第一部分 绪论

第1章 无线传感器网络概述

第二部分 分簇策略和优化

第2章 分簇结构的无线传感器网络

第3章 基于图论的能量有效的分簇算法

第4章 安全可靠的分簇策略

第三部分 密钥管理技术

第5章 基于分布式体系结构的密钥管理方案

第6章 基于分簇式的密钥管理

第7章 无线传感器网络中组密钥管理

第四部分 路由协议和安全

第8章 无线传感器网络的路由协议

第9章 无线传感器网络组播路由协议

第10章 无线传感器网络安全路由协议

第五部分 拓扑容错优化

第11章 无线传感器网络拓扑容错优化

第12章 基于小世界的无线传感器网络拓扑优化

第13章 基于网络编码的拓扑容错研究

第六部分 MAC协议和优化

第14章 无线传感器网络MAC层协议

第15章 无线传感器网络MAC层建模

第16章 无线传感器网络MAC层优化

第七部分 节点定位技术

第17章 无线传感器网络节点定位机制

第18章 DV-HOP定位算法及其优化

第19章 无线传感器网络节点安全定位技术

第八部分 跨层协作与优化

第20章 跨层协作设计基础

第21章 跨层协作MAC协议

第22章 基于跨层协作的路由协议

本书围绕着近年来无线传感器网络在能量管理、数据管理、安全管理等方面的研究热点和难点，以优化和安全为主线索，重点介绍和分析分簇策略和优化、密钥管理技术、路由协议和安全、拓扑容错优化、MAC协议和优化、节点定位技术、跨层协作和优化等技术问题和解决策略。

本书可作为高等院校计算机应用类、通信工程以及电子信息类研究生和高年级本科生教材，也可作为相关领域的工程技术人员的参考书。

第1篇总论

第1章无线传感器网络概述

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

2.2.1Mary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

4.1IEEE802.15.4标准概述60

4.2IEEE802.15.4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

4.3IEEE802.15.4的MAC子层65

4.3.1MAC层概述65

4.3.2MAC层的服务规范66

4.3.3MAC帧结构69

4.3.4MAC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

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

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

6.2.1PSFQ传输协议99

6.2.2ESRT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

7.1ZigBee概述111

7.1.1ZigBee与IEEE802.15.4111

7.1.2ZigBee协议框架112

7.1.3ZigBee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

7.3.2ZigBee应用支持子层117

7.3.3ZigBee应用层框架结构118

7.3.4ZigBee设备协定(profile)119

7.3.5ZigBee目标设备(ZDO)119

7.4ZigBee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

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

9.3.3LCB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

11.4.4CSIP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

13.2.1PEAS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

15.2.1TinyDB系统250

15.2.2Cougar系统251

15.2.3Dimensions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

16.3.1UDG模型266

16.3.2基于MIS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

17.2.1OPNET简介276

17.2.2NS279

17.2.3TOSSIM280

17.3OMNeT++仿真软件281

17.3.1OMNeT++概述281

17.3.2NED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Mica310

18.3.1Mica系列节点简介310

18.3.2Mica系列处理器/射频板设计分析313

18.3.3Mica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

19.2TinyOS操作系统322

19.2.1TinyOS的设计思路322

19.2.2TinyOS的组件模型322

19.2.3TinyOS的通信模型324

19.3基于TinyOS的应用程序运行过程解析324

19.3.1Blink程序的配件分析325

19.3.2BlinkM模块分析327

19.3.3ncc编译nesC程序的过程329

19.3.4Blink程序的运行跟踪解析329

19.3.5TinyOS的任务调度机制的实现338

19.3.6TinyOS的事件驱动机制的实现342

19.4TinyOS的使用346

19.4.1TinyOS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

20.2nesC编程语言355

20.2.1nesC语言介绍355

20.2.2nesC的语法规范356

20.2.3nesC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

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