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基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 版權信息
- ISBN：9787568071963
- 條形碼：9787568071963 ; 978-7-5680-7196-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 本書特色
本專著主要從認知角度對無線傳感器進行分析，緊緊圍繞無線傳感器網絡中基于能量效率的數據傳輸技術，比較全面和系統地介紹了無線傳感器網絡的基礎知識、各種協議的性能比較和相關無線傳感器MAC層和路由算法實現的*新成果。材料權威豐富，體系結構完整，內容新穎翔實，知識系統全面，圖表豐富，行文通俗易懂，兼?zhèn)渲R性、系統性、可讀性、實用性和指導性。
基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 內容簡介
隨著無線通信、低功耗和高集成度的數字電子產品與微機電系統技術的發(fā)展,由傳感器、無線通信和網絡三大技術融合而形成的無線傳感器網絡引起了人們的廣泛關注。作為影響無線傳感器網絡性能的一個核心方面,傳感器節(jié)點及網絡的節(jié)能問題已成為當前研究的熱點之一。本書主要介紹了無線傳感器網絡概述、信道訪問機制、MAC層協議性能優(yōu)化、分簇路由協議、數據融合技術等，探討了相關的前沿技術。本書既可作為高等學校高年級本科生和研究生的教材和工程技術開發(fā)人員的參考書，也可供無線傳感器網絡和物聯網相關專業(yè)人士閱讀。因此，本成果的出版具有重要的理論意義和實際應用意義。
基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 目錄
第1章無線傳感器網絡概述..1
1.1無線傳感器網絡的概念..1
1.1.1傳感器節(jié)點的基本結構..3
1.1.2無線傳感器網絡的體系結構..5
1.2無線傳感器網絡的特點及應用..7
1.3無線傳感器網絡研究的關鍵技術..10
第2章基于IEEE 802.15.4的無線傳感器絡信道訪問機制..12
2.1IEEE 802.15.4標準體系結構..12
2.1.1物理層..13
2.1.2MAC層..14
2.2超幀結構和數據傳輸模型..15
2.3MAC層丟包率研究..18
2.3.1基于重傳的IEEE 802.15.4網絡丟包率研究..19
2.3.2基于隱藏終端的IEEE 802.15.4網絡丟包率研究..23
2.3.3基于馬爾科夫鏈的IEEE 802.15.4網絡防丟包信道訪問機制研究..29
第3章MAC協議性能優(yōu)化研究..35
3.1CSMA/CA信道訪問機制..35
3.1.1工作模式..35
3.1.2CSMA/CA算法流程..36
3.2提前休眠的時隙CSMA/CA機制..39
3.2.1時隙CSMA/CA算法建模..39
3.2.2性能參數分析..42
3.2.3信道平均吞吐量和節(jié)點平均能量消耗比較..43
3.3基于超幀結構的節(jié)點狀態(tài)轉換機制..44
3.3.1數據包服務時間 ..44
3.3.2節(jié)點狀態(tài)轉化建模和數據包平均服務時間..45
3.3.3數據包服務時間性能分析..47
第4章基于6LoWPAN的無線傳感器網絡低功耗MAC協議研究..51
4.16LoWPAN網絡概述..51
4.2MAC層節(jié)點能耗分析..55
4.2.1影響節(jié)點能量消耗的重要因素..55
4.2.2低功耗睡眠調度..56
4.36LoWPAN網絡能耗性能建模分析..58
4.3.1信道競爭過程建模 ..58
4.3.2網絡性能分析 ..60
4.46LoWPAN網絡信道吞吐量研究..63
4.4.16LoWPAN網絡信道接入機制建模..63
4.4.2吞吐量性能分析..65
4.5基于泊松分布的6LoWPAN網絡節(jié)點能耗分析..68
4.5.1節(jié)點平均能耗..69
4.5.2網絡能耗和協議性能評估..72
第5章無線傳感器網絡路由協議概述..75
5.1無線傳感器網絡路由協議設計要求..75
