计算机科学丛书·无线传感器网络：原理与实践

译者序
前言
第一部分 基础知识
第1章 绪论
1.1 基础知识
1.2 介质访问控制层
1.3 路由
1.4 其他通信问题
1.5 传感器定位
1.6 时钟同步
1.7 电源管理
1.8 特殊的无线传感器网络
1.8.1 无线多媒体传感器网络
1.8.2 水下声学无线传感器网络
1.9 无线传感器网络的应用
问题与练习

第二部分 工程设计
第2章 硬件??传感器节点的体系结构与设计
2.1 传感器节点的模块
2.1.1 传感器
2.1.2 微处理器
2.1.3 存储器
2.1.4 无线通信模块
2.1.5 电源
2.1.6 外围模块支持
2.2 综合设计
2.3 Mica节点设计
2.4 定制节点??Spec
2.5 COTS微尘系统
2.6 Telos节点
2.7 CargoNet
问题与练习

第三部分 网络协议栈
第3章 无线传感器网络中的介质访问控制技术
3.1 引言
3.1.1 无线传感器网络中的介质访问控制
3.1.2 无线传感器网络中MAC设计的挑战性
3.2 IEEE802.1 1标准概述
3.2.1 点协调功能
3.2.2 分布式协调功能
3.3 MAC协议的分类
3.3.1 基于竞争的MAC协议
3.3.2 基于调度的MAC协议
3.3.3 混合型与事件驱动的MAC协议
3.4 总结
问题与练习
第4章 无线传感器网络的路由技术
4.1 引言
4.1.1 资源受限
4.1.2 容错性
4.1.3 数据报告与融合
4.1.4 节点部署
4.1.5 可扩展性和覆盖度
4.1.6 网络动态性和异构性
4.2 本章的组织结构
4.3 无线传感器网络路由协议的分类
4.3.1 主动式路由协议和反应式路由协议
4.3.2 平面路由协议和分层路由协议
4.4 以数据为中心的路由协议
4.4.1 洪泛和闲聊
4.4.2 SPIN：基于信息协商的传感器网络路由协议
4.4.3 DD：定向扩散路由
4.5 分层路由协议
4.5.1 LEACH：低功耗自适应按簇分层路由协议
4.5.2 TEEN：阈值敏感的能量高效传感器网络路由协议
4.6 基于位置信息的路由协议
4.7 多径QoS路由
4.7.1 多径路由
4.7.2 多径QoS路由协议
4.8 小结
问题与练习
第5章 无线传感器网络传输层技术
5.1 引言
5.2 PSFQ
5.2.1 为什么TCP协议不适用于传感器网络
5.2.2 基本工作原理
5.2.3 协议描述
5.3 ESRT：事件到汇聚节点的可靠传输协议
5.3.1 可靠传输问题
5.3.2 归一化事件可靠性与报告速率之间的关系
5.3.3 拥塞检测
5.4 E2SRT：事件到汇聚节点的增强可靠传输协议
5.5 CODA：传感器网络中的拥塞检测与避免
5.5.1 开环逐跳反压
5.5.2 拥塞检测
5.5.3 基于采样的信道监听
5.6 STCP：无线传感器网络的传输控制协议
5.6.1 STCP中的数据传输序列
5.6.2 STCP分组的格式
5.6.3 连续数据流
5.6.4 事件触发数据流
5.6.5 可靠性
5.6.6 拥塞检测与避免
5.6.7 以数据为中心的应用
5.7 GARUDA：实现有效可靠的下行通信
5.7.1 无线传感器网络中下行数据可靠性面临的挑战
5.7.2 GARUDA基本设计
5.7.3 GARUDA 架构
问题与练习

第四部分 计算机科学原理
第6章 传感器节点的操作系统
6.1 TinyOS
6.1.1 概述
6.1.2 组件模型
6.1.3 执行模块与并发性
6.1.4 主动消息
6.1.5 实现状况
6.1.6 主要特性
6.1.7 低功率优化
6.2 LA?QTinyOS：无线传感器网络中的一种局部性感知的操作系统
6.2.1 改变定时器以支持时间和空间局部性
6.2.2 多级任务调度器
6.2.3 LA?QTinyOS系统的代码结构
6.3 SOS
6.3.1 模块
6.3.2 动态内存
6.4 RETOS： 弹性可扩展多线程操作系统
6.4.1 应用代码检查
6.4.2 多线程系统
6.4.3 可加载内核模块
问题与练习
第7章 无线传感器网络中的中间件设计
7.1 引言
7.2 无线传感器网络中间件参考模型
7.3 中间件实例：Agilla
7.4 用于获取数据的中间件实例：Mires
7.5 数据存储实例：DSWare
7.6 无线传感器网络运行时支持实例：Mate
7.7 QoS支持实例：MiLAN
问题与练习
第8章 传感器数据管理
8.1 传感器数据清理
8.1.1 背景
8.1.2 通用模型
8.1.3 降低不确定性
8.2 TinyDB：应用于传感器网络的可获取的查询处理系统
8.2.1 数据模型
8.2.2 基本语言特点
8.2.3 基于事件查询
8.2.4 TinyDB定义的其他查询
8.2.5 基于能量的查询优化
8.2.6 TinyDB策略一览
8.3 数据聚合：独立于应用的数据聚合（AIDA）
8.4 传感器数据存储：层次化数据存储结构（TSAR）
8.5 多分辨率数据处理
问题与练习

