无线传感考点小结.docx
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无线传感考点小结
第1章概述
1.什么是无线网络?
•所谓无线网络,就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网
(WLAN)o
2.
无线网络分类
3.传感器网络的三个基本要素
1)传感器结点
•感知、获取外界的信息
2)传感器网络的用户
•传感器网络的用户是感知信息的接收者和使用者,
3)感知对象
•感知对象是用户感兴趣的监测目标。
有线/无线连接
•传感器接近感知对象
•传感器仅产生数据流
•传感器无计算能力
•无传感器间通信能力
传感器网络的网络结构现代感知方法
•传感器网络覆盖感知对象区域
■每个传感器完成其临近感知对象的观测
•多传感器协同完成感知区域的大观测任务
•使用多跳路由算法向用户报告观测结果
5.Ad-hoc与WSN的异同
项目
WSN
Ad-hoc
网络功能
以获取感知信息为主要目的的信息釆集网络
解决人与人、设备与设备之间信息传输
节点能力
小型化、低成本、低功耗,处理能力低,通信速率与通信距离有限
处理与存储能力、通信能力、可靠性相对强大
网络形态
大规模、密度高
小型网络,密度高后冲突增大
拓扑结构
一到多、多到一
任意的点到点
业务特征
由用户发起查询或节点检测到异常或周期报告,业务量低
传输话音、数据、视频等业务,业务量高
关注问题
以数据为中心,电池供电,能量有限,所以限制其网络协议算法设计强调简单、高效
以通信为目的,与能量无关,以网络容量、QoS、业务传输的有效性为主
相同点
不依托任何网络基础设施的情况下展开工作;都可以依靠节点之间的自组织行为协调对信道资源的使用;
在网路拓扑动态变化的情况下实现多跳路由转发等
功能。
6.下面各术语的含义
传感器网络的节点
现代感知方法
•sensornode-传感器节点
•sink-汇聚节点
•User端-任务管理节点
•SensingArea-监测区域
7.传感器网络的节点
•传感器节点
•功能:
采集、处理和通信等
•网络功能:
兼顾节点和路由器
•资源受限:
存储、计算、通信、能量
•汇聚节点
•具有网关功能的特殊节点。
•连接传感器网络与Internet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换
•转发收集到的数据
•发布管理节点的监测任务。
•特点:
连续供电、功能强、数量少等
•管理节点:
•各种智能终端。
&传感器节点
•传感器模块:
信息采集、数据转换
•处理器模块:
控制、数据处理、网络协议
•无线通讯模块:
无线通信,交换控制信息和收发采集数据
•能量供应模块:
提供能量
9.传感器节点的限制(注意前两个)
(1).电源能量有限
•传感器节点消耗能量的模块
•传感器模块
•处理器模块
•无线铜线模块
图1-1传感器节点能量消耗情况
(2).通信能力有限
•无线通信的能量消耗与通信距离的关系为:
1)k是系数;
2)通常取n为3
•传感器节点的无线通信半径在100m以内比较合适。
•传感器节点的无线通信带宽有限:
几百kbps
E=kxdn
(3).计算和存储能力有限
•原因:
一种微型嵌入式设备,价格低,功耗小
10.传感器组网的特点
•1.自组织性
•2.以数据为中心
•3.应用相关性
•4.动态性
•6.可靠性
•5.网络规模大
•6.可靠性
11.无线传感器网络的关键性能指标
(1).网络的工作寿命
(2).网络覆盖范围
(3).网络搭建成本和难易程度
(4).网络响应时间
12.无线传感器网络的应用(主要记几个与生活相关的)
1).军事应用
2).环境科学
3).空间探索
4).医疗健康
5).智能家居
6).建筑物和大型设备安全状态的监控
7)•紧急援救
8).其他商业应用
13.无线传感器网络发展的三个阶段
1).第一阶段:
传统的传感器系统
2).第二阶段:
传感器网络结点集成化
3).第三阶段:
多跳自组网
第2章无线传感器网络结构、覆盖与连接
1.网络结构无线传感器网络拓扑结构(前三个重点关注)
(1).平面网络结构
1)没有中心管理节点
2)所有节点为对等结构,具有完全一致的功能。
3)结构简单,易维护,具有较好的健壮性,
4)缺点:
釆用自组织协同算法形成网络,组网算法比较复杂。
O传感器节点
图2-1无线传感器网络平面网络结构
(2).分级网络结构
1)分级网络结构(也叫层次网络结构)
2)上层为中心骨干节点;下层为一般传感器节点
