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第一部分 基础知识2

第1章 绪论2

1.1 基础知识2

1.2 介质访问控制层6

1.3 路由7

1.4 其他通信问题7

1.5 传感器定位8

1.6 时钟同步9

1.7 电源管理9

1.8 特殊的无线传感器网络9

1.8.1 无线多媒体传感器网络9

1.8.2 水下声学无线传感器网络11

1.9 无线传感器网络的应用12

问题与练习15

第二部分 工程设计18

第2章 硬件——传感器节点的体系结构与设计18

2.1 传感器节点的模块18

2.1.1 传感器18

2.1.2 微处理器19

2.1.3 存储器22

2.1.4 无线通信模块23

2.1.5 电源26

2.1.6 外围模块支持28

2.2 综合设计28

2.3 Mica节点设计31

2.4 定制节点——Spec32

2.5 COTS微尘系统33

2.6 Telos节点35

2.7 CargoNet36

问题与练习40

第三部分 网络协议栈44

第3章 无线传感器网络中的介质访问控制技术44

3.1 引言44

3.1.1 无线传感器网络中的介质访问控制44

3.1.2 无线传感器网络中MAC设计的挑战性44

3.2 IEEE802.11标准概述47

3.2.1 点协调功能47

3.2.2 分布式协调功能47

3.3 MAC协议的分类49

3.3.1 基于竞争的MAC协议50

3.3.2 基于调度的MAC协议57

3.3.3 混合型与事件驱动的MAC协议60

3.4 总结68

问题与练习68

第4章 无线传感器网络的路由技术69

4.1 引言69

4.1.1 资源受限69

4.1.2 容错性70

4.1.3 数据报告与融合70

4.1.4 节点部署70

4.1.5 可扩展性和覆盖度70

4.1.6 网络动态性和异构性71

4.2 本章的组织结构71

4.3 无线传感器网络路由协议的分类71

4.3.1 主动式路由协议和反应式路由协议71

4.3.2 平面路由协议和分层路由协议72

4.4 以数据为中心的路由协议72

4.4.1 洪泛和闲聊73

4.4.2 SPIN：基于信息协商的传感器网络路由协议75

4.4.3 DD：定向扩散路由77

4.5 分层路由协议81

4.5.1 LEACH：低功耗自适应按簇分层路由协议82

4.5.2 TEEN：阈值敏感的能量高效传感器网络路由协议85

4.6 基于位置信息的路由协议88

4.7 多径QoS路由92

4.7.1 多径路由93

4.7.2 多径QoS路由协议94

4.8 小结95

问题与练习95

第5章 无线传感器网络传输层技术96

5.1 引言96

5.2 PSFQ97

5.2.1 为什么TCP协议不适用于传感器网络97

5.2.2 基本工作原理98

5.2.3 协议描述101

5.3 ESRT：事件到汇聚节点的可靠传输协议104

5.3.1 可靠传输问题105

5.3.2 归一化事件可靠性与报告速率之间的关系106

5.3.3 拥塞检测110

5.4 E2SRT：事件到汇聚节点的增强可靠传输协议110

5.5 CODA：传感器网络中的拥塞检测与避免115

5.5.1 开环逐跳反压117

5.5.2 拥塞检测118

5.5.3 基于采样的信道监听119

5.6 STCP：无线传感器网络的传输控制协议119

5.6.1 STCP中的数据传输序列119

5.6.2 STCP分组的格式119

5.6.3 连续数据流120

5.6.4 事件触发数据流121

5.6.5 可靠性121

5.6.6 拥塞检测与避免121

5.6.7 以数据为中心的应用122

5.7 GARUDA：实现有效可靠的下行通信122

5.7.1 无线传感器网络中下行数据可靠性面临的挑战122

5.7.2 GARUDA基本设计123

5.7.3 GARUDA架构125

问题与练习127

第四部分 计算机科学原理130

第6章 传感器节点的操作系统130

6.1 TinyOS130

6.1.1 概述130

6.1.2 组件模型131

6.1.3 执行模块与并发性133

6.1.4 主动消息134

6.1.5 实现状况134

6.1.6 主要特性134

6.1.7 低功率优化135

6.2 LA-TinyOS：无线传感器网络中的一种局部性感知的操作系统135

6.2.1 改变定时器以支持时间和空间局部性137

6.2.2 多级任务调度器137

6.2.3 LA-TinyOS系统的代码结构138

6.3 SOS139

6.3.1 模块139

6.3.2 动态内存141

6.4 RETOS：弹性可扩展多线程操作系统141

6.4.1 应用代码检查142

6.4.2 多线程系统142

6.4.3 可加载内核模块143

问题与练习144

第7章 无线传感器网络中的中间件设计145

7.1 引言145

7.2 无线传感器网络中间件参考模型146

7.3 中间件实例：Agilla147

7.4 用于获取数据的中间件实例：Mires148

7.5 数据存储实例：DSWare149

7.6 无线传感器网络运行时支持实例：Mate149

7.7 QoS支持实例：MiLAN150

问题与练习150

第8章 传感器数据管理152

8.1 传感器数据清理152

8.1.1 背景152

8.1.2 通用模型153

8.1.3 降低不确定性154

8.2 TinyDB：应用于传感器网络的可获取的查询处理系统156

8.2.1 数据模型156

8.2.2 基本语言特点156

8.2.3 基于事件查询157

8.2.4 TinyDB定义的其他查询158

8.2.5 基于能量的查询优化158

8.2.6 TinyDB策略一览159

8.3 数据聚合：独立于应用的数据聚合（AIDA）160

8.4 传感器数据存储：层次化数据存储结构（TSAR）162

8.5 多分辨率数据处理164

问题与练习164

第五部分 高级话题168

第9章 传感器定位168

9.1 引言168