第五部分 高级话题
第9章 传感器定位
9.1 引言
9.2 定位的基本要素
9.2.1 接收信号强度指示
9.2.2 到达时间
9.2.3 到达时间差
9.2.4 到达角度
9.2.5 三角测量
9.2.6 三边测量
9.2.7 多边定位
9.3 使用移动机器人进行传感器定位
9.4 多维标度节点定位
9.4.1 经典多维标度
9.4.2 迭代多维标度
9.5 无线传感器网络中的定位
9.5.1 蒙特卡洛方法
9.5.2 算法
9.5.3 算法
9.6 无GPS环境中的移动无线传感器网络的节点定位方法
9.7 高精度低功耗的无线传感器网络定位系统
9.8 LOCALE：稀疏移动传感器网络的协同定位估计
9.8.1 协同位置估计
9.8.2 LOCALE中的定位
9.8.3 局部定位阶段
9.8.4 转换阶段
9.8.5 更新阶段
9.9 无线传感器网络定位的安全
9.9.1 SeRLoc
9.9.2 信标套件
9.9.3 攻击容忍的节点定位
9.9.4 稳健统计方法
问题与练习
第10章 无线传感器网络中的时间同步技术
10.1 引言
10.2 一般网络（非无线传感器网络）中的时间同步
10.2.1 远程时钟读取
10.2.2 偏移时延估计方法
10.3 无线传感器网络中的时钟同步
10.4 同步性能的评估
10.4.1 精度
10.4.2 协议开销
10.4.3 收敛时间
10.4.4 能效
10.4.5 可扩展性
10.4.6 鲁棒性
10.5 无线传感器网络同步协议的例子
10.5.1 参考广播同步
10.5.2 时间扩散同步协议
10.5.3 概率时钟同步
问题与练习
第11章 无线传感器网络安全与隐私
11.1 引言
11.1.1 一般攻击类型
11.1.2 物理节点攻击
11.1.3 针对无线传感器网络通信议栈的攻击
11.2 攻击与对策示例：虫洞攻击
11.3 无线传感器网络安全示例：基于Blom模型的方法
11.4 广播认证：基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μTESLA
11.5 面向传感器节点的实用安全机制
11.5.1 TinySec
11.5.2 MiniSec：一种面向无线传感器网络的安全通信架构
11.6 案例：无线传感器网络中的安全时间同步
问题与练习

第六部分 特殊无线传感器网络
第12章 无线传感器和执行器网络
12.1 引言
12.2 传感器-执行器协同问题
12.2.1 网络和能量模型
12.2.2 ILP算法
12.2.3 传感器-执行器协同工作：分布式协议
12.2.4 DEPR概述
12.3 层次化传感器-执行器协同工作机制
12.3.1 层次化WSAN协同工作架构
12.3.2 “传感器-传感器”协同工作层次??使用聚类
12.3.3 “传感器-执行器”协同工作层次
12.3.4 “执行器-执行器”协同工作层次问题与练习
第13章 水下传感器网络
13.1 引言
13.1.1 水下无线传感器网络应用
13.1.2 水下无线传感器网络与陆上无线传感器网络的区别
13.1.3 网络拓扑
13.1.4 声频信号传输
13.1.5 水下传感器
13.2 水下无线传感器网络协议栈
13.2.1 物理层
13.2.2 数据链路层
13.2.3 网络层（路由层）
13.2.4 传输层
13.3 介质访问控制设计实例
13.4 路由设计实例：基于矢量的转发协议
13.5 硬件原型设计
13.5.1 硬件设计
13.5.2 软件设计
13.5.3 系统测试
问题与练习
第14章 视频传感器网络
14.1 引言
14.2 Panoptes
14.2.1 视频捕捉
14.2.2 视频压缩
14.2.3 数据过滤
14.2.4 数据缓存
14.3 Cyclops
14.4 视频传感器网络定标
14.4.1 确定重叠的程度
14.4.2 估计k?Qoverlap值
14.5 SensEye
问题与练习