3)骨干节点:
均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能协议;
4)一般传感器节点:
可能没有路由、管理及汇聚处理等功能。
5)骨干节点之间釆用的是平面网络结构。
图2-2无线传感器网络分级网络结构
•分级网络通常以簇的形式存在,节点按功能分为:
•簇首:
具有路由、管理和汇聚功能的骨干节点;
•成员节点:
一般传感器节点。
•分簇的原因:
•关闭部分节点的通信模块,以便节省节点能量。
•分簇思路:
•在保证网络原有覆盖区域的前提下,的网络连通依据一定机制(为分簇算法)选择某些节点作为骨于网节点,打开其通信模块;并关闭非骨干节点的通信模块;
•由骨干节点构建一个连通网络来负贵数据的路由转发。
•优点
•扩展性好,便于集中管理,建设成本低,网络覆盖率和可靠性较高
•缺点
•集中管理开销大,硕件成本高
•一般传感器节点之间可能不能够直接通信。
m2-2尤纟戈传感器网络分级网纟各纟吉构
(3).混合网络结构
•网络骨干节点之间采用平面网络结构;
•一般传感器节点之间采用平面网络结构;
•网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。
I冬12-3无幻a⑺或器网纟各y昆介网纟齐纟吉彳勾
•混合网络拓扑结构和分级网络结构的区别:
•一般传感器节点之间可以直接通信;不需要通过骨干节点来转发数据。
(4)Mesh网络结构
•从结构来看,不同于完全连接的网络结构,Mesh网络是规则分布的网络,通常只允许和节点最近的邻居通信。
•网络内部的节点都是相同,Mesh网络也称为对等网。
Mesh网络结构特点
•1.节点实际的地理分布不必是规则的Mesh结构形态。
•2.具有较强的容错能力和鲁棒性.
•3.所有节点都是对等的地位,都可被指定为簇首节点.
•某个簇首节点失效,其他节点接管
•可周期性地选择簇首头节点,均衡网络中的节点能量消耗
2•层次拓扑控制:
•是利用分簇思想,使网络中的部分节点处于激活状态,成为簇头节点;•由这些簇头节点构建一个连通的网络來处理和传输网络中的数据,并定期或不定期地重新选择簇头节点,以均衡网络中节点的能量消耗。
3.层次拓扑控制的意义
•提高整个网络的生存时间
•减小节点间通信干扰
•为路由协议、时间同步提供基础
•影响数据融合
•弥补节点失效的影响
4.LEACH“低功耗自适应集簇分层型协议”
(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)
•LEACH算法基本思想:
•以循坏的方式随机选择簇头节点,将整个网络的能屋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。
•LEACH算法分为两个阶段:
•
(1)簇的建立阶段
•
(2)数据通信阶段
LEACH算法的缺点
•选举出的簇头的分布并不均匀.
5.TopDisc算法(topologydiscovery)
•TopDisc有:
三色法和四色法。
•來源于图论中提出的思想,是基于最小支配集问题的经典算法。
•利用颜色区分节点状态,解决骨干网拓扑结构的形成问题。
(1)•三色算法的具体过程:
•
(1)初始节点将自己标记为黑色,并广播查询消息。
•
(2)白色节点收到黑色节点的查询消息时变为灰色,灰色节点等待一段时间再广播查询消息,等待时间的长度与黑色节点之间的距离成反比。
•(3)当白色节点收到一个灰色节点的查询消息时,先等待一段时间,等待时间的长度与白色节点到该灰色节点的距离成反比。
•如果在等待时间内,收到來自黑色节点的查询消息,节点立即变成灰色节点;
•否则节点变为黑色节点。
•(4)当节点怎切黑石或者吴色后,它将忽略其他节点的查询消息。
•(5)黑色节点成为簇头,灰色节点为簇内节点。
(2).四色算法的构建过程:
•1)初始节点将自己标记为黑色,并广播查询消息。
•2)白色节点收到黑色节点的查询消息时变成灰色,灰色节点等待一段时间再广播查询消息,等待时间的长度与它到黑色节点的距离成反比。
•3)当白色节点收集到來自灰色节点的查询消息时变为深灰色,然后继续广播这个消息,同时等待一段时间
•等待时间的长度与它到灰色节点的距离成反比。
•深灰色节点在这段时间内没有收到黑色节点的查询消息,它自己成为黑色节点,否则它将成为灰色节点。
•4)当白色节点收到來自深灰色节点的查询消息时,等待一段时间
•等待时间的长度与它到发送此查询消息的深灰色节点的距离成反比。
•如果在这段时间内乂收到來自黑色节点的查询消息,节点变成灰色节点,否则节点变成黑色节点。
