面向復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

目　錄

第1章　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介　1
1.1　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述　1
1.2　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍　2
1.3　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)　5
1.4　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)　6
1.5　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)背景　7
1.5.1　微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)　7
1.5.2　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)　7
1.5.3　硬件和軟件平臺(tái)　8
1.5.4　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)　9
1.6　本書(shū)特色　12
1.7　本書(shū)的組織安排　13
參考文獻(xiàn)　14

第2章　無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)　18
2.2.1　傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)　18
2.2.2　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)　19
2.3　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)　22
2.3.1　靜止和移動(dòng)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)　23
2.3.4　單匯聚節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和多匯聚節(jié)點(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧　24
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(fǎng)問(wèn)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(jì)的限制　30
2.5.3　協(xié)議設(shè)計(jì)需考慮因素　32
2.5.4　MAC層的設(shè)計(jì)目標(biāo)　32
2.6　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MAC層協(xié)議　33
2.6.1　基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議　34
2.6.2　無(wú)需競(jìng)爭(zhēng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)各類(lèi)MAC協(xié)議比較　45
2.8　本章小結(jié)　47
參考文獻(xiàn)　48

第3章　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化　54
3.1　概述　54
3.2　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)　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(biāo)準(zhǔn)　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(xiàn)　72

第4章　微功耗射頻調(diào)制解調(diào)方法設(shè)計(jì)　74
4.1　微功耗射頻物理層設(shè)計(jì)　74
4.2　全數(shù)字調(diào)制方法設(shè)計(jì)　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(jiǎn)化　79
4.2.4　實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析　81
4.3　全數(shù)字解調(diào)方法設(shè)計(jì)　82
4.3.1　數(shù)字解調(diào)的基本流程　82
4.3.2　基于截?cái)嗾`差和截?cái)鄶?shù)據(jù)的可變步長(zhǎng)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(zhǔn)則的頻偏估計(jì)算法改進(jìn)及補(bǔ)償方法　88
4.4.3　LS頻偏估計(jì)算法改進(jìn)原理　88
4.4.4　改進(jìn)頻偏估計(jì)算法性能分析　91
4.4.5　頻偏補(bǔ)償方法　93
4.4.6　具有糾錯(cuò)功能的差分解調(diào)方法　94
4.4.7　基于瞬時(shí)標(biāo)定功率的自適應(yīng)幀檢測(cè)方法　98
4.4.8　瞬時(shí)標(biāo)定功率的自適應(yīng)門(mén)限原理　99
4.4.9　低復(fù)雜度的幀檢測(cè)方法設(shè)計(jì)　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(hào)處理方法的FPGA驗(yàn)證　104
4.7　本章小結(jié)　106
參考文獻(xiàn)　107

第5章　ZigBee協(xié)議性能分析　110
5.1　公用頻段短距離無(wú)線(xiàn)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?fù)渚W(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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)延時(shí)性分析　126
5.4　基于信道空閑評(píng)估的CSMA/CA算法改進(jìn)　132
5.4.1　改進(jìn)算法　133
5.4.2　改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型　135
5.4.3　改進(jìn)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(xiàn)　144

