无线传感器网络的理论及应用

第1篇 总论
第1章 无线传感器网络概述
1.1 无线传感器网络介绍1
1.1.1 无线传感器网络的概念1
1.1.2 无线传感器网络的特征2
1.1.3 无线传感器网络的应用4
1.2 无线传感器网络的体系结构7
1.2.1 无线传感器网络的系统架构7
1.2.2 传感器节点的结构7
1.2.3 无线传感器网络的体系结构概述8
1.3 无线传感器网络的研究进展10
1.3.1 无线传感器网络的发展历程10
1.3.2 无线传感器网络的关键技术14
1.3.3 无线传感器网络所面临的挑战14
参考文献16
第2篇 无线传感器网络的通信协议
第2章 无线传感器网络的物理层
2.1 无线传感器网络物理层概述19
2.1.1 无线传感器网络物理层的研究内容19
2.1.2 无线传感器网络物理层的研究现状20
2.1.3 无线传感器网络物理层的主要技术挑战22
2.2 无线传感器网络的调制与编码方法22
2.2.1 Mary调制机制22
2.2.2 差分脉冲位置调制机制23
2.2.3 自适应编码位置调制机制24
2.3 超宽带技术在无线传感器网络中的应用25
2.3.1 超宽带技术概述25
2.3.2 超宽带技术的基本原理26
2.3.3 超宽带技术的研究现状29
2.3.4 基于超宽带技术的无线传感器网络31
参考文献35
第3章 无线传感器网络的数据链路层
3.1 无线传感器网络数据链路层概述37
3.1.1 无线传感器网络数据链路层的研究内容37
3.1.2 无线传感器网络数据链路层的研究现状38
3.1.3 无线传感器网络数据链路层的主要技术挑战39
3.2 无线传感器网络的MAC协议40
3.2.1 基于竞争机制的MAC协议40
3.2.2 基于时分复用的MAC协议47
3.2.3 其他类型的MAC协议54
参考文献58
第4章 IEEE802.15.4标准
4.1 IEEE802.15.4标准概述60
4.2 IEEE802.15.4的物理层 60
4.2.1 物理层概述60
4.2.2 物理层服务规范61
4.2.3 物理层帧结构65
4.3 IEEE802.15.4的MAC子层65
4.3.1 MAC层概述65
4.3.2 MAC层的服务规范66
4.3.3 MAC帧结构69
4.3.4 MAC层的功能描述70
4.4 基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络70
4.4.1 组网类型70
4.4.2 数据传输机制71
参考文献72
第5章 无线传感器网络的网络层
5.1 无线传感器网络网络层概述73
5.1.1 网络层的研究内容73
5.1.2 网络层的研究现状74
5.1.3 网络层的主要技术挑战75
5.2 无线传感器网络的路由协议75
5.2.1 以数据为中心的平面路由75
5.2.2 网络分层路由77
5.2.3 基于查询的路由79
5.2.4 地理位置路由81
5.2.5 能量感知路由 84
5.2.6 基于QoS的路由87
5.2.7 路由协议的优化88
5.3 无线传感器网络中的数据包转发策略90
5.3.1 包转发策略的研究背景90
5.3.2 基于价格机制的包转发博弈模型91
5.3.3 自发合作的包转发博弈模型93
参考文献94
第6章 无线传感器网络的传输层
6.1 无线传感器网络传输层概述97
6.1.1 无线传感器网络传输层的研究内容97
6.1.2 无线传感器网络传输层的研究现状98
6.1.3 无线传感器网络传输层的主要技术挑战99
6.2 无线传感器网络的传输协议99
6.2.1 PSFQ传输协议99
6.2.2 ESRT传输协议101
6.3 无线传感器网络与其他网络的互联103
6.3.1 无线传感器网络与Internet互联103
6.3.2 无线传感器网络接入到网格105
参考文献109
第7章 ZigBee协议规范
7.1 ZigBee概述111
7.1.1 ZigBee与IEEE 802.15.4111
7.1.2 ZigBee协议框架112
7.1.3 ZigBee的技术特点113
7.2 网络层规范113
7.2.1 网络层概述113
7.2.2 服务规范114
