无线传感网网络层

① 物联网从层次结构上分为几层各层的主要作用是什么

物联网架构按层级划分，主要分为感知层、网络层和应用层。这三层在物联网系统中扮演着关键角色。感知层作为物联网发展的基石，包括传感器等数据采集设备。RFID技术、传感与控制技术、短距离无线通信技术在此层中应用广泛，涉及芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节电供电等细分技术。

网络层主要负责数据传输，建立在现有移动通信网和互联网基础上，核心是实现以数据为中心的物联网。网络层中的感知数据管理与处理技术，包括存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据的决策和行为理论。云计算平台作为海量数据的存储与分析中心，是物联网网络层的重要组成部分。

应用层是物联网发展的最终目标，通过分析处理感知数据为用户提供个性化服务。应用层可细分为监控型、查询型、控制型和扫描型服务，如物流监控、污染监控、智能检索、远程抄表、智能交通、智能家居、路灯控制、手机钱包、高速公路不停车收费等。软件开发与智能控制技术为用户提供丰富的物联网应用体验。

以人体神经网络类比，感知层相当于人体的感觉器官，包括视觉、气味、味道、声音等信息的采集。神经元形成的神经传输通道则类比于物联网网络层，负责信息传递至大脑。大脑作为应用层，整合感知层信息，进行决策与行为，例如判断危险、阅读和观影等，实现感知数据价值的利用。

