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第一部分 序言3

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 TinyOS71

4.3.2 SOS73

4.3.3 Contiki75

4.3.4 LiteOS79

4.4评估82

练习84

参考文献85

第二部分 基本架构89

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MACAW120

6.2.3基于邀请的MACA协议121

6.2.4 IEEE 802.11121

6.2.5 IEEE 802.15.4和ZigBee123

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-TDMA130

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MAC141

6.5.6数据汇聚MAC143

6.5.7前同步码采样和WiseMAC144

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199

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 TinySec268

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 TinyGALS279

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 EnviroTrack283

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