- 中国铁道出版社
- 9787113242732
- 1-1
- 226034
- 61239265-4
- 平装
- 16开
- 2018年3月
- 327
- 236
- 工学
- 控制科学与工程
- TP212
- 物联网工程
- 本专科
内容简介
本书首先详细讨论了无线传感器网络领域的基本术语和概念；接着按照无线传感器网络
的分层体系结构，系统地讨论了物理层、数据链路层及网络层的主要内容和关键技术；然后
详细讨论了无线传感器网络的数据传输可采用的各种无线通信技术和这些技术各自的特点
及应用场合；最后对无线传感器网络领域的各项支撑技术进行了逐一讨论，包括操作系统、
拓扑控制、节点定位、时间同步和安全机制。
本书分为9章，主要包括无线传感器网络概述、物理层及数据链路层、网络层、无线通
信技术、操作系统、拓扑结构、节点定位、时间同步及安全机制。为了便于学习者加深对各
章内容的理解，在每章的后面配有习题，并附有参考答案。
本书适合作为高等学校计算机科学与技术、信息工程、电子信息工程、信息安全、通信
等相关专业的本科生与硕士研究生无线传感器网络课程的教材，也可作为从事信息技术的工
程技术人员与技术管理人员学习和研究无线传感器网络技术的参考用书。
的分层体系结构，系统地讨论了物理层、数据链路层及网络层的主要内容和关键技术；然后
详细讨论了无线传感器网络的数据传输可采用的各种无线通信技术和这些技术各自的特点
及应用场合；最后对无线传感器网络领域的各项支撑技术进行了逐一讨论，包括操作系统、
拓扑控制、节点定位、时间同步和安全机制。
本书分为9章，主要包括无线传感器网络概述、物理层及数据链路层、网络层、无线通
信技术、操作系统、拓扑结构、节点定位、时间同步及安全机制。为了便于学习者加深对各
章内容的理解，在每章的后面配有习题，并附有参考答案。
本书适合作为高等学校计算机科学与技术、信息工程、电子信息工程、信息安全、通信
等相关专业的本科生与硕士研究生无线传感器网络课程的教材，也可作为从事信息技术的工
程技术人员与技术管理人员学习和研究无线传感器网络技术的参考用书。
目录
第1 章 无线传感器网络概述................................................................................................................1
1.1 无线传感器网络的发展历程..........................................................................................................2
1.2 无线传感器网络的概念..................................................................................................................3
1.3 无线传感器网络的特点..................................................................................................................4
1.4 无线传感器网络结构......................................................................................................................5
1.4.1 网络结构.............................................................................................................................. 5
1.4.2 感知节点结构......................................................................................................................6
1.4.3 感知节点的限制条件.......................................................................................................... 7
1.5 无线传感器网络的协议栈..............................................................................................................9
1.6 无线传感器网络的应用................................................................................................................ 10
1.7 无线传感器网络的发展趋势........................................................................................................ 16
1.7.1 未来的发展方向................................................................................................................ 16
1.7.2 关键技术............................................................................................................................ 17
1.8 与其他网络的区别与联系............................................................................................................ 19
本章小结............................................................................................................................................... 20
习题....................................................................................................................................................... 20
第2 章 物理层及数据链路层..............................................................................................................25
2.1 物理层.......................................................................................................................................... 26
2.1.1 物理层的主要技术............................................................................................................ 26
2.1.2 物理层设计........................................................................................................................ 29
2.2 数据链路层................................................................................................................................... 30
2.2.1 数据链路层概述................................................................................................................ 30
2.2.2 介质访问控制技术............................................................................................................ 31
2.2.3 介质访问控制技术的发展趋势........................................................................................ 39
本章小结............................................................................................................................................... 39
习题....................................................................................................................................................... 39
第3 章 网络层.........................................................................................................................................41
3.1 路由协议的作用............................................................................................................................ 42
VI
3.2 路由协议的类型............................................................................................................................ 43
3.3 路由协议设计的原则.................................................................................................................... 44
3.4 典型的路由协议............................................................................................................................ 45
3.4.1 平面路由协议.................................................................................................................... 45
3.4.2 基于分簇的路由协议........................................................................................................ 47
3.4.3 基于查询的路由协议........................................................................................................ 51
3.4.4 基于地理位置的路由协议................................................................................................ 54
3.4.5 基于QoS 的路由协议....................................................................................................... 59
本章小结............................................................................................................................................... 61
习题....................................................................................................................................................... 62
第4 章 无线通信技术............................................................................................................................65
4.1 ZigBee 技术.................................................................................................................................. 66
4.1.1 ZigBee 概述....................................................................................................................... 66
4.1.2 ZigBee 的特点................................................................................................................... 66
4.1.3 ZigBee 的体系结构........................................................................................................... 67
4.1.4 ZigBee 模块....................................................................................................................... 78
4.2 6LoWPAN 技术............................................................................................................................. 82
4.2.1 6LoWPAN 概述................................................................................................................. 83
4.2.2 6LoWPAN 的优势............................................................................................................. 83
4.2.3 6LoWPAN 的体系结构..................................................................................................... 84
4.2.4 6LoWPAN 的适配层各模块的功能................................................................................. 84
4.2.5 6LoWPAN 的关键技术分析............................................................................................. 86
4.3 Bluetooth 技术............................................................................................................................... 86
4.3.1 Bluetooth 概述................................................................................................................... 87
4.3.2 Bluetooth 的特点............................................................................................................... 87
4.3.3 Bluetooth 的体系结构....................................................................................................... 88
4.3.4 Bluetooth 的工作过程....................................................................................................... 90
4.4 Wi-Fi 技术.................................................................................................................................... 90
4.4.1 Wi-Fi 概述......................................................................................................................... 91
4.4.2 Wi-Fi 的特点..................................................................................................................... 91
4.4.3 Wi-Fi 的技术标准.............................................................................................................. 92
4.4.4 Wi-Fi 的安全风险及防范措施.......................................................................................... 93
4.5 RFID 技术.................................................................................................................................... 94
