WSN知识要点Word文档格式.docx

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地理区域大；

部署密集

a）提高信噪比；

提高监测精度；

增强容错性；

减少盲区

自组织网络：

不确定性；

拓扑结构变化

资源受限：

计算、存储、通讯、能量

动态拓扑：

节点故障；

通讯故障；

移动性；

节点加入

可靠网络：

适应环境条件；

鲁棒性、容错性

应用相关：

没有统一的通信协议平台

以数据为中心

6、传感器节点的结构

7、WSN的网络体系结构（即协议栈），要求掌握各层的定义和功能

这五层协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

物理层负责载波频率的产生、信号调制、解调；

数据链路层负责媒体接入和差错控制；

网络层负责路由发现与维护；

传输层负责数据流的传输控制；

应用层负责任务调度、数据分发等具体业务。

8、传感器节点的限制条件

电源能量有限

通信能力有限

a）能量消耗和通信距离关系:

E正比于d^（n）.{2<

n<

4}

计算和存储能力有限

9、WSN在智能交通中的应用

实时监控电力高压线的应力、温度和震动，在大雪覆盖时可以快速诊断出故障发生的地点。

监测高尔夫球场草皮植被的湿度，以便适时地喷洒浇水。

监测葡萄园的温室气候，因为葡萄园温湿度的细微变化对葡萄酒的质量影响很大。

监测道路状况，如大雾、地面积水、冰冻。

在停车场智能引导停车泊位。

对列车铁轨的状态是否正常进行监测。

在高速公路系统，辅助完成不停车收费功能。

在物流系统中，监测物资的保存状态和数量。

二、传感器概述

1、传感器的概念和定义

一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

其包含一下几个方面的意思：

传感器是测量装置，能完成检测任务

它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量。

输入输出有对应关系，且应有一定的精确度

2、传感器的组成结构（会作图）以及各组成元件的功能

传感器的组成

传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。

转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。

基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。

另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。

随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器。

敏感元件（Sensitiveelement）：

直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件（Transductionelement）：

以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。

转换电路（Transductioncircuit）：

将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

3、传感器的静、动态特性以及主要的性能指标（至少能说出3个）

1、灵敏度2、响应特性3、线性范围4、稳定性

传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性列表或曲线。

人们通常希望这个特性曲线是线性的，这样会对标定和数据处理带来方便。

但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差。

Ø

足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；

具有一定的过载能力。

灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；

传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。

响应速度快，工作稳定，可靠性好。

使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；

内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；

其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。

使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。

4、生物传感器的定义和组成结构（会作图）

生物传感器—将生物体的成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）固定化在一器件上作为敏感元件的传感器称为生物传感器。

敏感元件（分子识别元件）和信号转换器件（图）

5、离子敏场效应晶体管的结构（会作图）和工作原理

由于电化学理论和半导体理论的相互渗透。

所以出现了一类能够对离子或分子敏感的半导体器件，并称之为化学敏感半导体器件。

其中对离子敏传感器件研究的成果较多．离子敏场效应晶体管，即ISFET，它与常用的绝缘栅型场效应晶体管构造相同．不过在输入栅极做了一些改进，以能与特定的化学物质反应，产生电位的敏感膜取代金属极．让敏感膜直接与溶液接触，由于敏感膜对溶液中的离子有选择作用，从而调制ISFET的漏电流变化，利用这个特性就能检测一溶液中的离子活度