7.2.3 帧结构与命令帧115
7.2.4 功能描述116
7.3 应用层规范117
7.3.1 应用层概述117
7.3.2 ZigBee应用支持子层117
7.3.3 ZigBee应用层框架结构118
7.3.4 ZigBee设备协定（profile）119
7.3.5 ZigBee目标设备（ZDO）119
7.4 ZigBee系统的开发119
7.4.1 开发条件和注意事项119
7.4.2 软件开发120
7.4.3 硬件开发121
7.5 基于ZigBee规范的无线传感器网络122
7.5.1 无线传感器的构建122
7.5.2 无线传感器网络的构建123
7.5.3 基于ZigBee的无线传感器网络与RFID技术的融合124
参考文献124
第3篇 无线传感器网络的核心支撑技术
第8章 无线传感器网络的拓扑控制
8.1 无线传感器网络的拓扑控制技术概述125
8.1.1 无线传感器网络拓扑控制的研究内容125
8.1.2 无线传感器网络拓扑控制的研究现状126
8.1.3 无线传感器网络拓扑控制的主要技术挑战126
8.2 无线传感器网络的拓扑控制算法127
8.2.1 功率控制算法127
8.2.2 层次拓扑结构控制算法129
8.3 无线传感器网络的密度控制135
8.3.1 连通支配集构造算法135
8.3.2 基于概率覆盖模型的无线传感器网络密度控制算法138
参考文献140
第9章 无线传感器网络的节点定位
9.1 无线传感器网络的节点定位技术概述142
9.1.1 无线传感器网络节点定位的研究内容142
9.1.2 无线传感器网络节点定位的研究现状143
9.1.3 无线传感器网络节点定位的主要技术挑战146
9.2 无线传感器网络的定位机制147
9.2.1 基于测距的定位算法147
9.2.2 非基于测距的定位算法151
9.3 一种基于测距的协作定位策略159
9.3.1 刚性图理论简介159
9.3.2 基于刚性图的协作定位理论160
9.3.3 LCB定位算法161
9.4 节点位置估计更新策略162
9.4.1 动态网络问题162
9.4.2 更新策略163
参考文献164
第10章 无线传感器网络的时间同步
10.1 无线传感器网络的时间同步概述167
10.1.1 无线传感器网络时间同步的研究内容167
10.1.2 无线传感器网络时间同步的研究现状168
10.1.3 无线传感器网络时间同步的主要技术挑战169
10.2 无线传感器网络的时间同步机制170
参考文献180
第11章 无线传感器网络的网内信息处理
11.1 无线传感器网络的网内信息处理概述182
11.1.1 无线传感器网络网内信息处理的研究内容182
11.1.2 无线传感器网络网内信息处理的研究现状183
11.1.3 无线传感器网络网内信息处理的主要技术挑战184
11.2 无线传感器网络的数据融合技术184
11.2.1 与路由相结合的数据融合184
11.2.2 基于反向组播树的数据融合186
11.2.3 基于性能的数据融合187
11.2.4 基于移动代理的数据融合189
11.3 无线传感器网络的数据压缩技术191
11.3.1 基于排序编码的数据压缩算法191
11.3.2 分布式数据压缩算法192
11.3.3 基于数据相关性的压缩算法194
11.3.4 管道数据压缩算法194
11.4 无线传感器网络的协作信号信息处理技术195
11.4.1 网元层的CSIP技术195
11.4.2 网络层的CSIP技术196
11.4.3 应用层的CSIP技术196
11.4.4 CSIP技术展望197
参考文献198
第12章 无线传感器网络的安全技术
12.1 无线传感器网络的安全问题概述201
12.1.1 无线传感器网络安全技术的研究内容201
12.1.2 无线传感器网络安全技术的研究现状202
12.1.3 无线传感器网络安全技术的主要技术挑战205
12.2 无线传感器网络的安全问题分析205
12.2.1 无线传感器网络物理层的安全策略206
12.2.2 无线传感器网络链路层的安全策略207
12.2.3 无线传感器网络网络层的安全策略207
12.2.4 无线传感器网络传输层和应用层的安全策略209
