无线移动网络的移动性管理[按需印刷]

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内容简介: 无线移动网络是移动计算(Mobile Computing)的基石。在无线移动网络中,网络节点的物理位置的不断变化——即节点的移动性,给整个网络的安全性、可靠性、资源重用、QoS、路由、接口、拥塞控制、通道分配等诸多方面带来了挑战。移动性管理是移动计算的最重要和最具有挑战性的问题之一,设计无线移动网络的合理、高效、优化的移动性管理策略,并给出行之有效的算法及严密的理论证明,不论对理论研究还是对实践均是相当重要的。本书对无线移动网络的移动性管理策略进行了研究,应用向量马尔可夫过程及密度演化方法进行数学建模,导出了在两次呼入时间间隔内移动台的越区次数、在最后一次位置更新与下一次呼入到达时间间隔内“带门槛的指针推进移动性管理策略”中指针链的长度与“基于距离的位置管理策略”移动台的移动距离、“环形搜索策略”的位置区层数、“基于距离的位置管理策略”的距离公式等,这些公式对各种移动性管理策略的设计与评价具有重要的意义。此外,本书应用模糊控制、计算机仿真等理论与方法,研究了自适应、自调控的移动性管理策略。
本书的研究结果,对现有移动通信系统的改进、新一代移动通信系统的设计与高效运行、信息网络建设、信息网络安全、移动软件(如移动gent等)、移动商务(Mobile Commerce)、公共安全、抢险救灾、节能、环境保护等领域的研究,有着重要的应用价值。
本书适于高等学校通信、计算机应用、系统工程等专业的研究生和教师以及科研人员阅读。

目录: 第1章 绪论 1
1.1 计算技术的发展 1
1.1.1 计算及算法 1
1.1.2 移动计算 1
1.1.3 普适计算 3
1.1.4 分布计算、移动计算和普适计算的联系 6
1.2 移动性管理 8
1.3 位置管理 10
1.4 常见的位置数据库结构及其布置 11
1.4.1 两层数据库结构 12
1.4.2 树型数据库结构 13
1.4.3 中心数据库结构 15
1.4.4 位置数据库的布置 15
第2章 无线移动网络 17
2.1 基于基础通信设施的无线移动网络 17
2.1.1 蜂窝移动网络的发展过程 17
2.1.2 蜂窝网络的基本结构 19
2.1.3 蜂窝技术的发展趋势 22
2.1.4 蜂窝网络的移动性管理 22
2.2 无基础通信设施的无线移动网络 27
2.2.1 自组网(Ad hoc Network) 28
2.2.2 传感器网络(Sensor Network) 30
2.2.3 个人域网(PAN,Persoanal Area Network) 31
2.2.4 蓝牙网络(Bluetooth Piconet) 32
第3章 移动性管理策略研究的基础理论 35
3.1 排队论 35
3.1.1 排队论的基本概念 35
3.1.2 排队论在通信、计算机等领域的应用 39
3.2 概率论 40
3.2.1 随机现象 40
3.2.2 概率的定义 41
3.2.3 随机变量及分布函数 41
3.2.4 随机变量的均值及方差 44
3.2.5 “风险率函数”及其概率意义 47
3.2.6 随机变量和的分布函数 48
3.2.7 移动计算中常用的分布函数 49
3.3 随机过程理论 52
3.3.1 随机过程的定义 52
3.3.2 计数过程 52
3.3.3 泊松过程(Poisson Process) 52
3.3.4 更新过程 53
3.4 马尔可夫过程 55
3.4.1 马尔可夫过程的定义 55
3.4.2 连续时间马氏链 56
3.4.3 离散时间马氏链 57
3.4.4 向量马尔可夫过程 59
第4章 移动台越区次数的概率公式 61
4.1 假设条件 61
4.2 概率推导方法 62
4.3 密度演化推导方法 66
4.3.1 系统的状态及其概率密度的定义 66
4.3.2 系统的状态方程组 67
4.3.3 边界条件 69
4.3.4 概率公式推导 71
4.3.5 概率公式的应用 77
第5章 常见的移动性管理策略 79
5.1 位置管理策略的权衡 79
5.2 基本位置管理策略——“基本策略” 80
5.3 指针推进策略 83
5.3.1 指针推进策略的定义 83
5.3.2 指针推进策略的代价分析 87
5.4 锚策略 89
5.5 锚与指针结合的策略 90
5.6 环形搜索策略 91
5.6.1 环形搜索策略的定义 92
5.6.2 移动台在各环的概率 92
5.6.3 一个特例 95
5.7 移动台自调控的环形策略 97
5.7.1 自调控环形策略的定义 97
5.7.2 位置更新操作 98
5.7.3 位置查找操作 98
5.7.4 移动台的自调控 99
5.7.5 自调控环形策略与其他策略的比较 100
第6章 指针推进策略中指针链长度的概率公式 102
6.1 假设条件 102
6.2 系统的状态及其概率密度的定义 103
6.3 系统的状态转移图 104
6.4 系统的状态方程组 105
6.5 边界条件 106
6.6 状态方程组的解 109
6.7 指针链长度概率公式的推导 113
第7章 基于距离的位置管理策略 120
7.1 三种基本的动态位置管理策略 120
7.2 基于距离的动态位置管理策略的定义 121
7.3 移动台移动距离的概率 122
7.3.1 术语及假设条件 122
7.3.2 系统的状态及其概率密度 124
7.3.3 系统的状态转移图 124
7.3.4 系统的状态方程组 125
7.3.5 边界条件 127
7.3.6 状态方程组的解 130
7.4 平均移动距离的计算 135
7.5 位置查找方法 137
7.5.1 一些假设 138
7.5.2 “地毯式盲目搜寻” 138
7.5.3 “按概率依次搜寻” 139
7.6 移动距离公式的适用范围 143
7.7 基于距离的位置管理策略与“指针推进策略”的联系 144
第8章 仿真技术在移动性管理中的应用 148
8.1 系统、模型与仿真 148
8.1.1 系统 148
8.1.2 模型 149
8.1.3 仿真 149
8.1.4 虚拟现实技术 150
8.2 离散事件系统仿真 151
8.2.1 连续系统与离散事件系统 151
8.2.2 随机变量的产生 151
8.2.3 离散事件系统仿真的基本策略 152
8.3 蜂窝系统中移动台越区漫游的仿真 152
8.3.1 模型的描述 152
8.3.2 仿真逻辑 153
8.3.3 仿真程序设计与仿真结果分析 155
第9章 模糊控制系统在移动性管理中的应用 161
9.1 模糊控制系统 161
9.1.1 模糊数学的产生和发展 161
9.1.2 模糊集合与隶属函数 162
9.1.3 模糊运算 162
9.1.4 模糊规则与模糊推理 164
9.1.5 模糊系统 165
9.2 模糊控制动态指针推进移动性管理策略 165
9.2.1 策略的描述 165
9.2.2 策略的实现 168
9.2.3 策略的代价公式 171
9.2.4 MATLAB仿真实验结果及分析 173
附录Ⅰ 蜂窝系统中移动台越区漫游仿真程序(C++) 179
附录Ⅱ 模糊控制指针推进策略仿真程序(MATLAB) 186
参考文献 199

