Contenidos sobre teoría y aplicación de redes de sensores inalámbricos
Parte 1 Introducción general
Capítulo 1 Descripción general de las redes de sensores inalámbricos
1.1 Introducción a las redes de sensores inalámbricos 1
1.1.1 Inalámbrico El concepto de red de sensores 1
1.1.2 Características de la red de sensores inalámbricos 2
1.1.3 Aplicación de la red de sensores inalámbricos 4
1.2 Sistema de sensores inalámbricos Estructura de la red 7
1.2.1 Arquitectura del sistema de la red de sensores inalámbricos 7
1.2.2 Estructura del nodo de sensores 7
1.2.3 Arquitectura de la red de sensores inalámbricos Descripción general 8
1.3 Progreso de la investigación de las redes de sensores inalámbricos 10
1.3.1 Historia del desarrollo de las redes de sensores inalámbricos 10
1.3.2 Tecnologías clave de las redes de sensores inalámbricos 14
1.3.3 Desafíos que enfrentan las redes de sensores inalámbricos 14
Referencia 16
Parte 2 Protocolo de comunicación de redes de sensores inalámbricos
Capítulo 2 Capa física de la red de sensores inalámbricos
2.1 Descripción general de la capa física de la red de sensores inalámbricos 19
2.1.1 Contenido de investigación de la capa física de la red de sensores inalámbricos 19
2.1.2 Estado actual de la investigación de la capa física de las redes de sensores inalámbricos20
2.1.3 Principales desafíos técnicos de la capa física de las redes de sensores inalámbricos22
2.2 Métodos de modulación y codificación de redes de sensores inalámbricos 22
2.2.1 Mecanismo de modulación Mary 22
2.2.2 Mecanismo de modulación de posición de pulso diferencial 23
2.2.3 Mecanismo de modulación de posición de codificación adaptativa 24
2.3 Aplicación de la tecnología de banda ultraancha en redes de sensores inalámbricos 25
2.3.1 Descripción general de la tecnología de banda ultraancha 25
2.3.2 Principios básicos de la tecnología ultraancha -tecnología de banda ancha 26
2.3.3 Estado de la investigación de la tecnología de banda ultra ancha 29
2.3.4 Red de sensores inalámbricos basada en tecnología de banda ultra ancha 31
Referencias 35
Capítulo 3 Capa de enlace de datos de la red de sensores inalámbricos
3.1 Descripción general de la capa de enlace de datos de la red de sensores inalámbricos37
3.1.1 Contenido de investigación de la capa de enlace de datos de la red de sensores inalámbricos37
3.1.2 Estado de la investigación de la capa de enlace de datos de la red de sensores inalámbricos 38
3.1.3 Principales desafíos técnicos de la capa de enlace de datos de la red de sensores inalámbricos 39
3.2 Protocolo MAC de red de sensores inalámbricos 40
3.2.1 Protocolo MAC basado en mecanismo de competencia 40
3.2.2 Protocolo MAC basado en multiplexación por división de tiempo 47
3.2.3 Otros tipos de protocolos MAC 54
Referencias 58
Capítulo 4 Estándar IEEE802.15.4
4.1 Descripción general del estándar IEEE802.15.4 60
4.2 Capa física de IEEE802.15.4 60
4.2.1 Descripción general de la capa física 60
4.2.2 Especificación del servicio de la capa física 61
4.2 3 Estructura de la trama de la capa física 65
4.3 Subcapa MAC de IEEE802.15.4 65
4.3.1 Descripción general de la capa MAC 65
4.3.2 Especificaciones del servicio de la capa MAC. 66
4.3.3 Estructura de la trama MAC 69
4.3.4 Descripción de funciones de la capa MAC 70
4.4 Red de sensores inalámbricos basada en el estándar IEEE802.15.4 70
4.4.1 Tipo de red 70
4.4.2 Mecanismo de transmisión de datos 71
Referencia 72
Capítulo 5 Capa de red de la red de sensores inalámbricos
5.1 Descripción general de la capa de red de redes de sensores inalámbricos73
5.1.1 Contenido de la investigación de la capa de red73
5.1.2 Estado de la investigación de la capa de red74
