無線傳感器網絡原理 (Principles of wireless sensor networks) 无线传感器网络原理

作者:(美)穆罕默德S.奧拜達特  /  (印)蘇迪普·米斯拉
譯者:吳帆 / 劉生鐘 / 傅新喆 / 胡葉

穆罕默德S．奧拜達特(Mohammad S．Obaidat)蒙茅斯大學教授，計算機科學和軟件工程系主任。他是IEEE和ACM傑出講師，因在無線傳感器網絡和綠色ICT等領域的先鋒研究工作而知名。

蘇迪普·米斯拉(Sudip Misra)印度理工學院副教授，曾榮獲加拿大NSERC博士後獎學金和德國洪堡研究獎學金。吳帆博士，上海交通大學計算機科學與工程系教授、博士生導師。他在無線網絡與移動計算、博弈論算法與應用等領域取得了一系列科研成果，已在JSAC、TON、TMC、TPDS、TOC等國際著名期刊以及MOBICOM、MobiHoc、CoNEXT、INFOCOM、AAAI等重要國際會議發表學術論文150餘篇。曾獲教育部自然科學獎一等獎(排名第三)、國家自然科學基金優秀青年科學基金、ACM中國新星獎、CCF-騰訊犀牛鳥卓越獎、CCF-Intel青年學者提升計劃等。研究項目得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委．騰訊公司、Intet公司等的資助。

出版者的話
譯者序
前言

第1章 無線傳感器網絡概述 1
1.1 背景 1
1.2 無線傳感器節點的組成 2
1.3 傳感器網絡的分類 3
1.4 無線傳感器網絡的特點 4
1.5 無線傳感器網絡面臨的挑戰 5
1.6 無線傳感器網絡和無線網狀網絡的對比 7
1.7 總結 8
參考文獻 8

第2章 無線傳感器節點：結構與操作 10
2.1 無線傳感器網絡的限制 10
2.2 設計挑戰 12
2.3 硬件體系結構 12
2.4 操作系統與環境 14
2.5 傳感器節點示例 16
2.6 基礎設施對無線傳感器網絡性能指標的影響 16
2.7 MEMS技術 17
2.8 硬件平臺 18
2.8.1 片上系統傳感器節點 18
2.8.2 增強通用個人計算機 18
2.8.3 專用傳感器節點 18
2.9 軟件平臺 19
2.10 總結 19
參考文獻 19

第3章 無線傳感器網絡的應用：概述與案例研究 21
3.1 目標檢測與追蹤 21
3.1.1 能量 22
3.1.2 可靠性 23
3.1.3 複雜度 23
3.1.4 目標對環境擾動的識別（現象學） 23
3.1.5 傳感器的選擇 24
3.2 輪廓與邊緣檢測 24
3.2.1 連續極值搜索 25
3.2.2 傳感器分組與輪廓點搜尋 25
3.2.3 輪廓線的創建 26
3.3 應用的類型 26
3.3.1 環境應用 26
3.3.2 醫療應用 26
3.3.3 生產過程控制 27
3.3.4 智能家居 27
3.3.5 國土安全 27
3.3.6 水下應用 27
3.3.7 農業 31
3.3.8 軍事應用 31
3.4 總結 31
參考文獻 31

第4章 無線傳感器網絡中的介質訪問 34
4.1 無線網絡中的介質訪問控制 34
4.1.1 S-MAC：節能協議 35
4.1.2 L-MAC：輕量級MAC協議 38
4.1.3 動態調度MAC協議 40
4.1.4 節能QoS感知MAC協議 42
4.1.5 節能應用感知MAC協議 43
4.1.6 位置感知MAC協議 43
4.1.7 移動無線傳感器網絡的節能MAC協議 44
4.1.8 O-MAC：以接收端爲中心的能量管理協議 44
4.1.9 PMAC：無線傳感器網絡的自適應節能MAC協議 45
4.1.10 T-MAC協議 46
4.1.11 BMAC協議 47
4.2 無線傳感器網絡的MAC問題 48
4.3 總結 49
參考文獻 49

第5章 無線傳感器網絡中的路由 53
5.1 無線傳感器網絡中的路由基礎與挑戰 53
5.2 基於網絡架構的路由協議 56
5.2.1 多跳平面路由 56
5.2.2 分層/分簇路由機制 59
5.2.3 基於位置的路由機制 64
5.3 基於操作特點的路由協議 66
5.3.1 基於查詢的路由方法 66
5.3.2 多徑路由機制 66
5.3.3 協作與非協作處理 67
5.3.4 基於服務質量的路由機制 67
5.3.5 基於協商的路由機制 68
5.4 總結 68
參考文獻 69

第6章 無線傳感器網絡的傳輸協議 73
6.1 無線傳感器網絡的傳輸協議需求 73
6.2 因特網傳輸協議及其在無線傳感器網絡中的適用性 74
6.3 現有的無線傳感器網絡傳輸協議 75
6.3.1 協議分類 75
6.3.2 以擁塞控制和流量控制爲中心的協議 75
6.3.3 以可靠性爲中心的協議 82
6.3.4 其他協議 89
6.4 總結 90
參考文獻 91

第7章 定位與追蹤 93
7.1 定位 93
7.1.1 測距技術 94
7.1.2 到達時差 95
7.1.3 到達角和數字羅盤 96
7.1.4 定位算法 96
7.2 目標追蹤 109
7.2.1 單目標追蹤 109
7.2.2 多目標追蹤 114
7.3 總結 116
參考文獻 116

