無線傳感器網絡的理論及應用

第1篇 總論
第1章 無線傳感器網絡概述
1.1 無線傳感器網絡介紹1
1.1.1 無線傳感器網絡的概念1
1.1.2 無線傳感器網絡的特征2
1.1.3 無線傳感器網絡的應用4
1.2 無線傳感器網絡的體系結構7
1.2.1 無線傳感器網絡的系統(tǒng)架構7
1.2.2 傳感器節(jié)點的結構7
1.2.3 無線傳感器網絡的體系結構概述8
1.3 無線傳感器網絡的研究進展10
1.3.1 無線傳感器網絡的發(fā)展歷程10
1.3.2 無線傳感器網絡的關鍵技術14
1.3.3 無線傳感器網絡所面臨的挑戰(zhàn)14
參考文獻16
第2篇 無線傳感器網絡的通信協(xié)議
第2章 無線傳感器網絡的物理層
2.1 無線傳感器網絡物理層概述19
2.1.1 無線傳感器網絡物理層的研究內容19
2.1.2 無線傳感器網絡物理層的研究現狀20
2.1.3 無線傳感器網絡物理層的主要技術挑戰(zhàn)22
2.2 無線傳感器網絡的調制與編碼方法22
2.2.1 Mary調制機制22
2.2.2 差分脈沖位置調制機制23
2.2.3 自適應編碼位置調制機制24
2.3 超寬帶技術在無線傳感器網絡中的應用25
2.3.1 超寬帶技術概述25
2.3.2 超寬帶技術的基本原理26
2.3.3 超寬帶技術的研究現狀29
2.3.4 基于超寬帶技術的無線傳感器網絡31
參考文獻35
第3章 無線傳感器網絡的數據鏈路層
3.1 無線傳感器網絡數據鏈路層概述37
3.1.1 無線傳感器網絡數據鏈路層的研究內容37
3.1.2 無線傳感器網絡數據鏈路層的研究現狀38
3.1.3 無線傳感器網絡數據鏈路層的主要技術挑戰(zhàn)39
3.2 無線傳感器網絡的MAC協(xié)議40
3.2.1 基于競爭機制的MAC協(xié)議40
3.2.2 基于時分復用的MAC協(xié)議47
3.2.3 其他類型的MAC協(xié)議54
參考文獻58
第4章 IEEE802.15.4標準
4.1 IEEE802.15.4標準概述60
4.2 IEEE802.15.4的物理層 60
4.2.1 物理層概述60
4.2.2 物理層服務規(guī)范61
4.2.3 物理層幀結構65
4.3 IEEE802.15.4的MAC子層65
4.3.1 MAC層概述65
4.3.2 MAC層的服務規(guī)范66
4.3.3 MAC幀結構69
4.3.4 MAC層的功能描述70
4.4 基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網絡70
4.4.1 組網類型70
4.4.2 數據傳輸機制71
參考文獻72
第5章 無線傳感器網絡的網絡層
5.1 無線傳感器網絡網絡層概述73
5.1.1 網絡層的研究內容73
5.1.2 網絡層的研究現狀74
5.1.3 網絡層的主要技術挑戰(zhàn)75
5.2 無線傳感器網絡的路由協(xié)議75
5.2.1 以數據為中心的平面路由75
5.2.2 網絡分層路由77
5.2.3 基于查詢的路由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 路由協(xié)議的優(yōu)化88
5.3 無線傳感器網絡中的數據包轉發(fā)策略90
5.3.1 包轉發(fā)策略的研究背景90
5.3.2 基于價格機制的包轉發(fā)博弈模型91
5.3.3 自發(fā)合作的包轉發(fā)博弈模型93
參考文獻94
第6章 無線傳感器網絡的傳輸層
6.1 無線傳感器網絡傳輸層概述97
6.1.1 無線傳感器網絡傳輸層的研究內容97
6.1.2 無線傳感器網絡傳輸層的研究現狀98
6.1.3 無線傳感器網絡傳輸層的主要技術挑戰(zhàn)99
6.2 無線傳感器網絡的傳輸協(xié)議99
6.2.1 PSFQ傳輸協(xié)議99
6.2.2 ESRT傳輸協(xié)議101
6.3 無線傳感器網絡與其他網絡的互聯103
6.3.1 無線傳感器網絡與Internet互聯103
6.3.2 無線傳感器網絡接入到網格105
參考文獻109
第7章 ZigBee協(xié)議規(guī)范
7.1 ZigBee概述111
7.1.1 ZigBee與IEEE 802.15.4111
7.1.2 ZigBee協(xié)議框架112
7.1.3 ZigBee的技術特點113
7.2 網絡層規(guī)范113
7.2.1 網絡層概述113
7.2.2 服務規(guī)范114
7.2.3 幀結構與命令幀115