② 无线传感器网络的理论及应用的目录

第1篇总论
第1章无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络介绍1
1.1.1无线传感器网络的概念1
1.1.2无线传感器网络的特征2
1.1.3无线传感器网络的应用4
1.2无线传感器网络的体系结构7
1.2.1无线传感器网络的系统架构7
1.2.2传感器节点的结构7
1.2.3无线传感器网络的体系结构概述8
1.3无线传感器网络的研究进展10
1.3.1无线传感器网络的发展历程10
1.3.2无线传感器网络的关键技术14
1.3.3无线传感器网络所面临的挑战14
参考文献16
第2篇无线传感器网络的通信协议
第2章无线传感器网络的物理层
2.1无线传感器网络物理层概述19
2.1.1无线传感器网络物理层的研究内容19
2.1.2无线传感器网络物理层的研究现状20
2.1.3无线传感器网络物理层的主要技术挑战22
2.2无线传感器网络的调制与编码方法22
2.2.1Mary调制机制22
2.2.2差分脉冲位置调制机制23
2.2.3自适应编码位置调制机制24
2.3超宽带技术在无线传感器网络中的应用25
2.3.1超宽带技术概述25
2.3.2超宽带技术的基本原理26
2.3.3超宽带技术的研究现状29
2.3.4基于超宽带技术的无线传感器网络31
参考文献35
第3章无线传感器网络的数据链路层
3.1无线传感器网络数据链路层概述37
3.1.1无线传感器网络数据链路层的研究内容37
3.1.2无线传感器网络数据链路层的研究现状38
3.1.3无线传感器网络数据链路层的主要技术挑战39
3.2无线传感器网络的MAC协议40
3.2.1基于竞争机制的MAC协议40
3.2.2基于时分复用的MAC协议47
3.2.3其他类型的MAC协议54
参考文献58
第4章IEEE802.15.4标准
4.1IEEE802.15.4标准概述60
4.2IEEE802.15.4的物理层60
4.2.1物理层概述60
4.2.2物理层服务规范61
4.2.3物理层帧结构65
4.3IEEE802.15.4的MAC子层65
4.3.1MAC层概述65
4.3.2MAC层的服务规范66
4.3.3MAC帧结构69
4.3.4MAC层的功能描述70
4.4基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络70
4.4.1组网类型70
4.4.2数据传输机制71
参考文献72
第5章无线传感器网络的网络层
5.1无线传感器网络网络层概述73
5.1.1网络层的研究内容73
5.1.2网络层的研究现状74
5.1.3网络层的主要技术挑战75
5.2无线传感器网络的路由协议75
5.2.1以数据为中心的平面路由75
5.2.2网络分层路由77
5.2.3基于查询的路由79
5.2.4地理位置路由81
5.2.5能量感知路由84
5.2.6基于QoS的路由87
5.2.7路由协议的优化88
5.3无线传感器网络中的数据包转发策略90
5.3.1包转发策略的研究背景90
5.3.2基于价格机制的包转发博弈模型91
5.3.3自发合作的包转发博弈模型93
参考文献94
第6章无线传感器网络的传输层
6.1无线传感器网络传输层概述97
6.1.1无线传感器网络传输层的研究内容97
6.1.2无线传感器网络传输层的研究现状98
6.1.3无线传感器网络传输层的主要技术挑战99
6.2无线传感器网络的传输协议99
6.2.1PSFQ传输协议99
6.2.2ESRT传输协议101
6.3无线传感器网络与其他网络的互联103
6.3.1无线传感器网络与Internet互联103
6.3.2无线传感器网络接入到网格105
参考文献109
第7章ZigBee协议规范
7.1ZigBee概述111
7.1.1ZigBee与IEEE802.15.4111
7.1.2ZigBee协议框架112
7.1.3ZigBee的技术特点113
7.2网络层规范113
7.2.1网络层概述113
7.2.2服务规范114
7.2.3帧结构与命令帧115
7.2.4功能描述116
7.3应用层规范117
7.3.1应用层概述117
7.3.2ZigBee应用支持子层117
7.3.3ZigBee应用层框架结构118
7.3.4ZigBee设备协定（profile）119
7.3.5ZigBee目标设备（ZDO）119
7.4ZigBee系统的开发119
7.4.1开发条件和注意事项119
7.4.2软件开发120
7.4.3硬件开发121
7.5基于ZigBee规范的无线传感器网络122
7.5.1无线传感器的构建122
7.5.2无线传感器网络的构建123
7.5.3基于ZigBee的无线传感器网络与RFID技术的融合124
参考文献124
第3篇无线传感器网络的核心支撑技术
第8章无线传感器网络的拓扑控制
8.1无线传感器网络的拓扑控制技术概述125
8.1.1无线传感器网络拓扑控制的研究内容125
8.1.2无线传感器网络拓扑控制的研究现状126
8.1.3无线传感器网络拓扑控制的主要技术挑战126
8.2无线传感器网络的拓扑控制算法127
8.2.1功率控制算法127
8.2.2层次拓扑结构控制算法129
8.3无线传感器网络的密度控制135
8.3.1连通支配集构造算法135
8.3.2基于概率覆盖模型的无线传感器网络密度控制算法138
参考文献140
第9章无线传感器网络的节点定位
9.1无线传感器网络的节点定位技术概述142
9.1.1无线传感器网络节点定位的研究内容142
9.1.2无线传感器网络节点定位的研究现状143
9.1.3无线传感器网络节点定位的主要技术挑战146
9.2无线传感器网络的定位机制147
9.2.1基于测距的定位算法147
9.2.2非基于测距的定位算法151
9.3一种基于测距的协作定位策略159
9.3.1刚性图理论简介159
9.3.2基于刚性图的协作定位理论160
9.3.3LCB定位算法161
9.4节点位置估计更新策略162
9.4.1动态网络问题162
9.4.2更新策略163
参考文献164
第10章无线传感器网络的时间同步
10.1无线传感器网络的时间同步概述167
10.1.1无线传感器网络时间同步的研究内容167
10.1.2无线传感器网络时间同步的研究现状168
10.1.3无线传感器网络时间同步的主要技术挑战169
10.2无线传感器网络的时间同步机制170
参考文献180
第11章无线传感器网络的网内信息处理
11.1无线传感器网络的网内信息处理概述182
11.1.1无线传感器网络网内信息处理的研究内容182
11.1.2无线传感器网络网内信息处理的研究现状183
11.1.3无线传感器网络网内信息处理的主要技术挑战184
11.2无线传感器网络的数据融合技术184
11.2.1与路由相结合的数据融合184
11.2.2基于反向组播树的数据融合186
11.2.3基于性能的数据融合187
11.2.4基于移动代理的数据融合189
11.3无线传感器网络的数据压缩技术191
11.3.1基于排序编码的数据压缩算法191
11.3.2分布式数据压缩算法192
11.3.3基于数据相关性的压缩算法194
11.3.4管道数据压缩算法194
11.4无线传感器网络的协作信号信息处理技术195
11.4.1网元层的CSIP技术195
11.4.2网络层的CSIP技术196
11.4.3应用层的CSIP技术196
11.4.4CSIP技术展望197
参考文献198
第12章无线传感器网络的安全技术
12.1无线传感器网络的安全问题概述201
12.1.1无线传感器网络安全技术的研究内容201
12.1.2无线传感器网络安全技术的研究现状202
12.1.3无线传感器网络安全技术的主要技术挑战205
12.2无线传感器网络的安全问题分析205
12.2.1无线传感器网络物理层的安全策略206
12.2.2无线传感器网络链路层的安全策略207
12.2.3无线传感器网络网络层的安全策略207