4.5.1 RFID 概述.......................................................................................................................... 94
4.5.2 RFID 的特点...................................................................................................................... 95
4.5.3 RFID 的工作原理.............................................................................................................. 95
4.5.4 RFID 的应用场合.............................................................................................................. 96
VII
4.6 NFC 技术...................................................................................................................................... 97
4.6.1 NFC 技术概述................................................................................................................... 97
4.6.2 NFC 技术优势................................................................................................................... 98
4.6.3 NFC 现实应用举例........................................................................................................... 98
4.7 UWB 技术.................................................................................................................................... 99
4.7.1 UWB 概述......................................................................................................................... 99
4.7.2 UWB 应用....................................................................................................................... 101
4.8 LoRa 技术................................................................................................................................... 101
4.8.1 LoRa 概述........................................................................................................................ 101
4.8.2 LoRa 技术优势................................................................................................................ 102
4.9 NB-IoT 技术................................................................................................................................ 103
4.9.1 NB-IoT 技术特点............................................................................................................ 103
4.9.2 NB-IoT 技术应用............................................................................................................ 104
本章小结............................................................................................................................................. 106
习题..................................................................................................................................................... 106
第5 章 操作系统.................................................................................................................................. 111
5.1 Z-Stack 协议栈............................................................................................................................ 112
5.1.1 Z-Stack 概述.................................................................................................................... 112
5.1.2 Z-Stack 的体系结构........................................................................................................ 113
5.1.3 Z-Stack 的基本术语........................................................................................................ 114
5.1.4 Z-Stack 的目录结构........................................................................................................ 116
5.1.5 Z-Stack 的工作过程........................................................................................................ 117
5.2 Contiki 操作系统......................................................................................................................... 127
5.2.1 Contiki 概述..................................................................................................................... 127
5.2.2 Contiki 的特点................................................................................................................. 128
5.2.3 Contiki 的目录结构......................................................................................................... 128
5.3 TinyOS 操作系统........................................................................................................................ 131
5.3.1 TinyOS 概述.................................................................................................................... 131
5.3.2 TinyOS 的体系结构及通信机制..................................................................................... 132
5.3.3 TinyOS 的特点................................................................................................................ 133
5.3.4 TinyOS 与Contiki 的比较............................................................................................... 133
5.4 MantisOS 操作系统.................................................................................................................... 134
5.5 SOS 操作系统............................................................................................................................. 137
本章小结............................................................................................................................................. 139
习题..................................................................................................................................................... 139
第6 章 拓扑控制.................................................................................................................................. 143
6.1 拓扑控制概述.............................................................................................................................. 144
VIII
6.1.1 拓扑控制基本概念.......................................................................................................... 144
6.1.2 拓扑控制设计的目标...................................................................................................... 145
6.2 拓扑结构形式.............................................................................................................................. 146
6.2.1 平面结构.......................................................................................................................... 146
6.2.2 分层结构.......................................................................................................................... 146
6.2.3 混合结构.......................................................................................................................... 147
6.2.4 Mesh 结构........................................................................................................................ 147
6.3 典型的拓扑控制算法.................................................................................................................. 148
6.3.1 基于功率控制的拓扑算法.............................................................................................. 148
6.3.2 基于层次控制的拓扑算法.............................................................................................. 151
6.3.3 基于休眠调度的拓扑算法.............................................................................................. 154
本章小结............................................................................................................................................. 155
习题..................................................................................................................................................... 156
第7 章 节点定位.................................................................................................................................. 159
7.1 节点定位概述.............................................................................................................................. 160
7.2 节点定位的分类.......................................................................................................................... 160
7.3 节点定位的基本术语.................................................................................................................. 161
7.4 节点定位的技术指标.................................................................................................................. 162
7.5 基于测距的节点定位.................................................................................................................. 163
7.5.1 测距阶段.......................................................................................................................... 163
7.5.2 定位阶段.......................................................................................................................... 165
7.6 无需测距的节点定位.................................................................................................................. 168
7.6.1 质心算法.......................................................................................................................... 168
7.6.2 DV-Hop 定位................................................................................................................... 169
7.6.3 APIT 定位........................................................................................................................ 170
本章小结............................................................................................................................................. 171