12.3 无线传感器网络的密钥管理和入侵检测技术209
12.3.1 无线传感器网络的密钥管理209
12.3.2 无线传感器网络的入侵检测技术211
参考文献214
第4篇 无线传感器网络的自组织管理技术
第13章 无线传感器网络的节点管理
13.1 无线传感器网络的节点管理概述216
13.1.1 无线传感器网络节点管理的研究内容216
13.1.2 无线传感器网络节点管理的研究现状217
13.1.3 无线传感器网络节点管理的主要技术挑战218
13.2 无线传感器网络的节点休眠/唤醒机制218
13.2.1 PEAS算法218
13.2.2 基于网格的调度算法219
13.2.3 基于局部圆周覆盖的节点休眠机制220
13.2.4 基于随机休眠调度的节能机制221
13.3 无线传感器网络的节点功率管理222
13.3.1 动态功率管理和动态电压调节222
13.3.2 基于节点度的算法224
13.3.3 基于邻近图的算法224
13.3.4 基于二分法的功率控制224
13.3.5 网络负载自适应功率管理算法226
参考文献227
第14章 无线传感器网络的资源与任务管理
14.1 无线传感器网络的资源与任务管理概述229
14.1.1 无线传感器网络资源与任务管理的研究内容229
14.1.2 无线传感器网络资源与任务管理的研究现状230
14.1.3 无线传感器网络资源与任务管理的主要技术挑战230
14.2 无线传感器网络的资源管理技术231
14.2.1 自组织资源分配方式231
14.2.2 计算资源分配232
14.2.3 带宽资源分配235
14.3 无线传感器网络的任务管理技术237
14.3.1 任务分配237
14.3.2 任务调度239
14.3.3 负载均衡243
参考文献245
第15章 无线传感器网络的数据管理
15.1 无线传感器网络的数据管理概述248
15.1.1 无线传感器网络数据管理的研究内容248
15.1.2 无线传感器网络数据管理的研究现状249
15.1.3 无线传感器网络数据管理的主要技术挑战249
15.2 无线传感器网络的数据管理系统250
15.2.1 TinyDB系统250
15.2.2 Cougar系统251
15.2.3 Dimensions系统252
15.3 无线传感器网络数据管理的基本方法253
15.3.1 数据模式253
15.3.2 数据存储254
15.3.3 数据索引255
15.3.4 数据查询257
参考文献260
第16章 无线传感器网络的部署、初始化和维护管理
16.1 无线传感器网络的部署、初始化和维护管理概述261
16.1.1 无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究内容261
16.1.2 无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究现状262
16.1.3 无线传感器网络部署、初始化和维护管理的主要技术挑战263
16.2 无线传感器网络的部署技术264
16.2.1 采用确定放置的部署技术264
16.2.2 采用随机抛撒且节点不具移动能力的部署技术265
16.2.3 采用随机抛撒且节点具有移动能力的部署技术265
16.3 无线传感器网络的初始化技术266
16.3.1 UDG模型266
16.3.2 基于MIS的初始化算法266
16.3.3 基于MDS的初始化算法268
16.4 无线传感器网络的维护管理技术270
16.4.1 覆盖与连接维护技术270
16.4.2 性能监测技术271
参考文献272
第5篇 无线传感器网络的开发与应用
第17章 无线传感器网络的仿真技术
17.1 无线传感器网络的仿真技术概述275
17.1.1 网络仿真概述275
17.1.2 无线传感器网络仿真研究概述275
17.2 常用网络仿真软件276
17.2.1 OPNET简介276
17.2.2 NS279
17.2.3 TOSSIM280
17.3 OMNeT++仿真软件281
17.3.1 OMNeT++概述281
17.3.2 NED语言282