5.2能耗模型..78
5.3無線傳感器網絡路由協議分類..80
5.3.1平面路由協議..81
5.3.2分簇路由協議..86
第6章基于能量均衡的分簇路由協議..95
6.1基于分簇技術的層次型路由協議..95
6.2基于泊松分布的無線傳感器網絡分簇協議性能優(yōu)化..97
6.2.1分簇能耗建模 ..97
6.2.2性能優(yōu)化分析..99
6.3基于多權值的低能耗WSNs分簇協議..101
6.3.1簇*舉 ..102
6.3.2成簇過程..103
6.3.3實驗結果與分析..103
6.4基于非競爭式簇首輪轉的WSNs分簇優(yōu)化方法..104
6.4.1成簇能耗..105
6.4.2數據采集能耗 ..106
6.4.3能耗分析..106
6.4.4實驗結果與分析..108
第7章數據融合技術..111
7.1數據融合技術概述..111
7.1.1數據融合技術的定義..111
7.1.2數據融合技術的分類..112
7.1.3數據融合技術的作用..114
7.2一種基于*大*小貼近度的簇內數據融合機制..115
7.2.1系統模型和能耗分析..115
7.2.2簇內數據融合算法..117
7.2.3調度算法..119
7.2.4實驗結果與分析..120
7.3基于移動 sink 的無線傳感器網絡數據采集方案..122
7.3.1系統模型與問題描述..122
7.3.2時延受限的數據收集策略..123
7.3.3優(yōu)化路徑選擇算法..125
7.3.4實驗結果與分析..127
7.4基于非均勻分簇的低能耗安全數據融合方法..129
7.4.1數據融合中的安全性問題..129
7.4.2系統模型..129
7.4.3安全數據融合策略..131
7.4.4實驗結果與分析..136
參考文獻..139
致謝..149
1.1無線傳感器網絡的概念..1
1.1.1傳感器節(jié)點的基本結構..3
1.1.2無線傳感器網絡的體系結構..5
1.2無線傳感器網絡的特點及應用..7
1.3無線傳感器網絡研究的關鍵技術..10
第2章基于IEEE 802.15.4的無線傳感器絡信道訪問機制..12
2.1IEEE 802.15.4標準體系結構..12
2.1.1物理層..13
2.1.2MAC層..14
2.2超幀結構和數據傳輸模型..15
2.3MAC層丟包率研究..18
2.3.1基于重傳的IEEE 802.15.4網絡丟包率研究..19
2.3.2基于隱藏終端的IEEE 802.15.4網絡丟包率研究..23
2.3.3基于馬爾科夫鏈的IEEE 802.15.4網絡防丟包信道訪問機制研究..29
第3章MAC協議性能優(yōu)化研究..35
3.1CSMA/CA信道訪問機制..35
3.1.1工作模式..35
3.1.2CSMA/CA算法流程..36
3.2提前休眠的時隙CSMA/CA機制..39
3.2.1時隙CSMA/CA算法建模..39
3.2.2性能參數分析..42
3.2.3信道平均吞吐量和節(jié)點平均能量消耗比較..43
3.3基于超幀結構的節(jié)點狀態(tài)轉換機制..44
3.3.1數據包服務時間 ..44
3.3.2節(jié)點狀態(tài)轉化建模和數據包平均服務時間..45
3.3.3數據包服務時間性能分析..47
第4章基于6LoWPAN的無線傳感器網絡低功耗MAC協議研究..51
4.16LoWPAN網絡概述..51
4.2MAC層節(jié)點能耗分析..55
4.2.1影響節(jié)點能量消耗的重要因素..55
4.2.2低功耗睡眠調度..56
4.36LoWPAN網絡能耗性能建模分析..58
4.3.1信道競爭過程建模 ..58
4.3.2網絡性能分析 ..60
4.46LoWPAN網絡信道吞吐量研究..63
4.4.16LoWPAN網絡信道接入機制建模..63
4.4.2吞吐量性能分析..65
4.5基于泊松分布的6LoWPAN網絡節(jié)點能耗分析..68
4.5.1節(jié)點平均能耗..69
4.5.2網絡能耗和協議性能評估..72
第5章無線傳感器網絡路由協議概述..75
5.1無線傳感器網絡路由協議設計要求..75
5.2能耗模型..78
5.3無線傳感器網絡路由協議分類..80
5.3.1平面路由協議..81
