面向復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

目　錄

第1章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介　1
1.1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述　1
1.2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍　2
1.3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計目標　5
1.4　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計挑戰(zhàn)　6
1.5　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)背景　7
1.5.1　微機電系統(tǒng)技術(shù)　7
1.5.2　無線通信技術(shù)　7
1.5.3　硬件和軟件平臺　8
1.5.4　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準　9
1.6　本書特色　12
1.7　本書的組織安排　13
參考文獻　14

第2章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議?！?8
2.1　概述　18
2.2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)　18
2.2.1　傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)　18
2.2.2　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)　19
2.3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分類　22
2.3.1　靜止和移動網(wǎng)絡(luò)　23
2.3.2　確定性網(wǎng)絡(luò)和非確定性網(wǎng)絡(luò)　23
2.3.3　靜止匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)和移動匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)　23
2.3.4　單匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)和多匯聚節(jié)點網(wǎng)絡(luò)　23
2.3.5　單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)　24
2.3.6　自配置網(wǎng)絡(luò)和非自配置網(wǎng)絡(luò)　24
2.3.7　同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)　24
2.4　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?！?4
2.4.1　應(yīng)用層　25
2.4.2　傳輸層　26
2.4.3　網(wǎng)絡(luò)層　26
2.4.4　數(shù)據(jù)鏈路層　27
2.4.5　物理層　28
2.5　媒體訪問控制協(xié)議　28
2.5.1　MAC層協(xié)議的特征　29
2.5.2　MAC層協(xié)議設(shè)計的限制　30
2.5.3　協(xié)議設(shè)計需考慮因素　32
2.5.4　MAC層的設(shè)計目標　32
2.6　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MAC層協(xié)議　33
2.6.1　基于競爭的協(xié)議　34
2.6.2　無需競爭協(xié)議　38
2.6.3　混合協(xié)議　42
2.6.4　跨層MAC協(xié)議　44
2.7　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各類MAC協(xié)議比較　45
2.8　本章小結(jié)　47
參考文獻　48

第3章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化　54
3.1　概述　54
3.2　IEEE 802.15.4標準　55
3.2.1　MAC層的概述　55
3.2.2　信道接入　56
3.2.3　數(shù)據(jù)傳輸模型　57
3.2.4　MAC層服務(wù)　59
3.2.5　安全性　62
3.3　ZigBee標準　62
3.3.1　網(wǎng)絡(luò)層　63
3.3.2　應(yīng)用層　69
3.3.3　ZigBee的安全性　72
3.4　本章小結(jié)　72
參考文獻　72

第4章　微功耗射頻調(diào)制解調(diào)方法設(shè)計　74
4.1　微功耗射頻物理層設(shè)計　74
4.2　全數(shù)字調(diào)制方法設(shè)計　75
4.2.1　數(shù)字調(diào)制的基本流程　76
4.2.2　數(shù)字調(diào)制算法分析　77
4.2.3　數(shù)字調(diào)制方法的簡化　79
4.2.4　實現(xiàn)結(jié)果分析　81
4.3　全數(shù)字解調(diào)方法設(shè)計　82
4.3.1　數(shù)字解調(diào)的基本流程　82
4.3.2　基于截斷誤差和截斷數(shù)據(jù)的可變步長自適應(yīng)均衡算法　82
4.3.3　自適應(yīng)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準則的頻偏估計算法改進及補償方法　88
4.4.3　LS頻偏估計算法改進原理　88
4.4.4　改進頻偏估計算法性能分析　91
4.4.5　頻偏補償方法　93
4.4.6　具有糾錯功能的差分解調(diào)方法　94
4.4.7　基于瞬時標定功率的自適應(yīng)幀檢測方法　98
4.4.8　瞬時標定功率的自適應(yīng)門限原理　99
4.4.9　低復(fù)雜度的幀檢測方法設(shè)計　100
4.5　全數(shù)字調(diào)制解調(diào)處理方法的性能仿真與分析　102
4.6　全調(diào)制解調(diào)信號處理方法的FPGA驗證　104
4.7　本章小結(jié)　106
參考文獻　107