9.2 定位的基本要素168

9.2.1 接收信号强度指示169

9.2.2 到达时间170

9.2.3 到达时间差170

9.2.4 到达角度171

9.2.5 三角测量171

9.2.6 三边测量171

9.2.7 多边定位171

9.3 使用移动机器人进行传感器定位172

9.4 多维标度节点定位175

9.4.1 经典多维标度176

9.4.2 迭代多维标度176

9.5 无线传感器网络中的定位179

9.5.1 蒙特卡洛方法179

9.5.2 算法（1）180

9.5.3 算法（2）182

9.6 无GPS环境中的移动无线传感器网络的节点定位方法183

9.7 高精度低功耗的无线传感器网络定位系统185

9.8 LOCALE：稀疏移动传感器网络的协同定位估计189

9.8.1 协同位置估计189

9.8.2 LOCALE中的定位189

9.8.3 局部定位阶段190

9.8.4 转换阶段190

9.8.5 更新阶段192

9.9 无线传感器网络定位的安全192

9.9.1 SeRLoc193

9.9.2 信标套件194

9.9.3 攻击容忍的节点定位194

9.9.4 稳健统计方法194

问题与练习195

第10章 无线传感器网络中的时间同步技术196

10.1 引言196

10.2 一般网络（非无线传感器网络）中的时间同步198

10.2.1 远程时钟读取198

10.2.2 偏移时延估计方法199

10.3 无线传感器网络中的时钟同步200

10.4 同步性能的评估202

10.4.1 精度202

10.4.2 协议开销203

10.4.3 收敛时间203

10.4.4 能效203

10.4.5 可扩展性203

10.4.6 鲁棒性203

10.5 无线传感器网络同步协议的例子203

10.5.1 参考广播同步203

10.5.2 时间扩散同步协议205

10.5.3 概率时钟同步207

问题与练习208

第11章 无线传感器网络安全与隐私209

11.1 引言209

11.1.1 一般攻击类型209

11.1.2 物理节点攻击209

11.1.3 针对无线传感器网络通信协议栈的攻击210

11.2 攻击与对策示例：虫洞攻击214

11.3 无线传感器网络安全示例：基于Blom模型的方法220

11.4 广播认证：基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μTESLA222

11.5 面向传感器节点的实用安全机制225

11.5.1 TinySec225

11.5.2 MiniSec：一种面向无线传感器网络的安全通信架构226

11.6 案例：无线传感器网络中的安全时间同步226

问题与练习230

第六部分 特殊无线传感器网络234

第12章 无线传感器和执行器网络234

12.1 引言234

12.2 传感器-执行器协同问题236

12.2.1 网络和能量模型236

12.2.2 ILP算法237

12.2.3 传感器-执行器协同工作：分布式协议238

12.2.4 DEPR概述239

12.3 层次化传感器-执行器协同工作机制240

12.3.1 层次化WSAN协同工作架构240

12.3.2 “传感器-传感器”协同工作层次——使用聚类241

12.3.3 “传感器-执行器”协同工作层次242

12.3.4 “执行器-执行器”协同工作层次242

问题与练习243

第13章 水下传感器网络244

13.1 引言244

13.1.1 水下无线传感器网络应用244

13.1.2 水下无线传感器网络与陆上无线传感器网络的区别244

13.1.3 网络拓扑245

13.1.4 声频信号传输246

13.1.5 水下传感器246

13.2 水下无线传感器网络协议栈247

13.2.1 物理层247

13.2.2 数据链路层247

13.2.3 网络层（路由层）248

13.2.4 传输层248

13.3 介质访问控制设计实例249

13.4 路由设计实例：基于矢量的转发协议251

13.5 硬件原型设计253

13.5.1 硬件设计253

13.5.2 软件设计254

13.5.3 系统测试254

问题与练习256

第14章 视频传感器网络257

14.1 引言257

14.2 Panoptes258

14.2.1 视频捕捉258

14.2.2 视频压缩259

14.2.3 数据过滤259

14.2.4 数据缓存259

14.3 Cyclops259

14.4 视频传感器网络定标261

14.4.1 确定重叠的程度262

14.4.2 估计k-overlap值262

14.5 SensEye263

问题与练习265

第七部分 其他主题268

第15章 无线传感器网络能量模型268

15.1 基本WSN能量模型268

15.2 基于仿真的能量模型270

15.3 能量感知路由273

问题与练习276

第16章 传感器网络仿真器277

16.1 GloMoSim277

16.2 SensorSim277

16.3 TOSSIM278

16.4 PowerTOSSIM281

16.4.1 PowerTOSSIM的结构281

16.4.2 组件装配282

16.4.3 CPU能耗分析282

16.4.4 PowerState模块282

16.4.5 分析工具283

问题与练习283

第八部分 案例研究286

第17章 案例研究1：远程医疗服务286

17.1 引言286

17.2 远程心电图传感器网络的硬件设计287

17.3 可靠的MASN通信协议289

17.3.1 增强的基于聚类的MASN数据传输289

17.3.2 MASN的路由性能291

17.4 MASN的软件设计293

17.5 RFID和可穿戴传感器的集成294

问题与练习298

第18章 案例研究2：灯光控制299

18.1 引言299

18.2 Illumimote系统的传感器300

18.3 系统结构301

18.4 校准301

18.5 系统评估302

问题与练习303

参考文献305

索引323