5.1.3 Principales desafíos técnicos de la capa de red 75
5.2 Protocolos de enrutamiento de redes de sensores inalámbricos 75
5.2.1 Basados en datos
Enrutamiento plano centrado 75
5.2.2 Enrutamiento jerárquico de red 77
5.2.3 Enrutamiento basado en consultas 79
5.2.4 Enrutamiento por ubicación geográfica 81
5.2.5 Enrutamiento consciente de la energía 84
5.2.6 Enrutamiento basado en QoS 87
5.2.7 Optimización de protocolos de enrutamiento 88
5.3 Estrategia de reenvío de paquetes de datos en redes de sensores inalámbricos 90
5.3.1 Antecedentes de la investigación sobre la estrategia de reenvío de paquetes 90
5.3.2 Modelo de juego de reenvío de paquetes basado en el mecanismo de precios 91
5.3.3 Modelo de juego de reenvío cooperativo espontáneo de paquetes 93
Referencia 94
Capítulo 6 Capa de transporte de redes de sensores inalámbricos
6.1 Descripción general inalámbrica de la capa de transmisión de redes de sensores97
6.1.1 Contenidos de la investigación de la capa de transmisión de redes de sensores inalámbricas97
6.1.2 Estado de la investigación de la capa de transmisión de redes de sensores inalámbricas98
6.1.3 Principales desafíos técnicos de la capa de transmisión de la red de sensores inalámbricos99
6.2 Protocolo de transmisión de la red de sensores inalámbricos99
6.2.1Protocolo de transmisión PSFQ99
6.2 .2Protocolo de transmisión ESRT 101
6.3 Interconexión entre redes de sensores inalámbricos y otras redes 103
6.3.1 Interconexión entre redes de sensores inalámbricos e Internet 103
6.3.2 Red de sensores inalámbricos Acceso a Grid 105
Referencias 109
Capítulo 7 Especificación del protocolo ZigBee
7.1 Descripción general de ZigBee 111
7.1 .1 ZigBee e IEEE802. 15.4111
7.1.2 Marco del protocolo ZigBee 112
7.1.3 Características técnicas de ZigBee 113
7.2 Especificaciones de la capa de red 113
7.2 .1 Descripción general de la capa de red 113
7.2.2 Especificación del servicio 114
7.2.3 Estructura de la trama y trama de comando 115
7.2.4 Descripción de la función 116
7.3 Especificación de la capa de aplicación 117
7.3.1 Descripción general de la capa de aplicación 117
7.3.2Subcapa de soporte de aplicaciones ZigBee 117
7.3 .3Capa de aplicación ZigBee estructura del marco 118
7.3.4Protocolo de dispositivo ZigBee (perfil) 119
7.3.5Dispositivo de destino ZigBee (ZDO) 119
7.4Desarrollo del sistema ZigBee 119
7.4.1 Condiciones y precauciones de desarrollo 119
7.4.2 Desarrollo de software 120
7.4.3 Desarrollo de hardware 121
7.5 Basado en red de sensores inalámbricos sobre la especificación ZigBee 122
7.5.1 Construcción de sensor inalámbrico 122
7.5.2 Construcción de red de sensores inalámbricos 123
7.5. Red de sensores inalámbricos y tecnología RFID 124
Referencia 124
Parte 3 Tecnología de soporte central de la red de sensores inalámbricos
Capítulo 8 Control de topología de redes de sensores inalámbricos
8.1 Descripción general de la tecnología de control de topología de redes de sensores inalámbricos125
8.1.1 Contenido de la investigación del control de topología de redes de sensores inalámbricos125
8.1 .2 Estado de la investigación de la topología de redes de sensores inalámbricos control 126
8.1.3 Principales desafíos técnicos del control de topología de la red de sensores inalámbricos 126
8.2 Algoritmo de control de topología de la red de sensores inalámbricos 127
8.2.1 Control de potencia algoritmo 127
8.2.2 Algoritmo de control de topología jerárquica 129
8.3 Control de densidad de redes de sensores inalámbricos 135
8.3 .1 Algoritmo de construcción de conjuntos dominantes conectados 135