7.2.4 功能描述116
7.3 應用層規(guī)范117
7.3.1 應用層概述117
7.3.2 ZigBee應用支持子層117
7.3.3 ZigBee應用層框架結構118
7.3.4 ZigBee設備協(xié)定（profile）119
7.3.5 ZigBee目標設備（ZDO）119
7.4 ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)119
7.4.1 開發(fā)條件和注意事項119
7.4.2 軟件開發(fā)120
7.4.3 硬件開發(fā)121
7.5 基于ZigBee規(guī)范的無線傳感器網絡122
7.5.1 無線傳感器的構建122
7.5.2 無線傳感器網絡的構建123
7.5.3 基于ZigBee的無線傳感器網絡與RFID技術的融合124
參考文獻124
第3篇 無線傳感器網絡的核心支撐技術
第8章 無線傳感器網絡的拓撲控制
8.1 無線傳感器網絡的拓撲控制技術概述125
8.1.1 無線傳感器網絡拓撲控制的研究內容125
8.1.2 無線傳感器網絡拓撲控制的研究現狀126
8.1.3 無線傳感器網絡拓撲控制的主要技術挑戰(zhàn)126
8.2 無線傳感器網絡的拓撲控制算法127
8.2.1 功率控制算法127
8.2.2 層次拓撲結構控制算法129
8.3 無線傳感器網絡的密度控制135
8.3.1 連通支配集構造算法135
8.3.2 基于概率覆蓋模型的無線傳感器網絡密度控制算法138
參考文獻140
第9章 無線傳感器網絡的節(jié)點定位
9.1 無線傳感器網絡的節(jié)點定位技術概述142
9.1.1 無線傳感器網絡節(jié)點定位的研究內容142
9.1.2 無線傳感器網絡節(jié)點定位的研究現狀143
9.1.3 無線傳感器網絡節(jié)點定位的主要技術挑戰(zhàn)146
9.2 無線傳感器網絡的定位機制147
9.2.1 基于測距的定位算法147
9.2.2 非基于測距的定位算法151
9.3 一種基于測距的協(xié)作定位策略159
9.3.1 剛性圖理論簡介159
9.3.2 基于剛性圖的協(xié)作定位理論160
9.3.3 LCB定位算法161
9.4 節(jié)點位置估計更新策略162
9.4.1 動態(tài)網絡問題162
9.4.2 更新策略163
參考文獻164
第10章 無線傳感器網絡的時間同步
10.1 無線傳感器網絡的時間同步概述167
10.1.1 無線傳感器網絡時間同步的研究內容167
10.1.2 無線傳感器網絡時間同步的研究現狀168
10.1.3 無線傳感器網絡時間同步的主要技術挑戰(zhàn)169
10.2 無線傳感器網絡的時間同步機制170
參考文獻180
第11章 無線傳感器網絡的網內信息處理
11.1 無線傳感器網絡的網內信息處理概述182
11.1.1 無線傳感器網絡網內信息處理的研究內容182
11.1.2 無線傳感器網絡網內信息處理的研究現狀183
11.1.3 無線傳感器網絡網內信息處理的主要技術挑戰(zhàn)184
11.2 無線傳感器網絡的數據融合技術184
11.2.1 與路由相結合的數據融合184
11.2.2 基于反向組播樹的數據融合186
11.2.3 基于性能的數據融合187
11.2.4 基于移動代理的數據融合189
11.3 無線傳感器網絡的數據壓縮技術191
11.3.1 基于排序編碼的數據壓縮算法191
11.3.2 分布式數據壓縮算法192
11.3.3 基于數據相關性的壓縮算法194
11.3.4 管道數據壓縮算法194
11.4 無線傳感器網絡的協(xié)作信號信息處理技術195
11.4.1 網元層的CSIP技術195
11.4.2 網絡層的CSIP技術196
11.4.3 應用層的CSIP技術196
11.4.4 CSIP技術展望197
參考文獻198
第12章 無線傳感器網絡的安全技術
12.1 無線傳感器網絡的安全問題概述201
12.1.1 無線傳感器網絡安全技術的研究內容201
12.1.2 無線傳感器網絡安全技術的研究現狀202
12.1.3 無線傳感器網絡安全技術的主要技術挑戰(zhàn)205
12.2 無線傳感器網絡的安全問題分析205
12.2.1 無線傳感器網絡物理層的安全策略206
12.2.2 無線傳感器網絡鏈路層的安全策略207
12.2.3 無線傳感器網絡網絡層的安全策略207
12.2.4 無線傳感器網絡傳輸層和應用層的安全策略209
12.3 無線傳感器網絡的密鑰管理和入侵檢測技術209
