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第1章 无线传感器网络介绍1

1.1 概述1

1.1.1 网络特点1

1.1.2 网络应用2

1.1.3 无线传感器网络的设计目标4

1.1.4 网络设计挑战5

1.2 技术背景6

1.2.1 微机电系统技术6

1.2.2 无线通信技术7

1.2.3 硬件和软件平台7

1.2.4 无线传感器网络标准9

1.3 本书特色11

1.4 本书的组织安排11

参考文献12

第2章 网络体系结构与协议栈15

2.1 概述15

2.2 无线传感器网络的体系结构15

2.2.1 传感器节点结构15

2.2.2 网络体系结构16

2.3 无线传感器网络的分类19

2.4 无线传感器网络的协议栈20

2.4.1 应用层21

2.4.2 传输层21

2.4.3 网络层22

2.4.4 数据链路层22

2.4.5 物理层23

2.5 小结24

参考文献24

第3章 媒体访问控制26

3.1 简介26

3.2 基本MAC协议26

3.2.1 竞争MAC协议27

3.2.2 非竞争MAC协议28

3.3 无线传感器网络的MAC设计29

3.3.1 网络特征29

3.3.2 MAC层的设计目标30

3.3.3 MAC中的能量有效性问题31

3.4 用于无线传感器网络的MAC协议31

3.4.1 基于竞争的协议32

3.4.2 非竞争协议40

3.4.3 混合协议45

3.5 总结及展望47

参考文献48

第4章 路由和数据传播52

4.1 概述52

4.2 基本原理与挑战52

4.2.1 基础52

4.2.2 挑战55

4.2.3 传感应用要求56

4.3 路由和数据传播协议的分类57

4.3.1 位置信息57

4.3.2 网络分层和网内数据处理58

4.3.3 数据中心59

4.3.4 路径冗余59

4.3.5 网络动态变化59

4.3.6 服务质量要求60

4.3.7 网络异质性60

4.4 路由与数据传播协议概述61

4.4.1 位置辅助路由61

4.4.2 基于网内数据处理的分层协议69

4.4.3 数据中心协议74

4.4.4 基于多径的协议88

4.4.5 基于移动性的无线传感器网络路由协议91

4.4.6 基于QoS的协议100

4.4.7 基于异质性的协议105

4.4.8 比较110

4.5 总结及未来方向112

参考文献113

第5章 广播、多播与地域群播118

5.1 概述118

5.2 概念和主要的挑战118

5.2.1 基本概念118

5.2.2 设计准则和挑战119

5.3 广播机制120

5.3.1 简单广播机制121

5.3.2 邻居感知广播机制122

5.3.3 位置辅助的广播机制124

5.3.4 能耗高效的广播机制126

5.3.5 可靠的广播机制129

5.4 多播机制130

5.4.1 基于树的多播机制131

5.4.2 基于位置的多播机制132

5.5 地域群播机制133

5.5.1 无保证的地域群播机制133

5.5.2 有保证的地域群播机制135

5.6 总结及未来方向136

参考文献137

第6章 节点成簇141

6.1 概述141

6.1.1 无线传感器网络架构141

6.1.2 节点簇结构144

6.2 节点簇算法146

6.2.1 簇头选择算法146

6.2.2 ad-hoc网络中的节点簇算法148

6.3 无线传感器网络节点簇算法152

6.3.1 无线传感器网络中的簇特性152

6.3.2 有效洪泛的被动簇153

6.3.3 能量有效自适应簇156

6.3.4 能量有效分布式簇157

6.3.5 能量有效的层次簇158

6.3.6 涌现分簇算法162

6.3.7 安全成簇机制164

6.4 总结和将来的方向168

参考文献169

第7章 数据查询（队列）处理和数据融合173

7.1 概述173

7.2 无线传感器网络中的查询处理174

7.2.1 查询特点174

7.2.2 查询处理中的挑战176

7.2.3 查询处理的传感器选择178

7.2.4 查询处理技术178

7.2.5 快照查询180

7.3 无线传感器网络中的数据融合184

7.3.1 数据融合的挑战184

7.3.2 数据融合技术185

7.4 总结和展望191

参考文献193

第8章 节点定位195

8.1 概述195

8.2 节点定位技术的概念和挑战195

8.2.1 定位技术的发展195

8.2.2 定位系统196

8.2.3 无线传感器网络节点定位的挑战198

8.3 无线传感器网络的测距技术199

8.3.1 基于TOA技术的测距199

8.3.2 基于RSS技术的测距204

8.4 无线定位算法206

8.4.1 背景207

8.4.2 几何三角测量技术207

