无线传感器网络原理 PDF下载

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内容简介

本书采用自底向上方式讨论无线传感器网络，首先讲解基础知识，接着分析网络和协议，然后研究定位、拓扑管理、安全、建模和仿真等高级主题，后介绍水下传感器网络等新型应用。本书适合作为高等院校无线传感器网络课程的教材，同时也是研究人员和技术人员的有益参考。

作者简介

Mohammad Obaidat，美国新泽西州蒙茅斯大学计算机科学专业教授，因其在计算机系统、网络与信息安全等领域的开创性、持续性贡献而闻名于世。他勤于笔耕，著述颇丰。他在俄亥俄州立大学获得博士学位，并获多项奖项。他现在是SCS和IEEE的fellow。.Sudip Misra，印度理工学院卡哈拉格普尔分校副教授。已发表200多篇学术论文，出版8本著作。

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目　　录Principles of Wireless Sensor Networks出版者的话译者序前言第1章　无线传感器网络概述 11.1　背景 11.2　无线传感器节点的组成 21.3　传感器网络的分类 31.4　无线传感器网络的特点 41.5　无线传感器网络面临的挑战 51.6　无线传感器网络和无线网状网络的对比 71.7　总结 8参考文献 8第2章　无线传感器节点：结构与操作 102.1　无线传感器网络的限制 102.2　设计挑战 122.3　硬件体系结构 122.4　操作系统与环境 142.5　传感器节点示例 162.6　基础设施对无线传感器网络性能指标的影响 162.7　MEMS技术 172.8　硬件平台 182.8.1　片上系统传感器节点 182.8.2　增强通用个人计算机 182.8.3　专用传感器节点 182.9　软件平台 192.10　总结 19参考文献 19第3章　无线传感器网络的应用：概述与案例研究 213.1　目标检测与追踪 213.1.1　能量 223.1.2　可靠性 233.1.3　复杂度 233.1.4　目标对环境扰动的识别（现象学） 233.1.5　传感器的选择 243.2　轮廓与边缘检测 243.2.1　连续极值搜索 253.2.2　传感器分组与轮廓点搜寻 253.2.3　轮廓线的创建 263.3　应用的类型 263.3.1　环境应用 263.3.2　医疗应用 263.3.3　生产过程控制 273.3.4　智能家居 273.3.5　国土安全 273.3.6　水下应用 273.3.7　农业 313.3.8　军事应用 313.4　总结 31参考文献 31第4章　无线传感器网络中的介质访问 344.1　无线网络中的介质访问控制 344.1.1　S-MAC：节能协议 354.1.2　L-MAC：轻量级MAC协议 384.1.3　动态调度MAC协议 404.1.4　节能QoS感知MAC协议 424.1.5　节能应用感知MAC协议 434.1.6　位置感知MAC协议 434.1.7　移动无线传感器网络的节能MAC协议 444.1.8　O-MAC：以接收端为中心的能量管理协议 444.1.9　PMAC：无线传感器网络的自适应节能MAC协议 454.1.10　T-MAC协议 464.1.11　BMAC协议 474.2　无线传感器网络的MAC问题 484.3　总结 49参考文献 49第5章　无线传感器网络中的路由 535.1　无线传感器网络中的路由基础与挑战 535.2　基于网络架构的路由协议 565.2.1　多跳平面路由 565.2.2　分层/分簇路由机制 595.2.3　基于位置的路由机制 645.3　基于操作特点的路由协议 665.3.1　基于查询的路由方法 665.3.2　多径路由机制 665.3.3　协作与非协作处理 675.3.4　基于服务质量的路由机制 675.3.5　基于协商的路由机制 685.4　总结 68参考文献 69第6章　无线传感器网络的传输协议 736.1　无线传感器网络的传输协议需求 736.2　因特网传输协议及其在无线传感器网络中的适用性 746.3　现有的无线传感器网络传输协议 756.3.1　协议分类 756.3.2　以拥塞控制和流量控制为中心的协议 756.3.3　以可靠性为中心的协议 826.3.4　其他协议 896.4　总结 90参考文献 91第7章　定位与追踪 937.1　定位 937.1.1　测距技术 947.1.2　到达时差 957.1.3　到达角和数字罗盘 967.1.4　定位算法 967.2　目标追踪 1097.2.1　单目标追踪 1097.2.2　多目标追踪 1147.3　总结 116参考文献 116第8章　拓扑管理与控制 1198.1　拓扑管理 1198.2　拓扑管理的分类 1198.2.1　拓扑发现 1198.2.2　休眠周期管理 1228.2.3　集群 