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无线传感器网络原理


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[美]穆罕默德 S. 奥拜达特(Mohammad S. Obaidat) [印] 苏迪普?米斯拉(Sudip Misra) 著
978-7-111-58000-3
89.00
278
2017年09月25日
吴帆 刘生钟 傅新喆 胡叶 译
计算机 > 计算机网络 > 组网
Cambridge University Press
238
简体中文
16
Principles of Wireless Sensor Networks
教材
计算机科学丛书








参考文献
  链接:http://pan.baidu.com/s/1mhFH9Ao 密码:thak
本书介绍了无线传感器网络的基本原理、关键技术和高级主题,并给出大量不同领域的应用实例。
随着无线通信系统和片上网络等技术的发展,无线传感器网络已成为21世纪对世界影响最大的技术之一。无线传感器网络具有自组织的智能特性,但也面临着扩展性、能效和安全等方面的问题。本书从多角度对这一技术展开深入探讨,对学术界和工业界都有极高的参考价值。

本书特色
自底向上,结构清晰。从基本概念到网络和协议,再到拓扑管理、性能评估和安全问题,由浅入深地带领读者掌握核心技术。
应用丰富,技术前沿。涵盖水下传感器网络等多种新型应用,在应用中进一步理解和比较不同技术,也反映了其发展趋势。
适于教学,助力研究。充分考虑课堂教学需求,易于入门阶段的学生快速掌握知识点,同时也是资深研究者和工程师的便捷工具书。

作者简介
穆罕默德 S. 奥拜达特(Mohammad S. Obaidat) 蒙茅斯大学教授,计算机科学和软件工程系主任。他是IEEE和ACM杰出讲师,因在无线传感器网络和绿色ICT等领域的先锋研究工作而知名。
苏迪普·米斯拉(Sudip Misra) 印度理工学院副教授,曾荣获加拿大NSERC博士后奖学金和德国洪堡研究奖学金。

译者简介
吴帆 博士,上海交通大学计算机科学与工程系教授、博士生导师。他在无线网络与移动计算、博弈论算法与应用等领域取得了一系列科研成果,已在JSAC、TON、TMC、TPDS、TOC等国际著名期刊以及MOBICOM、MobiHoc、CoNEXT、INFOCOM、AAAI等重要国际会议发表学术论文150余篇。曾获教育部自然科学奖一等奖(排名第三)、国家自然科学基金优秀青年科学基金、ACM中国新星奖、CCF-腾讯犀牛鸟卓越奖、CCF-Intel青年学者提升计划等。研究项目得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委、腾讯公司、Intel公司等的资助。
概览和目标
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的灵感主要来自于具有通信和感知功能的小型低成本装置。近年来无线传感器网络领域的研究发展迅速,这种分布式的传感器网络在民用和军事领域都具有广阔的应用前景。传感器网络的潜在应用包括战场上的入侵检测、目标追踪、生境监测、患者检测和火灾监测。网络构建不需要基础设施,只需要很少的提前计划和节点部署。不需中央控制的自组织能力是这类网络的智能特性,利用这些特性,网络可以在复杂情况下迅速构建起来。这些智能特性还使得网络得以在出现失效节点的情况下正常运转。
尽管传感器网络具有以上提及的优良特性,但实现网络的自主、无意识、无故障运行还有很多挑战。其中一些挑战归结于扩展性、服务质量、能效和安全方面的问题。传感器网络协议应该足够轻量化,从而适应小型传感器节点的计算能力限制。传感器网络通常大规模部署,并需要正常工作数年。显然,这种情况下电池能量是一个重要问题,这可以通过节能或能量感知的协议来解决。最后,服务质量对于需要及时响应的应用至关重要。
现在有大量的文献涉及无线传感器网络的方方面面。本书旨在对无线传感器领域的基本概念、挑战、问题、发展趋势、模型和研究结果提供全面的介绍。在写作时,我们致力于使本书成为重要的核心问题和专项问题的有益参考资料。我们努力覆盖尽可能广的主题,同时希望本书成为学生、教师、研究人员和从业人员的重要参考书。由于现有的传感器网络书籍主要面向研究人员,因此我们相信受众的广泛性会成为本书的一个重要优点。我们致力于使本书对学术界和工业界具有同样重要的价值。
组织和特点
本书的14个章节在内容上大致可划分为三部分:第一部分(第1~3章)讨论无线传感器网络的基础知识,第二部分(第4~6章)关注网络和协议层面,第三部分(第7~14章)介绍定位、拓扑管理、安全、建模和仿真等高级主题。