8.4.3 模型识别技术210

8.5 无线传感器节点定位211

8.5.1 合作定位211

8.5.2 集中定位算法214

8.5.3 分布式定位算法216

8.6 本章小结及将来的研究方向224

参考文献225

第9章 时间同步228

9.1 概述228

9.1.1 计算机时钟和时钟同步问题228

9.1.2 时间同步方法中的共同挑战229

9.2 无线传感器网络中时间同步的必要性230

9.3 无线传感中时间同步的要求231

9.4 无线传感器网络中的同步协议231

9.4.1 同步原语232

9.4.2 多跳同步235

9.4.3 长期同步239

9.4.4 其他协议和相关工作241

9.5 总结及未来研究方向242

参考文献244

第10章 能源效率和功率控制246

10.1 简介246

10.2 无线传感器网络中能量效率和功率控制的需求246

10.2.1 传感器节点中功率消耗247

10.2.2 不同协议层的功率控制249

10.2.3 无线传感器网络中能量保存方式的分类250

10.3 被动式能量保存方式251

10.3.1 物理层能量保存方式251

10.3.2 MAC层能量保存机制255

10.3.3 较高层能量保存机制256

10.4 主动式能量保存方式262

10.4.1 MAC层机制262

10.4.2 网络层机制265

10.4.3 传输层机制268

10.5 总结270

参考文献270

第11章 传输协议与服务质量274

11.1 引言274

11.2 传输层协议276

11.2.1 传统传输层协议的基本原则276

11.2.2 TCP和UDP的不足277

11.3 无线传感器网络的传输协议设计278

11.3.1 性能度量278

11.3.2 拥塞控制279

11.3.3 丢包恢复281

11.3.4 设计方针283

11.4 无线传感器网络中的传输协议284

11.4.1 拥塞控制协议284

11.4.2 可靠性协议287

11.4.3 拥塞控制和可靠性协议289

11.4.4 开放问题290

11.5 总结和将来的研究方向291

参考文献291

第12章 网络安全和攻击防御294

12.1 概述294

12.2 机密性295

12.2.1 偷听295

12.2.2 节点胁从296

12.2.3 加密296

12.2.4 隐私297

12.2 完整性298

12.3.1 传输错误298

12.3.2 处理错误298

12.3.3 包修改298

12.3.4 误码控制299

12.3.5 信息完整代码299

12.4 置信299

12.4.1 包注入299

12.4.2 消息认证码300

12.4.3 质疑响应300

12.4.4 签名300

12.4.5 中间人攻击301

12.4.6 公钥认证301

12.4.7 广播和多播认证303

12.5 认可306

12.6 新鲜307

12.6.1 包重播307

12.6.2 时间戳308

12.7 可行性308

12.7.1 选择性发送308

12.7.2 射频干扰309

12.7.3 多通道路径309

12.7.4 错误报告309

12.7.5 节点复制311

12.8 入侵检测311

12.9 密钥管理312

12.9.1 对称密钥管理312

12.9.2 非对称密钥管理318

12.9.3 组密钥管理319

12.10 总结320

参考文献320

第13章 无线传感器网络标准325

13.1 概述325

13.2 IEEE 802.15.4标准325

13.2.1 MAC层的概述326

13.2.2 信道接入327

13.2.3 数据传输模型329

13.2.4 MAC层服务330

13.2.5 安全性333

13.3 ZigBee标准334

13.3.1 网络层334

13.3.2 应用层340

13.3.3 ZigBee的安全性343

13.4 总结343

参考文献344

第14章 无线传感器网络发展趋势345

14.1 概述345

14.2 无线多媒体传感器网络346

14.2.1 无线多媒体传感器网络的应用346

14.2.2 无线多媒体传感器网络的设计347

14.2.3 超宽带技术349

14.2.4 跨层设计350

14.3 无线传感器与执行网络352

14.3.1 无线传感器与执行器网络的应用353

14.3.2 传感器和执行器协作353

14.4 传感器网络在具有挑战性环境中的应用356

14.4.1 水下声传感器网络356

14.4.2 无线地下传感器网络360

14.5 无线传感器网络的跨层设计362

14.5.1 跨层资源分配363

14.5.2 成对跨层协议365

14.5.3 跨层模块设计368

14.5.4 警示指南和开放性研究问题369

14.6 小结370

参考文献370