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第1章 无线传感器网络简介1

1.1 无线传感器网络概述1

1.2 无线传感器网络应用范围2

1.3 无线传感器网络设计目标5

1.4 无线传感器网络设计挑战6

1.5 无线传感器网络的技术背景7

1.5.1 微机电系统技术7

1.5.2 无线通信技术7

1.5.3 硬件和软件平台8

1.5.4 无线传感器网络标准9

1.6 本书特色12

1.7 本书的组织安排13

参考文献14

第2章 无线传感器网络体系结构与协议栈18

2.1 概述18

2.2 无线传感器网络的体系结构18

2.2.1 传感节点结构18

2.2.2 网络结构19

2.3 无线传感器网络的分类22

2.3.1 静止和移动网络23

2.3.2 确定性网络和非确定性网络23

2.3.3 静止汇聚节点网络和移动汇聚节点网络23

2.3.4 单汇聚节点网络和多汇聚节点网络23

2.3.5 单跳网络和多跳网络24

2.3.6 自配置网络和非自配置网络24

2.3.7 同构网络和异构网络24

2.4 无线传感器网络协议栈24

2.4.1 应用层25

2.4.2 传输层26

2.4.3 网络层26

2.4.4 数据链路层27

2.4.5 物理层28

2.5 媒体访问控制协议28

2.5.1 MAC层协议的特征29

2.5.2 MAC层协议设计的限制30

2.5.3 协议设计需考虑因素32

2.5.4 MAC层的设计目标32

2.6 无线传感器网络的典型MAC层协议33

2.6.1 基于竞争的协议34

2.6.2 无需竞争协议38

2.6.3 混合协议42

2.6.4 跨层MAC协议44

2.7 无线传感器网络各类MAC协议比较45

2.8 本章小结47

参考文献48

第3章 无线传感器网络的标准化54

3.1 概述54

3.2 IEEE 802.15.4标准55

3.2.1 MAC层的概述55

3.2.2 信道接入56

3.2.3 数据传输模型57

3.2.4 MAC层服务59

3.2.5 安全性62

3.3 ZigBee标准62

3.3.1 网络层63

3.3.2 应用层69

3.3.3 ZigBee的安全性72

3.4 本章小结72

参考文献72

第4章 微功耗射频调制解调方法设计74

4.1 微功耗射频物理层设计74

4.2 全数字调制方法设计75

4.2.1 数字调制的基本流程76

4.2.2 数字调制算法分析77

4.2.3 数字调制方法的简化79

4.2.4 实现结果分析81

4.3 全数字解调方法设计82

4.3.1 数字解调的基本流程82

4.3.2 基于截断误差和截断数据的可变步长自适应均衡算法82

4.3.3 自适应均衡算法原理83

4.4 CCVSLMS算法85

4.4.1 CCVSLMS算法性能分析86

4.4.2 基于LS准则的频偏估计算法改进及补偿方法88

4.4.3 LS频偏估计算法改进原理88

4.4.4 改进频偏估计算法性能分析91

4.4.5 频偏补偿方法93

4.4.6 具有纠错功能的差分解调方法94

4.4.7 基于瞬时标定功率的自适应帧检测方法98

4.4.8 瞬时标定功率的自适应门限原理99

4.4.9 低复杂度的帧检测方法设计100

4.5 全数字调制解调处理方法的性能仿真与分析102

4.6 全调制解调信号处理方法的FPGA验证104

4.7 本章小结106

参考文献107

第5章 ZigBee协议性能分析110

5.1 公用频段短距离无线通信技术比较110

5.1.1 ZigBee的抗干扰特性分析110

5.1.2 共存性分析111

5.1.3 ZigBee协议的安全性115

5.2 ZigBee星型拓扑网络接入概率分析116

5.2.1 IEEE 802.11 MAC协议116

5.2.2 CSMA/CA算法118

5.2.3 马尔可夫链模型121

5.2.4 ZigBee星型网络的MAC层接入模型123

5.3 ZigBee星型拓扑网络延时性分析126

5.4 基于信道空闲评估的CSMA/CA算法改进132

5.4.1 改进算法133

5.4.2 改进的数学模型135

5.4.3 改进算法仿真结果与性能分析138

5.5 本章小结142

参考文献144

第6章 无线传感器网络定位追踪研究146

6.1 节点定位的必要性146

6.2 定位算法分类147

6.2.1 测距和非测距定位算法147

6.2.2 静止和移动节点定位算法147

6.2.3 绝对和相对定位算法148

6.2.4 紧密耦合和松散耦合定位算法148

6.3 定位算法与追踪技术的研究现状149

6.3.1 静止节点定位系统现状149

6.3.2 移动节点定位系统现状151

6.3.3 目标追踪算法现状153

6.4 RSSI测距技术156