5.3.2分簇路由協議..86
第6章基于能量均衡的分簇路由協議..95
6.1基于分簇技術的層次型路由協議..95
6.2基于泊松分布的無線傳感器網絡分簇協議性能優(yōu)化..97
6.2.1分簇能耗建模 ..97
6.2.2性能優(yōu)化分析..99
6.3基于多權值的低能耗WSNs分簇協議..101
6.3.1簇*舉 ..102
6.3.2成簇過程..103
6.3.3實驗結果與分析..103
6.4基于非競爭式簇首輪轉的WSNs分簇優(yōu)化方法..104
6.4.1成簇能耗..105
6.4.2數據采集能耗 ..106
6.4.3能耗分析..106
6.4.4實驗結果與分析..108
第7章數據融合技術..111
7.1數據融合技術概述..111
7.1.1數據融合技術的定義..111
7.1.2數據融合技術的分類..112
7.1.3數據融合技術的作用..114
7.2一種基于*大*小貼近度的簇內數據融合機制..115
7.2.1系統模型和能耗分析..115
7.2.2簇內數據融合算法..117
7.2.3調度算法..119
7.2.4實驗結果與分析..120
7.3基于移動 sink 的無線傳感器網絡數據采集方案..122
7.3.1系統模型與問題描述..122
7.3.2時延受限的數據收集策略..123
7.3.3優(yōu)化路徑選擇算法..125
7.3.4實驗結果與分析..127
7.4基于非均勻分簇的低能耗安全數據融合方法..129
7.4.1數據融合中的安全性問題..129
7.4.2系統模型..129
7.4.3安全數據融合策略..131
7.4.4實驗結果與分析..136
參考文獻..139
致謝..149
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基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 節(jié)選
近十幾年來，網絡信息技術的飛速發(fā)展使分布世界各個角落人們之間的聯系越來越密切，人們在任何時間、任何地點都可以方便地進行對話和溝通。由于物的被動性，人和物之間的“交流”就不會十分順暢，所以為了使物理世界為我們所用，必須借助于其他一些工具和技術去探索這個世界的萬物，如各種傳感器。基于通信技術、傳感技術和微機電系統(microelectromechanismsystem，MEMS)的發(fā)展，傳感器體積微小到可被封裝到一塊毫米級的芯片內，成本低、穩(wěn)健性高且功能愈發(fā)強大。傳感器的“智慧”可以幫助人類完成數據的收集、整理和溝通，從而極大地擴展了傳感器的應用領域。無線傳感器網絡將從根本上改變人類與自然世界之間的相互作用，并使虛擬的網絡世界和物理世界及各延伸領域都能與人交流。人們可以通過工具隨心所欲地從物理世界獲得豐富可信的信息，實現了“無處不在的計算”的愿望。毫不夸張地說，無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSN)的廣泛應用是科技發(fā)展的大勢所趨，它正在并且將一直引發(fā)無線傳感器及其相關研究領域對人類世界的變革。 一般來說，我們把由大量低成本、低功耗、多功能的傳感器節(jié)點組成的專用網絡系統稱為無線傳感器網絡。節(jié)點具有自組織、自恢復和自適應的特點，它們通過無線通信的方式進行信息傳遞，協同實現一些具體的功能。目標區(qū)域的感知參數(如溫度、濕度、光照、煙霧、空氣顆粒物、地震波、聲音和視頻等)都可以通過無線傳感技術、嵌入式技術、微電子信息技術等技術和軟件編程技術實現實時獲取。無線傳感器網絡憑借高感知精確度、高部署靈敏度、高擴展性、高性能穩(wěn)定性和低生產成本這“四高一低”的先天優(yōu)勢，使其在工業(yè)、農業(yè)、氣象檢測、軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、火災報警、交通管理、衛(wèi)生保健、空間探索等許多領域都有廣闊的應用前景。在國際上，無線傳感器網絡被譽為是繼互聯網之后的第二大網絡革命，2003 年美國《技術評論》雜志評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術中，無線傳感器網絡榮居榜首。 