前言: 随着以计算机技术、通信技术、网络技术为代表的现代信息技 术的高速发展,随着发达国家从工业经济到基于知识和信息服务经 济的转变,随着竞争的日益加剧且呈现出明显的国际化与一体化, 在任何时候、任何地点访问任何需要的信息成为人们的迫切需要, 移动计算是满足这一需要的重要保证。近年来,功能强大的便携计 算机、SmartDust(将传感器与通信系统集成到Imma的空间中的 电子器件)及其他新型移动设备的出现,将移动计算的研究推到更 高的层次。同时,移动计算、位置传感与无线网络的结合形成了一 种新的计算——位置感知计算(Location-aware Computing),即利 用位置信息提供与用户所完成的任务有关的信息与服务的计算。
当前,情境感知计算(Context-aware Computing)是国际上 的研究热门。所谓情境(context),就是用于刻画实体(可以是 人、场所、物体)境遇的任何信息。因此,它的内容包罗万象,既 包含了位置、网络设施、照明、背景音乐、温度、天气等具有物理 特征的内容,也包含了社会状况、身份、个人爱好等内容,其中位 置是最为重要的“情境”内容\o所谓情境感知计算是指利用“情 境”,提供与用户所完成的任务有关的信息与服务的计算。因此, 位置感知计算是情境感知计算的一个重要的分支。
在移动计算中,具有信息处理与无线联网能力的移动设备并不需要知道情境知识,但位置感知计算则不然,它的中心问题是确定物理位置,需要根据情境的最主要的成分——移动设备的位置——作出响应,有时这种响应是自发的。自从美国受到“911”恐怖袭击之后,美国政府非常重视位置感知计算的研究,提出了“E911”(Enhanced 911)紧急救援实施计划,这个计划要求到2005年底能够更加准确地确定用手机紧急呼叫“911”的用户的位置(要求误差在50m之内)。
移动性管理是移动计算、位置感知计算、乃至情境感知计算的关键问题之一。
本书共9章。第1章叙述了计算、算法、移动计算、普适计算、移动性管理等基本概念;第2章介绍了蜂窝网络、Adhoc阿络及其他无线网络;第3章介绍了移动性管理策略研究的基础理论,如概率论、排队论、随机过程、马尔可夫过程等理论;第4章用向量马尔可夫过程及密度演化方法,研究了在两次呼人之间移动台所越过的位置区个数;第5章涉及无线移动网络的移动性管理策略,如基本的位置管理策略、指针推进策略、锚策略、指针推进及锚相结合策略、环形搜索策略、自调控策略等;第6章用向量马尔可夫过程及密度演化方法,研究了指针推进策略的指针链长度;第7章用向量马尔可夫过程及密度演化方法,研究了“基于距离的位置管理策略”中移动台的移动距离,并论证了移动台所越过的位置区个数及指针推进策略中指针链长度均为“基于距离的位置管理策略”中移动台的移动距离的特例;第8章介绍了计算机仿真的基本方法,以及它在移动性管理策略研究领域的应用;第9章探讨了将模糊控制系统应用于移动性管理研究领域,并给出了用模糊控制系统对指针推进策略的指针链长度进行实时控制的实例。
本书是本人在访问加拿大不列颠哥伦比亚大学(The Univer-sity of British Columbia)与加拿大阿尔伯塔大学(The Universityof Alberta)期间写成的,在编写和出版过程中,得到众多专家、教授、朋友和学生的支持和帮助。在此,特别感谢加拿大不列颠哥伦比亚大学电子与计算机工程系Victor M.Leung教授,加拿大阿尔伯塔大学计算机工程系Witold Pedrycz教授,上海大学史定华教授、孙小玲教授,同济大学郑应平教授,浙江大学高济教授,首都师范大学徐德举教授,浙江工业大学周根贵教授、俞立教授等。此外,我的学生谭福成、章勤俭、吴小燕、张丽云等人对本书的校对付出了繁重的劳动,在此一并表示由衷的感谢。
本书受到浙江工业大学专著与研究生教材出版基金(资助号20040107)及国家自然科学基金项目(No.60473097)的资助,特此致谢。
由于作者知识与见识有限,加上成稿时间仓促,书中难免存在疏漏及不当之处,诚望各位专家及读者批评指正。
朱艺华