无线传感器网络的理论及应用PDF电子书下载

第1篇 总论 1

第1章　无线传感器网络概述 1

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　M-ary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 60

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 73

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 97

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 111

7.1　ZigBee概述 111

7.1.1　ZigBee与IEEE 802.15.4 111

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 142

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M1S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　NS 279

17.2.3　TOSSIM 280

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——Mica 310

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 373

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