第6章　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位追蹤研究　146
6.1　節(jié)點(diǎn)定位的必要性　146
6.2　定位算法分類(lèi)　147
6.2.1　測(cè)距和非測(cè)距定位算法　147
6.2.2　靜止和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法　147
6.2.3　絕對(duì)和相對(duì)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(diǎn)定位系統(tǒng)現(xiàn)狀　149
6.3.2　移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)現(xiàn)狀　151
6.3.3　目標(biāo)追蹤算法現(xiàn)狀　153
6.4　RSSI測(cè)距技術(shù)　156
6.4.1　RSSI測(cè)量原理　156
6.4.2　RSSI測(cè)量值獲取　157
6.4.3　RSSI測(cè)距實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)　158
6.4.4　RSSI實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理　159
6.4.5　測(cè)距數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比分析　162
6.5　基于動(dòng)態(tài)權(quán)重的固定節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)　166
6.5.4　GFDWCL定位算法　168
6.6　無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)追蹤研究　176
6.6.1　目標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況分類(lèi)　176
6.6.2　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標(biāo)追蹤的優(yōu)勢(shì)　177
6.6.3　目標(biāo)追蹤主要研究?jī)?nèi)容　177
6.6.4　目標(biāo)追蹤技術(shù)所面臨的主要問(wèn)題　178
6.6.5　目標(biāo)追蹤研究的基本內(nèi)容　178
6.6.6　移動(dòng)目標(biāo)追蹤QoS評(píng)估體系指標(biāo)　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(dòng)節(jié)點(diǎn)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(guò)程　186
6.7.5　算法的定位精度與錨節(jié)點(diǎn)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(dòng)目標(biāo)追蹤　191
6.8　本章小結(jié)　195
參考文獻(xiàn)　196

第7章　無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)攻擊分類(lèi)　206
7.1.2　針對(duì)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(jiàn)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(jì)思路　214
7.3.2　基于加密實(shí)現(xiàn)安全定位的算法　215
7.3.3　距離界限協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全定位　216
7.3.4　VM安全定位機(jī)制　216
7.3.5　SLA安全定位機(jī)制　217
7.3.6　Serloc安全定位算法　217
7.3.7　基于標(biāo)簽的Dv-Hop定位算法　219
7.3.8　入侵及異常檢測(cè)與隔離技術(shù)　220
7.3.9　頑健性的節(jié)點(diǎn)定位算法　221
7.4　DPC安全定位算法　222
7.4.1　預(yù)備知識(shí)　222
7.4.2　惡意節(jié)點(diǎn)定位攻擊分析　223
7.4.3　安全定位算法需解決的問(wèn)題　224
7.4.4　安全定位算法結(jié)構(gòu)　225
7.4.5　安全測(cè)距算法　225
7.4.6　虛節(jié)點(diǎn)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(shuō)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(duì)節(jié)點(diǎn)密度要求　231
7.5.6　平面合并算法　232
7.6　DPC算法對(duì)各種攻擊的工作過(guò)程　233
7.7　DPC算法實(shí)驗(yàn)分析　236
7.7.1　算法門(mén)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(xiàn)　240

第8章　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)　245
8.1　節(jié)點(diǎn)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(jī)拋灑且節(jié)點(diǎn)不具移動(dòng)能力的部署技術(shù)　247
8.1.3　采用隨機(jī)拋灑且節(jié)點(diǎn)具移動(dòng)能力的部署技術(shù)　247
8.1.4　節(jié)點(diǎn)部署的評(píng)價(jià)指標(biāo)　248
8.2　無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂啤?56
8.3.1　節(jié)點(diǎn)自移動(dòng)控制算法　256
8.3.2　鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議　258
8.3.3　邊界移動(dòng)節(jié)點(diǎn)調(diào)度控制　260
8.4　基于“虛擬力”的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)　263
8.4.1　虛擬力算法改進(jìn)　264
8.4.2　VFA算法優(yōu)化　264
8.5　“自愈”拓?fù)淇刂扑惴ǚ抡媾c性能分析　266
8.6　本章小結(jié)　268
參考文獻(xiàn)　268

第9章　面向小區(qū)無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路由設(shè)計(jì)　272
9.1　無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)特點(diǎn)　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(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò)的能量均衡多層分簇路由算法　278
9.3.1　無(wú)線(xiàn)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?cái)?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(shí)現(xiàn)　289
9.4.1　簇區(qū)域確定與節(jié)點(diǎn)成簇　289
9.4.2　抄表網(wǎng)絡(luò)路由樹(shù)的建立　290
9.4.3　表計(jì)數(shù)據(jù)的傳輸　292
9.4.4　數(shù)據(jù)路由的維護(hù)　295
9.5　本章小結(jié)　297
參考文獻(xiàn)　298