习题..................................................................................................................................................... 171
第8 章 时间同步.................................................................................................................................. 175
8.1 时间同步概述.............................................................................................................................. 176
8.1.1 时间同步的意义.............................................................................................................. 176
8.1.2 时间同步的分类.............................................................................................................. 176
8.1.3 时间同步的特点.............................................................................................................. 177
8.2 时间同步模型.............................................................................................................................. 178
8.2.1 通信模型.......................................................................................................................... 178
8.2.2 误差来源分析.................................................................................................................. 180
8.3 时间同步协议.............................................................................................................................. 181
IX
8.3.1 TPSN 协议....................................................................................................................... 181
8.3.2 RBS 协议......................................................................................................................... 183
8.3.3 DMTS 同步机制.............................................................................................................. 185
8.3.4 FTSP 协议........................................................................................................................ 186
8.3.5 LTS 协议.......................................................................................................................... 187
8.4 各种时间同步协议及未来发展趋势.......................................................................................... 189
本章小结............................................................................................................................................. 190
习题..................................................................................................................................................... 190
第9 章 安全机制.................................................................................................................................. 193
9.1 安全问题概述.............................................................................................................................. 194
9.2 安全问题分析.............................................................................................................................. 195
9.2.1 安全需求.......................................................................................................................... 195
9.2.2 安全设计.......................................................................................................................... 196
9.3 安全策略.................................................................................................................................... 200
9.3.1 密钥管理.......................................................................................................................... 200
9.3.2 安全认证技术.................................................................................................................. 202
9.3.3 访问控制和权限管理技术.............................................................................................. 203
9.3.4 安全路由.......................................................................................................................... 204
9.3.5 入侵检测.......................................................................................................................... 205
9.4 无线传感器网络安全协议.......................................................................................................... 207
9.4.1 依赖基站的网络安全框架协议——SPINS .................................................................... 207
9.4.2 SPINS 协议的实现问题.................................................................................................. 213
9.4.3 美国加州大学伯克利分校的模型系统.......................................................................... 216
本章小结............................................................................................................................................. 216
习题..................................................................................................................................................... 217
附录 习题部分参考答案..................................................................................................................... 219
参考文献..................................................................................................................................................... 225
1.1 无线传感器网络的发展历程..........................................................................................................2
1.2 无线传感器网络的概念..................................................................................................................3
1.3 无线传感器网络的特点..................................................................................................................4
1.4 无线传感器网络结构......................................................................................................................5
1.4.1 网络结构.............................................................................................................................. 5
1.4.2 感知节点结构......................................................................................................................6
1.4.3 感知节点的限制条件.......................................................................................................... 7
1.5 无线传感器网络的协议栈..............................................................................................................9
1.6 无线传感器网络的应用................................................................................................................ 10
1.7 无线传感器网络的发展趋势........................................................................................................ 16
1.7.1 未来的发展方向................................................................................................................ 16
1.7.2 关键技术............................................................................................................................ 17
1.8 与其他网络的区别与联系............................................................................................................ 19
本章小结............................................................................................................................................... 20
习题....................................................................................................................................................... 20
第2 章 物理层及数据链路层..............................................................................................................25
2.1 物理层.......................................................................................................................................... 26
2.1.1 物理层的主要技术............................................................................................................ 26
2.1.2 物理层设计........................................................................................................................ 29
2.2 数据链路层................................................................................................................................... 30
2.2.1 数据链路层概述................................................................................................................ 30
2.2.2 介质访问控制技术............................................................................................................ 31
2.2.3 介质访问控制技术的发展趋势........................................................................................ 39
本章小结............................................................................................................................................... 39
习题....................................................................................................................................................... 39
第3 章 网络层.........................................................................................................................................41
3.1 路由协议的作用............................................................................................................................ 42
VI
3.2 路由协议的类型............................................................................................................................ 43
3.3 路由协议设计的原则.................................................................................................................... 44
3.4 典型的路由协议............................................................................................................................ 45