第1章简要介绍无线传感器网络,包括网络中的基础技术、应用、分类和挑战。同时介绍无线传感器节点的基础组件,并对传感器网络进行分类。最后讨论了无线传感器网络与无线网状网络和RFID系统的不同。
第2章详细介绍无线传感器节点的组件、结构和操作。首先讨论无线传感器网络的限制和设计挑战,并通过举例呈现了传感器节点的硬件体系结构和操作系统。这一章还包括基础设施对无线传感器网络性能指标的影响。最后讨论用来制造低功耗、低成本传感器节点的MEMS技术。
第3章介绍无线传感器网络的主要应用,包括环境监测、医疗、智能家居、国土安全、水下应用、农业和温室检测以及军事应用。
第4章主要介绍无线传感器网络中的介质访问控制。首先讨论传统MAC机制存在的问题,接着详细讨论为无线传感器网络设计的MAC机制。
第5章讨论无线传感器网络路由的相对优势、劣势及挑战,我们将现有的路由机制分类,并介绍各类机制中具有代表性的例子。
第6章介绍无线传感器网络中的传输协议和服务质量问题。首先明确传输协议的需求,然后讨论因特网传输协议在无线传感器网络中的实用性,最后将传输协议分为不同类别,并介绍每一类中的例子。
第7章介绍无线传感器网络的定位和目标追踪机制。首先讨论定位的基础知识和不同的测距技术,之后详细介绍现有定位机制的分类以及每一类中的实例,最后以相似的方式讲解目标追踪机制。
第8章讨论拓扑管理与控制的重要性。同前几章类似,我们将介绍现有机制的分类,并介绍每一类中的例子。
第9章介绍用于评估无线传感器网络系统性能的最新技术。首先讨论建模和仿真技术,它们在网络性能评估中发挥着关键作用,之后讨论与性能评估有关的性能指标和基本模型。
第10章讨论安全问题,全面研究无线传感器网络面临的挑战、漏洞、攻击和现有的解决方案,并将其与主要的安全技术进行比较。
第11章讨论与无线移动传感器网络相关的问题,包括覆盖、连通性和部署。
第12章讨论无线传感器网络的一个变种——无线多媒体传感器网络(WMSN),还讨论了WMSN的挑战和特有应用,以及WMSN的网络、节点架构和通信层。
第13章介绍水下无线传感器网络(UWSN)。首先介绍UWSN的挑战和特点,以及UWSN的水下物理学及动力学。然后介绍UWSN的传感器节点、组件、网络架构以及定位服务。最后介绍UWSN的协议栈,并简要讨论每层的相关机制。
第14章介绍无线传感器网络的另一个变种——无线地下传感器网络(WUGSN),不仅涉及WUGSN的应用、挑战和网络架构,而且包括这种网络的协议栈、通信信道和路由机制。
读者对象
本书主要面向学生群体,包括各种层次的学生——初入领域的、中等水平的和已经对领域有深入了解的。为了达到这个目标,我们力求使本书的总体结构和内容对各层次的学生都有帮助。
本书的另一个受众群体是科研人员,包括学术界、工业界以及政府中的研究人员。为了满足此群体的需要,本书的多数章节都介绍了一些未来的研究方向。
最后,我们也考虑了工业界读者以及需要了解技术实用性的从业者的需求,即理论知识与现实生活中传感器网络应用的对接。
致谢
在此感谢我们的学生。他们试读了本书的部分章节并提供了反馈,还参与了本书的准备工作。
非常感谢剑桥大学出版社的编辑,是他们的不懈努力与合作让我们对出版截止日期有了更清楚的认识。我们还要感谢家人们,尤其是我们的妻子,他们在本书写作期间对我们提供了巨大的帮助。
出版者的话
译者序
前言
第1章 无线传感器网络概述 1
1.1 背景 1
1.2 无线传感器节点的组成 2
1.3 传感器网络的分类 3
1.4 无线传感器网络的特点 4
1.5 无线传感器网络面临的挑战 5
1.6 无线传感器网络和无线网状网络的对比 7
1.7 总结 8
参考文献 8
第2章 无线传感器节点:结构与操作 10
2.1 无线传感器网络的限制 10
2.2 设计挑战 12
2.3 硬件体系结构 12
2.4 操作系统与环境 14
2.5 传感器节点示例 16
2.6 基础设施对无线传感器网络性能指标的影响 16
2.7 MEMS技术 17
2.8 硬件平台 18
2.8.1 片上系统传感器节点 18
2.8.2 增强通用个人计算机 18
2.8.3 专用传感器节点 18
2.9 软件平台 19
2.10 总结 19
参考文献 19
第3章 无线传感器网络的应用:概述与案例研究 21
3.1 目标检测与追踪 21
3.1.1 能量 22
3.1.2 可靠性 23
3.1.3 复杂度 23
3.1.4 目标对环境扰动的识别(现象学) 23
3.1.5 传感器的选择 24
3.2 轮廓与边缘检测 24
3.2.1 连续极值搜索 25
3.2.2 传感器分组与轮廓点搜寻 25
3.2.3 轮廓线的创建 26
3.3 应用的类型 26
3.3.1 环境应用 26
3.3.2 医疗应用 26
3.3.3 生产过程控制 27
3.3.4 智能家居 27
3.3.5 国土安全 27
3.3.6 水下应用 27
3.3.7 农业 31
3.3.8 军事应用 31