8.3.2 Algoritmo de control de densidad de la red de sensores inalámbricos basado en el modelo de cobertura probabilística 138
Referencia 14
0
Capítulo 9 Posicionamiento de nodos de redes de sensores inalámbricos
9.1 Descripción general de la tecnología de posicionamiento de nodos de redes de sensores inalámbricos 142
9.1.1 Posicionamiento de nodos de redes de sensores inalámbricos Contenido de la investigación 142
9.1.2 Estado de la investigación del posicionamiento de nodos de la red de sensores inalámbricos 143
9.1.3 Principales desafíos técnicos del posicionamiento de nodos de la red de sensores inalámbricos 146
9.2 Mecanismo de posicionamiento de redes de sensores inalámbricos 147
9.2.1 Algoritmo de posicionamiento basado en rango 147
9.2.2 Algoritmo de posicionamiento no basado en rango 151
9.3 Un sistema colaborativo estrategia de posicionamiento basada en rangos 159
9.3.1 Introducción a la teoría de grafos rígidos 159
9.3.2 Teoría de posicionamiento colaborativo basada en grafos rígidos 160
9.3.3 Algoritmo de posicionamiento LCB 161
9.4 Estrategia de actualización de la estimación de la posición del nodo 162
9.4.1 Problemas de red dinámica 162
9.4.2 Estrategia de actualización 163
Referencia 164
Capítulo 10 Sincronización horaria de redes de sensores inalámbricos
10.1 Descripción general de la sincronización horaria de redes de sensores inalámbricos 167
10.1.1 Contenido de investigación inalámbrica de sincronización horaria en redes de sensores inalámbricas167
10.1.2 Estado de la investigación de la sincronización horaria en redes de sensores inalámbricas168
10.1.3 Principales desafíos técnicos de la sincronización horaria en redes de sensores inalámbricas169
10.2 Mecanismo de sincronización horaria de la red de sensores inalámbricos 170
Referencia 180
Capítulo 11 Procesamiento de información dentro de la red de la red de sensores inalámbricos
11.1 Descripción general inalámbrica de procesamiento de información de red en redes de sensores182
11.1.1 Investigación del contenido del procesamiento de información dentro de la red en redes de sensores inalámbricos182
11.1.2 Estado de la investigación del procesamiento de información dentro de la red en redes de sensores inalámbricos 183
11.1.3 Principales desafíos técnicos del procesamiento de información en redes de sensores inalámbricos 184
11.2 Tecnología de fusión de datos de redes de sensores inalámbricos 184
11.2.1 y Datos fusión basada en enrutamiento 184
11.2.2 Fusión de datos basada en árbol de multidifusión inversa 186
11.2.3 Fusión de datos basada en rendimiento 187
11.2.4 Datos fusión basada en agentes móviles 189
11.3 Tecnología de compresión de datos para redes de sensores inalámbricos 191
11.3.1 Algoritmo de compresión de datos basado en codificación de clasificación 191
11.3.2 Algoritmo de compresión de datos distribuidos 192
11.3.3 Algoritmo de compresión basado en correlación de datos 194
11.3.4 Algoritmo de compresión de datos de canalización 194
11.4 Tecnología colaborativa de procesamiento de información de señales de redes de sensores inalámbricos 195
11.4.1 Tecnología CSIP en la capa de elementos de red 195
11.4.2 Tecnología CSIP en la capa de red 196
11.4.3 Tecnología CSIP en la capa de aplicación 196
11.4.4 Perspectiva de la tecnología CSIP 197
Referencias 198
Capítulo 12 Tecnología de seguridad de la red de sensores inalámbricos
12.1 Descripción general de los problemas de seguridad de las redes de sensores inalámbricos 201
12.1.1 Contenidos de la investigación de tecnologías de seguridad de redes de sensores inalámbricos 201
12.1.2 Contenidos de la investigación de tecnologías de seguridad de redes de sensores inalámbricos Investigación status 202
