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第1部分RFID1

第1章RFID的媒体访问控制协议1

1.1概述1

1.2 RFID系统MAC协议的预备知识3

1.3标签碰撞6

1.3.1确定性的防碰撞机制7

1.3.2概率性的防碰撞机制12

1.3.3讨论15

1.4阅读器碰撞16

1.5前景展望19

参考文献20

第2章RFID的防碰撞算法24

2.1概述24

2.2 RFID系统的阅读器碰撞问题27

2.3阅读器防碰撞协议28

2.3.1 TDMA协议28

2.3.1.1 DCS算法28

2.3.1.2 Colorwave算法29

2.3.2 FDMA协议29

2.3.2.1 HiQ协议29

2.3.2.2 EPCglobal Gen 2协议30

2.3.3 CSMA协议30

2.4标签防碰撞协议31

2.4.1基于ALOHA的协议31

2.4.1.1 ALOHA协议31

2.4.1.2时隙ALOHA协议31

2.4.1.3帧时隙ALOHA协议31

2.4.1.4 ISO/IEC 18000-6A协议32

2.4.2基于树的协议34

2.4.2.1查询树协议34

2.4.2.2逐位二进制树协议35

2.4.2.3 EPCglobal Class 036

2.4.2.4 TSA协议37

2.4.2.5 BSQTA和BSCTTA协议38

2.4.2.6 AQS协议38

2.4.3基于计数器的协议39

2.4.3.1 ISO/IEC 18000-6B协议39

2.4.3.2 ABS协议41

2.5结论42

2.5.1阅读器防碰撞协议的总结和新的研究方向43

2.5.2标签防碰撞协议的总结与新的研究方向44

参考文献45

第3章 用于RFID的低功耗转发器48

3.1概述48

3.2关于最新的RFID实现的调查49

3.3 RFID系统需求49

3.3.1电磁传播基础和标签能量消耗50

3.3.2制造过程53

3.3.3空中接口标准53

3.4模拟前端和天线设计讨论55

3.4.1天线特性55

3.4.2射频整流器56

3.4.3电压升压器59

3.4.4设备安全保护60

3.4.5电压校准61

3.4.6 ASK解调器62

3.4.7时钟发生器62

3.4.8反向散射发送器63

3.5数字基带处理器63

3.5.1低功耗标准单元设计64

3.5.2基带处理器创建模块66

3.5.2.1 ISO 18000-6B协议实现的方案66

3.5.2.2 ISO 18000-6C实现的方案72

3.5.3集成感知设备74

3.6开放性问题74

3.7结论75

参考文献75

第4章RFID的EPC Gen-2标准79

4.1概述79

4.1.1 EPC Gen-2背景79

4.1.1.1 Gen-2标准的目标和需求80

4.1.1.2 EPC编码系统的目标和需要80

4.1.2 Gen-2通常使用的特性的概述81

4.2物理层通信特性81

4.2.1数据速率82

4.2.2调制类型82

4.2.3数据编码83

4.2.4信息报头83

4.2.4.1阅读器向标签的报头83

4.2.4.2标签向阅读器的报头85

4.3标签的状态机87

4.3.1不同标签状态的概述87

4.3.1.1准备状态87

4.3.1.2仲裁状态87

4.3.1.3回复状态87

4.3.1.4确认状态88

4.3.1.5开放状态88

4.3.1.6安全状态88

4.3.1.7死亡状态88

4.3.2查询过程期间通过有限状态机移动的概述88

4.3.3在一个访问命令期间，通过标签状态机移动的概述89

4.4标签查询特性90

4.4.1查询命令概述90

4.4.1.1查询91

4.4.1.2查询重复91

4.4.1.3查询调节命令91

4.4.1.4选择91

4.4.2会话的使用92

4.4.3选择命令的特性93

4.4.4查询命令的特性94

4.4.5查询重复命令的特性94

4.4.6查询调节命令的特性95

4.5标签单一化95

4.5.1 EPC Gen-2标签数据编码分类95

4.5.2选择单个标签96

4.5.3选择一组标签96

4.5.4选择全部的标签97

4.6权衡97

4.6.1查询货盘上包含一种类型产品的标签97

4.6.2访问货盘上包含一种类型产品的标签98

4.6.3查询货盘上包含一个单一生产商多种类型的产品的标签98

4.6.4访问货盘上包含单一生产商多个产品类型的标签99