12.2.4无线传感器网络传输层和应用层的安全策略209
12.3无线传感器网络的密钥管理和入侵检测技术209
12.3.1无线传感器网络的密钥管理209
12.3.2无线传感器网络的入侵检测技术211
参考文献214
第4篇无线传感器网络的自组织管理技术
第13章无线传感器网络的节点管理
13.1无线传感器网络的节点管理概述216
13.1.1无线传感器网络节点管理的研究内容216
13.1.2无线传感器网络节点管理的研究现状217
13.1.3无线传感器网络节点管理的主要技术挑战218
13.2无线传感器网络的节点休眠/唤醒机制218
13.2.1PEAS算法218
13.2.2基于网格的调度算法219
13.2.3基于局部圆周覆盖的节点休眠机制220
13.2.4基于随机休眠调度的节能机制221
13.3无线传感器网络的节点功率管理222
13.3.1动态功率管理和动态电压调节222
13.3.2基于节点度的算法224
13.3.3基于邻近图的算法224
13.3.4基于二分法的功率控制224
13.3.5网络负载自适应功率管理算法226
参考文献227
第14章无线传感器网络的资源与任务管理
14.1无线传感器网络的资源与任务管理概述229
14.1.1无线传感器网络资源与任务管理的研究内容229
14.1.2无线传感器网络资源与任务管理的研究现状230
14.1.3无线传感器网络资源与任务管理的主要技术挑战230
14.2无线传感器网络的资源管理技术231
14.2.1自组织资源分配方式231
14.2.2计算资源分配232
14.2.3带宽资源分配235
14.3无线传感器网络的任务管理技术237
14.3.1任务分配237
14.3.2任务调度239
14.3.3负载均衡243
参考文献245
第15章无线传感器网络的数据管理
15.1无线传感器网络的数据管理概述248
15.1.1无线传感器网络数据管理的研究内容248
15.1.2无线传感器网络数据管理的研究现状249
15.1.3无线传感器网络数据管理的主要技术挑战249
15.2无线传感器网络的数据管理系统250
15.2.1TinyDB系统250
15.2.2Cougar系统251
15.2.3Dimensions系统252
15.3无线传感器网络数据管理的基本方法253
15.3.1数据模式253
15.3.2数据存储254
15.3.3数据索引255
15.3.4数据查询257
参考文献260
第16章无线传感器网络的部署、初始化和维护管理
16.1无线传感器网络的部署、初始化和维护管理概述261
16.1.1无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究内容261
16.1.2无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究现状262
16.1.3无线传感器网络部署、初始化和维护管理的主要技术挑战263
16.2无线传感器网络的部署技术264
16.2.1采用确定放置的部署技术264
16.2.2采用随机抛撒且节点不具移动能力的部署技术265
16.2.3采用随机抛撒且节点具有移动能力的部署技术265
16.3无线传感器网络的初始化技术266
16.3.1UDG模型266
16.3.2基于MIS的初始化算法266
16.3.3基于MDS的初始化算法268
16.4无线传感器网络的维护管理技术270
16.4.1覆盖与连接维护技术270
16.4.2性能监测技术271
参考文献272
第5篇无线传感器网络的开发与应用
第17章无线传感器网络的仿真技术
17.1无线传感器网络的仿真技术概述275
17.1.1网络仿真概述275
17.1.2无线传感器网络仿真研究概述275
17.2常用网络仿真软件276
17.2.1OPNET简介276
17.2.2NS279
17.2.3TOSSIM280
17.3OMNeT++仿真软件281
17.3.1OMNeT++概述281
17.3.2NED语言282
17.3.3简单模块/复合模块287
17.3.4消息290
17.3.5类库291
17.4仿真示例296
参考文献303
第18章无线传感器网络的硬件开发
18.1无线传感器网络的硬件开发概述304
18.1.1硬件系统的设计特点与要求304
18.1.2硬件系统的设计内容304
18.1.3硬件系统设计的主要挑战305
18.2传感器节点的开发305
18.2.1数据处理模块设计305
18.2.2换能器模块设计307
18.2.3无线通信模块设计307
18.2.4电源模块设计309
18.2.5外围模块设计309
18.3传感器节点原型的开发实例Mica310
18.3.1Mica系列节点简介310
18.3.2Mica系列处理器/射频板设计分析313
18.3.3Mica系列传感板设计分析315
18.3.4编程调试接口板介绍317
参考文献318
第19章无线传感器网络的操作系统
19.1无线传感器网络操作系统概述320
19.1.1无线传感器网络操作系统的设计要求320
19.1.2几种典型的无线传感器网络操作系统介绍321
19.1.3无线传感器网络操作系统设计的主要技术挑战321
19.2TinyOS操作系统322
19.2.1TinyOS的设计思路322
19.2.2TinyOS的组件模型322
19.2.3TinyOS的通信模型324
19.3基于TinyOS的应用程序运行过程解析324
19.3.1Blink程序的配件分析325
19.3.2BlinkM模块分析327
19.3.3ncc编译nesC程序的过程329
19.3.4Blink程序的运行跟踪解析329
19.3.5TinyOS的任务调度机制的实现338
19.3.6TinyOS的事件驱动机制的实现342
19.4TinyOS的使用346
19.4.1TinyOS的安装346
19.4.2创建应用程序348
19.4.3使用TOSSIM仿真调试应用程序348
19.4.4使用TinyViz进行可视化调试349
19.4.5将应用程序导入节点运行350
参考文献351
第20章无线传感器网络的软件开发
20.1无线传感器网络软件开发概述353
20.1.1无线传感器网络软件开发的特点与设计要求353
20.1.2无线传感器网络软件开发的内容354
20.1.3无线传感器网络软件开发的主要技术挑战355
20.2nesC编程语言355
20.2.1nesC语言介绍355
20.2.2nesC的语法规范356
20.2.3nesC应用程序开发364
20.3无线传感器网络的应用软件开发367
20.3.1无线传感器网络的编程模式367
20.3.2无线传感器网络的中间件设计370
20.3.3无线传感器网络的服务发现372
参考文献373
第21章无线传感器网络应用于环境监测
21.1环境监测应用概述375
21.1.1环境监测应用的场景描述375
21.1.2环境监测应用中无线传感器网络的体系架构375
21.2关键技术377
21.2.1节点部署377
21.2.2能量管理377
21.2.3通信机制378
21.2.4任务的分配与控制379
21.2.5数据采样与收集379
21.3无线传感器网络用于环境监测的实例380
21.3.1公路交通监测380
21.3.2建筑物健康状况监测384
21.3.3“狼群计划”385
参考文献387
第22章无线传感器网络应用于目标追踪
22.1目标追踪应用概述388
22.1.1目标追踪应用的场景描述388
22.1.2目标追踪应用的特点与技术挑战388
22.1.3目标追踪应用中的无线传感器网络系统架构389
22.2无线传感器网络用于目标追踪的关键技术390
22.2.1追踪步骤390
22.2.2追踪算法392
22.2.3面向目标追踪的网络布局优化400
22.3基于无线传感器网络的车辆追踪系统实例402
22.3.1系统架构402
22.3.2关键问题403
22.3.3关键技术404
参考文献407
附录英汉缩略语对照表410

