无线传感网络

第一、二章

无线传感网络的特点：

• 自组织
• 以数据为中心
• 应用相关性
• 动态性
• 网络规模大
• 可靠性

无线传感网络的定义

无线传感网络是大量的静止节点或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监视信息，并汇报给用户。

无线传感网络的系统组成

• 计算机
• 网关
• 路由节点
• 传感器节点

无线传感网络的系统性能指标

• 工作寿命
• 覆盖范围
• 搭建成本以及难易程度
• 响应时间

无线传感网络的基本功能

协作感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并能上报给中心节点

传感器的组成

• 敏感元件
• 转换元件
• 基本转换电路

传感器节点的结构以及功能

• 处理器模块 ：对整个节点进行数据处理运算、以及控制。
• 储存模块 ：提供数据存储
• 无线通信模块 ：进行不同节点间的通信
• 传感器模块 ：采集数据
• 电源模块：为节点提供能量

第三章

无线传感网络的拓扑结构

• 平面网络结构
  平面网络结构是无线传感器网络中简单的一种拓扑结构，如图1所示，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议
  
• 分级网络结构（也称层次网络结构）
  分级网络结构是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑结构，如图2所示，网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点；下层为一般传感器节点。通常网络可能存在一个或多个骨干节点，骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构。
  
• 混合网络结构
  混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构
  
• Mesh网络结构
  Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，较前面的传统无线网络
  

拓扑结构的意义以及主要设计目标

意义：

• 提高网络寿命
• 减少节点的通信负载
• 辅助路由协议
• 数据融合策略选择
• 节点冗余

主要设计目标

• 覆盖
• 连通
• 网络生命周期吞吐能力
• 干扰和竞争
• 网络延时
• 拓扑性质

层次性拓扑控制LEACH协议的原理及工作流程

原理：以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。
工作流程：
首先进行簇首的选择，选择好簇首之后，根据簇首进行分簇，分簇完成之后进行 信息传输。

覆盖的定义以及覆盖感知模型的概念

定义：
覆盖能反映一个无线传感网络某区域被检测和跟踪的状态。
覆盖感知模型：
分类：

• 布尔感知模型 :
  以节点为圆心，以感知距离为半径的圆形区域，只有落在该区域的点才能被节点覆盖（在节点内就是1，不在就是0）
  
• 概率感知模型：
  在圆形感知范围内，目标被感知到的概率不是常量，而是由目标节点间距离，节点物理特性等诸多因素决定的变量。
  

典型的覆盖算法个原理以及计算

• 网格：
  有手就行
  
• 圆周：
  有手就行
  

第四、六章

WSN协议的分层结构

• 网络通信协议：由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层组成。
• 网络管理平台：负责节点的管理，拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理。
• 应用支撑平台：基于检测任务的软件。

OSI参考模型：

物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

通信信道的分配

主要分为物理信道和逻辑信道

WSN物理层结构

• 传输介质：
  主要包括无线电、红外线和光波
  
• 物理层帧结构

4字节	1字节	1字节	可变长度
前导码	帧头	帧长度 （7比特）+保留位	PSDU

前导码 +帧头为同步头
PSDU是PHY负载

• 物理层设计技术
  主要负责硬件加密，硬件解调，发送和接受。
  

MAC协议的作用

负责协调对共用介质的访问

MAC协议的分类

按照信道数分

• 单信道
• 双信道

按照信道分配方式分：

• TDMA时分复用 如：C-TDMA
• CSMA随机竞争 如：S-MAC
• 混合 如：Z-MAC

按照节点的工作方式分：

• 监听 如：STEM
• 唤醒
• 调度

按照控制方式分：

• 集中式控制协议
• 分布式控制协议

按照控制访问介质分：

• 无竞争协议
  固定分配（FDMA,TDMA,CDMA）、动态分配（轮询，令牌，基于预约的协议）
  
• 基于竞争的协议（CSMA,ALOHA,MACA）

IEEE 802.11协议MAC层工作模式

• 1-坚持CSMA：
  一直监听信道并且等待发送，直到发现信道空闲。信道一旦空闲，终端会以概率1来发送它的信息。
  

• 非坚持CSMA:
  用户如果发现信道忙，等随机时间再次监听，而不是一直监听
  

• P-坚持CSMA：
  应用于分时隙的信道。当信道被终端发现时空闲时，该终端以概率P在该时隙发送，以（1-P）的概率把这次发送推迟到下个时隙。
  

• CSMA/CD：
  
  

• CSMA/CA：
  
  