该节点变色后将立即广播查询消息。
•5)变为黑色或者灰色的节点不再响应其他节点的查询消息
•6)黑色节点成为簇首,灰色节点成为簇内节点。
&TopDisc算法缺点:
•簇首节点能量消耗大
•同一节点自始至终一直扮演普通节点或簇首节点中的一个角色。
7.GAF算法
•GAF一-GeographicalAdaptiveFidelity
•GAF是一种基于地理位置为依据的分簇算法
•GAF核心思想
•在各数据到数据目的地之间存在有效通路的前提卞,尽量减少参与数据传输的节点数,从而减少用于数据包侦听和能量开销。
GAF算法的两个阶段
1)划分虚拟单元格
2)选择簇头节点
•三种状态:
•初始阶段:
发现
•成为簇头:
活动
•竞争失败:
睡眠
8.GAF优缺点(作了解)
•GAF优点
•根据单元格的大小,可以最大化地使大部分节点睡眠,从而节省了网络总能耗。
•GAF缺点
•没有考虑节点的剩余能量,随机选择节点作为簇头,还要求同一单元格的节点保持时间同步。
而且没有考虑移动节点的存在。
•还有一个比较严重的问题是负载不均匀,在sink节点附近的单元格消耗能量最严重,这可称为热区,很容易失去了与sink节点相邻的单元格的通信,造成网络断开。
•(数据融合可以解决)
9.启发机制
•传感器网络通常是面向应用的事件驱动的网络。
•启发机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态,而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点,形成数据转发的拓扑结构。
•好处:
节省了能量开销。
•启发机制的任务
•在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题。
11.STEM-T(STEM-TONE)算法
•节点周期性地进入侦听阶段,探测是否有邻居节点要发送数据。
•当一个节点A想与某个邻居节点进行通信时
•
(1)首先发送一连串的唤醒包
•所有邻居节点都能够接收到唤醒包并进入接收状态。
•
(2)然后节点A直接发送数据包。
•(3)如果邻居节点在一定时间内没有收到发送给自己的数据包,就自动进入睡眠状态。
12.STEM-T算法与STEM-B算法比较
•优点:
STEM-T算法省略了请求应答过程;
•缺点:
增加了节点唤醒次数。
•STEM算法的适用场合:
•适用于突发事件监测
•环境监测
13.ASCENT算法(adaptiveself-configuringsensornetworkstopologies)
•基本思想:
•
(1)节点接收数据时若发现丢包严重,就向数据源方向的邻居节点发出求助消息;
•
(2)节E探测到周围的通信节点丢包率很高或者收到邻居节点发出的帮助请求时,它醒来后主动成为活动节点,帮助邻居节点转发数据包。
(1)、运行ASCENT算法的网络的3个阶段
ASCENT算法
•优点:
•节点能够根据网络情况动态地改变自身状态
•缺点:
•缺少负载平衡技术
各状态之间相互转换如下:
第三章无线传感器网络通信
1•传感器网络结点的体系组成:
•分层的网络通信协议
•网络管理平台
•应用支撑平台
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2.IEEE802.15.4协议
•针对低速无线个域网(LR-WPAN)制定的标准
•把低能量消耗、低传输速率、低成本作为重点目标
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3.网络管理平台
•网络管理平台主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。
•
(1)拓扑控制。
•管理各节点状态的转换
•为链路层、网络层提供基础信息支持,优化MAC协议和路由协议,降低能耗。
•
(2)服务质量管理。
•在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制。
•(3)能量管理
•合理、有效地控制节点对能量的使用。
•(4)安全管理
•扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和数据加密等技术。
•(5)移动管理
•监测和控制节点的移动
•(6)网络管理
•对传感器网络上的设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试.