4.6.5查询货盘上包含多个生产商的多个类型产品的标签99

4.6.6访问一个货盘包含的多个生产商的多个类型产品的标签99

4.7开放问题99

4.8结论和未来研究方向100

参考文献100

第5章RFID的认证和隐私101

5.1概述101

5.2重要的RFID认证和隐私协议102

5.2.1标签死亡协议103

5.2.2密码协议103

5.3 RFID隐私保护设备104

5.3.1法拉第笼104

5.3.2有源干扰设备105

5.3.3拦截器标签105

5.4基于hash函数的RFID协议106

5.4.1 hash锁：原始的基于hash函数的方法107

5.4.2基于树的方法108

5.4.3 hash树：一种动态的密钥更新方法109

5.5其他的RFID认证和隐私保护协议112

5.5.1极简的加密113

5.5.2 RFID保护：为被动RFID标签设计的认证和隐私保护协议114

5.6结论117

参考文献117

第6章RFID的安全问题120

6.1概述120

6.2基本定义和参考场景120

6.3领域的当前状态122

6.3.1原始密码问题概述122

6.3.2密码协议问题概述123

6.3.3 RFID安全的一些重要的密码协议123

6.3.4测量密码图协议的轻量级特性125

6.4新的非确定性加密图协议127

6.4.1第一个非确定性协议127

6.4.2第二个非确定性协议128

6.4.3非确定性协议的简要分析129

6.5 RFID安全的开放性问题131

6.5.1 RFID系统的物理安全131

6.5.2原始密码和加密协议132

6.5.3后台系统132

6.5.4法律问题133

6.5.5一般的RFID安全问题134

6.6结论134

参考文献135

第7章RFID的部署：供应链案例研究138

7.1概述138

7.2第一阶段：商业环境139

7.2.1商业环境：激励环境139

7.2.1.1检查决策行为139

7.2.1.2工作案例研究：全国性的供应链141

7.2.2商业环境：商业案例142

7.2.2.1工作案例研究：全国性供应链143

7.2.3商业环境：阶段的过渡动机144

7.2.3.1工作案例研究：全国性供应链146

7.3第二阶段：基础设施环境：制造商到零售商146

7.3.1使用案例环境147

7.3.1.1使用案例147

7.3.1.2现场评估150

7.3.1.3使用案例环境：步骤转换动机151

7.3.2 RF1D设备环境152

7.3.2.1标准设备152

7.3.2.2阅读器配置153

7.3.2.3 RFID设备：步骤转换动机153

7.3.3设计环境154

7.3.3.1设计154

7.3.3.2文档155

7.3.3.3设计：步骤转换动机155

7.3.4基础设施环境：阶段转换动机155

7.3.4.1工作案例研究：全国性的供应链156

7.4第三阶段：部署环境：工厂到陈列室156

7.4.1原型测试环境156

7.4.1.1使用案例156

7.4.1.2原型测试环境：步骤转换动机157

7.4.2试验环境158

7.4.2.1使用案例158

7.4.2.2试验环境：步骤转换动机159

7.4.3部署环境：阶段转换动机159

7.4.3.1工作案例研究：全国性的供应链159

7.5结论160

参考文献160

第2部分WSN162

第8章 无线传感器网络中的地理位置路由162

8.1介绍162

8.2地理位置路由的原理163

8.2.1简介163

8.2.2地理位置路由操作165

8.3地理位置单播路由166

8.3.1贪心方案167

8.3.2周边方案167

8.3.3处理真实情景169

8.4地理位置多播路由170

8.4.1从单播到多播171

8.4.2多播贪心路由172

8.4.3多播周边路由174

8.5信标减地理位置路由175

8.5.1动机175

8.5.2非协作方式176

8.5.3协作的方式177

8.5.4处理空洞178

8.5.5处理实际场景179

8.6总结和讨论179

参考文献180

第9章 无线传感器网络中的媒体访问控制协议184

9.1简介184

9.2无线传感器网络186

9.2.1无线传感器网络特性186

9.2.2传感器节点的功耗187

9.2.3通信模式188

9.3无线MAC协议的概念和基本原理189

9.3.1无线MAC协议的需求和设计条件189

9.3.2无线MAC协议的分类190

9.4无线传感器网络的介质访问190