17.3.3 简单模块/复合模块287
17.3.4 消息290
17.3.5 类库291
17.4 仿真示例296
参考文献303
第18章 无线传感器网络的硬件开发
18.1 无线传感器网络的硬件开发概述304
18.1.1 硬件系统的设计特点与要求304
18.1.2 硬件系统的设计内容304
18.1.3 硬件系统设计的主要挑战305
18.2 传感器节点的开发305
18.2.1 数据处理模块设计305
18.2.2 换能器模块设计307
18.2.3 无线通信模块设计307
18.2.4 电源模块设计309
18.2.5 外围模块设计309
18.3 传感器节点原型的开发实例——Mica310
18.3.1 Mica系列节点简介310
18.3.2 Mica系列处理器/射频板设计分析313
18.3.3 Mica系列传感板设计分析315
18.3.4 编程调试接口板介绍317
参考文献318
第19章 无线传感器网络的操作系统
19.1 无线传感器网络操作系统概述320
19.1.1 无线传感器网络操作系统的设计要求320
19.1.2 几种典型的无线传感器网络操作系统介绍321
19.1.3 无线传感器网络操作系统设计的主要技术挑战321
19.2 TinyOS操作系统322
19.2.1 TinyOS的设计思路322
19.2.2 TinyOS的组件模型322
19.2.3 TinyOS的通信模型324
19.3 基于TinyOS的应用程序运行过程解析324
19.3.1 Blink程序的配件分析325
19.3.2 BlinkM模块分析327
19.3.3 ncc编译nesC程序的过程329
19.3.4 Blink程序的运行跟踪解析329
19.3.5 TinyOS的任务调度机制的实现338
19.3.6 TinyOS的事件驱动机制的实现342
19.4 TinyOS的使用346
19.4.1 TinyOS的安装346
19.4.2 创建应用程序348
19.4.3 使用TOSSIM仿真调试应用程序348
19.4.4 使用TinyViz进行可视化调试349
19.4.5 将应用程序导入节点运行350
参考文献351
第20章 无线传感器网络的软件开发
20.1 无线传感器网络软件开发概述353
20.1.1 无线传感器网络软件开发的特点与设计要求353
20.1.2 无线传感器网络软件开发的内容354
20.1.3 无线传感器网络软件开发的主要技术挑战355
20.2 nesC编程语言355
20.2.1 nesC语言介绍355
20.2.2 nesC的语法规范356
20.2.3 nesC应用程序开发364
20.3 无线传感器网络的应用软件开发367
20.3.1 无线传感器网络的编程模式367
20.3.2 无线传感器网络的中间件设计370
20.3.3 无线传感器网络的服务发现372
参考文献373
第21章 无线传感器网络应用于环境监测
21.1 环境监测应用概述375
21.1.1 环境监测应用的场景描述375
21.1.2 环境监测应用中无线传感器网络的体系架构375
21.2 关键技术377
21.2.1 节点部署377
21.2.2 能量管理377
21.2.3 通信机制378
21.2.4 任务的分配与控制379
21.2.5 数据采样与收集379
21.3 无线传感器网络用于环境监测的实例380
21.3.1 公路交通监测380
21.3.2 建筑物健康状况监测384
21.3.3 “狼群计划”385
参考文献387
第22章 无线传感器网络应用于目标追踪
22.1 目标追踪应用概述388
22.1.1 目标追踪应用的场景描述388
22.1.2 目标追踪应用的特点与技术挑战388
22.1.3 目标追踪应用中的无线传感器网络系统架构389
22.2 无线传感器网络用于目标追踪的关键技术390
22.2.1 追踪步骤390
22.2.2 追踪算法392
22.2.3 面向目标追踪的网络布局优化400
22.3 基于无线传感器网络的车辆追踪系统实例402
22.3.1 系统架构402
22.3.2 关键问题403
22.3.3 关键技术404
参考文献407
附录 英汉缩略语对照表410