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第1章 绪论1

1.1传感器网络的概念2

1.1.1传感器及其发展2

1.1.2无线传感器网络5

1.1.3无线传感器网络的优势7

1.2传感器网络的典型应用7

1.2.1应用类型7

1.2.2典型应用领域8

1.3传感器网络的应用特征13

1.3.1感知信息收集的任务型网络13

1.3.2以数据为中心的网络13

1.3.3资源限制的传感器节点14

1.3.4可扩展的动态自治网络系统15

1.3.5大规模的异构系统17

1.4传感器网络关键技术17

1.4.1系统设计的挑战17

1.4.2关键技术22

1.5传感器网络的标准化30

1.5.1标准化工作概述30

1.5.2IEEE 802.15标准族32

1.5.3基于IEEE 802.15.4的协议族33

1.5.4其他标准33

1.6传感器网络技术的发展34

1.7本书章节安排39

习题40

参考文献41

第2章 传感器网络节点43

2.1设计需求44

2.2结构与接口45

2.2.1数据通路46

2.2.2外部接口47

2.3硬件模块48

2.3.1传感模块48

2.3.2处理器模块49

2.3.3无线通信模块52

2.3.4能量供应模块54

2.3.5存储模块59

2.4节能技术61

2.4.1动态功耗管理61

2.4.2动态电压调节63

2.5节点硬件平台64

2.5.1通用平台65

2.5.2专用平台68

2.5.3高性能平台69

2.5.4网关平台71

2.6本章小结72

习题73

参考文献74

第3章 操作系统77

3.1概述78

3.1.1传感器网络对操作系统的需求78

3.1.2传感网络操作系统的设计要素79

3.2体系结构80

3.3调度81

3.3.1事件驱动81

3.3.2多线程82

3.3.3混合调度结构83

3.4文件系统84

3.5内存分配85

3.5.1静态内存分配85

3.5.2动态内存分配86

3.6重编程87

3.6.1单一映像88

3.6.2虚拟机88

3.6.3可加载模块89

3.6.4增量更新91

3.7典型的节点操作系统92

3.7.1TinyOS操作系统92

3.7.2Contiki操作系统95

3.7.3常见操作系统的对比分析99

3.8本章小结100

习题101

参考文献101

第4章 无线传感器网络体系结构105

4.1网络结构106

4.1.1扁平结构与分层结构106

4.1.2单sink与多sink108

4.2协议体系结构110

4.2.1传统的TCP/IP分层协议结构110

4.2.2二维型传感器网络协议模型112

4.2.3细腰型传感器网络协议结构115

4.3跨层设计118

4.3.1跨层设计的基本概念118

4.3.2典型的跨层协议结构121

4.4全IP化124

4.4.1传感器网络全IP化的必要性125

4.4.2全IP化的挑战及标准化工作126

4.5网络管理128

4.5.1传感器网络管理概述129

4.5.2传感器网络管理功能130

4.5.3传感器网络管理系统结构131

4.6本章小结136

习题136

参考文献137

第5章 无线通信基础140

5.1无线通信技术概述141

5.2无线通信频谱142

5.2.1电磁频谱142

5.2.2ISM免费频段143

5.2.3ISM频段的干扰与共存性144

5.3无线通信媒介145

5.3.1无线电波146

5.3.2红外线146

5.3.3激光146

5.4天线147

5.5无线电波传播特性149

5.5.1无线信号基本传播机制149

5.5.2无线信号覆盖范围150

5.5.3无线信号强度表示150

5.6无线信道传播模型151

5.7调制与解调152

5.7.1调制与解调基本概念153

5.7.2数字调制技术153

5.8扩频通信技术155

5.8.1直接序列扩频156

5.8.2跳频扩频157

5.9无线信道的多路复用158

5.9.1频分复用159

5.9.2时分复用159

5.9.3码分复用160

5.9.4空分复用160

5.9.5正交频分复用160

5.10超宽带技术161

5.11本章小结162

习题163

参考文献163