9.4.1在无线传感器网络中的能源资源消耗190

9.4.2无线传感器MAC设计需求和权衡191

9.5无线传感器网络MAC协议的分类193

9.5.1非预定的MAC协议193

9.5.1.1多通道的MAC协议194

9.5.1.2面向应用的MAC协议196

9.5.1.3多路径数据传输MAC协议196

9.5.1.4基于汇合的MAC协议197

9.5.1.5基于前同步码的MAC协议198

9.5.2预定的MAC协议199

9.5.2.1基于竞争的分时隙MAC协议199

9.5.2.2基于时分的MAC协议200

9.5.2.3基于预定的MAC协议202

9.5.2.4基于优先权的MAC协议202

9.5.3混合MAC协议204

9.5.3.1基于前置的混合MAC协议204

9.5.3.2基于预定的混合协议205

9.5.3.3传输敏感协议205

9.5.3.4基于簇的MAC协议206

9.5.4特定服务质量的MAC协议208

9.5.4.1传感器网络的QoS控制208

9.5.4.2无线传感器网络协议的一种能量高效的QoS保证MAC协议208

9.5.5跨层的MAC协议208

9.5.5.1 MAC＋PHY209

9.5.5.2 MAC+网络209

9.5.5.3网络＋PHY210

9.5.5.4传输＋PHY210

9.5.5.5三层解决方案210

9.6 IEEE802.15.4/ZigBee MAC协议211

9.6.1 IEEE 802.15.4/ZigBee协议栈架构211

9.6.2 ZigBee网络架构211

9.6.3超帧结构212

9.6.4数据传输213

9.6.5蓝牙214

9.7开放的研究方向214

9.8结论216

参考文献216

第10章 无线传感器网络的定位技术225

10.1概述225

10.2理论基础226

10.2.1距离测量226

10.2.2三边测量228

10.2.3三角测量229

10.2.4网络定位理论：定位和固定理论230

10.3基于距离的定位方法231

10.3.1单跳锚方法231

10.3.2多跳锚方法232

10.3.2.1迭代和协作多点监视233

10.32.2扫描法233

10.32.3多维排列234

10.3.3移动锚应用法234

10.3.4无锚节点法235

10.4无须测距的定位方法235

10.4.1基于跳数的方法235

10.4.1.1基于距离向量的定位235

10.4.1.2其他改进237

10.4.2基于区域的方法237

10.5总结239

参考文献240

第11章 无线传感器网络中的数据聚合技术243

11.1概述243

11.2无线传感器网络概述244

11.3数据聚合246

11.3.1基于树的数据聚合协议247

11.3.2基于分簇的数据聚合协议250

11.3.3基于多路径的数据聚合协议252

11.4安全的数据聚合253

11.4.1在普通的数据上的安全数据聚合254

11.4.2对加密数据的安全数据聚合257

11.5开发性的研究问题和未来研究方向260

11.6总结261

参考文献261

第12章 无线传感器网络中的分簇技术264

12.1概述264

12.1.1无线传感器网络中分簇设计的主要目的和挑战265

12.2分簇算法分类267

12.2.1分簇参数267

12.2.2分类簇集协议269

12.3概率分簇方法271

12.3.1广泛的概率分簇协议271

12.3.1.1低能量的自适应分簇层次271

12.3.1.2节能高效的层次分簇273

12.3.1.3混合节能高效的分布式簇集274

12.3.2扩展和其他类似的方法275

12.4非概率的分簇方法278

12.4.1邻近节点和基于图的分簇协议278

12.4.2基于权的簇协议281

12.4.3生物激活分簇方法282

12.5反应网络的分簇算法282

12.6结论284

参考文献285

第13章 无线传感器网络中能量有效的感知行为289

13.1概述289

13.2节能模式回顾290

13.2.1硬件能量管理290

13.2.1.1动态电压缩放比290

13.2.1.2能量资源管理291

13.2.2能量有效的无线通信291

13.2.2.1基于竞争的MAC291

13.2.2.2基于TDMA的MAC292

13.2.3能量有效的感知292

13.2.3.1自适应的感知负载周期292

13.2.3.2协调／合作感知293

13.3交替感知模式296

13.4性能分析298

