呈现出蜂窝移动通信网（Cellular Network，CN）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）、无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）、无线网状网络（Wireless Mesh Network，WMN）和天基网（Space-based Network，SN）等无线网络，在人们生产、生活中扮演着越来越重要的角色。特别是近几年，无线网络与互联网结合，对各行各业都产生了深远的影响。[30,31]
1.蜂窝移动通信网
第一代（1G）蜂窝移动通信系统是模拟移动通信系统，始于20世纪80年代初，利用模拟传输方式实现话音业务，主要包括美国的先进移动电话业务系统（Advantage Mobile Phone System，AMPS）、英国的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）、北欧国家的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephony，NMT）系统以及日本的日本电话和电报（Nippon Telegraph & Telephone，NTT）等。尽管这一代系统设备比较笨重，话音质量不稳定，用户“串话”常见，但不管怎样也难以掩盖这些系统产生的划时代意义，以及为后续系统发展奠定的坚实技术和实践基础。
第二代（2G）蜂窝移动通信系统是数字移动通信系统，始于20世纪80年代中期，利用数字通信方式实现话音和低码率数据业务，其容量和频谱利用率高于第一代。最典型的代表就是著名的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）和IS-95。2G系统演进过程中，又诞生了2.5代通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）和增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data Rate for Global Evolution，EDGE）系统，显著增强了分组数据业务的传输能力，使移动用户除能够通话外，还能获得更多的无线数据服务。2G系统很好地满足了人们在移动状态下对话音业务及低速数据业务的需求，在全世界得到了广泛应用。尽管目前选择2G网络接入移动互联网的用户数呈逐年下降趋势，但这一代系统在人们生产生活方式中发挥的重要意义是有目共睹、举世公认的。
第三代（3G）移动通信系统是多媒体移动通信系统，始于 21世纪初，支持前两代系统不能比拟的宽带多媒体业务，以时分同步码分多址（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）、宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，W-CDMA）/通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunication System，UMTS）和cdma2000这3种主流技术为代表。按照国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在IMT-200（0 International Mobile Telecommunication-2000，国际移动通信2000）标准中的规定，3G 系统在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2MBit/s、384kBit/s及 144kBit/s的传输速率。截至 2013年底，中国 3G用户数已经突破4亿，宽带上网、手机商务、视频通话、手机电视、手机办公、手机购物、手机网游和高精度定位导航等新型3G应用正在全面影响人们的生活方式。
第四代（4G）移动通信系统是速率更高、已经投入运营的最新一代移动通信系统，以LTE-Advanced和Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）为主要标准。4G系统能够以100MBit/s的速率下载，比拨号上网快2 000倍，上传的速率可达20MBit/s，能够满足几乎所有用户的无线服务要求。目前，中国移动、中国电信和中国联通 3 家运营商正在加大力度实施 4G 系统建设部署。可以预期，随着 4G 网络的大规模部署运营，必将再次掀起移动通信产业发展、业务拓展和应用创新的一轮高潮，用户将体验到更为方便快捷、丰富多彩的上网服务。[32]