1258.3　拓扑控制 1308.3.1　网络覆盖 1308.3.2　网络连通性 1328.4　总结 134参考文献 134第9章　无线传感器网络的性能评估 1389.1　背景信息 1389.2　无线传感器网络建模 1399.3　仿真模型 1429.4　对传感器行为和传感器网络建模 1449.4.1　自组织 1449.4.2　协同算法 1459.4.3　安全机制 1459.4.4　能量感知要求 1459.5　无线传感器网络的仿真工具 1469.6　性能指标 1489.7　基本模型 1499.7.1　流量模型 1499.7.2　能量模型 1509.8　总结 150参考文献 150第10章　无线传感器网络中的安全问题 15310.1　背景 15310.2　无线传感器网络的限制 15610.3　无线传感器网络的安全需求 15610.4　无线传感器网络特有的漏洞和相应攻击方法 15810.5　无线传感器网络的物理攻击 15910.6　无线传感器网络近期的安全问题 16110.7　无线传感器网络的安全协议 16210.7.1　SPINS 16210.7.2　TinySec 16210.7.3　LEAP 16210.8　无线传感器网络中的拒绝服务攻击和相关防御措施 16310.9　总结 166参考文献 166第11章　无线移动传感器网络 17111.1　覆盖与移动传感器 17211.1.1　Voronoi图方法 17211.1.2　基于虚拟力的方法 17511.1.3　基于网格的方法 17611.1.4　事件覆盖 17811.2　网络寿命延长 18111.2.1　可预测且可控的移动汇聚节点 18111.2.2　可预测但不可控的移动汇聚节点 18211.2.3　不可预测且不可控的汇聚节点 18311.2.4　移动中继与数据骡子 18811.3　总结 190参考文献 190第12章　无线多媒体传感器网络 19312.1　网络应用 19312.1.1　多媒体监控 19312.1.2　交通管理 19312.1.3　先进的医疗服务 19312.1.4　环境监测 19412.1.5　工业过程控制 19412.1.6　虚拟现实 19412.2　无线多媒体传感器网络面临的挑战 19412.2.1　资源限制 19412.2.2　变化的信道容量 19512.2.3　多媒体编码技术 19512.2.4　冗余移除 19512.2.5　QoS要求 19512.3　无线多媒体传感器网络的不同架构 19612.3.1　传统架构 19612.3.2　同构、单层、集群式架构 19612.3.3　同构、多层架构 19712.3.4　集成架构 19812.4　不同架构的对比 19812.5　多媒体传感器节点架构 19812.6　现有的传感器节点平台 19912.6.1　Panoptes 19912.6.2　Cyclops 20012.6.3　SensEye 20112.7　通信层 20112.7.1　物理层 20112.7.2　链路层 20312.7.3　网络层 20712.7.4　传输层 20912.7.5　应用层 21112.7.6　跨层问题 21312.8　总结 214参考文献 214第13章　水下无线传感器网络 21813.1　水下无线传感器网络的特征、属性和应用 21913.2　水下物理学和动力学 22013.3　水下无线传感器网络设计：通信模型和网络协议 22413.3.1　水下无线传感器网络组件 22413.3.2　水下无线传感器网络架构 22513.3.3　定位服务 22613.3.4　水下无线传感器网络协议设计 22813.4　总结 233参考文献 233第14章　无线地下传感器网络 23714.1　应用 23714.1.1　土壤属性监测 23814.1.2　环境监测 23814.1.3　边界监视 23814.1.4　采矿安全警戒 23814.1.5　基础设施监测 23814.1.6　定位 23914.2　无线地下传感器网络设计中的挑战 23914.2.1　地下通信信道设计 23914.2.2　拓扑设计 23914.2.3　能量消耗 24014.2.4　天线设计 24014.2.5　环境风险 24014.3　网络架构 24114.3.1　埋在地下的WUGSN拓扑 24114.3.2　部署在矿井和隧道中的WUGSN拓扑 24214.4　通信架构 24214.4.1　物理层 24314.4.2　数据链路层 24314.4.3　网络层 24414.4.4　传输层 24414.4.5　跨层设计 24514.4.6　极端机会路由 24514.4.7　地下机会路由协议 24614.5　无线地下信道 24614.6　土壤属性对无线地下信道的影响 24814.7　地下信道模型 24914.7.1　埋在地下的WUGSN通信信道 24914.7.2　部署在矿井和隧道中的WUGSN通信信道 24914.8　总结 250参考文献 250索引 252参考文献