6、磁阻传感器探测车辆的原理

运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。

检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。

三、WSN物理层无线通信技术

1、无线电波的传播特性（传播方式、传输损耗，重点掌握多径衰落）

路径衰耗、阴影衰落、多径衰落

路径衰耗：

是指无线电波直线传播的损耗，包括在自由空间中传播时固有的与距离二次方成反比的衰耗，以及散射和吸收等导致的衰耗等。

阴影衰落：

无线电波在传播路径中遇到起伏的地形、建筑物和高大的树木等障碍物时，会在障碍物的后面形成电波的阴影。

接收机在移动过程中通过不同的障碍物和阴影区时，接收天线接收到的信号强度会发生变化，造成的这种信号衰落称为阴影衰落。

它是服从对数正态分布的随机变量。

快衰落（小尺度衰落，多径衰落）：

无线电信号在短时间或短距离传播中发生信号幅度剧烈地起伏变化，这种衰落是由信号的多径传播引起的。

由于受到周围建筑物以及地面的反射和散射作用，往往使同一波源发出的信号沿多条不同的传输路径，以不同的时间到达接收机。

这些经不同路径到达的波，称为多径波。

由于不同路径的信号的传播距离及传播时延不同，到达接收机时的相位也就不同，从而使接收到的信号的幅度有时因同相叠加而增强，有时又因反相叠加而减弱。

这样，接收信号的幅度就会产生剧烈的变化，造成畸变和衰落，这就是无线电波传输中的多径衰落。

多径衰落可能引起两种特殊的选择性衰落：

（1）频率选择性衰落

（2）时间选择性衰落

2、调制和解调的概念

在通信发射端将要传递的信息装载到载波上，这个过程就叫做调制。

装载了信息的电磁波称为已调波。

在通信接收端从收到的已调波上把信息取出来，就叫做解调。

3、数字调制技术（ASK,FSK,PSK）的概念

幅移键控（ASK）：

就是数字信号的振幅调制，是利用已调波的振幅变化去携带信息，而载波的频率和相位不变。

频移键控（FSK）：

就是数字信号的频率调制，是利用已调波的频率变化去携带信息，而载波的振幅和相位不变。

相移键控（PSK）：

就是数字信号的相位调制，是利用已调波的相位变化去携带信息，而载波的振幅和频率不变。

4、直接序列扩频通信技术的原理

扩频的3种基本方式：

直接序列扩频系统（DSSS）、跳频扩频系统（FHSS）和跳时扩频系统（THSS）。

直接序列扩频通常将已调制信号与扩频码相乘。

四、WSN的MAC协议

1、MAC与数据链路层的关系

按功能划分为两个子层：

LLC和MAC

功能分解的目的

a）将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度

b）局域网特点：

共享信道（如总线、令牌环）。

需要解决介质访问控制（MAC）问题。

分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法

c）LLC:

与介质、拓扑无关

d）MAC:

与介质、拓扑相关

2、WSN的能量浪费因素以及节能策略

•能量浪费因素

–碰撞重传（随机竞争）

–串音（overhearing）

–空闲侦听（忙闲）

–控制消息（太多）

•节能策略

–尽量让传感器节点处于睡眠状态

–减少接收到不需要接收的数据分组

–减少碰撞

–减少控制消息的开销

3、CSMA/CA机制的工作原理（重点掌握）

4、

•Carriersensing（CSMA）

–Rules:

•carrier==>

donottransmit

•nocarrier==>

OKtotransmit

–Buttheaboverulesdonotalwaysapplytowireless.

•Solution:

RTS（request-to-send）/CTS（clear-to-send）

•Collisiondetection（CD）

–Doesnotworkoverwireless

–Therefore,usecollisionavoidance（CA）

•randombackoff

•

priorityackprotocol

5、S-MAC的基本思想和关键技术

◆周期性睡眠和监听；

协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）

◆自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟

◆带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据

◆消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟

◆关键技术

◆周期性睡眠和监听

◆一个周期内有睡眠和监听两种状态

◆节点之间协同，保持监听同步

◆同步调度，形成虚拟簇

◆全监听周期，保证邻居发现

◆降低功耗，增加延迟

◆自适应监听

在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。

如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。

◆串扰避免

♦虚拟载波监听（控制信息）

♦信道忙时睡眠，避免接收串扰数据包

◆消息传递

♦将长的信息包分成若干个短的DATA段

♦所有DATA使用一个RTS／CTS控制分组占用信道

♦每个DATA都有ACK保障传输成功

6、T-MAC的基本思想

◆SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化

◆动态调整调度周期中的活跃时间长度

◆在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠

7、TRAMA协议的基本思想和3个关键协议（NP,调度交换，AEA）

◆将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道

◆每个时间帧分为随机接入和分配接入两部分，随机接入时隙也称为信令时隙，分配接入时隙也称为传输时隙

◆节点交换两跳内邻居信息和分配信息

◆采用流量自适应的分布式选举算法选择在每个时隙上的发送节点和接收节点

◆NP协议

♦节点启动后处于随机接入时隙，此时节点为接收状态

♦通过在随机接入时隙中交换控制信息，NP协议实现邻居信息的交互。

控制信息中携带了增加的邻居的更新，如果没有更新，控制信息作为通知邻居自己存在的信标

♦节点之间的时钟同步信息也是在随机接入时隙中发送

♦每个节点发送关于自己下一跳邻居的增加更新，可以用来保持邻居之间的连通性。

如果节点在一段时间内都没有再收到某个邻居的信标，则该邻居失效。

◆调度交换协议

♦建立和维护发送者和接收者选择时需要的调度信息，包括调度信息生成和调度信息交换与维护

♦根据高层应用产生数据的速率计算出一个调度间隔，确定可分配的时隙数，生成调度信息

♦节点通过调度分组广播广播调度信息

♦节点根据接收到的广播维护下一跳邻居的分配信息

◆AEA算法

♦确定节点当前时隙应处于发送、接收还是睡眠状态

8、SMACS/EAR的基本原理和工作过程

◆结合TDMA、FDMA的基本思想

◆假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换

◆将每个双向信道定义为两个时间段

◆发现邻居后立即分配信道

◆每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点

◆链路建立

◆引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示

◆在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居就有一对节点形成一个双向信道

◆在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信，这种不同步的时隙分配称为异步分配通信

◆每对时隙都会选择一个随机的频点，减少邻近链路冲突的可能

◆节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现

◆节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现

◆两个时隙分配不同的频点fx和fy

◆

◆邻居发现和信道分配

◆假设节点B，C，G进行邻居发现。

节点在随机的时间段内打开射频部分，在一个固定的频点监听一个随机长度的时间。

节点C在监听结束后广播一个邀请消息Type1

◆节点B和G接收到C发出的Type1消息后，等待一个随机的时间，然后各自广播一个应答消息Type2

◆C将接收到B和G发来的邀请应答，可以选择最早到达的应答者，也可以选择接收信号强度最大的应答者。

在选择了应答者后C将立即发送一个Type3给最早到达的B，Type3消息中携带分配信息，该信息包含节点C的下一个超帧的起始时间

◆节点B根据Type3得到一个时间偏移，并找出两个共同的空闲时间段做为时隙对，分配给B和C之间的链路。

◆节点B选择一个随机的频点，将时隙对在超帧中的位置信息以及选择的频点通过Type4发送给节点C。

这些信息成功交换之后，B和C之间就完成了时隙分配和频率选择，可以切换到对应的时隙和频率进行通信。

五、WSN的路由协议

1、WSN路由的概念

WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制。

2、数据中心网络的概念

•相同的数据进行融合，再传输）

–SPIN（Flooding），DirectedDiffusion（Gradient）

3、洪泛（Flooding）路由的基本思想和两大弊端（内爆和重叠）

4、SPIN协议的基本概念（例如：

元数据）、工作原理（重点掌握3步握手协议工作流程）、技术特点（重点掌握SPIN如何解决内爆和重叠问题）以及优缺点

5、DD机制的基本思想、工作过程（3个阶段）以及优缺点

6、LEACH算法的概念、基本思想、工作过程以及优缺点

7、GPSR算法的概念和基本思想

8、GEAR算法的概念和基本思想

六、WSN的定位技术

1、WSN定位的概念

2、基于测距的定位vs无需测距的定位（基本思想，各自的利弊）

3、基于测距的定位技术的工作过程（3个阶段）

4、三边测量算法的原理

5、基于TOA的定位机制的基本思想和工作过程

6、质心算法的基本原理

7、DV-Hop机制的概念、基本思想、计算过程（要求重点掌握）

七、WSN的时间同步技术

1、时间同步的概念

2、NTP的概念、基本思想和计算原理（见教材）

3、DMTS的概念、基本思想和计算原理（见教材）

4、RBS的概念、基本思想

5、TPSN的概念、基本思想和计算原理

八、WSN的硬件技术

（无）

九、WSN的操作系统

1、TinyOS的概念、简介以及技术特征

TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发出来的，主要应用于无线传感器网络方面。

它是基于一种组件（Component－Based）的架构方式，使得能够快速实现各种应用。

因为与同样是他们设计的硬件平台珠联璧合而声名鹊起，目前已经成为无线传感器网络领域事实上的标准平台。

支持的平台：

eyesIFXv2、intelmote2、mica2、mica2dot、micaZ、telosb、tinynode。

TinyOS的程序采用的是模块化设计，其程序核心往往都很小（一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络节点上并去执行相应的管理工作等。