第8章 拓撲管理與控制 119
8.1 拓撲管理 119
8.2 拓撲管理的分類 119
8.2.1 拓撲發現 119
8.2.2 休眠週期管理 122
8.2.3 集羣 125
8.3 拓撲控制 130
8.3.1 網絡覆蓋 130
8.3.2 網絡連通性 132
8.4 總結 134
參考文獻 134

第9章 無線傳感器網絡的性能評估 138
9.1 背景信息 138
9.2 無線傳感器網絡建模 139
9.3 仿真模型 142
9.4 對傳感器行爲和傳感器網絡建模 144
9.4.1 自組織 144
9.4.2 協同算法 145
9.4.3 安全機制 145
9.4.4 能量感知要求 145
9.5 無線傳感器網絡的仿真工具 146
9.6 性能指標 148
9.7 基本模型 149
9.7.1 流量模型 149
9.7.2 能量模型 150
9.8 總結 150
參考文獻 150

第10章 無線傳感器網絡中的安全問題 153
10.1 背景 153
10.2 無線傳感器網絡的限制 156
10.3 無線傳感器網絡的安全需求 156
10.4 無線傳感器網絡特有的漏洞和相應攻擊方法 158
10.5 無線傳感器網絡的物理攻擊 159
10.6 無線傳感器網絡近期的安全問題 161
10.7 無線傳感器網絡的安全協議 162
10.7.1 SPINS 162
10.7.2 TinySec 162
10.7.3 LEAP 162
10.8 無線傳感器網絡中的拒絕服務攻擊和相關防禦措施 163
10.9 總結 166
參考文獻 166

第11章 無線移動傳感器網絡 171
11.1 覆蓋與移動傳感器 172
11.1.1 Voronoi圖方法 172
11.1.2 基於虛擬力的方法 175
11.1.3 基於網格的方法 176
11.1.4 事件覆蓋 178
11.2 網絡壽命延長 181
11.2.1 可預測且可控的移動匯聚節點 181
11.2.2 可預測但不可控的移動匯聚節點 182
11.2.3 不可預測且不可控的匯聚節點 183
11.2.4 移動中繼與數據騾子 188
11.3 總結 190
參考文獻 190

第12章 無線多媒體傳感器網絡 193
12.1 網絡應用 193
12.1.1 多媒體監控 193
12.1.2 交通管理 193
12.1.3 先進的醫療服務 193
12.1.4 環境監測 194
12.1.5 工業過程控制 194
12.1.6 虛擬現實 194
12.2 無線多媒體傳感器網絡面臨的挑戰 194
12.2.1 資源限制 194
12.2.2 變化的信道容量 195
12.2.3 多媒體編碼技術 195
12.2.4 冗餘移除 195
12.2.5 QoS要求 195
12.3 無線多媒體傳感器網絡的不同架構 196
12.3.1 傳統架構 196
12.3.2 同構、單層、集羣式架構 196
12.3.3 同構、多層架構 197
12.3.4 集成架構 198
12.4 不同架構的對比 198
12.5 多媒體傳感器節點架構 198
12.6 現有的傳感器節點平臺 199
12.6.1 Panoptes 199
12.6.2 Cyclops 200
12.6.3 SensEye 201
12.7 通信層 201
12.7.1 物理層 201
12.7.2 鏈路層 203
12.7.3 網絡層 207
12.7.4 傳輸層 209
12.7.5 應用層 211
12.7.6 跨層問題 213
12.8 總結 214
參考文獻 214

第13章 水下無線傳感器網絡 218
13.1 水下無線傳感器網絡的特徵、屬性和應用 219
13.2 水下物理學和動力學 220
13.3 水下無線傳感器網絡設計：通信模型和網絡協議 224
13.3.1 水下無線傳感器網絡組件 224
13.3.2 水下無線傳感器網絡架構 225
13.3.3 定位服務 226
13.3.4 水下無線傳感器網絡協議設計 228
13.4 總結 233
參考文獻 233

第14章 無線地下傳感器網絡 237
14.1 應用 237
14.1.1 土壤屬性監測 238
14.1.2 環境監測 238
14.1.3 邊界監視 238
14.1.4 採礦安全警戒 238
14.1.5 基礎設施監測 238
14.1.6 定位 239
14.2 無線地下傳感器網絡設計中的挑戰 239
14.2.1 地下通信信道設計 239
14.2.2 拓撲設計 239
14.2.3 能量消耗 240
14.2.4 天線設計 240
14.2.5 環境風險 240
14.3 網絡架構 241
14.3.1 埋在地下的WUGSN拓撲 241
14.3.2 部署在礦井和隧道中的WUGSN拓撲 242
14.4 通信架構 242
14.4.1 物理層 243
14.4.2 數據鏈路層 243
14.4.3 網絡層 244
14.4.4 傳輸層 244
14.4.5 跨層設計 245
14.4.6 極端機會路由 245
14.4.7 地下機會路由協議 246
14.5 無線地下信道 246
14.6 土壤屬性對無線地下信道的影響 248
14.7 地下信道模型 249
14.7.1 埋在地下的WUGSN通信信道 249
14.7.2 部署在礦井和隧道中的WUGSN通信信道 249
14.8 總結 250
參考文獻 250
索引 252
參考文獻