无线传感器网络协议与体系结构PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　环境智能化的景象 1

1.2　应用举例 2

1.3　应用的类型 5

1.4 WSN的挑战性 6

1.4.1　要求的特性 6

1.4.2　要求的机制 7

1.5　为什么说传感器网络是不同的 8

1.5.1　移动Ad hoc网络与无线传感器网络 8

1.5.2　现场总线与无线传感器网络 10

1.6　无线传感器网络的技术要求 10

第一部分　体系结构 15

第2章　单节点体系结构 15

2.1　硬件组成 15

2.1.1　传感器节点硬件概况 15

2.1.2　控制器 16

2.1.3　存储器 18

2.1.4　通信设备 18

2.1.5　传感器与执行器 26

2.1.6　传感器节点的电源 27

2.2　传感器节点的能量消耗 30

2.2.1　不同功率消耗条件下的工作状态 30

2.2.2　微控制器的能量消耗 32

2.2.3　存储器 33

2.2.4　无线收发机 33

2.2.5　计算与通信的关系 37

2.2.6　传感器与执行器的功率消耗 37

2.3　操作系统与运行环境 38

2.3.1　嵌入式操作系统 38

2.3.2　编程范例与应用编程接口 38

2.3.3　操作系统的结构与协议栈 40

2.3.4　动态能量与功率管理 41

2.3.5　实例研究：TinyOS与nesC 42

2.3.6　其他举例 45

2.4　传感器节点的一些例子 45

2.4.1 Mica Mote系列 45

2.4.2 EYES节点 47

2.4.3 BT节点 47

2.4.4 Scatter网络 48

2.4.5　商用器件 48

2.5　小结 48

第3章　网络体系结构 50

3.1　传感器网络的构想 50

3.1.1　信源与信宿的类型 50

3.1.2　单跳与多跳网络 51

3.1.3　多信宿与信源 52

3.1.4　三种移动方式 52

3.2　目标的最优化与品质参数 53

3.2.1　服务质量 54

3.2.2　能量效率 54

3.2.3　可观测性 55

3.2.4　稳健性 56

3.3 WSN的设计原理 56

3.3.1　分布式组织 56

3.3.2　网络内部处理 57

3.3.3 自适应的保真度与精度 59

3.3.4　以数据为中心 59

3.3.5　利用位置信息 61

3.3.6　利用主动模式 61

3.3.7　利用多样性 61

3.3.8　基于部件的协议栈与层间优化 62

3.4 WSN的服务接口 62

3.4.1　构造应用／协议栈接口 62

3.4.2 WSN服务接口的可表示性要求 63

3.4.3　讨论 64

3.5　网关 65

3.5.1　网关的必要性 65

3.5.2 WSN到因特网的通信 66

3.5.3　因特网到WSN的通信 66

3.5.4 WSN隧道 67

3.6　小结 68

第二部分　通信协议 71

第4章　物理层 71

4.1　概述 71

4.2　无线信道与通信基本问题 71

4.2.1　频率分配 71

4.2.2　调制与解调 73

4.2.3　信号传播效应与噪声 76

4.2.4　信道模型 81

4.2.5　扩频通信 83

4.2.6　分组传输与同步 84

4.2.7　无线信道的质量与改进测量 86

4.3 WSN物理层与收发机设计的考虑 87

4.3.1　能量使用概况 88

4.3.2　调制方式选择 88

4.3.3　动态调制调整 91

4.3.4　关于天线的考虑 92

4.4　进一步阅读的文献 92

第5章 MAC协议 94

5.1　无线MAC协议的基本知识 95

5.1.1　关于无线MAC协议的需求与设计上的限制 95

5.1.2 MAC协议的分类 97

5.1.3　无线传感器网络的MAC协议 101

5.2　低占空比协议与唤醒的概念 103

5.2.1　稀疏拓扑结构与能量管理（STEM） 104

5.2.2 S-MAC 105

5.2.3　仲裁设备协议 108

5.2.4　无线唤醒的概念 110

5.2.5　进一步阅读的文献 111

5.3　基于竞争的协议 111

5.3.1 CSMA协议 111

5.3.2 PAMAS 113

5.3.3　进一步的解决方案 114

5.4　基于时间表的协议 115

5.4.1 LEACH 115

5.4.2 SMACS 117

5.4.3　通信量自适应媒体接入协议（TRAMA） 119

5.4.4　进一步的解决方案 121

5.5 IEEE 802.15.4 MAC协议 121

5.5.1 网络体系结构与节点的类型和作用 122

5.5.2　超帧结构 122

5.5.3 GTS管理 123

5.5.4　数据传输过程 123

5.5.5　时隙CSMA-CA协议 124

5.5.6　无信标模式 126

5.5.7　进一步阅读的文献 126

5.6　关于IEEE 802.11和蓝牙 126

5.7　进一步阅读的文献 127

5.8　小结 128

第6章　链路层协议 129

6.1　基本知识：任务与要求 130