12.1.3 Principales desafíos técnicos de la tecnología de seguridad de redes de sensores inalámbricos 205
12.2 Análisis de los problemas de seguridad de las redes de sensores inalámbricos 205
12.2.1 Inalámbrico Estrategia de seguridad para la capa física de la red de sensores 206
12.2.2 Estrategia de seguridad para la capa de enlace de la red de sensores inalámbrica 207
12.2.3 Estrategia de seguridad para la capa de red de la red de sensores inalámbricos 207
12.2.4 Estrategia de seguridad de la capa de transporte y la capa de aplicación de la red de sensores inalámbricos 209
12.3 Gestión de claves y tecnología de detección de intrusiones de la red de sensores inalámbricos 209
12.3.1 Gestión de claves de redes de sensores inalámbricos 209
12.3.2 Tecnología de detección de intrusiones de redes de sensores inalámbricos 211
Referencias 214
Parte 4 Tecnología de gestión autoorganizada de redes de sensores inalámbricos
Capítulo 13 Gestión de nodos de redes de sensores inalámbricos
13.1 Descripción general de la gestión de nodos de redes de sensores inalámbricos 216
13.1.1 Contenido de la investigación de la gestión de nodos de la red de sensores inalámbricos 216
13.1.2 Estado de la investigación de la gestión de nodos de la red de sensores inalámbricos 217
13.1.3 Gestión de nodos de la red de sensores inalámbricos Principales desafíos técnicos 218
13.2 Mecanismo de suspensión/activación del nodo de la red de sensores inalámbricos 218
13.2.1 Algoritmo PEAS 218
13.2.2 Algoritmo de programación basado en grid 219
13.2.3 Mecanismo de inactividad del nodo basado en cobertura circular local 220
13.2.4 Mecanismo de ahorro de energía basado en programación de inactividad aleatoria 221
13.3 Nodo de red de sensores inalámbricos administración de energía 222
13.3.1 Administración dinámica de energía y ajuste dinámico de voltaje 222
13.3.2 Algoritmo basado en el grado de nodo 224
13.3.3 Basado en proximidad Algoritmo gráfico 224
13.3.4 Control de energía basado en dicotomía 224
13.3.5 Algoritmo de administración de energía adaptativo de carga de red 226
Referencias 227
Capítulo 14 Gestión de recursos y tareas de redes de sensores inalámbricos
14.1 Descripción general de la gestión de recursos y tareas de redes de sensores inalámbricos 229
14.1.1 Investigación de Gestión de recursos y tareas de redes de sensores inalámbricos contenido de la gestión de tareas229
14.1.2 Estado de la investigación de los recursos de la red de sensores inalámbricos y la gestión de tareas230
14.1.3 Principales desafíos técnicos de la gestión de tareas y recursos de la red de sensores inalámbricos230
14.2 Tecnología de gestión de recursos de la red de sensores inalámbricos 231
14.2.1 Método de asignación de recursos autoorganizado 231
14.2.2 Asignación de recursos informáticos 232
14.2 .3 Asignación de recursos de ancho de banda 235
14.3 Tecnología de gestión de tareas de la red de sensores inalámbricos 237
14.3.1 Asignación de tareas 237
14.3.2 Programación de tareas 239
14.3.3 Equilibrio de carga 243
Referencias 245
Capítulo 15 Gestión de datos de redes de sensores inalámbricos
15.1 Sensores inalámbricos Descripción general de la gestión de datos de red 248
15.1.1 Contenido de la investigación de la gestión de datos de la red de sensores inalámbricos 248
15.1.2 Estado de la investigación de la gestión de datos de la red de sensores inalámbricos 249
15.1.3 Principal desafíos técnicos de la gestión de datos de la red de sensores inalámbricos 249
15.2 Sistema de gestión de datos de la red de sensores inalámbricos 250
15.2.1Sistema TinyDB 250
15.2 .2 Sistema Cougar 251
15.2.3 Dimensiones del sistema 252