第6章 拓扑控制技术165

6.1网络拓扑结构简介166

6.2拓扑控制基础知识168

6.2.1基本术语168

6.2.2影响因素169

6.2.3拓扑控制的设计目标170

6.2.4拓扑控制的主要技术171

6.3功率控制172

6.3.1基于节点度的功率控制172

6.3.2基于邻近图的功率控制174

6.3.3基于方向的功率控制176

6.3.4基于干扰的拓扑控制177

6.4睡眠调度178

6.4.1连通支配集算法179

6.4.2ASCENT算法181

6.4.3SPAN算法182

6.5分簇184

6.5.1LEACH算法184

6.5.2GAF算法185

6.5.3HEED算法187

6.5.4TopDisc算法188

6.6本章小结190

习题190

参考文献191

第7章 MAC协议193

7.1概述194

7.1.1无线网络的信道访问控制方式分类195

7.1.2传感器网络MAC协议的特点196

7.1.3传感器网络MAC协议的节能设计197

7.2竞争型的MAC协议198

7.2.1IEEE 802.11 MAC（DCF模式）199

7.2.2S-MAC200

7.2.3B-MAC（SenSys）202

7.2.4RI-MAC（SenSys）204

7.3分配型的MAC协议206

7.3.1TRAMA（TDMA-W）206

7.3.2BMA-MAC（IPSN’04）208

7.3.3DMAC（IPDPS’04）209

7.4混合型的MAC协议211

7.4.1Z-MAC（SenSys，CSMA/TDMA）212

7.4.2Funneling-MAC（SenSys，CSMA/TDMA）215

7.5本章小结217

习题217

参考文献219

第8章 路由技术222

8.1传统网络中的路由223

8.1.1有线Internet网络中的路由223

8.1.2Ad Hoc网络中的路由225

8.2传感器网络中的路由226

8.2.1传感器网络的路由需求226

8.2.2传感器网络特点对路由协议设计的影响227

8.2.3路由选择考虑的因素228

8.2.4传感器网络路由的评价标准231

8.3传感器网络路由协议分类232

8.4典型传感器网络路由协议234

8.4.1洪泛和闲聊路由234

8.4.2以数据为中心的路由235

8.4.3地理位置信息路由239

8.4.4层次式路由243

8.4.5QoS路由246

8.4.6多径路由251

8.4.7基于节点移动的路由254

8.4.8实用化路由协议介绍257

8.5本章小结260

习题260

参考文献261

第9章 传输控制技术263

9.1传输控制协议概述264

9.1.1传输层协议的功能264

9.1.2TCP协议265

9.1.3传感器网络中的传输控制266

9.1.4传感器网络传输层协议评价指标268

9.2拥塞控制机制269

9.2.1拥塞产生的原因269

9.2.2拥塞的分类271

9.2.3拥塞控制271

9.2.4典型的拥塞控制方法274

9.2.5拥塞避免283

9.3可靠传输机制285

9.3.1可靠性的定义285

9.3.2可靠性保障的基本思想285

9.3.3典型的可靠性保障机制287

9.4本章小结299

习题299

参考文献300

第10章 实用化组网标准协议303

10.1IEEE 802.15.4304

10.1.1网络设备类型305

10.1.2网络拓扑结构305

10.1.3物理层307

10.1.4MAC层309

10.2ZigBee318

10.2.1网络节点类型及网络拓扑319

10.2.2协议栈320

10.2.3网络层320

10.2.4应用层324

10.2.5ZigBee安全框架328

10.3工业无线网络330

10.3.1WireleessHART331

10.3.2ISA 100.11a332

10.3.3WIA-PA334

10.3.4WIA-PA、WirelessHART、ISA SP100三种工业无线技术的比较336

10.4 6LowPAN337

10.4.1网络结构与设备338

10.4.2协议栈338

10.4.3适配层339

10.4.4路由协议344

10.5蓝牙346

10.5.1网络结构与设备347