3.4.1 平面路由协议.................................................................................................................... 45
3.4.2 基于分簇的路由协议........................................................................................................ 47
3.4.3 基于查询的路由协议........................................................................................................ 51
3.4.4 基于地理位置的路由协议................................................................................................ 54
3.4.5 基于QoS 的路由协议....................................................................................................... 59
本章小结............................................................................................................................................... 61
习题....................................................................................................................................................... 62
第4 章 无线通信技术............................................................................................................................65
4.1 ZigBee 技术.................................................................................................................................. 66
4.1.1 ZigBee 概述....................................................................................................................... 66
4.1.2 ZigBee 的特点................................................................................................................... 66
4.1.3 ZigBee 的体系结构........................................................................................................... 67
4.1.4 ZigBee 模块....................................................................................................................... 78
4.2 6LoWPAN 技术............................................................................................................................. 82
4.2.1 6LoWPAN 概述................................................................................................................. 83
4.2.2 6LoWPAN 的优势............................................................................................................. 83
4.2.3 6LoWPAN 的体系结构..................................................................................................... 84
4.2.4 6LoWPAN 的适配层各模块的功能................................................................................. 84
4.2.5 6LoWPAN 的关键技术分析............................................................................................. 86
4.3 Bluetooth 技术............................................................................................................................... 86
4.3.1 Bluetooth 概述................................................................................................................... 87
4.3.2 Bluetooth 的特点............................................................................................................... 87
4.3.3 Bluetooth 的体系结构....................................................................................................... 88
4.3.4 Bluetooth 的工作过程....................................................................................................... 90
4.4 Wi-Fi 技术.................................................................................................................................... 90
4.4.1 Wi-Fi 概述......................................................................................................................... 91
4.4.2 Wi-Fi 的特点..................................................................................................................... 91
4.4.3 Wi-Fi 的技术标准.............................................................................................................. 92
4.4.4 Wi-Fi 的安全风险及防范措施.......................................................................................... 93
4.5 RFID 技术.................................................................................................................................... 94
4.5.1 RFID 概述.......................................................................................................................... 94
4.5.2 RFID 的特点...................................................................................................................... 95
4.5.3 RFID 的工作原理.............................................................................................................. 95
4.5.4 RFID 的应用场合.............................................................................................................. 96
VII
4.6 NFC 技术...................................................................................................................................... 97
4.6.1 NFC 技术概述................................................................................................................... 97
4.6.2 NFC 技术优势................................................................................................................... 98
4.6.3 NFC 现实应用举例........................................................................................................... 98
4.7 UWB 技术.................................................................................................................................... 99
4.7.1 UWB 概述......................................................................................................................... 99
4.7.2 UWB 应用....................................................................................................................... 101
4.8 LoRa 技术................................................................................................................................... 101
4.8.1 LoRa 概述........................................................................................................................ 101
4.8.2 LoRa 技术优势................................................................................................................ 102
4.9 NB-IoT 技术................................................................................................................................ 103
4.9.1 NB-IoT 技术特点............................................................................................................ 103
4.9.2 NB-IoT 技术应用............................................................................................................ 104
本章小结............................................................................................................................................. 106
习题..................................................................................................................................................... 106
第5 章 操作系统.................................................................................................................................. 111
5.1 Z-Stack 协议栈............................................................................................................................ 112
5.1.1 Z-Stack 概述.................................................................................................................... 112
5.1.2 Z-Stack 的体系结构........................................................................................................ 113
5.1.3 Z-Stack 的基本术语........................................................................................................ 114
5.1.4 Z-Stack 的目录结构........................................................................................................ 116
5.1.5 Z-Stack 的工作过程........................................................................................................ 117
5.2 Contiki 操作系统......................................................................................................................... 127
5.2.1 Contiki 概述..................................................................................................................... 127
5.2.2 Contiki 的特点................................................................................................................. 128
5.2.3 Contiki 的目录结构......................................................................................................... 128
5.3 TinyOS 操作系统........................................................................................................................ 131
5.3.1 TinyOS 概述.................................................................................................................... 131
5.3.2 TinyOS 的体系结构及通信机制..................................................................................... 132
5.3.3 TinyOS 的特点................................................................................................................ 133
5.3.4 TinyOS 与Contiki 的比较............................................................................................... 133
5.4 MantisOS 操作系统.................................................................................................................... 134
5.5 SOS 操作系统............................................................................................................................. 137