6.4.1 RSSI测量原理156

6.4.2 RSSI测量值获取157

6.4.3 RSSI测距实验方案设计158

6.4.4 RSSI实验数据处理159

6.4.5 测距数据处理结果对比分析162

6.5 基于动态权重的固定节点定位算法163

6.5.1 基于RSSI的质心定位算法163

6.5.2 基于RSSI的加权质心定位算法165

6.5.3 静态权重质心定位算法实验166

6.5.4 GFDWCL定位算法168

6.6 无线传感网络中目标追踪研究176

6.6.1 目标节点移动情况分类176

6.6.2 无线传感器网络应用于目标追踪的优势177

6.6.3 目标追踪主要研究内容177

6.6.4 目标追踪技术所面临的主要问题178

6.6.5 目标追踪研究的基本内容178

6.6.6 移动目标追踪QoS评估体系指标179

6.7 基于最大簇的速度自适应追踪算法182

6.7.1 算法基本思想和方法策略182

6.7.2 CCCP移动节点快速定位算法184

6.7.3 CCCP算法的结构186

6.7.4 CCCP算法定位处理过程186

6.7.5 算法的定位精度与锚节点数量的关系186

6.7.6 CCCP算法优化189

6.7.7 基于CCCP的移动目标追踪191

6.8 本章小结195

参考文献196

第7章 无线传感器网络安全定位策略206

7.1 定位系统安全分析206

7.1.1 无线传感器网络攻击分类206

7.1.2 针对定位系统的攻击分析207

7.1.3 定位算法面临的攻击208

7.2 WSN定位系统中常见恶意攻击209

7.3 定位系统安全策略214

7.3.1 安全定位系统设计思路214

7.3.2 基于加密实现安全定位的算法215

7.3.3 距离界限协议实现安全定位216

7.3.4 VM安全定位机制216

7.3.5 SLA安全定位机制217

7.3.6 Serloc安全定位算法217

7.3.7 基于标签的Dv-Hop定位算法219

7.3.8 入侵及异常检测与隔离技术220

7.3.9 顽健性的节点定位算法221

7.4 DPC安全定位算法222

7.4.1 预备知识222

7.4.2 恶意节点定位攻击分析223

7.4.3 安全定位算法需解决的问题224

7.4.4 安全定位算法结构225

7.4.5 安全测距算法225

7.4.6 虚节点滤除算法226

7.5 DPC算法性能227

7.5.1 算法可行性证明227

7.5.2 算法特例说明229

7.5.3 算法能耗分析229

7.5.4 滤除算法重复次数讨论230

7.5.5 算法对节点密度要求231

7.5.6 平面合并算法232

7.6 DPC算法对各种攻击的工作过程233

7.7 DPC算法实验分析236

7.7.1 算法门限值讨论237

7.7.2 DPC算法小结239

7.8 本章小结239

参考文献240

第8章 无线传感器网络覆盖控制技术245

8.1 节点部署算法概述245

8.1.1 采用确定放置的部署技术246

8.1.2 采用随机抛洒且节点不具移动能力的部署技术247

8.1.3 采用随机抛洒且节点具移动能力的部署技术247

8.1.4 节点部署的评价指标248

8.2 无线传感器网络在矿井的部署248

8.2.1 小型区域的部署算法250

8.2.2 大型区域的部署算法250

8.2.3 井下巷道特殊区域的节点部署算法252

8.2.4 优化部署算法仿真及性能分析254

8.3 井下无线传感器网络的拓扑控制256

8.3.1 节点自移动控制算法256

8.3.2 邻居节点发现协议258

8.3.3 边界移动节点调度控制260

8.4 基于“虚拟力”的拓扑控制技术263

8.4.1 虚拟力算法改进264

8.4.2 VFA算法优化264

8.5 “自愈”拓扑控制算法仿真与性能分析266

8.6 本章小结268

参考文献268

第9章 面向小区无线抄表系统的数据路由设计272

9.1 无线抄表系统特点272

9.2 典型WSN分簇路由协议275

9.2.1 LEACH协议275

9.2.2 PEGASIS和Hierachical-PEGASIS协议276

9.2.3 TEEN和APTEEN协议277

9.2.4 DCHS协议277

9.3 适合无线抄表网络的能量均衡多层分簇路由算法278

9.3.1 无线抄表系统模型278

9.3.2 网络簇头选举策略279

9.3.3 网络最优簇数分析280

9.3.4 簇内单／多跳混合通信算法282

9.3.5 EEMLC算法仿真与性能分析286

9.4 EEMLC路由算法的实现289

9.4.1 簇区域确定与节点成簇289

9.4.2 抄表网络路由树的建立290

9.4.3 表计数据的传输292

9.4.4 数据路由的维护295

9.5 本章小结297

参考文献298