6.2　差错控制 130

6.2.1　传输错误的原因与特征 131

6.2.2 ARQ技术 132

6.2.3FEC技术 137

6.2.4　混合方案 141

6.2.5　功率控制 143

6.2.6　进一步研究以减小差错 144

6.2.7　差错控制小结 144

6.3　组帧 145

6.3.1 自适应方案 147

6.3.2　中间校验和 148

6.3.3　将分组大小的优化与FEC相结合 149

6.3.4　帧首部的处理 150

6.3.5　组帧：小结 150

6.4　链路管理 150

6.4.1　链路质量特征 151

6.4.2　链路质量估计 152

6.5　小结 154

第7章　命名与寻址 155

7.1　基本原理 156

7.1.1　传感器网络中使用的地址和名称 156

7.1.2　地址管理 156

7.1.3　地址的唯一性 157

7.1.4　地址分配 158

7.1.5　寻址的通信开销 159

7.2　无线传感器网络中的名称与地址管理 159

7.3　MAC地址的分配 160

7.3.1 网内唯一性地址的分布式分配 160

7.4　局部唯一性地址的分布式分配 162

7.4.1　地址分配算法 163

7.4.2　地址选择与地址表达 164

7.4.3　其他方案 166

7.5　基于内容的寻址和地理位置寻址 167

7.5.1　基于内容的寻址 167

7.5.2　地理位置寻址（Geographic addressing） 170

7.6　小结 171

第8章　时间同步 172

8.1 时间同步问题的简介 172

8.1.1　无线传感器网络中时间同步的需求 172

8.1.2　节点的时钟与时钟计时精度问题 173

8.1.3　时间同步算法的结构和特点 175

8.1.4　无线传感器网络中的时间同步 176

8.2　基于发送／接收的同步协议 177

8.2.1　轻量时间同步协议（Lightweight Time Synchronization,LTS） 177

8.2.2　怎样估计漂移并提高同步精度 182

8.2.3　传感器网络的时间同步协议（Time-Sync Protocol for Sensor Networks,TPSN） 183

8.3　基于接收／接收的同步协议 186

8.3.1　参考广播同步（Reference Broadcast Synchronization,RBS） 186

8.3.2　分级的参考时间同步（Hierarchy Referencing Time Synchronization,HRTS） 192

8.4　进一步阅读 194

第9章　位置与定位 198

9.1　无线传感器网络定位的特点 198

9.2　定位方法 200

9.2.1　利用节点的邻近信息进行定位 200

9.2.2　三边测量法（Trilateration）和三角测量法（Triangulation） 200

9.2.3　情景分析（Scene analysis） 203

9.3　测边定位问题的数学基础 203

9.3.1　三边定位与求解 203

9.3.2 由距离测量误差引出的三边定位与求解问题 204

9.4　单跳定位 205

9.4.1　一种室内的定位系统——Active Badge 205

9.4.2　另一种室内的定位系统——Active Office 206

9.4.3 Radar定位系统 206

9.4.4 Cricket定位系统 206

9.4.5　利用交叠区域的连通性进行定位 206

9.4.6　近似三角形内点测试法（Approximate Point InTriangle,APIT） 207

9.4.7　利用到达角进行定位 208

9.5　多跳环境中的定位 208

9.5.1　多跳网络内的连通性 209

9.5.2　多跳距离的估计 209

9.5.3　迭代多边定位与协作多边定位 210

9.5.4　概率定位方法 212

9.6　锚节点的配置对定位的影响 212

9.7　进一步阅读 213

9.8　小结 214

第10章　拓扑结构控制 215

10.1　动机与基本思路 215

10.1.1　拓扑结构控制的可选方法 216

10.1.2　拓扑结构控制算法的评价指标 217

10.2　平面网络中的拓扑结构控制——功率控制 219

10.2.1　一些复杂度结论 219

10.2.2　存在魔数吗——临界参数的边界 220

10.2.3　拓扑构造与协议举例 222

10.2.4　关于平面拓扑结构控制的进一步阅读的文献 227

10.3　采用控制集的层次型网络 228

10.3.1　动机与定义 228

10.3.2　难题的结果 229

10.3.3　关于集中式算法的一些想法 229

10.3.4　一些分布式的近似方法 232

10.3.5　进一步阅读的文献 235

10.4　分簇式层次型网络 236

10.4.1　簇的定义 236

10.4.2　构造独立集的基本思想 238

10.4.3　算法的扩展和一些性能问题 239

10.4.4　连接簇 240

10.4.5　簇头轮换 240

10.4.6　更多的算法举例 241