4.应用支撑平台
•通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。
5.介质
•介质包括电磁波和声波。
•电磁波可分为无线电波、微波、红外线和光波
•无线电波可以传播很远,可以穿过建筑物,因而被广泛地用于室内和室外的无线通信。
•无线电波是全方向传播信号
•无线电波缺点:
•易受其他电子设备的干扰
•相互串扰
•无线频率管制
6.无线电频率选择ISM(IndustrialScientificMedical)频段
•优点:
ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。
•缺点:
•功率限制
•一般低于1W
•与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰等。
第4章无线传感器网络的支撑技术
1.无线传感器网络的支撑技术
•时间同步机制
•定位技术
•数据融合
•能量管理
•安全机制
(1)时间同步技术
时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。
分布式系统需要时间同步
•不同的节点都有自己的本地时钟;
•即使在某个时刻所有节点都达到时间同步,它们的时间也会逐渐出现偏差;•分布式系统要进行协同工作。
传感器网络时间同步的意义
•1.构成TDMA调度机制
•2.估计监测目标的运行速度和方向
•3.通过测量声音的传播时间能够确定节点到声源的距离或声源的位置
传感器网络的时间同步机制的设计要求
•
(1)扩展性:
•
(2)稳定性:
•(3)鲁棒性
•(4)收敛性
•(5)能量感知
(2)现有的时间同步技术
•网络时间协议NTP(NetworkTimeProtocol)是Internet釆用的时间同步协议。
•GPS可用來提供网络的全局时间同步。
2.传感器网络的时间同步机制的主要性能参数
•1)最大误差
•2)同步期限
•3)同步范围
•4.)可用性
•5)效率
•6.)代价和体积
3.网络时间同步机制NTP(作了解)
(1)传统网络的时间同步模式:
C/S模式。
⑵NTP协议的体系结构
•1.NTP协议釆用层次型树型结构,整个体系结构中有多棵树,每棵树的父节点都是一级时间基准服务器,一级时间基准服务器直接与UTC时间源相连接。
•2.NTP协议要将时间信息从这些一级时间服务器传输到分布式系统的二级时间服务器成员或客户端,二级时间服务器按照层次方式排列。
•3.NTP协议对不同层次用“层数”标注,层数表示时间服务器到外部UTC时钟源的距离。
•4.客户端是子节点。
4.参考广播同步RBS同步机制(ReferenceBroadcastSynchronization)
•一种基于接收者和接收者的时间同步机制
•利用了无线数据链路层的广播信道特性,引入一个节点作为辅助节点,由该节点广播一个“参考分组”;
•在广播域内的一组接收节点接收到这个“参考分组”,信号传播时间很短,可以认为这一组接收节点是同时收到“参考分组”;
•通过交换、比较各自接收到“参考分组”的本地时间,实现一组接收节点之间的时间同步。
5.TPSN时间同步协议
•传感器网络时间同步协议TPSN(Timing-syncProtocolforSensorNetworks):
类似于传统网络的NTP时间同步协议,目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。
TPSN时间同步协议基本思想(了解)
•TPSN是基于发送者和接收者的双向时间同步机制
•在网络中有一个与外界通信获取外界时间的节点称为根节点。
•TPSN协议釆用层次型网络结构:
TPSN协议包括2个阶段(重点注意)
•第1个阶段:
生成层次结构
•每个节点赋予一个级别
•根节点赋予最高级别第0级,
•第i级的节点至少能够与一个第(i-l)级的节点通信;
•第2个阶段:
实现所有树节点的时间同步
•第1级节点同步到根节点,
•第i级的节点同步到第(i-l))级的一个节点
•最终所有节点都同步到根节点,实现整个网络的时间同步。
6.TPSN与RBS机制相比的优点(了解):
•TPSN协议考虑了传播时间和接收时间,利用双向消息交换计算消息的平均延迟,提高了时间同步的精度。
•RBS机制误差较大。
•在时钟频率为4MHz的Mica节点平台:
•TPSN时间同步平均误差是16.95s
•RBS平均误差是29.135s
7.DMTS同步机制
•延迟测量时间同步DMTS(delaymeasurementtimesynchronization)
•延迟测量时间同步(DMTS)机制是基于发送者和接收者的单向时间同步机制。
8.根据节点是否已知自身的位置把传感器节点分为:
•1.信标节点
•比例很小
•携带GPS定位设备
•信标节点是未知节点定位的参考点