2.无线局域网
无线局域网是基于无线传输介质的计算机局域网，利用无线电波取代双绞线、同轴电缆或光纤，使通信终端摆脱有线介质的束缚，具有组网灵活、使用方便、移动自由等特点，一般能够在几百米范围内提供网络接入服务。目前的主流标准是IEEE 802.11系列标准，自1997年IEEE批准并公布第一个正式标准IEEE 802.11开始，逐步形成了IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac等，目前还处于不断发展和更新中，这些标准一般被统称为无线保真（Wireless Fidelity，Wi-Fi）。此外，还形成了HomeRF、HiperLAN 2和蓝牙等无线局域网标准。802.11b 可以在 2.4GHz 工业科学医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）频段上支持1MBit/s、2MBit/s、5.5MBit/s以及11MBit/s的数据率，而802.11a则可以在5GHz的ISM频段上实现54MBit/s的速率。之后提出的802.11n，通过采用多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）技术，使得数据速率提高至300MBit/s，最高可达600MBit/s，给人们带来迅捷流畅的无线上网享受。
无线局域网主要有两种工作模式，即有AP（Access Point，接入点）和无AP两种。无AP的模式实质是Ad Hoc工作模式，在带有无线网卡的计算机之间直接进行通信，而无需使用无线路由器或接入点设备。有AP的模式又称为Infrastructure模式，在这种接入模式下，需要无线网卡及一个AP，通过无线方式，配合现有的有线网络，实现无线网与有线网通过AP来进行通信，共享网络资源。有AP的模式建设费用和复杂程度远低于传统有线网络。这种简单、便捷的特性使其得到了广泛应用，目前无线局域网已经普遍部署在机场、车站、学校、公司等公众场合以及家庭等私密地点，提供低移动性、高速率的快捷网络服务，成为用户接入网络的主要方式之一。[32]
3.无线城域网
无线城域网是采用无线手段构建的城域网，主要解决有线方式无法覆盖地区的宽带接入问题，传输速率高，组网方式灵活，通常覆盖范围可达几十公里。目前主流标准是IEEE 802.16，也称WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波互联接入）。自1999年IEEE 802.16工作组成立开始，逐步发布了IEEE 802.16a、IEEE 802.16d、IEEE 802.16e、IEEE 802.16m等一系列标准。2003年发布的IEEE 802.16a标准工作在2～11GHz频段，可在超视距环境下运行，可支持话音和视频等实时业务。2004年发布的IEEE 802.16d整合修订了IEEE 802.16和IEEE 802.16a，属于固定宽带无线接入规范。2005年发布的IEEE 802.16e，工作在 2～6GHz 频段，最大的特点是对移动性的支持，可以同时支持固定和移动宽带无线接入。2007年10月19日，在ITU举办的无线通信全体会议上，WiMAX被正式批准成为继WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA后的第四个3G标准。2010年，IEEE 802.16m成为ITU的IMT-Advanced技术标准，正式被ITU确定为4G标准。
WiMAX 一般由部署建设的发射塔和可移动的接收机组成，与无线局域网相比，其最突出的特点是覆盖范围更大，可以应用在固定、游牧、便携和移动等应用场景，能够同时提供视距和超视距接入服务。此外，WiMAX的QoS保障机制完善，能够在移动状态下提供百兆、甚至吉比特每秒的宽带接入速率，是代表未来通信发展方向的先进技术之一。[33]
4.移动自组织网络