10.5.2蓝牙协议栈结构347

10.5.3射频348

10.5.4基带349

10.5.5蓝牙组网技术357

10.5.6蓝牙应用规范359

10.5.7低功耗蓝牙359

10.6本章小结367

习题368

参考文献368

第11章 感知覆盖371

11.1覆盖基本知识372

11.1.1基本概念和术语372

11.1.2节点感知模型373

11.1.3覆盖问题的分类375

11.1.4传感器网络覆盖技术考虑的主要因素376

11.2点覆盖377

11.2.1确定性点覆盖377

11.2.2随机点覆盖379

11.3区域覆盖380

11.3.1确定性区域覆盖380

11.3.2随机区域覆盖381

11.4栅栏覆盖385

11.4.1最坏与最佳情况覆盖模型386

11.4.2基于暴露量的覆盖模型388

11.5本章小结389

习题389

参考文献389

第12章 时间同步391

12.1基础知识392

12.1.1本地时间392

12.1.2时间同步393

12.1.3协议分类394

12.1.4面临的挑战395

12.2基于消息的时间同步协议397

12.2.1网络时间协议398

12.2.2参考广播协议399

12.2.3TPSN同步协议401

12.2.4FTSP同步协议404

12.2.5tiny-sync和mini-sync同步协议407

12.2.6最新进展410

12.3基于全局信号的时间同步协议412

12.3.1授时同步412

12.3.2基于电力线的时钟同步协议414

12.3.3基于FM无线信号的时钟同步协议ROCS415

12.4本章小结416

习题417

参考文献419

第13章 定位技术421

13.1基础知识422

13.1.1无线定位422

13.1.2传感器网络定位423

13.2测距技术426

13.2.1基于ToA的测距426

13.2.2基于TDoA的测距427

13.2.3基于AoA的测距428

13.2.4基于RSS的测距429

13.3基于测距的定位算法429

13.3.1定位方法430

13.3.2定位系统432

13.4测距无关的定位算法435

13.4.1质心算法436

13.4.2MSP算法437

13.4.3APIT算法438

13.4.4DV-Hop算法439

13.4.5MDS-MAP定位算法441

13.4.6指纹定位算法442

13.5其他相关问题讨论443

13.5.1节点可定位性443

13.5.2定位误差分析444

13.5.3定位误差控制445

13.5.4移动节点辅助定位446

13.6本章小结447

习题448

参考文献449

第14章 仿真与测试451

14.1概述452

14.2模拟仿真453

14.2.1TOSSIM454

14.2.2OMNeT＋＋458

14.2.3NS-2460

14.2.4其他工具461

14.3系统验证463

14.3.1HINT463

14.3.2MoteWorks469

14.3.3MoteLab470

14.4在线监测471

14.4.1网络嗅探471

14.4.2网络断层扫描472

14.5协议测试473

14.5.1一致性测试474

14.5.2互操作性测试476

14.5.3性能测试476

14.6本章小结479

习题479

参考文献480

第15章 安全技术482

15.1概述483

15.1.1安全威胁483

15.1.2安全需求486

15.1.3安全机制488

15.2密钥管理489

15.2.1密钥管理协议的安全需求489

15.2.2密钥管理协议的分类490

15.2.3对称密钥管理491

15.2.4非对称密钥管理495

15.3认证及完整性保护498

15.3.1基于对称密码体制的广播认证方案498

15.3.2基于非对称密码体制的认证方案研究500

15.4入侵检测502

15.4.1入侵检测体系502

15.4.2入侵检测方法503

15.4.3入侵容忍504

15.5其他安全技术505

15.5.1安全路由505

15.5.2安全定位506

15.5.3安全时间同步508

15.5.4安全数据融合509

15.5.5隐私及匿名保护510

15.6本章小结511

习题512

参考文献513