3.4 总结 31
参考文献 31
第4章 无线传感器网络中的介质访问 34
4.1 无线网络中的介质访问控制 34
4.1.1 S-MAC:节能协议 35
4.1.2 L-MAC:轻量级MAC协议 38
4.1.3 动态调度MAC协议 40
4.1.4 节能QoS感知MAC协议 42
4.1.5 节能应用感知MAC协议 43
4.1.6 位置感知MAC协议 43
4.1.7 移动无线传感器网络的节能MAC协议 44
4.1.8 O-MAC:以接收端为中心的能量管理协议 44
4.1.9 PMAC:无线传感器网络的自适应节能MAC协议 45
4.1.10 T-MAC协议 46
4.1.11 BMAC协议 47
4.2 无线传感器网络的MAC问题 48
4.3 总结 49
参考文献 49
第5章 无线传感器网络中的路由 53
5.1 无线传感器网络中的路由基础与挑战 53
5.2 基于网络架构的路由协议 56
5.2.1 多跳平面路由 56
5.2.2 分层/分簇路由机制 59
5.2.3 基于位置的路由机制 64
5.3 基于操作特点的路由协议 66
5.3.1 基于查询的路由方法 66
5.3.2 多径路由机制 66
5.3.3 协作与非协作处理 67
5.3.4 基于服务质量的路由机制 67
5.3.5 基于协商的路由机制 68
5.4 总结 68
参考文献 69
第6章 无线传感器网络的传输协议 73
6.1 无线传感器网络的传输协议需求 73
6.2 因特网传输协议及其在无线传感器网络中的适用性 74
6.3 现有的无线传感器网络传输协议 75
6.3.1 协议分类 75
6.3.2 以拥塞控制和流量控制为中心的协议 75
6.3.3 以可靠性为中心的协议 82
6.3.4 其他协议 89
6.4 总结 90
参考文献 91
第7章 定位与追踪 93
7.1 定位 93
7.1.1 测距技术 94
7.1.2 到达时差 95
7.1.3 到达角和数字罗盘 96
7.1.4 定位算法 96
7.2 目标追踪 109
7.2.1 单目标追踪 109
7.2.2 多目标追踪 114
7.3 总结 116
参考文献 116
第8章 拓扑管理与控制 119
8.1 拓扑管理 119
8.2 拓扑管理的分类 119
8.2.1 拓扑发现 119
8.2.2 休眠周期管理 122
8.2.3 集群 125
8.3 拓扑控制 130
8.3.1 网络覆盖 130
8.3.2 网络连通性 132
8.4 总结 134
参考文献 134
第9章 无线传感器网络的性能评估 138
9.1 背景信息 138
9.2 无线传感器网络建模 139
9.3 仿真模型 142
9.4 对传感器行为和传感器网络建模 144
9.4.1 自组织 144
9.4.2 协同算法 145
9.4.3 安全机制 145
9.4.4 能量感知要求 145
9.5 无线传感器网络的仿真工具 146
9.6 性能指标 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 总结 150
参考文献 150
第10章 无线传感器网络中的安全问题 153
10.1 背景 153
10.2 无线传感器网络的限制 156
10.3 无线传感器网络的安全需求 156
10.4 无线传感器网络特有的漏洞和相应攻击方法 158
10.5 无线传感器网络的物理攻击 159
10.6 无线传感器网络近期的安全问题 161
10.7 无线传感器网络的安全协议 162
10.7.1 SPINS 162
10.7.2 TinySec 162
10.7.3 LEAP 162
10.8 无线传感器网络中的拒绝服务攻击和相关防御措施 163
10.9 总结 166
参考文献 166
第11章 无线移动传感器网络 171
11.1 覆盖与移动传感器 172
11.1.1 Voronoi图方法 172
11.1.2 基于虚拟力的方法 175
11.1.3 基于网格的方法 176
11.1.4 事件覆盖 178
11.2 网络寿命延长 181
11.2.1 可预测且可控的移动汇聚节点 181
11.2.2 可预测但不可控的移动汇聚节点 182
11.2.3 不可预测且不可控的汇聚节点 183
11.2.4 移动中继与数据骡子 188
11.3 总结 190
参考文献 190
第12章 无线多媒体传感器网络 193
12.1 网络应用 193
12.1.1 多媒体监控 193
12.1.2 交通管理 193
12.1.3 先进的医疗服务 193
12.1.4 环境监测 194
12.1.5 工业过程控制 194
12.1.6 虚拟现实 194
12.2 无线多媒体传感器网络面临的挑战 194
12.2.1 资源限制 194
12.2.2 变化的信道容量 195
12.2.3 多媒体编码技术 195