12.3.1 無線傳感器網絡的密鑰管理209
12.3.2 無線傳感器網絡的入侵檢測技術211
參考文獻214
第4篇 無線傳感器網絡的自組織管理技術
第13章 無線傳感器網絡的節(jié)點管理
13.1 無線傳感器網絡的節(jié)點管理概述216
13.1.1 無線傳感器網絡節(jié)點管理的研究內容216
13.1.2 無線傳感器網絡節(jié)點管理的研究現狀217
13.1.3 無線傳感器網絡節(jié)點管理的主要技術挑戰(zhàn)218
13.2 無線傳感器網絡的節(jié)點休眠/喚醒機制218
13.2.1 PEAS算法218
13.2.2 基于網格的調度算法219
13.2.3 基于局部圓周覆蓋的節(jié)點休眠機制220
13.2.4 基于隨機休眠調度的節(jié)能機制221
13.3 無線傳感器網絡的節(jié)點功率管理222
13.3.1 動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調節(jié)222
13.3.2 基于節(jié)點度的算法224
13.3.3 基于鄰近圖的算法224
13.3.4 基于二分法的功率控制224
13.3.5 網絡負載自適應功率管理算法226
參考文獻227
第14章 無線傳感器網絡的資源與任務管理
14.1 無線傳感器網絡的資源與任務管理概述229
14.1.1 無線傳感器網絡資源與任務管理的研究內容229
14.1.2 無線傳感器網絡資源與任務管理的研究現狀230
14.1.3 無線傳感器網絡資源與任務管理的主要技術挑戰(zhàn)230
14.2 無線傳感器網絡的資源管理技術231
14.2.1 自組織資源分配方式231
14.2.2 計算資源分配232
14.2.3 帶寬資源分配235
14.3 無線傳感器網絡的任務管理技術237
14.3.1 任務分配237
14.3.2 任務調度239
14.3.3 負載均衡243
參考文獻245
第15章 無線傳感器網絡的數據管理
15.1 無線傳感器網絡的數據管理概述248
15.1.1 無線傳感器網絡數據管理的研究內容248
15.1.2 無線傳感器網絡數據管理的研究現狀249
15.1.3 無線傳感器網絡數據管理的主要技術挑戰(zhàn)249
15.2 無線傳感器網絡的數據管理系統(tǒng)250
15.2.1 TinyDB系統(tǒng)250
15.2.2 Cougar系統(tǒng)251
15.2.3 Dimensions系統(tǒng)252
15.3 無線傳感器網絡數據管理的基本方法253
15.3.1 數據模式253
15.3.2 數據存儲254
15.3.3 數據索引255
15.3.4 數據查詢257
參考文獻260
第16章 無線傳感器網絡的部署、初始化和維護管理
16.1 無線傳感器網絡的部署、初始化和維護管理概述261
16.1.1 無線傳感器網絡部署、初始化和維護管理的研究內容261
16.1.2 無線傳感器網絡部署、初始化和維護管理的研究現狀262
16.1.3 無線傳感器網絡部署、初始化和維護管理的主要技術挑戰(zhàn)263
16.2 無線傳感器網絡的部署技術264
16.2.1 采用確定放置的部署技術264
16.2.2 采用隨機拋撒且節(jié)點不具移動能力的部署技術265
16.2.3 采用隨機拋撒且節(jié)點具有移動能力的部署技術265
16.3 無線傳感器網絡的初始化技術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 無線傳感器網絡的維護管理技術270
16.4.1 覆蓋與連接維護技術270
16.4.2 性能監(jiān)測技術271
參考文獻272
第5篇 無線傳感器網絡的開發(fā)與應用
第17章 無線傳感器網絡的仿真技術
17.1 無線傳感器網絡的仿真技術概述275
17.1.1 網絡仿真概述275
17.1.2 無線傳感器網絡仿真研究概述275
17.2 常用網絡仿真軟件276
17.2.1 OPNET簡介276
17.2.2 NS279
17.2.3 TOSSIM280
17.3 OMNeT++仿真軟件281
17.3.1 OMNeT++概述281
17.3.2 NED語言282
17.3.3 簡單模塊/復合模塊287
17.3.4 消息290
17.3.5 類庫291
17.4 仿真示例296
參考文獻303
第18章 無線傳感器網絡的硬件開發(fā)
18.1 無線傳感器網絡的硬件開發(fā)概述304