无线网络中有一类特殊的网络，由若干无线通信终端根据需要构成一个临时部署、无中心的网络，实现相互连接和资源共享。1972年，源于对军事通信的需要，美国国防部高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）启动分组无线网（Packet Radio Network，PRNET）项目，研究目标是将数据分组交换技术引入无线环境中，开发军用无线数据分组网络，这就是MANET的前身。1983年，DAPRA 又启动了抗毁性自适应网络（Survivable Adaptive Network，SURAN）项目，将PRNET成果扩展，支持更大规模的网络。1994年，为了使全球信息基础设施支持无线移动环境，DARPA 启动全球移动信息系统（Global Mobile Information System，GloMo）计划，支持无线节点之间随时随地的多媒体连接，解决MANET的3M问题，即移动（Mobile）、多跳（Multihop）以及多媒体（Multimedia）。21世纪以来，DARPA正在支持一系列研究项目，如联合战术无线电系统（Joint Tactical Radio System，JTRS）、未来战斗系统（Future Combat System，FCS）等，都针对MANET网络技术进行了研究。1997年，互联网工程任务组成立了 MANET 工作组，主要致力于移动 Ad Hoc 网络的协议标准化工作，极大地推动了商用移动Ad Hoc网络的研究与开发。
移动自组织网络不需要固定基站支持，实现分布式的无中心管理，可临时组织，具有高度移动性，网络抗毁与快速部署能力强。与其他类型的无线网络相比，移动自组织网络的突出特点包括：全分布式、拓扑动态变化、多跳拓扑、带宽有限且易变以及能源受限等。这些特点使得这类网络技术研究面临许多挑战。[32]
5.无线网状网络
无线网状网络，也称无线 Mesh 网络，是移动自组织网络的一种特殊形态，是一种新型的宽带无线网络结构，被看成是WLAN和Ad Hoc网络的融合，并兼具二者的优势。无线网状网络的出现是在20世纪90年代中期以后，近年由于应用需求的牵引而逐渐引起业界关注，其实施可以依托 IEEE 802.11、IEEE 802.16以及蜂窝网等技术，或者是多种技术的组合。
无线网状网络有两种典型的实现模式：基础设施模式和终端用户Mesh模式。基础设施模式指在Internet接入点和终端用户间形成无线回路；终端用户Mesh模式指终端用户通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，能够支持移动终端较高速地移动，快速形成宽带网络。
无线网状网络与移动自组织网络的区别主要体现在两方面：一是组网方式不同，无线网状网络是扁平结构，而移动自组织网络则是分层和等级结构，在每层内部形成多个 Ad Hoc 网络，不同层之间通过无线互联起来，做到集中控制管理和自由动态组网有机结合；二是解决的问题不同，移动自组织网络设计的目的是为了实现用户移动设备间的对等通信，如突发情况下快速部署网络，而无线网状网络则看重的是如何为用户终端提供无线接入。[34,35]
6.天基网
天基网是一种以各种类型的卫星为网络节点，通过星际链路互联起来构建的空间无线网络系统。20世纪90年代，摩托罗拉（Motorola）公司铱（Indium）系统卫星的成功使用是卫星通信发展史上的一个分水岭，此前的卫星通信系统主要采用同步轨道卫星和“弯管式”透明转发方式实现洲际和国际干线通信或电视广播。这类系统设计简单、容易实现，但在时延、频率资源利用率、地面通信终端小型化以及信息转发的灵活性上具有难以克服的缺点，限制了通信卫星的应用范围，无法满足迅速发展的地面移动通信等应用对卫星的需求。在这种情况下，研究面向地面应用需求，尤其是面向迅速发展的个人通信应用的新型卫星系统成为必然。自铱系统建成以来，天基网络经历了窄带卫星通信网、宽带卫星通信网、天基互联网3个主要发展阶段。
窄带卫星通信网主要是为了实现全球移动电话的无缝漫游，这与当时的第二代移动通信地面用户通信应用相适应。在这种需求下，窄带移动卫星通信网一般设计为一个面向话音通话服务的全球移动系统，可为地面用户提供以话音为主的全球无缝服务。该阶段最有代表性的系统是铱系统和全球星（Global Star）系统，也包括美军的移动和战术系统系列，如舰队卫星通信系统、特高频后继星（UFO）卫星通信系统和先进极高频（AEHF）系统等。
宽带移动卫星网是适应第三代地面通信应用发展起来的一种移动卫星网，可为地面用户提供多业务、大容量及高接入带宽的传输服务。在技术上，宽带移动卫星网大多具有较强的星上信息处理能力，基于高速星间链路降低卫星通信网对地面站的依赖。目前，国外各大卫星通信公司纷纷提出宽带通信卫星网的建设方案，但都尚处于发展过程中。