12.2.4 冗余移除 195
12.2.5 QoS要求 195
12.3 无线多媒体传感器网络的不同架构 196
12.3.1 传统架构 196
12.3.2 同构、单层、集群式架构 196
12.3.3 同构、多层架构 197
12.3.4 集成架构 198
12.4 不同架构的对比 198
12.5 多媒体传感器节点架构 198
12.6 现有的传感器节点平台 199
12.6.1 Panoptes 199
12.6.2 Cyclops 200
12.6.3 SensEye 201
12.7 通信层 201
12.7.1 物理层 201
12.7.2 链路层 203
12.7.3 网络层 207
12.7.4 传输层 209
12.7.5 应用层 211
12.7.6 跨层问题 213
12.8 总结 214
参考文献 214
第13章 水下无线传感器网络 218
13.1 水下无线传感器网络的特征、属性和应用 219
13.2 水下物理学和动力学 220
13.3 水下无线传感器网络设计:通信模型和网络协议 224
13.3.1 水下无线传感器网络组件 224
13.3.2 水下无线传感器网络架构 225
13.3.3 定位服务 226
13.3.4 水下无线传感器网络协议设计 228
13.4 总结 233
参考文献 233
第14章 无线地下传感器网络 237
14.1 应用 237
14.1.1 土壤属性监测 238
14.1.2 环境监测 238
14.1.3 边界监视 238
14.1.4 采矿安全警戒 238
14.1.5 基础设施监测 238
14.1.6 定位 239
14.2 无线地下传感器网络设计中的挑战 239
14.2.1 地下通信信道设计 239
14.2.2 拓扑设计 239
14.2.3 能量消耗 240
14.2.4 天线设计 240
14.2.5 环境风险 240
14.3 网络架构 241
14.3.1 埋在地下的WUGSN拓扑 241
14.3.2 部署在矿井和隧道中的WUGSN拓扑 242
14.4 通信架构 242
14.4.1 物理层 243
14.4.2 数据链路层 243
14.4.3 网络层 244
14.4.4 传输层 244
14.4.5 跨层设计 245
14.4.6 极端机会路由 245
14.4.7 地下机会路由协议 246
14.5 无线地下信道 246
14.6 土壤属性对无线地下信道的影响 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 部署在矿井和隧道中的WUGSN通信信道 249
14.8 总结 250
参考文献 250
索引 252
参考文献
近年来,由于无线传感器系统、片上系统和无线通信系统等技术的发展,无线传感器网络领域得到了迅速的发展,并取得了长足的进步。无线传感器网络由大量静止或移动的微型传感器组成,传感器之间通过无线的方式进行通信,组成一个多跳自组织网络。无线传感器网络中包含众多类型的传感器,在环境监测、医疗护理、军事、目标追踪等多个领域都具有广泛的应用前景。无线传感器网络技术在学术界和工业界都已经引起了非常广泛的关注,被认为是21世纪对世界影响最大的技术之一。
本书采用自底向上的顺序,首先从无线传感器网络中最基本的概念和知识出发,对无线传感器节点、相关应用等做了详细的介绍和分析;接下来在网络和协议层面对无线传感器网络做了介绍,包括介质访问机制、路由机制和传输协议等;之后分析了一些高级主题,如定位、拓扑管理、性能评估和安全问题等;最后介绍了一些新型的无线传感器网络,如无线移动传感器网络、无线多媒体传感器网络、水下无线传感器网络、无线地下传感器网络等。从整体上来看,本书的叙述自底向上、由浅入深,不仅可以帮助没有相关研究背景的读者快速熟悉这个领域的基本概念与相关发展,而且有相关研究背景的读者也可以将本书作为一本非常好的工具书。本书结构清晰,组织顺序一目了然,可以帮助读者在短时间内了解某一方面的具体问题,相信对于相关人员的研究是一种非常好的补充和背景储备。作为课堂教学的课本,本书对于本科阶段和研究生阶段的无线传感器网络课程都是非常好的选择。教学人员可以从基本概念出发进行介绍,并根据具体的时间安排选择自己的课堂教授内容。
在本书的翻译工作中,我们得到了上海交通大学先进网络实验室各位老师和同学的支持和帮助。感谢各位老师和同学的帮助和意见!也感谢机械工业出版社华章公司的编辑为本书所做的润色、排版和校对工作!感谢每一位在翻译工作中为我们提出宝贵意见和建议的读者!
由于时间仓促,加之水平有限,翻译工作中难免有所疏漏,还请广大读者给予批评指正,我们将及时做出修正。

译 者
2017年5月
于上海交通大学
计算机\网络
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