13.5网络充分覆盖范围300

13.5.1理论结果300

13.5.2模拟结果301

13.6尚未解决的问题和争议303

13.7总结和对未来工作的展望304

参考文献304

第14章 无线传感器网络的移动性308

14.1概述308

14.2传感器移动性309

14.2.1非受控移动性310

14.2.2受控移动311

14.2.3移动控制策略312

14.3 Sink节点的移动314

14.3.1为什么要移动Sink节点314

14.3.1.1稀疏网络的数据聚集314

14.3.1.2负载均衡314

14.3.1.3缩短通信路径315

14.3.2随机移动316

14.3.3可预知移动317

14.3.4受控移动318

14.3.5自适应移动319

14.4虚拟移动324

14.5传感器或者Sink节点移动的结果325

14.5.1对于节点移动的MAC层解决方案325

14.5.2路由和移动性326

14.6开放性问题328

14.7结论329

参考文献329

第15章 无线传感器网络安全技术333

15.1概述333

15.1.1安全目标334

15.1.2挑战336

15.1.3密钥管理336

15.1.4安全路由336

15.2预备知识337

15.2.1椭圆曲线338

15.2.2椭圆曲线群和分离对数问题338

15.2.3双线性配对339

15.2.4 Diffie-Hellman问题339

15.3攻击类型340

15.3.1被动攻击340

15.3.2主动攻击340

15.3.3拒绝服务攻击340

15.3.4虫孔攻击341

15.3.5洪泛攻击342

15.3.6伪装攻击342

15.3.7重放攻击343

15.3.8信息操纵攻击343

15.3.9延迟攻击343

15.3.10 Sybil攻击344

15.4反抗手段344

15.4.1密钥建立和管理344

15.4.1.1单一广阔网络密钥、对偶密钥建立、受信任基站和认证345

15.4.1.2公钥模式349

15.4.1.3路由驱动椭圆曲线基于加密的密钥管理模式350

15.4.1.4基于身份和配对的安全的密钥管理模式353

15.4.2匿名通信356

15.4.2.1分层的匿名通信协议357

15.4.2.2在匿名传感器网络中寻找路由360

15.4.3入侵检测362

15.4.3.1使用情感蚂蚁的传感器网络上的入侵检测363

15.4.3.2在无线传感器网络中应用入侵检测系统365

15.5总结368

参考文献369

第16章 无线传感器网络中的网络管理技术373

16.1概述373

16.2 WSN管理的设计目标374

16.2.1可扩展性374

16.2.2有限的能量消耗374

16.2.3内存和处理限制374

16.2.4有限的带宽消耗375

16.2.5网络动态适应性375

16.2.6容错性375

16.2.7网络应答375

16.2.8设备代价375

16.3管理规模375

16.3.1管理功能375

16.3.1.1自管理376

16.3.1.2自配置376

16.3.1.3自愈376

16.3.1.4自计费376

16.3.1.5自安全376

16.3.1.6自优化376

16.3.2管理层376

16.3.2.1任务层376

16.3.2.2服务377

16.3.2.3网络377

16.3.2.4网络元素管理377

16.3.2.5元素层管理377

16.4设计管理结构的其他方案377

16.4.1基于策略的方法377

16.4.2代表管理377

16.4.3分布式管理378

16.4.4层次管理378

16.4.5基于分层的管理378

16.4.6移动或者智能的基于代理的方法378

16.5已有的研究成果379

16.5.1 MANNA379

16.5.1.1 MANNA的WSN功能的方面379

16.5.2 BOSS380

16.5.3 SNMS380

16.5.4移动基于代理的管理策略381

16.6作为一个整合技术的IP-USN381

16.6.1 IP-USN NMS的目标384

16.6.2 LNMP作为一个例子结构384

16.7网络管理作为FCAPS模型：一个新视角385

16.7.1以用户为中心385

16.7.2群形成386

16.7.3源-Sink节点仲裁386

16.7.4路由最高级387

16.7.5设备移动性387

16.8结论388

参考文献388

第17章 无线传感器网络中的部署390