15.3 Método básico de gestión de datos de la red de sensores inalámbricos 253
15.3.1 Modelo de datos 253
15.3.2 Almacenamiento de datos 254
15.3.3 Índice de datos 255
15.3.4 Consulta de datos 257
Referencias 260
Capítulo 16 Gestión de implementación, inicialización y mantenimiento de redes de sensores inalámbricos
16.1 Descripción general de la gestión de implementación, inicialización y mantenimiento de redes de sensores inalámbricos 261
16.1.1 Implementación de redes de sensores inalámbricos, contenido de investigación sobre gestión de inicialización y mantenimiento 261
16.1.2 Estado de la investigación de la gestión de implementación, inicialización y mantenimiento de la red de sensores inalámbricos 262
16.1.3 Gestión de implementación, inicialización y mantenimiento de la red de sensores inalámbricos Los aspectos técnicos principales desafíos 263
16.2 Redes de sensores inalámbricos
Tecnología de implementación 264
16.2.1 Tecnología de implementación utilizando ubicación determinada 264
16.2.2 Tecnología de implementación utilizando dispersión aleatoria y nodos sin movilidad 265
16.2.3 Implementación tecnología que utiliza dispersión aleatoria y nodos con capacidades móviles 265
16.3 Tecnología de inicialización de redes de sensores inalámbricos 266
16.3.1Modelo UDG 266
16.3 .2 Basado en MIS algoritmo de inicialización 266
16.3.3 Algoritmo de inicialización basado en MDS 268
16.4 Tecnología de gestión y mantenimiento de redes de sensores inalámbricos 270
16.4.1 Tecnología de mantenimiento de cobertura y conexión 270
16.4.2 Tecnología de monitoreo del desempeño 271
Referencias 272
Parte 5 Desarrollo y aplicación de redes de sensores inalámbricos
Capítulo 17 Simulación Tecnología de redes de sensores inalámbricos
17.1 Descripción general de la tecnología de simulación de redes de sensores inalámbricos 275
17.1.1 Descripción general de la simulación de redes 275
17.1.2 Descripción general de las redes inalámbricas Investigación de simulación de redes de sensores 275
17.2 Software de simulación de redes de uso común 276
17.2.1 Introducción a OPNET 276
17.2.2NS279
17.2.3TOSSIM280
17.3Software de simulación OMNeT++ 281
17.3.1 Descripción general de OMNeT++ 281
17.3.2Lenguaje NED 282
17.3. módulo/módulo compuesto 287
17.3.4 Mensaje 290
17.3.5 Biblioteca de clases 291
17.4 Ejemplo de simulación 296
Referencias 303
Capítulo 18 Desarrollo de hardware de redes de sensores inalámbricos
18.1 Descripción general del desarrollo de hardware de redes de sensores inalámbricos 304
18.1.1 Características de diseño de sistemas de hardware y requisitos 304
18.1.2 Contenido del diseño del sistema de hardware 304
18.1.3 Principales desafíos del diseño del sistema de hardware 305
18.2 Desarrollo de nodos sensores 305
18.2.1 Diseño del módulo de procesamiento de datos 305
18.2.2 Diseño del módulo transductor 307
18.2.3 Diseño del módulo de comunicación inalámbrica 307
18.2.4 Diseño del módulo de potencia 309
18.2.5 Diseño del módulo periférico 309
18.3 Ejemplo de desarrollo del prototipo de nodo sensor Mica310
18.3.1 Introducción al nodo de la serie Mica 310
18.3.2 Análisis de diseño de placa RF/procesador serie Mica 313
18.3.3 Análisis de diseño de placa de sensor serie Mica 315
18.3.4 Depuración de programación Introducción a la placa de interfaz 317
Referencias 318
Capítulo 19 Sistema operativo de la red de sensores inalámbricos
19.1 Descripción general del sistema operativo de la red de sensores inalámbricos 320
19.1.1 Requisitos de diseño para sistemas operativos de redes de sensores inalámbricos 320
19.1.2 Introducción a varios sistemas operativos de redes de sensores inalámbricos típicos 321