第5章　ZigBee協(xié)議性能分析　110
5.1　公用頻段短距離無線通信技術(shù)比較　110
5.1.1　ZigBee的抗干擾特性分析　110
5.1.2　共存性分析　111
5.1.3　ZigBee協(xié)議的安全性　115
5.2　ZigBee星型拓撲網(wǎng)絡(luò)接入概率分析　116
5.2.1　IEEE 802.11 MAC協(xié)議　116
5.2.2　CSMA/CA算法　118
5.2.3　馬爾可夫鏈模型　121
5.2.4　ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)的MAC層接入模型　123
5.3　ZigBee星型拓撲網(wǎng)絡(luò)延時性分析　126
5.4　基于信道空閑評估的CSMA/CA算法改進　132
5.4.1　改進算法　133
5.4.2　改進的數(shù)學模型　135
5.4.3　改進算法仿真結(jié)果與性能分析　138
5.5　本章小結(jié)　142
參考文獻　144

第6章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位追蹤研究　146
6.1　節(jié)點定位的必要性　146
6.2　定位算法分類　147
6.2.1　測距和非測距定位算法　147
6.2.2　靜止和移動節(jié)點定位算法　147
6.2.3　絕對和相對定位算法　148
6.2.4　緊密耦合和松散耦合定位算法　148
6.3　定位算法與追蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀　149
6.3.1　靜止節(jié)點定位系統(tǒng)現(xiàn)狀　149
6.3.2　移動節(jié)點定位系統(tǒng)現(xiàn)狀　151
6.3.3　目標追蹤算法現(xiàn)狀　153
6.4　RSSI測距技術(shù)　156
6.4.1　RSSI測量原理　156
6.4.2　RSSI測量值獲取　157
6.4.3　RSSI測距實驗方案設(shè)計　158
6.4.4　RSSI實驗數(shù)據(jù)處理　159
6.4.5　測距數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比分析　162
6.5　基于動態(tài)權(quán)重的固定節(jié)點定位算法　163
6.5.1　基于RSSI的質(zhì)心定位算法　163
6.5.2　基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法　165
6.5.3　靜態(tài)權(quán)重質(zhì)心定位算法實驗　166
6.5.4　GFDWCL定位算法　168
6.6　無線傳感網(wǎng)絡(luò)中目標追蹤研究　176
6.6.1　目標節(jié)點移動情況分類　176
6.6.2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標追蹤的優(yōu)勢　177
6.6.3　目標追蹤主要研究內(nèi)容　177
6.6.4　目標追蹤技術(shù)所面臨的主要問題　178
6.6.5　目標追蹤研究的基本內(nèi)容　178
6.6.6　移動目標追蹤QoS評估體系指標　179
6.7　基于最大簇的速度自適應(yīng)追蹤算法　182
6.7.1　算法基本思想和方法策略　182
6.7.2　CCCP移動節(jié)點快速定位算法　184
6.7.3　CCCP算法的結(jié)構(gòu)　186
6.7.4　CCCP算法定位處理過程　186
6.7.5　算法的定位精度與錨節(jié)點數(shù)量的關(guān)系　186
6.7.6　CCCP算法優(yōu)化　189
6.7.7　基于CCCP的移動目標追蹤　191
6.8　本章小結(jié)　195
參考文獻　196