18.1.1 硬件系統(tǒng)的設計特點與要求304
18.1.2 硬件系統(tǒng)的設計內容304
18.1.3 硬件系統(tǒng)設計的主要挑戰(zhàn)305
18.2 傳感器節(jié)點的開發(fā)305
18.2.1 數據處理模塊設計305
18.2.2 換能器模塊設計307
18.2.3 無線通信模塊設計307
18.2.4 電源模塊設計309
18.2.5 外圍模塊設計309
18.3 傳感器節(jié)點原型的開發(fā)實例——Mica310
18.3.1 Mica系列節(jié)點簡介310
18.3.2 Mica系列處理器/射頻板設計分析313
18.3.3 Mica系列傳感板設計分析315
18.3.4 編程調試接口板介紹317
參考文獻318
第19章 無線傳感器網絡的操作系統(tǒng)
19.1 無線傳感器網絡操作系統(tǒng)概述320
19.1.1 無線傳感器網絡操作系統(tǒng)的設計要求320
19.1.2 幾種典型的無線傳感器網絡操作系統(tǒng)介紹321
19.1.3 無線傳感器網絡操作系統(tǒng)設計的主要技術挑戰(zhàn)321
19.2 TinyOS操作系統(tǒng)322
19.2.1 TinyOS的設計思路322
19.2.2 TinyOS的組件模型322
19.2.3 TinyOS的通信模型324
19.3 基于TinyOS的應用程序運行過程解析324
19.3.1 Blink程序的配件分析325
19.3.2 BlinkM模塊分析327
19.3.3 ncc編譯nesC程序的過程329
19.3.4 Blink程序的運行跟蹤解析329
19.3.5 TinyOS的任務調度機制的實現338
19.3.6 TinyOS的事件驅動機制的實現342
19.4 TinyOS的使用346
19.4.1 TinyOS的安裝346
19.4.2 創(chuàng)建應用程序348
19.4.3 使用TOSSIM仿真調試應用程序348
19.4.4 使用TinyViz進行可視化調試349
19.4.5 將應用程序導入節(jié)點運行350
參考文獻351
第20章 無線傳感器網絡的軟件開發(fā)
20.1 無線傳感器網絡軟件開發(fā)概述353
20.1.1 無線傳感器網絡軟件開發(fā)的特點與設計要求353
20.1.2 無線傳感器網絡軟件開發(fā)的內容354
20.1.3 無線傳感器網絡軟件開發(fā)的主要技術挑戰(zhàn)355
20.2 nesC編程語言355
20.2.1 nesC語言介紹355
20.2.2 nesC的語法規(guī)范356
20.2.3 nesC應用程序開發(fā)364
20.3 無線傳感器網絡的應用軟件開發(fā)367
20.3.1 無線傳感器網絡的編程模式367
20.3.2 無線傳感器網絡的中間件設計370
20.3.3 無線傳感器網絡的服務發(fā)現372
參考文獻373
第21章 無線傳感器網絡應用于環(huán)境監(jiān)測
21.1 環(huán)境監(jiān)測應用概述375
21.1.1 環(huán)境監(jiān)測應用的場景描述375
21.1.2 環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網絡的體系架構375
21.2 關鍵技術377
21.2.1 節(jié)點部署377
21.2.2 能量管理377
21.2.3 通信機制378
21.2.4 任務的分配與控制379
21.2.5 數據采樣與收集379
21.3 無線傳感器網絡用于環(huán)境監(jiān)測的實例380
21.3.1 公路交通監(jiān)測380
21.3.2 建筑物健康狀況監(jiān)測384
21.3.3 “狼群計劃”385
參考文獻387
第22章 無線傳感器網絡應用于目標追蹤
22.1 目標追蹤應用概述388
22.1.1 目標追蹤應用的場景描述388
22.1.2 目標追蹤應用的特點與技術挑戰(zhàn)388
22.1.3 目標追蹤應用中的無線傳感器網絡系統(tǒng)架構389
22.2 無線傳感器網絡用于目標追蹤的關鍵技術390
22.2.1 追蹤步驟390
22.2.2 追蹤算法392
22.2.3 面向目標追蹤的網絡布局優(yōu)化400
22.3 基于無線傳感器網絡的車輛追蹤系統(tǒng)實例402
22.3.1 系統(tǒng)架構402
22.3.2 關鍵問題403
22.3.3 關鍵技術404
參考文獻407
附錄 英漢縮略語對照表410