前沿

前　　言Principles of Wireless Sensor Networks概览和目标无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的灵感主要来自于具有通信和感知功能的小型低成本装置。近年来无线传感器网络领域的研究发展迅速，这种分布式的传感器网络在民用和军事领域都具有广阔的应用前景。传感器网络的潜在应用包括战场上的入侵检测、目标追踪、生境监测、患者检测和火灾监测。网络构建不需要基础设施，只需要很少的提前计划和节点部署。不需中央控制的自组织能力是这类网络的智能特性，利用这些特性，网络可以在复杂情况下迅速构建起来。这些智能特性还使得网络得以在出现失效节点的情况下正常运转。尽管传感器网络具有以上提及的优良特性，但实现网络的自主、无意识、无故障运行还有很多挑战。其中一些挑战归结于扩展性、服务质量、能效和安全方面的问题。传感器网络协议应该足够轻量化，从而适应小型传感器节点的计算能力限制。传感器网络通常大规模部署，并需要正常工作数年。显然，这种情况下电池能量是一个重要问题，这可以通过节能或能量感知的协议来解决。最后，服务质量对于需要及时响应的应用至关重要。现在有大量的文献涉及无线传感器网络的方方面面。本书旨在对无线传感器领域的基本概念、挑战、问题、发展趋势、模型和研究结果提供全面的介绍。在写作时，我们致力于使本书成为重要的核心问题和专项问题的有益参考资料。我们努力覆盖尽可能广的主题，同时希望本书成为学生、教师、研究人员和从业人员的重要参考书。由于现有的传感器网络书籍主要面向研究人员，因此我们相信受众的广泛性会成为本书的一个重要优点。我们致力于使本书对学术界和工业界具有同样重要的价值。组织和特点本书的14个章节在内容上大致可划分为三部分：第一部分（第1～3章）讨论无线传感器网络的基础知识，第二部分（第4～6章）关注网络和协议层面，第三部分（第7～14章）介绍定位、拓扑管理、安全、建模和仿真等高级主题。第1章简要介绍无线传感器网络，包括网络中的基础技术、应用、分类和挑战。同时介绍无线传感器节点的基础组件，并对传感器网络进行分类。最后讨论了无线传感器网络与无线网状网络和RFID系统的不同。第2章详细介绍无线传感器节点的组件、结构和操作。首先讨论无线传感器网络的限制和设计挑战，并通过举例呈现了传感器节点的硬件体系结构和操作系统。这一章还包括基础设施对无线传感器网络性能指标的影响。最后讨论用来制造低功耗、低成本传感器节点的MEMS技术。第3章介绍无线传感器网络的主要应用，包括环境监测、医疗、智能家居、国土安全、水下应用、农业和温室检测以及军事应用。第4章主要介绍无线传感器网络中的介质访问控制。首先讨论传统MAC机制存在的问题，接着详细讨论为无线传感器网络设计的MAC机制。第5章讨论无线传感器网络路由的相对优势、劣势及挑战，我们将现有的路由机制分类，并介绍各类机制中具有代表性的例子。第6章介绍无线传感器网络中的传输协议和服务质量问题。首先明确传输协议的需求，然后讨论因特网传输协议在无线传感器网络中的实用性，最后将传输协议分为不同类别，并介绍每一类中的例子。第7章介绍无线传感器网络的定位和目标追踪机制。首先讨论定位的基础知识和不同的测距技术，之后详细介绍现有定位机制的分类以及每一类中的实例，最后以相似的方式讲解目标追踪机制。第8章讨论拓扑管理与控制的重要性。同前几章类似，我们将介绍现有机制的分类，并介绍每一类中的例子。第9章介绍用于评估无线传感器网络系统性能的最新技术。首先讨论建模和仿真技术，它们在网络性能评估中发挥着关键作用，之后讨论与性能评估有关的性能指标和基本模型。第10章讨论安全问题，全面研究无线传感器网络面临的挑战、漏洞、攻击和现有的解决方案，并将其与主要的安全技术进行比较。第11章讨论与无线移动传感器网络相关的问题，包括覆盖、连通性和部署。第12章讨论无线传感器网络的一个变种——无线多媒体传感器网络（WMSN），还讨论了WMSN的挑战和特有应用，以及WMSN的网络、节点架构和通信层。第13章介绍水下无线传感器网络（UWSN）。首先介绍UWSN的挑战和特点，以及UWSN的水下物理学及动力学。然后介绍UWSN的传感器节点、组件、网络架构以及定位服务。最后介绍UWSN的协议栈，并简要讨论每层的相关机制。第14章介绍无线传感器网络的另一个变种——无线地下传感器网络（WUGSN），不仅涉及WUGSN的应用、挑战和网络架构，而且包括这种网络的协议栈、通信信道和路由机制。读者对象本书主要面向学生群体，包括各种层次的学生——初入领域的、中等水平的和已经对领域有深入了解的。为了达到这个目标，我们力求使本书的总体结构和内容对各层次的学生都有帮助。本书的另一个受众群体是科研人员，包括学术界、工业界以及政府中的研究人员。为了满足此群体的需要，本书的多数章节都介绍了一些未来的研究方向。最后，我们也考虑了工业界读者以及需要了解技术实用性的从业者的需求，即理论知识与现实生活中传感器网络应用的对接。致谢在此感谢我们的学生。他们试读了本书的部分章节并提供了反馈，还参与了本书的准备工作。非常感谢剑桥大学出版社的编辑，是他们的不懈努力与合作让我们对出版截止日期有了更清楚的认识。我们还要感谢家人们，尤其是我们的妻子，他们在本书写作期间对我们提供了巨大的帮助。