RTS/CTS访问机制（可解决隐蔽终端的问题）

计算题。。。。。
有手就行

IEEE 802.15.4协议

IEEE 802.15.4标准定义的无线个域网具有如下特点：

• 在不同的载波频率下实现20kb/s、40kb/s和250kb/s三种不同的传输速率；
• 支持星型和点对点两种网络拓扑结构；

IEEE 802.1 5.4标准规定物理层负责如下任务：

• 激活和取消无线收发器；
• 当前信道的能量检测；
• 发送链路质量指示；
• CSMA/CA的空闲信道评估；
• 信道频率的选择
• 数据发送与接收。

IEEE 802.15.4标准定义了27个信道，编号为0～26；跨越3个频段，具体包括2.4GHz频段的16个信道、915MHz频段的10个信道、868MHz频段的1个信道。

能量感知路由

有手就行

DSDV先应式路由（目的节点序列距离矢量路由协议）

(理解过程为主)

主要优势：当需要时，通过表查找到下一跳邻居，路径可立即使用

主要弱点：

• 建立和维持路径频率很低
• 路由表规模可能会很大
• 路由表中的过时信息会导致路由错误 state information

当存在断链接时会出现以下问题：

环路
路由表计数至无穷大

解决方法：DSDV目的节点序列距离矢量路由协议
引入序列号机制-保证了无环路
周期性更新路由信息-对拓扑变化反应迅速（立即路由）

• 缺点：流量开销、维持一些从未使用的路由

AODV：按需距离矢量路由协议 (理解过程为主)

反应式路由，即：按需进行路由发现和路由维护
源节点发起路由发现过程，在找到至少一条路由后或已检验过所有潜在路由后，结束发现过程
新建立的路由会被维护到该路由发生断裂，或者不再被源节点需要，该路由将被删除

• 无环路
• 每个路由入口项都有生存时间lifetime

路由控制消息类型

• RREQ：路由请求消息 Route Request message
• RREP：路由应答消息 Route Reply message

路由发现 Routing Discovery

如果源节点无到目的节点的有效路由，将发生路由发现的过程

• 创建路由请求消息RREQ，包含： 源地址、当前序列号、目的地址、目的序列号、广播ID、RREQ标识符：源地址+广播ID
• 源节点广播RREQ，并设置计时器，等待应答消息RREP
• 一个节点接收到RREQ时，检查是否已经接收过（通过源IP和广播ID）
• 每个节点都为每个收到的RREQ维持一个记录：源IP、广播ID
• 节点在自身路由表中为源节点设置反向路由入口项（源IP和序列号、到源节点跳数、发送RREQ的邻居IP）
• 如路由入口项在特定的生存时间内未被使用，该路由信息将删除
• 中间节点响应RREQ，单播给源节点；满足以下条件才响应：（节点的路由表中必须拥有到达目的节点的有效入口（未过期）、与目的节点关联的序列号必须大于等于RREQ中携带的目的节点序列号）
• 如果RREQ丢失，源节点重新广播RREQ，重启路由发现过程
• 正向转发路径设置（满足条件的中间节点发送RREP、当其他中间节点接收到RREP时，在其路由表中设置一个到达目的节点的转发路径入口项、处理完RREP后，节点将转发RREP，直到源节点、当源节点第一次收到RREP时，它开始传输数据）

路由维护 Routing Maintenance

• 只要源节点需要，所发现的路由将一直被维护
• 如果源节点发生移动，将重启发现路由过程
• 如果目的节点或中间节点发生移动
  创建路由差错消息RERR（Route Error message）
  前驱节点将目的节点的路由标记为无效（通过设置距离为无穷大）
  重新发起到奴棣系欸但的路由发现过程
  
  
  

Zigbee网络中的设备类型及特点

基本特点

• 功耗低
• 成本低
• 时延短
• 网络容量大
• 可靠
• 安全

设备类型

• Coordinator(协调器)
• Router(路由器)
• End-Device(终端设备)

第五章

时间同步的概念以及方法、原理

概念（理解）

• 时钟的时间分辨率：软件时钟的两个增量/计数之间的间距
• 时钟偏移：两节点本地时间之间计数差clock offset
• 时钟同步：调整一个或多个时钟，使它们之间的读数匹配
• 时钟率：时钟推移的频率clock rate
• 时钟偏差：两个时钟频率之间的差别
• 时钟准确度：当节点与外部参考时钟同步时，时钟相对参考时钟的最大偏移 Accuracy
• 时钟精度：当网络中的节点内同步时，任意两时钟之间的最大偏移
  如果两个节点外部同步的准确度为Δ，则它们内部时钟同步的精度为2Δ
  