第七部分 其他主题
第15章 无线传感器网络能量模型
15.1 基本WSN能量模型
15.2 基于仿真的能量模型
15.3 能量感知路由
问题与练习
第16章 传感器网络仿真器
16.1 GloMoSim
16.2 SensorSim
16.3 TOSSIM
16.4 PowerTOSSIM
16.4.1 PowerTOSSIM的结构
16.4.2 组件装配
16.4.3 CPU能耗分析
16.4.4 PowerState模块
16.4.5 分析工具
问题与练习

第八部分 案例研究
第17章 案例研究1：远程医疗服务
17.1 引言
17.2 远程心电图传感器网络的硬件设计
17.3 可靠的MASN通信协议
17.3.1 增强的基于聚类的MASN数据传输
17.3.2 MASN的路由性能
17.4 MASN的软件设计
17.5 RFID和可穿戴传感器的集成
问题与练习
第18章 案例研究2：灯光控制18.1 引言
18.2 Illumimote系统的传感器
18.3 系统结构
18.4 校准
18.5 系统评估
问题与练习
参考文献
索引

Wireless Sensor Networks：Principles and Practice在当今信息爆炸的时代，无线传感器网络（WSN）已成为研究热点之一。科学与机械工程方面的最新进展为建立低能耗、低成本的无线传感器网络提供了有利条件。无线传感器网络为日益增加的应用需求提供了足够的发展空间与有效的解决方案，例如基础设施的保护与安全维护、管理与监控、健康护理、环境监测、食品安全与智慧能源等。相比于传统的网络技术，无线传感器网络具有许多优势，但后者在网络结构的设计、模型与算法等方面也存在很多极具挑战性的问题。无线传感器网络在设计中存在很多限制，例如有限的能耗、带宽、存储空间和计算能力，节点的高失效率与消息丢失率，不利的通信环境与独特的应用要求。目前为止，在学术与工业领域已有很多关于无线传感器网络的研究。
最近，出版了一些传感器网络领域方面的书籍，但大多数并不适合当作教材，因为其覆盖的领域有限或者编辑并不得当。本书则尝试综合讨论传感器网络中的主要技术、标准、主要问题和最新发展。它基本覆盖了此领域读者所需的所有主题，包括硬件设计、介质访问控制、路由协议、传输协议、操作系统，中间件、数据管理定位、时间同步、安全、执行器/水下/视频传感器网络、能量控制和传感器网络模拟等。
本书通过列举生动有趣的无线传感器网络应用实例，使复杂的概念变得简单易懂。另外，本书设计了丰富的课后练习、作业与详实的应用案例，帮助读者理解书中内容，并能够将自己的知识应用到无线传感器网络的设计中或者解决现实生活中的问题。本书还包括一些实际的传感器网络设计，比如医疗健康护理系统。
目标阅读人群作为教材，本书适合计算机工程、电子工程或者计算机科学、物联网工程等相关专业的高年级本科生和低年级研究生使用。对于想全面了解无线传感器网络技术的传感器网络设计者、研究者和工程师来说，这是一本优秀的参考书。另外，本书也适用于政府部门工作人员，他们可以通过学习此书，利用无线传感器网络保障国土安全。
本书内容第1章绪论（无线传感器网络概述、基本的网络概念）计算机工程知识第2章硬件——传感器节点的体系结构与设计（具有微型控制器和无线通信模块的微型传感器节点）网络协议栈第3章MAC层 （相邻节点无线传输）第4章路由层 （建立源节点与目的节点间的最优通信路径）第5章传输层 （丢包恢复，拥塞控制）计算机科学知识第6章操作系统 （TinyOS等）第7章中间件 （向应用开发程序人员隐藏网络细节）第8章传感器数据管理高级无线传感器网络技术第9章定位 （也称为定标，非常重要）第10章时钟同步 （修正传感器节点时钟漂移带来的误差）第11章安全 （无线传感器网络面临的攻击及相应安全机制）（续）特殊传感器网络第12章无线执行器与传感器网络（具有移动执行器）第13章水下传感器网络（通信采用声波而非射频）第14章视频传感器网络其他技术第15章能量模型与低功耗设计第16章无线传感器网络模拟器应用案例分析第17章无线传感器网络应用案例：医疗健康护理系统第18章无线传感器网络应用案例：灯光控制教学建议本书可以用于学时为一个学期（15周）的“无线传感器网络”课程教材，下表给出了本书中不同教学单元的时间分配建议。教师可以根据学生的反馈与学习的实际情况调整教学计划。