由于巨大的應用前景和潛能，無線傳感器網絡從誕生之日起就引起了全球學術界和產業(yè)界的極大關注，被認為是21世紀將改變人類社會的一項重大技術。雖然只經歷了短短十幾年，但是它的發(fā)展和應用已經滲透到人類社會的方方面面。和許多重大技術一樣，無線傳感器網絡也同樣起源于軍事需求的研究。1973 年美國 DARPA 啟動的 PRNet項目開啟了無線傳感器網絡發(fā)展的大門，使得人類社會對自然界的認知和交互水平前進了一大步。在接下來的十幾年中，DARPA 繼續(xù)資助了相關研究小組和大學研究機構并取得了一系列的成果，比較典型的有 UCLA 的 WINs項目、UC Berkeley 的 PicoRadio以及 MIT 的 uAMPs等。進入21世紀之后，隨著軍事和物聯網等應用需求的發(fā)展，對無線傳感器網絡的研究更加深入，世界各國政府和產業(yè)界均投入巨資加快理論研究和應用的開發(fā)工作。出于局部反恐戰(zhàn)爭的需要，為實現戰(zhàn)場情報信息無人偵查和獲取，2000 年，美國國防部將無線傳感器網絡列為國防部門五個尖端領域之一，并提出了C4ISR軍事計劃，側重于戰(zhàn)場信息的感知、采集、處理和運用能力，旨在解決遠程空天一體化精確無人打擊計劃末端信息獲取問題。2002 年，享譽世界的Intel公司規(guī)劃了微型傳感器網絡新的發(fā)展方向。2002 年至 2005 年，歐盟制定了EYES（自組織和協作有效能量的傳感器網絡）計劃，包括來自荷蘭、法國、意大利和德國的研究機構，主要研究能量有效的自組織協同傳感器，針對分布式信息處理與采集，以及無線通信和移動計算。2004年，日本和韓國政府也針對本國產業(yè)的發(fā)展提前部署無線傳感器網絡技術的研究計劃，日本成立了無線傳感器網絡調查研究會，制定了 UJapan(2005—2010)等規(guī)劃。韓國情報通信部先后發(fā)布了 IT839計劃和 UKorea 戰(zhàn)略，并實施嚴密的監(jiān)控以搶占高科技發(fā)展的制高點。在產業(yè)界，IBM、Intel、Microsoft、Philips、Siemens 以及 TI 等全球科技界的領頭羊也紛紛獨立或者結成聯盟展開對無線傳感器網絡應用上面的研究，并取得了一系列的研究成果。 在我國，中科院等研究機構較早的就跟蹤介入針對無線傳感器網絡的研究工作。在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》中，一次就確定了兩個與無線傳感器網絡直接相關的研究方向，由此可見對無線傳感器網絡的重視程度。2009 年，江蘇無錫高新區(qū)與中科院合作成立物聯網產業(yè)研究院，負責 WSN 標準化方面的工作，是國內無線傳感器網絡領域內成立較早的科研機構之一。中國國家自然科學基金委員會已批準了多個無線傳感器網絡方面的重點項目。清華大學、中國科技大學、華南理工大學、武漢理工大學、北京郵電大學等國內知名高校和中科院等研究機構也相繼展開了無線傳感器網絡的研究，取得了豐碩的研究成果。特別是近幾年物聯網產業(yè)的飛速發(fā)展，極大地刺激了無線傳感器網絡在國內的研究和發(fā)展。但是無線傳感器網絡是一個涉及多個高新技術的交叉學科，國內相對薄弱的基礎研究能力和產業(yè)技術支持都使得我國與世界先進國家無論是在理論還是產業(yè)應用上的差距依然巨大。可以預見，隨著無線傳感器網絡在國防軍事、精準農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等應用領域取得良好的應用效果，結合目前飛速發(fā)展的通信技術以及物聯網需求，在未來一定有著更廣闊的發(fā)展空間，相關領域也極具研究價值。
基于能量效率的無線傳感器網絡數據傳輸技術研究 作者簡介
王海軍，男，1977年11月生，湖北老河口人，工學碩士，副教授，湖北第二師范學院計算機學院副院長。主持省級自然科學基金項目1項、省級教研項目1項、省教育廳科研項目3項，參與*、省級等科研項目10余項，發(fā)表核心論文10余篇，獲得專利授權3項，軟件著作權1項，獲得第八屆湖北省高等學校教學成果獎二等獎。
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