③ 无线传感器网络的优缺点

一、优点

(1) 数据机密性

数据机密性是重要的网络安全需求冲誉兆，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容。

(2)数据完整性

有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别，可以确保数据传输过程中没有任何改变。

(3) 数据新鲜性

数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。

二、缺点

根据网络层次的不同，无线传感器网络容易受到的威胁：

（1）物理层：主要的攻击方法为拥塞攻击和物理破坏。

（2）链路层：主要的攻击方法为碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争。

（3）网络层：主要的攻击方法为丢弃和贪婪破坏、方向误导攻击、黑洞攻击和汇聚节点攻击。

（4）传输层：主要的攻击方法为泛洪攻击和同步破坏攻击。

(3)无线传感网网络层扩展阅读：

一、相关特点

（1）组建方式自由。

无线网络传感器的组建不受任何外界条件的限制，组建者无论在何时何地，都可以快速地组建起一个功能完善的无线网络传感器网络，组建成功之后的维护管理工作也完全在网络内部进行。

（2）网络拓扑结构的不确定性。

从网络层次的方向来看，无线传感器的网络拓扑结构是变化不定的，例如构成网络拓扑结构的传感器节点可以随时增加或者减少，网络拓扑结构图可以随时被分开或者合并。

（3）控制方式不集中。

虽然无线传感器网络把基站和传感器的节点集中控制了起来，但是各个传感器节虚慧点之间的控制方式还是分散式的散租，路由和主机的功能由网络的终端实现各个主机独立运行，互不干涉，因此无线传感器网络的强度很高，很难被破坏。

（4）安全性不高。

无线传感器网络采用无线方式传递信息，因此传感器节点在传递信息的过程中很容易被外界入侵，从而导致信息的泄露和无线传感器网络的损坏，大部分无线传感器网络的节点都是暴露在外的，这大大降低了无线传感器网络的安全性。

二、组成结构

无线传感器网络主要由三大部分组成，包括节点、传感网络和用户这3部分。其中，节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围，整个范围按照一定要求能够满足监测的范围。

传感网络是最主要的部分，它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集，然后对这些节点信息进行一定的分析计算，将分析后的结果汇总到一个基站，最后通过卫星通信传输到指定的用户端，从而实现无线传感的要求。