第7章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位策略　206
7.1　定位系統(tǒng)安全分析　206
7.1.1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)攻擊分類　206
7.1.2　針對定位系統(tǒng)的攻擊分析　207
7.1.3　定位算法面臨的攻擊　208
7.2　WSN定位系統(tǒng)中常見惡意攻擊　209
7.3　定位系統(tǒng)安全策略　214
7.3.1　安全定位系統(tǒng)設(shè)計思路　214
7.3.2　基于加密實現(xiàn)安全定位的算法　215
7.3.3　距離界限協(xié)議實現(xiàn)安全定位　216
7.3.4　VM安全定位機制　216
7.3.5　SLA安全定位機制　217
7.3.6　Serloc安全定位算法　217
7.3.7　基于標簽的Dv-Hop定位算法　219
7.3.8　入侵及異常檢測與隔離技術(shù)　220
7.3.9　頑健性的節(jié)點定位算法　221
7.4　DPC安全定位算法　222
7.4.1　預(yù)備知識　222
7.4.2　惡意節(jié)點定位攻擊分析　223
7.4.3　安全定位算法需解決的問題　224
7.4.4　安全定位算法結(jié)構(gòu)　225
7.4.5　安全測距算法　225
7.4.6　虛節(jié)點濾除算法　226
7.5　DPC算法性能　227
7.5.1　算法可行性證明　227
7.5.2　算法特例說明　229
7.5.3　算法能耗分析　229
7.5.4　濾除算法重復(fù)次數(shù)討論　230
7.5.5　算法對節(jié)點密度要求　231
7.5.6　平面合并算法　232
7.6　DPC算法對各種攻擊的工作過程　233
7.7　DPC算法實驗分析　236
7.7.1　算法門限值討論　237
7.7.2　DPC算法小結(jié)　239
7.8　本章小結(jié)　239
參考文獻　240

第8章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)　245
8.1　節(jié)點部署算法概述　245
8.1.1　采用確定放置的部署技術(shù)　246
8.1.2　采用隨機拋灑且節(jié)點不具移動能力的部署技術(shù)　247
8.1.3　采用隨機拋灑且節(jié)點具移動能力的部署技術(shù)　247
8.1.4　節(jié)點部署的評價指標　248
8.2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井的部署　248
8.2.1　小型區(qū)域的部署算法　250
8.2.2　大型區(qū)域的部署算法　250
8.2.3　井下巷道特殊區(qū)域的節(jié)點部署算法　252
8.2.4　優(yōu)化部署算法仿真及性能分析　254
8.3　井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制　256
8.3.1　節(jié)點自移動控制算法　256
8.3.2　鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議　258
8.3.3　邊界移動節(jié)點調(diào)度控制　260
8.4　基于“虛擬力”的拓撲控制技術(shù)　263
8.4.1　虛擬力算法改進　264
8.4.2　VFA算法優(yōu)化　264
8.5　“自愈”拓撲控制算法仿真與性能分析　266
8.6　本章小結(jié)　268
參考文獻　268

第9章　面向小區(qū)無線抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路由設(shè)計　272
9.1　無線抄表系統(tǒng)特點　272
9.2　典型WSN分簇路由協(xié)議　275
9.2.1　LEACH協(xié)議　275
9.2.2　PEGASIS和Hierachical-PEGASIS協(xié)議　276
9.2.3　TEEN和APTEEN協(xié)議　277
9.2.4　DCHS協(xié)議　277
9.3　適合無線抄表網(wǎng)絡(luò)的能量均衡多層分簇路由算法　278
9.3.1　無線抄表系統(tǒng)模型　278
9.3.2　網(wǎng)絡(luò)簇頭選舉策略　279
9.3.3　網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)簇數(shù)分析　280
9.3.4　簇內(nèi)單/多跳混合通信算法　282
9.3.5　EEMLC算法仿真與性能分析　286
9.4　EEMLC路由算法的實現(xiàn)　289
9.4.1　簇區(qū)域確定與節(jié)點成簇　289
9.4.2　抄表網(wǎng)絡(luò)路由樹的建立　290
9.4.3　表計數(shù)據(jù)的傳輸　292
9.4.4　數(shù)據(jù)路由的維護　295
9.5　本章小結(jié)　297
參考文獻　298