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