随着地面互联网的不断发展，利用卫星网络实现全球任何地方任何用户的互联网服务、构筑天基互联网已成为卫星网络发展和下一代互联网的重要内容。天基互联网需要卫星网络能与地面互联网无缝连接，且可以为各种终端提供灵活的互联网接入，以IP技术为基础的天基互联网是目前卫星组网领域研究的热点，也是构建空天地一体化全球通信网的重要组成部分。目前，这方面的研究和建设已经起步，欧洲和美国等一些发达国家以及一些公司正在开展相关系统的科研和建设，我国也已启动天地一体化信息网络的重大工程科研建设工作。1.3移动互联网的兴起
随着宽带无线接入技术和移动终端技术的飞速发展，人们迫切希望能够随时随地乃至在移动过程中都能方便地从互联网获取信息和服务，在此背景下，移动互联网应运而生并迅猛发展。
1.移动互联网的发展
2008年6月，已故的苹果公司CEO史蒂夫·乔布斯向全球发布了新一代智能手机iPhone 3G。这是一个具有划时代意义的历史性事件，标志着移动互联网时代的来临。近年，移动互联网以摧枯拉朽之势迅速席卷全球，三星、小米、华为、中兴等公司紧随其后，掀起了智能手机取代传统手机的狂潮。2015年4月14日，乐视网CEO贾跃亭也高调发布了其第一款超级智能手机，拟将乐视网开放闭环的互联网创新生态注入手机，向苹果的封闭专制提出了挑战，有望再次掀起一轮智能手机颠覆热潮。
2014年，全球接入互联网的移动设备总数超过 70 亿，几乎全球人手一台，全球接入互联网的用户达到总人口的40%，全球移动互联[36]网用户数接近30亿。我国移动智能终端设备数已达10.6亿，较2013年增长231.7%，自2008年以来，年均复合增长率40%以上。全国移动用户的手机里平均安装着34款APP。微信、淘宝、滴滴打车、高德导航、航班管家等丰富多彩的手机应用铺天盖地，手机已经发展成为人体感官的一部分，深刻地影响和改变了人们的生产生活。[37]
2015年，李克强总理在政府工作报告中指出：“制定‘互联网+’行动计划，推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场”。所谓“互联网+”，实际上是创新 2.0 下的互联网发展新形态、新业态，是知识社会创新 2.0推动下的互联网形态演进。新一代信息技术发展催生了创新2.0，而创新2.0又反过来作用于新一代信息技术形态的形成与发展，重塑了移动互联网、物联网、云计算、社会计算、大数据等新一代信息技术的新形态，并进一步推动知识社会以用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特点的创新2.0，改变了我们的生产、工作、生活方式，也引领了创新驱动发展的新常态。[38]
2.移动互联网是什么
什么是移动互联网？移动互联网虽然和互联网有很大亲缘关系，甚至带着互联网的基因，流着互联网的血，但它不是互联网。移动互联网≠移动+互联网，移动互联网是移动和互联网融合的产物，不是简单的加法，而是乘法，移动互联网=移动×互联网。
移动互联网就是将移动通信和互联网二者结合起来，融合为一体，继承了移动随时随地随身和互联网分享、开放、互动的优势，是整合二者优势的升级版本。本质上，移动互联网将互联网的触角延伸到每一个角落，成为真正的泛在网络：无论何时、何地、何人，都顺畅地通信、联络，网络几乎无处不在、无所不包、无所不能，其终极目标可以用“任何人、任何物、任何时间、任何地点，永远在线、随时互动”来刻画。
移动互联网包含终端、网络、软件和应用4个层面。终端层包括智能手机、平板电脑、电子书、MID等；网络是指基站、无线接入点、交换机、路由器、防火墙等网络基础设施；软件包括操作系统、中间件、数据库和安全软件等；应用层包括休闲娱乐类、工具媒体类、商务财经类等不同应用与服务。
3.移动互联网的未来
移动互联网开创了一个全新的时代，在这个伟大的时代，要么移动，要么退出历史舞台。巨人诺基亚轰然倒下，联想鲸吞摩托罗拉。而以苹果、Google、Facebook为代表的国际巨头和以阿里、腾讯、百度、小米、360 等为代表的国内豪强，以及大量尚处在初生或萌芽状态的互联网企业，正在这场伟大的革命中，积极引领，主动参与或被迫跟随这次空前的移动大浪潮。
在移动互联网时代，社会和个人开始以真实的身份、真实的角色、真实的能力进入互联网，整个互联网已经不再是虚拟的网络，变得越来越真实，越来越可触摸。正因为真实，人们的行为、思想、情感、关系、需求在互联网中得到详细的记录，所以互联网事件和现实事件已经融为一体了。