19.1.3 Sistemas operativos de redes de sensores inalámbricos Principales desafíos técnicos del diseño 321
19.2Sistema operativo TinyOS 322
19.2.1Ideas de diseño de TinyOS 322
19.2.2Modelo de componentes de TinyOS 322
19.2.3 Modelo de comunicación de TinyOS 324
19.3 Análisis del proceso de ejecución de aplicaciones basadas en TinyOS 324
19.3.1 Análisis de accesorios del programa Blink 325
19.3 .2BlinkM análisis del módulo 327
19.3.3 El proceso de compilación de ncc del programa nesC 329
19.3.4 Ejecución del análisis de seguimiento del programa Blink 32
9
19.3.5 Implementación del mecanismo de programación de tareas de TinyOS 338
19.3.6 Implementación del mecanismo controlado por eventos de TinyOS 342
19.4 Uso de TinyOS 346
19.4.1 Instalación de TinyOS 346
19.4.2 Creación de aplicaciones 348
19.4.3 Uso de la simulación TOSSIM para depurar aplicaciones 348
19.4.4 Utilice TinyViz para la depuración visual 349
19.4.5 Importe la aplicación al nodo para ejecutarla 350
Referencias 351
Capítulo 20 Desarrollo de software de redes de sensores inalámbricos
20.1 Descripción general del desarrollo de software de redes de sensores inalámbricos 353
20.1.1 Características y requisitos de diseño del desarrollo de software de redes de sensores inalámbricos 353
20.1. 2 Software de red de sensores inalámbricos Contenido desarrollado 354
20.1.3 Principales desafíos técnicos en el desarrollo de software de redes de sensores inalámbricos 355
20.2 Lenguaje de programación nesC 355
20.2.1 Introducción al lenguaje nesC 355
20.2.2 Especificación de sintaxis de nesC 356
20.2.3 Desarrollo de aplicaciones nesC 364
20.3 Desarrollo de software de aplicaciones de redes de sensores inalámbricos 367
20.3.1 Modelo de programación de la red de sensores inalámbricos 367
20.3.2 Diseño de middleware de la red de sensores inalámbricos 370
20.3.3 Descubrimiento de servicios de la red de sensores inalámbricos 372
Referencia 373
Capítulo 21 Aplicación de redes de sensores inalámbricos en monitoreo ambiental
21.1 Descripción general de las aplicaciones de monitoreo ambiental 375
21.1.1 Escenarios de descripción de aplicaciones de monitoreo ambiental375
21.1.2 Arquitectura de redes de sensores inalámbricos en aplicaciones de monitoreo ambiental375
21.2 Tecnologías clave377
21.2.1 Implementación de nodos377
21.2.2 Gestión de energía 377
21.2.3 Mecanismo de comunicación 378
21.2.4 Asignación y control de tareas 379
21.2.5 Muestreo de datos y recolección 379
21.3 Ejemplos de redes de sensores inalámbricos utilizados para el monitoreo ambiental 380
21.3.1 Monitoreo del tráfico en las carreteras 380
21.3.2 Monitoreo del estado de salud del edificio 384
21.3.3 "Proyecto Wolf Pack" 385
Referencias 387
Capítulo 22 Redes de sensores inalámbricos aplicadas al seguimiento de objetivos
22.1 Descripción general de aplicaciones de seguimiento de objetivos388
22.1.1 Descripción del escenario de aplicaciones de seguimiento de objetivos388
22.1.2 Características y desafíos técnicos de las aplicaciones de seguimiento de objetivos388
22.1.3 Sensor inalámbrico Arquitectura del sistema de red en aplicaciones de seguimiento de objetivos 389
22.2 Tecnologías clave de redes de sensores inalámbricos para el seguimiento de objetivos 390
22.2.1 Pasos de seguimiento 390
22.2.2 Seguimiento algoritmo 392
22.2.3 Optimización del diseño de la red para el seguimiento de objetivos 400
22.3 Ejemplo de sistema de seguimiento de vehículos basado en una red de sensores inalámbricos 402
22.3.1 Arquitectura del sistema 402
22.3.2 Cuestiones clave 403
22.3.3 Tecnologías clave 404
Referencias 407
Apéndice Tabla comparativa de abreviaturas inglés-chino 410