本章小结............................................................................................................................................. 139
习题..................................................................................................................................................... 139
第6 章 拓扑控制.................................................................................................................................. 143
6.1 拓扑控制概述.............................................................................................................................. 144
VIII
6.1.1 拓扑控制基本概念.......................................................................................................... 144
6.1.2 拓扑控制设计的目标...................................................................................................... 145
6.2 拓扑结构形式.............................................................................................................................. 146
6.2.1 平面结构.......................................................................................................................... 146
6.2.2 分层结构.......................................................................................................................... 146
6.2.3 混合结构.......................................................................................................................... 147
6.2.4 Mesh 结构........................................................................................................................ 147
6.3 典型的拓扑控制算法.................................................................................................................. 148
6.3.1 基于功率控制的拓扑算法.............................................................................................. 148
6.3.2 基于层次控制的拓扑算法.............................................................................................. 151
6.3.3 基于休眠调度的拓扑算法.............................................................................................. 154
本章小结............................................................................................................................................. 155
习题..................................................................................................................................................... 156
第7 章 节点定位.................................................................................................................................. 159
7.1 节点定位概述.............................................................................................................................. 160
7.2 节点定位的分类.......................................................................................................................... 160
7.3 节点定位的基本术语.................................................................................................................. 161
7.4 节点定位的技术指标.................................................................................................................. 162
7.5 基于测距的节点定位.................................................................................................................. 163
7.5.1 测距阶段.......................................................................................................................... 163
7.5.2 定位阶段.......................................................................................................................... 165
7.6 无需测距的节点定位.................................................................................................................. 168
7.6.1 质心算法.......................................................................................................................... 168
7.6.2 DV-Hop 定位................................................................................................................... 169
7.6.3 APIT 定位........................................................................................................................ 170
本章小结............................................................................................................................................. 171
习题..................................................................................................................................................... 171
第8 章 时间同步.................................................................................................................................. 175
8.1 时间同步概述.............................................................................................................................. 176
8.1.1 时间同步的意义.............................................................................................................. 176
8.1.2 时间同步的分类.............................................................................................................. 176
8.1.3 时间同步的特点.............................................................................................................. 177
8.2 时间同步模型.............................................................................................................................. 178
8.2.1 通信模型.......................................................................................................................... 178
8.2.2 误差来源分析.................................................................................................................. 180
8.3 时间同步协议.............................................................................................................................. 181
IX
8.3.1 TPSN 协议....................................................................................................................... 181
8.3.2 RBS 协议......................................................................................................................... 183
8.3.3 DMTS 同步机制.............................................................................................................. 185
8.3.4 FTSP 协议........................................................................................................................ 186
8.3.5 LTS 协议.......................................................................................................................... 187
8.4 各种时间同步协议及未来发展趋势.......................................................................................... 189
本章小结............................................................................................................................................. 190
习题..................................................................................................................................................... 190
第9 章 安全机制.................................................................................................................................. 193
9.1 安全问题概述.............................................................................................................................. 194
9.2 安全问题分析.............................................................................................................................. 195
9.2.1 安全需求.......................................................................................................................... 195
9.2.2 安全设计.......................................................................................................................... 196
9.3 安全策略.................................................................................................................................... 200
9.3.1 密钥管理.......................................................................................................................... 200
9.3.2 安全认证技术.................................................................................................................. 202
9.3.3 访问控制和权限管理技术.............................................................................................. 203
9.3.4 安全路由.......................................................................................................................... 204
9.3.5 入侵检测.......................................................................................................................... 205
9.4 无线传感器网络安全协议.......................................................................................................... 207
9.4.1 依赖基站的网络安全框架协议——SPINS .................................................................... 207
9.4.2 SPINS 协议的实现问题.................................................................................................. 213
9.4.3 美国加州大学伯克利分校的模型系统.......................................................................... 216
本章小结............................................................................................................................................. 216
习题..................................................................................................................................................... 217
附录 习题部分参考答案..................................................................................................................... 219
参考文献..................................................................................................................................................... 225