时间长度教学内容章节2周无线传感器网络概况、传感器节点硬件（对于计算机科学专业本科生，本内容可以缩减）第1章与第2章2周MAC层（至少讲授两个MAC方案，重点为“能量节省”设计）第3章25周路由层（讲授主动式/反应式路由协议，重点为可扩展性设计）第4章15周传输层（讲授可靠的端到端传输和拥塞控制两部分内容）第5章1周操作系统；中间件（对于计算机科学专业本科生，可用两周时间讲授本部分）第6章与第7章1周传感器数据管理（对于计算机科学专业本科生，可用两周时间讲授本部分）第8章1周传感器节点定位、时间同步（对于博士/硕士研究生，可用2~3周时间深入讲授本部分）第9章与第10章1周无线传感器网络安全（讲授μTESLA、EG、qComposite等经典认证、密钥管理协议）第11章15周特殊传感器网络（着重讲授水下无线传感器网络）第12章到第14章05周能量模型；无线传感器网络模拟器第15章与第16章1周典型应用案例学习第17章与第18章总计：15周对于每一章，教师应讲授相关数学模型、协议原理与设计实例。可以将一些教学内容作为课后阅读作业提示：教师应留一些课堂实验的时间。
对于时长为10周的“无线传感器网络”课程，本书中各教学单元的时间分配建议如下表所示。
时间长度教学内容章节15周无线传感器网络概况、传感器节点硬件第1章与第2章1周MAC层（重点讲授“能量节省”设计）第3章15周路由层（讲授主动式/反应式路由协议，重点为可扩展性设计）第4章1周传输层（讲授可靠的端到端传输和拥塞控制两部分内容）第5章05周操作系统；中间件（对于计算机科学专业本科生，可用15周时间讲授本部分）第6章与第7章（续）时间长度教学内容章节05周传感器数据管理（对于计算机科学专业本科生，可用15周时间讲授本部分）第8章1周传感器节点定位、时间同步（对于博士/硕士研究生，可用2~3周时间深入讲授本部分）第9章与第10章05周无线传感器网络安全（讲授μTESLA、EG、qComposite等经典认证、密钥管理协议）第11章1周特殊传感器网络（着重讲授水下无线传感器网络）第12章至第14章05周能量模型、无线传感器网络第15章与第16章1周典型应用案例学习第17章与第18章总计：10周对于每一章，教师应讲授相关数学模型、协议原理与设计实例。可以将一些教学内容作为课后阅读作业对于计算机工程专业的学生，第2章的内容（传感器节点硬件设计）很重要，需要较多的时间进行系统学习。而计算机科学专业的学生需要细致地学习第6章至第8章内容（传感器网络操作系统和数据管理）。
还有一些章节，例如第8章~第10章（传感器网络定位、同步、安全），可以作为博士/硕士研究生的学期考试课题（也就是说，要求学生更深入地研究此课题，然后基于他们的研究提交一份研究报告）。第17章与第18章的内容可以作为大学高年级学生的研究项目。
在课堂教学过程中，不建议对本书涉及的无线传感器网络知识点以综述的形式进行讲解。教师应选择适当的典型设计案例，对案例涉及的相关概念进行详细阐述。例如，当讲授介质访问（MAC）层时，教师应至少详细介绍一种典型的MAC协议（例如SMAC协议）。
数学理论对于无线传感器网络设计尤其重要。因此，学生应仔细学习各章节中出现的一些经典数学模型。博士/硕士研究生更应着重学习这些模型。
MATLAB?k为美国MathWorks公司的注册商标，如需了解有关MATLAB的产品信息请联系：
MathWorks公司3 Apple Hill DriveNatick， MA 017602098 USA电话：5086477000传真：5086477001电子邮箱：info@mathworkscom公司网址：wwwmathworkscom致谢作为本书的主编，Xiaojun Cao博士编写了本书1/5的内容，Fei Hu博士编写了4/5的内容。我们对在此书的筹备与编写过程中给予帮助的人们表示真诚的感谢。阿拉巴马大学电子与计算机工程学院的学生帮助校对了本书的部分图表与数学公式，他们也协助编辑了本书的部分内容。感谢Rahul Mallampati帮助我们修订本书内容，编辑部分图表，并用微软Word规范了此书格式。还要感谢Barnali Chakrabarty和Auerbach出版集团的工作人员，在写作过程中他们提供了长期的支持与帮助。
最后要声明一点，本书的大部分内容与其中的概念都基于目前已有的研究成果，因为篇幅有限，这里我们不能将其一一列出。我们尤其要感谢那些在无线传感器网络领域发表与出版了优秀论文与书籍的作者们。
声明本书出版的目的是以教科书的形式为学生和工程师介绍无线传感器网络设计的概念与发展现状。需要说明的是，本书并不致力于介绍先进的创新和研究理念。尽管我们尽力利用本书中提到的参考文献，但书中难免存在一些缺点和错误。我们真诚地感谢本书中引用的无线传感器网络领域文献的作者。希望读者在发现本书中的错误时能与我们联系。Fei Hu的电子邮箱为fei.hu@ieee.org，Matt Cao 的邮箱为cao@cs.gsu.edu。我们将会在再版中修改和完善书中相关内容。