未来，移动互联网将连接一切人、物和服务，向传统的各行各业渗透，实现深度融合，创造新的生机和活力，通过开放式协作创新，专注极致，催生精品，更好地服务于人类的生产、生活。主要的发展趋势如下。（1）连接一切
智能手机是人体器官的一个延伸，近两年这个特征越来越明显。它有摄像头、感应器，人的器官几乎都延伸增强了，而且通过互联网连在一起了，这是前所未有的进步。下一步连接将不仅限于人和人之间、人和设备、设备和设备，甚至人和服务之间都有可能产生连接。微信的公众号是人和服务连接的一个案例。因此，PC互联网、移动互联网、物联网等，这些都是互联网在不同阶段、不同侧面的一种提法，它最终是无所不包、无所不连的巨型网络实体，这也是未来一切发展变化的基础。
随着移动互联网应用范围不断扩大，社会各行各业对其覆盖范围和通信能力提出了更高的要求，仅依靠地面固定基础设施难以全面满足各种各样场景的通信需求。依托空基通信基础设施提供大地域范围[39,40]内的移动通信，正处在小规模测试试验和测试服务阶段，而以卫星节点为核心的天基移动通信网络经过半个多世纪的发展，正向天基[34]互联网演进。这些发展必然要求有机地融合天基、空基和地基无线网络基础设施，构建天—空—地一体化的移动互联网，更加高效地利用各类通信资源，为处在各种不同环境下的移动用户提供话音、传真、数据、图像、多媒体等高品质服务和用户体验，达到无缝覆盖、连接一切的目的。
当一切连入网络以后，在社会生活任何一个地方，都有一个双向交流的网络连接存在，即永远在线。早期的互联网时代，随时随地、如影随形这件事是不可能想象的，广域的泛在移动互联网让随时随地、如影随形成为可能。这也使得大量即时业务和通信成为可能。今天几乎每一个新闻事件都可能被马上发到微博、微信、网站上，爆炸式地在第一时间传播，这就是广域泛在移动互联网的作用。（2）互联网+
互联网加的是什么？加的是传统的各行各业，通过彻底改造传统行业，大幅提升效率，创新用户体验，使人们享受到科技革命带来的美好生活，促进社会的和谐进步。
互联网+通信是最直接的，从纸质书信到电子邮件、随身邮件，从普通话音电话到网络电话、视频电话，从短消息到即时消息、多媒体消息等，通信变得更为高效、快捷、丰富；互联网+社交，诞生了伟大的微信，微信把人和人的连接囊入怀中，随时随地沟通、搜索微信公众号、刷新朋友圈、抢红包、搜索附近的人等功能，已经走进了亿万大众的生活，甚至产生了大量的“微信控”、“微信达人”；互联网+金融，出现了威力巨大的余额宝、支付宝、微信支付等产品，还催生了比特币、众筹、P2P网贷等创新型金融事物；互联网+零售，涌现了淘宝、京东、唯品会；互联网+汽车，产生了车联网、智能汽车等。
可见，传统行业的各细分领域，通过采用开放的互联网思维和技术，能够焕发出新的生机和活力。正如第一次工业革命时期，蒸汽机的动力改造书籍的印刷；第二次工业革命时期，电力催生灯泡、收音机、电视机等；以“互联网+行业”为重要标志的第三次工业革命，必将随着互联网与传统行业更深层次的融合，不断催生出新的微信们和余额宝们，向工业4.0、第四次工业革命迈进。（3）开放式协作创新
互联网生来就具有开放的基因，通过提供基本的服务和开放的接口，建立可供第三方调用、组装和运用的开放平台，使得其他开发者能够在平台上开发创新型服务与应用，利用开放平台实现市场的拓展，并最大程度地满足用户需求。这种开放的模式推动了用户、开发者、开放平台这一生态系统的良性发展，推动了互联网资源的高效利用。《第三次工业革命》里面讲到，未来大企业的组织架构会走向分散合作的模式，聚焦在其核心模块，把其他模块和社会上更有效率的中小企业分享合作，正如现在的行业分工愈来愈细。
在创新的模式上，消费者参与决策，也是一个大的趋势。互联网把传统渠道的不必要环节、损耗效率的环节拿掉了，让服务商和消费者、生产制造商和消费者更加直接地对接在一块。厂商和服务商可以如此近地接触消费者，这是前所未有的，消费者的喜好、反馈可以很快地通过网络来反映。例如小米的MIUI 就是与消费者共创的价值，超过60万的“米粉”参与了小米MIUI操作系统的设计和开发，MIUI每周的更新，就是小米与“米粉”合作的结晶。（4）专注极致追求精品
专注于特定领域，注重产品细节与用户体验，持续改进的精品往往成为市场的宠儿，精品化成为当前互联网发展的重要趋势。“愤怒的小鸟”成为移动游戏史上的传奇，从普通版，到季节版、情人节版、里约版、太空版，再到星球大战版，这一趣味十足的游戏吸引了无数人的关注，并且覆盖了iOS、Android、Windows Phone、PC、Symbian3、Facebook、Chrome等多个平台，开始渗透到娱乐、动画等更多产业。