10.4.7　多跳簇 242

10.4.8　多层分簇 244

10.4.9　被动分簇 244

10.4.10　进一步阅读的文献 245

10.5　层次型拓扑结构和功率控制相结合 246

10.5.1　基于引导信号的功率控制 246

10.5.2 Ad hoc网络设计算法（ANDA） 246

10.5.3 CLUSTERPOW 246

10.6　自适应节点活动 247

10.6.1　基于地理位置的拓扑算法（GAF） 247

10.6.2　可变的自适应拓扑算法（ASCENT） 248

10.6.3　在传感器覆盖率的基础上关闭节点 248

10.7　小结 249

第11章　路由协议 250

11.1　转发与路由选择的各种问题 250

11.2　谣传法与基于代理的单播转发 253

11.2.1　基本思路 253

11.2.2　随机转发 253

11.2.3　随机漫步 254

11.2.4进一步阅读的文献 255

11.3　能量高效型单播 255

11.3.1　概述 255

11.3.2　单播协议举例 258

11.3.3　进一步阅读的文献 260

11.3.4　多路径单播路由 261

11.3.5　进一步阅读的文献 264

11.4　广播与多播 265

11.4.1　概述 265

11.4.2　基于信源树的协议 267

11.4.3　共享核心树协议 273

11.4.4　基于网格的协议 273

11.4.5　关于广播和多播的进一步阅读的文献 274

11.5　地理位置路由 275

11.5.1　基于位置的路由的基本知识 275

11.5.2　地域广播 281

11.5.3　关于地理位置路由的进一步阅读的文献 285

11.6　移动的节点 286

11.6.1　移动的汇聚节点 286

11.6.2　移动的数据采集器 287

11.6.3　移动的节点区域 287

11.7　小结 288

第12章　以数据为中心的和基于内容的网络 289

12.1　概述 289

12.1.1　发布／订阅的交互模式 289

12.1.2　寻址数据 290

12.1.3　实现方法 291

12.1.4　数据的分配与收集——网内处理 292

12.2　以数据为中心的路由 292

12.2.1　一次性交互 293

12.2.2　重复交互 294

12.2.3　进一步阅读的文献 298

12.3　数据融合 298

12.3.1　概述 298

12.3.2　描述融合操作的数据库接口 299

12.3.3　融合操作的分类 300

12.3.4　融合点的放置 302

12.3.5　何时停止等待更多的数据 302

12.3.6　把融合看做是一个优化问题 303

12.3.7　广播融合值 304

12.3.8　信息定向的路由和融合 306

12.3.9　更多的例子 309

12.3.10　关于数据融合的进一步阅读的文献 311

12.4　以数据为中心的存储 312

12.5小结 313

第13章　传输层与服务质量 314

13.1　无线传感器网络的传输层和服务质量 314

13.1.1　服务质量／可靠性 315

13.1.2　传输协议 315

13.2　覆盖率与部署 316

13.2.1　传感模型 317

13.2.2　覆盖方法 318

13.2.3　均匀随机部署：泊松点过程 319

13.2.4　随机部署的覆盖率：布尔传感模型 320

13.2.5　随机部署的覆盖率：一般传感模型 322

13.2.6　覆盖率确定 323

13.2.7　网格部署的覆盖率 327

13.2.8　进一步阅读的文献 328

13.3 可靠数据传输 330

13.4　单个分组传递 331

13.4.1　使用单一路径 331

13.4.2　使用多路径 336

13.4.3　多接收机 340

13.4.4小结 340

13.5　块传递 340

13.5.1 1PSFQ：信宿到传感器的块传递 341

13.5.2 RMST：传感器到信宿的块传输 346

13.5.3　关于TCP 348

13.5.4　进一步阅读的文献 349

13.6　拥塞控制和数据率控制 350

13.6.1　传感器网络中的拥塞问题 350

13.6.2　拥塞检测与处理机制 352

13.6.3　数据率控制协议 353

13.6.4 CODA拥塞控制框架 357

13.6.5　进一步阅读的文献 359

第14章　高级应用支持 361

14.1 高级网内处理 361

14.1.1　超越数据融合 361

14.1.2　分布式信号处理 362

14.1.3　分布式信源编码 363

14.1.4　网络编码 367

14.1.5　进一步的问题 368

14.2　安全性问题 368

14.2.1　基本原理 369

14.2.2　无线传感器网络的安全性考虑 369

14.2.3 “拒绝服务”攻击 370

14.2.4　进一步阅读的文献 371

14.3　特定应用支持 372

14.3.1 目标检测与跟踪 372

14.3.2　轮廓／边缘检测 375

14.3.3　现场采样 378

缩略语 381

参考文献 386