• 外部同步：所有节点的时钟与另一个外部时间源（或参考时钟）同步
  此参考时钟必须是一个精确的实时标准，如：世界协调时间 UTC
  
• 内部同步：在没有外部参考时钟支持下，所有节点的时钟相互同步。其目标是：获取网络内步所有时钟的一致性

网络内的时钟可能与外部实时标准时间不同

方法、原理

时间同步通常是基于传感器节点之间的某种形式的信息交换，即：依赖于同步消息 Synchronization Message

• 成对同步：两节点同步，至少需要一个同步消息
• 网络同步：在整个网络中重复成对同步过程
  
  
  
  
  
  
  
  

定位的概念、原理以及方法

WSN定位: 节点的定位可以辅助协议的设计，或为WSN开拓更多的功能。

• 物理世界中感知事件发生的具体地址
• 提供位置感知服务
• 物体跟踪
• 开发地理信息路由协议
• 网络覆盖管理

定位是确定一个或多个传感器节点物理坐标或它们之间空间关系的一项任务

定位的类别:

• 全局定位：在一个通用全局参考系内定位节点，
  如：GPS给出经纬度
  
• 相对定位：基于任意坐标系或参考系进行定位 如：给出某传感器与其它传感器之间的距离

定位信息的度量:

• 准确度：读数与真实值之差，如：准确度为10m
• 精度：读数的稳定性，如：精度为90%

定位机制分类:

• 主动定位：系统发送信号，定位目标
• 被动定位：系统从已存在的观察信号中推导出位置 信息 协作定位：被定位的目标与系统合作，确定其位置
• 盲定位：在无被定位目标特征等先验知识的条件下，系统推导出目标的位置信息

常用测距技术

• 基于到达时间（Time of Arrival （ToA））
  通过测量信号的传播时间，以及已知的信号速率，估算发送端与接收端之间的距离
  
• 基于到达角度（Angle of Arrival (AoA)）
  通过天线阵列或麦克风阵列作为收发前端，利用信号传播的方向来测量到达
  
• 基于接收信号强度（Received Signal Strength (RSS)）
  利用接收信号强度随着距离而衰减的特性，根据接收信号强度换算出
  

数据融合概念以及分类

概念

数据融合是利用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定的准则下进行多级别、多方面、多层次信息检测、相关估计和综合，以获得目标的状态和特征估计，产生比单一传感器更精确、完整、可靠的信息、更优越的性能，而这种信息是任何单一传感器所无法获得的。

分类

根据处理融合信息方法的不同：

• 集中式:各个传感器的数据都送到融合中心进行融合处理。
• 分布式:各个传感器对自己测量的数据单独进行处理，然后将处理结果送到融合中心，由融合中心对各传感器的局部结果进行融合处理。
• 混合式:以上两种方式的组合，可以均衡上述两种方式的优缺点，但系统结构同时变得复杂。

根据融合处理的数据种类：

• 时间融合:对同一传感器对目标在不同时间的测量值进行融合。
• 空间融合:对不同传感器，在同一时刻的测量值进行融合。
• 时空融合:在对不同的传感器，一段时间内的测量值不断地进行融合

根据信息的抽象程度来分：

• 数据级融合
• 特征级融合
• 决策级融合

根据融合前后信息含量来分：

• 有损失融合
• 无损失融合

WSN能量管理的主要方式

目前采用的节能策略主要有休眠机制、数据融合等，它们应用在计算单元和通信单元的各个环节。
动态电源管理(DPM)
动态电压调节(DVS)
S-MAC协议：一种用于WSN的低能耗MAC协议. Sensor-MAC(S-MAC)
S-MAC协议的主要特征：

• 协调睡眠。
• 选择和维持调度。
• 维持节点同步。
• 自适应侦听。
• 碰撞和监听避免。
• 消息传递。

第七章

无线局域网接入WSN

同构网络接入方式

同构网络利用应用层网关作为接口，将传感器网络接入Internet。对于网络结构简单的传感器网络，网关可以作为Web服务器，传感器节点的数据存储在网关上，并以Web服务的形式提供给用户。

异构网络接入方式

部分能力高的节点被赋予IP地址，作为与互联网标准IP的接口。这些高能力的节点可以完成复杂的任务，承担更多的负荷，可以充当簇头节点。

设计题（猜的）

设计一个基于WSN的智能家居系统

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/4386695/blog/4817268