第一部分 序言

第1章 无线传感器网络研究动机 3

1.1 定义与背景 3

1.1.1 传感和传感器 3

1.1.2 无线传感器网络 6

1.2 挑战和约束 9

1.2.1 能量 9

1.2.2 自我管理 10

1.2.3 无线组网 11

1.2.4 分布式管理 12

1.2.5 设计限制 12

1.2.6?安全 12

1.2.7?其他挑战 13

练习 13

参考文献 14

第2章 应用 16

2.1 结构安全监测 16

2.1.1 感知地壳活动 17

2.1.2 使用固有频率的单损伤检测 18

2.1.3 使用固有频率的多损伤检测 18

2.1.4 使用模态振型的多损伤检测 19

2.1.5 相关性 19

2.1.6 压电效应 20

2.1.7 原型 23

2.2 交通控制 24

2.2.1 感知任务 25

2.2.2 原型 28

2.3 医疗保健 29

2.3.1 可用的传感器 30

2.3.2 原型 31

2.4 管道监测 33

2.4.1 原型 33

2.5 精细农业 34

2.5.1 原型 35

2.6 活火山 37

2.6.1 原型 37

2.7 地下采矿 38

2.7.1 事故起因 39

2.7.2 感知任务 40

练习 40

参考文献 42

第3章?节点架构 44

3.1 传感子系统 45

3.1.1 模数转换器 45

3.2 处理器子系统 48

3.2.1 体系结构概述 48

3.2.2 微控制器 49

3.2.3 数字信号处理器 51

3.2.4 专用集成电路 51

3.2.5 现场可编程门阵列 52

3.2.6 比较 53

3.3 通信接口 54

3.3.1 串行外围接口 54

3.3.2 内部集成电路 56

3.3.3 总结 58

3.4 原型机 59

3.4.1 IMote节点的架构 59

3.4.2 XYZ节点的架构 60

3.4.3 Hogthrob节点的架构 61

习题 62

参考文献 63

第4章?操作系统 65

4.1 功能方面 65

4.1.1 数据类型 65

4.1.2 调度 66

4.1.3 堆栈 66

4.1.4 系统调用 67

4.1.5 处理中断 67

4.1.6 多线程 67

4.1.7 基于线程的和基于事件的编程 68

4.1.8 内存分配 68

4.2 非功能方面 69

4.2.1 分离关注点 69

4.2.2 系统开销 69

4.2.3 可移植性 70

4.2.4 动态重编程 70

4.3 操作系统原型 71

4.3.1 TinyOS 71

4.3.2 SOS 73

4.3.3 Contiki 75

4.3.4 LiteOS 79

4.4 评估 82

练习 84

参考文献 85

第二部分 基本架构

第5章 物理层 89

5.1 基本组成部分 89

5.2 信源编码 90

5.2.1 信源编码器的效率 91

5.2.2 脉冲编码调制和增量调制 94

5.3 信道编码 95

5.3.1 信道类型 96

5.3.2 信道内的信息传输 97

5.3.3 检错和纠错 99

5.4 调制 99

5.4.1 调制类型 99

5.4.2 正交幅度调制 106

5.4.3 总结 108

5.5 信号传播 109

练习 111

参考文献 115

第6章 MAC协议 116

6.1 概述 116

6.1.1 无竞争介质访问 117

6.1.2 基于竞争的介质访问 118

6.2 无线MAC协议 119

6.2.1 载波监听多路访问 119

6.2.2 带有碰撞避免机制的多路访问(MACA)和MACAW 120

6.2.3 基于邀请的MACA协议 121

6.2.4 IEEE 802.11 121

6.2.5 IEEE 802.15.4和ZigBee 123

6.3 传感器网络中MAC协议的特点 124

6.3.1 能量效率 124

6.3.2 可扩展性 125

6.3.3 适应性 125

6.3.4 低延迟和可预测性 126

6.3.5 可靠性 126

6.4 无竞争的MAC协议 126

6.4.1 特性 127

6.4.2 流量自适应介质访问 127

6.4.3 Y-MAC协议 129

6.4.4 DESYNC-TDMA 130

6.4.5 LEACH协议 132

6.4.6 LMAC协议 134

6.5 基于竞争的MAC协议 135

6.5.1 PAMAS协议 136

6.5.2 S-MAC协议 137

6.5.3 T-MAC协议 139

6.5.4 Pattern MAC协议 140

6.5.5 路由增强MAC 141

6.5.6 数据汇聚MAC 143

6.5.7 前同步码采样和WiseMAC 144

6.5.8 接收端驱动式MAC协议 145

6.6 混合型MAC协议 146

6.6.1 Zebra MAC协议 147

6.6.2 MH-MAC协议 148

6.7 总结 149

