面向复杂环境监测的无线传感网络技术研究

面向复杂环境监测的无线传感网络技术研究
出版时间：2014年版
内容简介
　　《面向复杂环境监测的无线传感网络技术研究》关注复杂环境下面向环境应用的无线传感器网络设计问题，包括物理层的调制解调方式、商业协议的应用性能分析、监测应用中的节点定位、动态跟踪、定位安全、复杂环境下的节点部署和动态拓扑控制、路由和数据传播等在监测应用中必须要解决的问题，对每项问题都讨论了研究的思路并提出了有效的解决方案。《面向复杂环境监测的无线传感网络技术研究》可以作为从事无线传感器网络、物联网领域的科学研究、产业应用等方面专业人士的参考书，也适用于高等院校电子、通信类专业的教师、研究生和高年级学生将其作为技术指导书。
目　录

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