在iOS系统更换默认地图服务后，Google Map登录APP Store后7 h内就成为下载量最多、最受欢迎的一款免费应用。
经典的跑酷游戏Temple Run 2在上架苹果APP Store仅4天时间后，其下载量已经突破了2 000万次，其中，第一天下载量600万；上线两周后，Temple Run 2下载量已经突破5 000万。
精品的产品与应用往往在很短的时间内就吸引了全球用户的关注，受到用户的追捧，因而打造精品应用，力图打造完美产品成为互联网企业在开发产品与服务时的重要方向。
在手机领域，市场上已经出现了许多这样的企业和案例，如苹果、小米、乐视等，它们的产品种类和数量不多，但是很精，有大量的用户反馈，有自己的粉丝，讲究的是产品体验。小米公司学习苹果，每年只做一款产品，将体验做到极致，这种“聚焦精品”的策略，实际上也是一种单品带来的聚光灯效应，同时制造稀缺性。小米CEO雷军著名的“专注、极致、口碑、快”七字诀，非常好地体现了移动互联网时代追求极致的产品体验和用户口碑的精神。1.4移动互联网网络的关键技术
移动互联网的发展如火如荼，各类相关技术也取得了不断的进步。无线接入技术、移动网络技术、移动终端技术、移动应用创新技术以及移动网络安全技术等，都是业界关注的重点方向和领域。本书试图对移动互联网的网络相关技术进行全面的介绍。1.4.1 移动互联网网络的发展趋势
在需求牵引和技术推动的作用下，各类无线网络得到了国际标准化组织、运营商、设备制造商以及大众的广泛关注，成为发展最快、应用最广的信息技术领域之一。在任何地方自由地接入信息网络，进行体验丰富的多媒体通信是业界和用户的理想，也是广大工程技术人员不懈追求的目标。未来移动互联网络发展的主要趋势可以归结为通信速率宽带化、网络结构立体化、异构网络融合化、网络行为智能化、业务应用多样化等方面。
1.通信速率宽带化
宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一。随着光纤传输技术以及高吞吐量网络节点的不断发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而无线通信技术也正在朝着宽带化的方向演进。
目前，无线移动通信速率已经从2G系统的kbit/s向3G系统的Mbit/s和4G系统的十Mbit/s、百Mbit/s发展。尽管带宽剧增了数千、数万倍，但是通信容量的提升似乎总是赶不上用户需求的变化。面对拥挤不堪的无线通信频谱，各类无线通信网络在频域、时域和空域上采取了一系列提高容量的措施，不断提升通信带宽。预期未来5G网络将提供足够的带宽和容量，满足终端对可获得速率（百Mbit/s）、峰值速率（Gbit/s）以及系统容量等的需求。
通过通信带宽的提升，5G系统能够提供更低的时延和更高的可靠性，为用户提供随时在线的体验，并满足诸如工业控制、应急通信[41]等更多重要场景需求。根据预期要求，一方面将进一步降低用户面时延和控制面时延，相对4G缩短5～10倍，达到人力反应的极限（如5ms触觉反应），并提供真正的永远在线体验；另一方面，一些关系人的生命、重大财产安全的业务，要求端到端可靠性提升到99.999%甚至100%。
2.网络结构立体化
在地面固定基础设施的基础上，通过补充和加强空基、天基通信基础设施，实现对热点地区和偏远地区的有效覆盖，提供有保障的移动通信能力，是正在发生的通信变革。相应地，对于网络发生的变化之一是网络节点将在地面节点的基础上，增加空基、天基网络节点，形成分层的立体化网络拓扑结构，各层节点分别部署在不同的物理空间，是一种在空间上多层分布的新型网络结构。图1-6 表示了一种典型的立体网络结构。
网络结构的立体化能够突破仅依托地面节点的平面型网络在传输容量、用户容量、地域覆盖和用户移动等方面的制约，建立无处不在、灵活可靠的无线网络，特别是具有稳定可靠、性能优良的骨干结构，可大幅提升移动环境下的通信覆盖范围、信息传输速率和传输可靠性，支持用户和节点的高速移动，为用户提供良好的移动服务体验，满足各种各样丰富场景的通信需求。
实现网络结构立体化的主要技术途径除了在网络结构上增加空基、天基通信节点外，还包括天空地一体化网络路由算法，天地、空地、地空等上下行传输过程中的资源调度、分配与接入控制技术，端到端可靠传输技术，移动越区切换技术以及网络容量分析与优化技术等。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]