习题 150

参考文献 153

第7章 网络层 155

7.1 概述 155

7.2 路由度量 157

7.2.1 常用的指标 158

7.3 洪泛和闲聊 160

7.4 数据中心式路由 162

7.4.1 通过协商的传感网信息传播协议 162

7.4.2 定向扩散路由 164

7.4.3 谣传路由 166

7.4.4 基于梯度的路由 167

7.5 主动式路由 168

7.5.1 DSDV路由协议 168

7.5.2 优化的链路状态路由 169

7.6 按需路由 170

7.6.1 自组网络按需距离矢量 170

7.6.2 动态源路由 171

7.7 分层路由 172

7.8 基于位置的路由 175

7.8.1 基于位置的单播路由 175

7.8.2 基于位置的组播路由 179

7.8.3 地域群播 181

7.9 基于QoS的路由协议 184

7.9.1 顺序分配路由协议 184

7.9.2 SPEED协议 184

7.9.3 MMSPEED协议 186

7.10总结 188

练习 189

参考文献 195

第三部分 节点和网络管理

第8章 能量管理 199

8.1 局部能量管理 200

8.1.1 处理器子系统 200

8.1.2 通信子系统 201

8.1.3 总线频率和内存时序 202

8.1.4 主动式存储器 203

8.1.5 电源子系统 204

8.2 动态电源管理 207

8.2.1 动态操作模式 208

8.2.2 动态调度 210

8.2.3 任务调度 212

8.3 概念架构 213

8.3.1 体系结构概述 214

习题 215

参考文献 217

第9章 时间同步 218

9.1 时钟和同步的问题 218

9.2 WSN中的时间同步 220

9.2.1 时间同步的必要性 220

9.2.2 时间同步面临的挑战 221

9.3 时间同步基础 223

9.3.1 同步消息 223

9.3.2 通信延时的不确定性 224

9.4 时间同步协议 225

9.4.1 基于全球时间源的参考广播 225

9.4.2 基于树的轻量级同步 226

9.4.3 传感器网络的时间同步协议 227

9.4.4 洪泛时间同步协议 228

9.4.5 参考广播同步 231

9.4.6 时间扩散同步协议 232

9.4.7 Mini-Sync和Tiny-Sync同步 233

习题 234

参考文献 235

第10章 定位 237

10.1 综述 237

10.2 测距技术 238

10.2.1 到达时间 238

10.2.2 到达时间差 239

10.2.3 到达角 239

10.2.4 接收信号强度 240

10.3 基于距离的定位 240

10.3.1 三角测量法 240

10.3.2 三边测量法 242

10.3.3 迭代多边算法和协作多边算法 243

10.3.4 基于GPS的定位 244

10.4 不需要测距的定位算法 246

10.4.1 Ad Hoc定位系统(APS) 246

10.4.2 三角形内点近似估计法 247

10.4.3 基于多维定标的定位算法 249

10.5 事件驱动定位 250

10.5.1 灯塔定位法 250

10.5.2 多序列定位法 251

习题 252

参考文献 254

第11章 安全 256

11.1 网络安全的基本原理 256

11.2 无线传感器网络中安全挑战 258

11.3 传感器网络中的安全攻击 259

11.3.1 拒绝服务 259

11.3.2 路由攻击 260

11.3.3 传输层的攻击 261

11.3.4 针对数据汇聚的攻击 262

11.3.5 隐私攻击 262

11.4 安全协议和机制 263

11.4.1 对称密钥和公钥加密 263

11.4.2 密钥管理 263

11.4.3 防御DoS攻击 264

11.4.4 聚合攻击的防御 265

11.4.5 路由攻击的防御 266

11.4.6 传感器网络的安全协议 267

11.4.7 TinySec 268

11.4.8 局部加密认证协议 269

11.5 IEEE 802.15.4和ZigBee安全 269

11.6 总结 271

习题 271

参考文献 272

第12章 传感器网络编程 274

12.1 传感器网络编程的挑战 274

12.2 节点为中心的编程 275

12.2.1 nesC语言 275

12.2.2 TinyGALS 279

12.2.3 传感器网络应用构建工具包 280

12.2.4?基于线程的模型 281

12.3 宏编程 282

12.3.1 抽象域 282

12.3.2 EnviroTrack 283

12.3.3 数据库方式 283

12.4 动态重编程 285

12.5 传感器网络仿真器 286

12.5.1 网络仿真工具和运行环境 287

习题 289

参考文献 289

常用术语英汉对照表 292