17.1概述390

17.2事件监测模型390

17.2.1比特模型391

17.2.2概率监测模型391

17.2.3跟踪监测模型392

17.3部署标准392

17.3.1部署传感器的数量393

17.3.2覆盖和k-覆盖393

17.3.3连通性393

17.3.4检测概率394

17.3.5网络生命周期394

17.4传感器网络部署策略394

17.4.1问题定义394

17.4.2均匀部署策略395

17.4.2.1均匀随机部署396

17.4.2.2规则部署396

17.4.3非均匀部署策略396

17.4.3.1最佳解决方案396

17.4.3.2基于分布的随机的部署397

17.4.3.3 Max-Avg-Coverage399

17.4.3.4 Max-Min-Coverage400

17.4.3.5 Min-Miss400

17.4.3.6 Diff-Deploy402

17.4.3.7 Mesh404

17.4.3.8分化的基于禁忌（Tabu）搜索方法的传感器部署405

17.4.4部署策略对比409

17.5结论和开放性的问题413

参考文献413

第3部分RFID与WSN集成416

第18章RFID与无线传感器网络在架构和应用上的集成416

18.1概述416

18.2集成RFID和WSN的原因417

18.3集成RFID网络和传感器网络的要求417

18.4 RFID和WSN一体化构架418

18.4.1集成RFID标签与传感器418

18.4.1.1通信能力受限的集成传感器标签418

18.4.1.2集成扩展通信能力的传感器标签421

18.4.2集成无线传感器节点的RFID读卡器423

18.4.3混合结构425

18.5各种集成RFID和WSN的应用方案426

18.5.1医疗应用426

18.5.2供应链管理中集成RFID和传感器网络427

18.5.3其他应用428

18.6结论和开放性问题431

参考文献431

第19章 应用于智能家居系统的RFID与无线传感器网络的集成437

19.1概述437

19.2我们的家居智能环境440

19.2.1目标440

19.2.2现实需求和实验室限制441

19.3通用系统构架441

19.4实施443

19.4.1无线传感器网络444

19.4.2移动机器人446

19.4.3射频识别447

19.4.4网关／手机449

19.5实例449

19.6实施体验452

19.7结论453

参考文献453

第20章 应用于卫生保健系统的RFID与无线传感器网络的集成456

20.1概述456

20.2智能医院使用RFID和传感器网络的调查建议457

20.2.1医院人员流动供应和需求管理分析457

20.2.2追踪重要的和非常敏感的医疗／生活供应458

20.2.3建立一个普适感知医院459

20.3医院外卫生保健使用RFID和传感器网络的调查建议459

20.3.1移动遥测服务459

20.3.2无线健康监测系统460

20.3.3家庭老年人卫生保健的原型461

20.4卫生保健的传感器网络和RFID发展平台462

20.4.1介绍462

20.4.2编程抽象及相关中间件项目463

20.4.2.1编程抽象463

20.4.2.2中间件463

20.4.2.3 JADE464

20.4.3应用程序开发平台465

20.4.3.1准备工作和数据结构465

20.4.3.2应用发展进程467

20.4.3.3能量管理468

20.4.4原型实现468

20.4.4.1核心模块：登记和监测469

20.4.4.2图形用户界面（GUI）应用程序开发470

20.4.4.3实验环境470

20.4.4.4应用例子470

20.4.5摘要471

20.5结论471

参考文献471

第21章 应用于建筑物结构监测的RFID与传感器网络的集成473

21.1概述473

21.2电阻基传感器背景474

21.3电阻应变计474

21.4信号调节电阻应变计475

21.5大应变二进制输出电阻基传感器479

21.6数据获取和通信481

21.6.1无源RFID设计481

21.6.2节点的设计482

21.7控制软件483

21.7.1安装和配置传感器483

21.7.2实验配置483

21.7.3数据记录和显示485

21.8 CRM计功能测试485

21.8.1测试结果486

21.9大规模部署CRM计487

21.10结论488

参考文献489