•2.未知节点
•通过信标节点的位置信息來确定自身位置。
9.基本术语了解
•跳数(hopcount)
•两个节点之间间隔的跳段总数
•到达时间(timeofarrival,TOA)
•信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间
•到达时间差(timed辻ferenceofarrival,TDOA)
•两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差
10.计算节点位置的基本方法
•三边测量法
•三角测量法
•极大似然估计法
11.定位算法分类
•1.根据定位过程中是否测量实际节点间的距离
•基于距离的定位算法
•利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置
•距离无关的定位算法
•利用节点间的估计距离计算节点位置
•2根据节点定位的先后次序不同
•递增式的定位算法:
•信标节点附近的节点首先开始定位,依次向外延伸。
•并发式的定位算法:
•所有的节点同时进行位置计算。
•3根据定位过程中是否使用信标节点
•基于信标节点的定位算法
•以信标节点作为定位中的参考点
•无信标节点的定位算法:
•只计算节点间的相对位置
12.基于距离的定位
•第1个阶段:
测距阶段。
•1)未知节点首先测量到邻居节点的距离或角度;
•2)然后进一步计算到邻近信标节点的距离
•第2个阶段:
定位阶段
•未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后,利用三边测量法、三角测量法等计算未知节点的坐标;
13.基于T0A的定位
•基于到达时间T0A的定位机制。
•已知信号的传播速度,根据信号的传播时间來计算节点间的距离,然后利用己有算法计算出节点的位置。
(1)基于TOA定位的一个简单实现示例
•采用声波信号,根据声波的传播时间來测量节点间的距离。
(1)发送节点的扬声器模块在发送声波信号的同时,无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点声波信号发送的时间;
14.基于TDOA的定位
•在基于到达时间差TDOA的定位机制:
•发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号,接收节点根据两种信号到达的时间差以及己知这两种信号的传播速度,计算两个节点之间的距离,再通过己有基本的定位算法计算出节点的位置。
(1)基于TOA的定位的局限性:
1)要求节点间保持精确的时间同步
2)对传感器节点的硬件和功耗要求较高
第5章无线传感器网络的支撑技术目标跟踪技术
1.无线传感器网络中目标跟踪的基本原理
•传感器网络由大量部署在监测区域内的传感器节点组成;
•当有目标进入监测区域时,由根据目标的辐射特性,传感器会探测到相应的信号;
•红外辐射特征、
•声传播特征
•目标运动过程中产生的地面震功特征
•当网络探测到目标后便开始利用特定的跟踪算法与通信方式进行目标定位跟踪。
2.三种跟踪策略
(1)完全跟踪策略
•网络内所有探测到目标的传感器节点均参与跟踪。
•缺点:
•消耗的能量很大
•资源浪费较大
•数据融合与消除冗余信息增加了负担
•优点:
•提供了较高的跟踪精度
(2)随机跟踪策略
•网络内每个节点以概率参与跟踪
•优点:
•降低能量消耗
•缺点:
•不能保证跟踪精度。
(3)协作跟踪策略
•网络通过一定的跟踪算法來适时启动相关节点参与跟踪,通过节点间相互协作进行跟踪。
•优点:
既能节约能量乂能保证跟踪精度。
3.跟踪策略的衡量指标
•1.跟踪精度
•精度越高,消耗越人
•2.跟踪能量消耗
•3.跟踪的可靠性
•
(1)集中式方法
•
(2)分布式方法
•4.跟踪的实时性
•主要由硬件性能、算法的具体设计以及网络拓扑等多方面决定。
4.双元检测协作跟踪的基本过程(了解):
•1.节点侦测到目标进入侦测区域:
•2.如果节点检测到目标出现,同时接收到两个或两个以上节点发送的通告消息,则节点计算目标位置。
•3.当目标离开侦测区域时,节点向汇聚节点发送自己的位置信息以及目标在自己侦测区域内的持续时间信息;
•4.汇聚节点根据己有历史数据和当前获得的最新数据,计算移动目标的运动轨迹。
(1)优缺点(了解)
•优点:
•用于简单低廉的传感器节点
•通过大量密集部署节点可以保证跟踪精度
•限制:
•需要节点间的时钟同步
•要求节点知道自身的位置信息
第6章无线传感器网络的支撑技术数据管理
1.无线传感器网络数据管理的作用
•为观察者或用户提供一个有效的感知数据库的管理系统
•如同使用普通数据库管理系统和数据处理系统
•允许用户以数据本身作为查询获取所需要的信息
•使用户与传感器网络之间更接近于自然语言交流的习惯。
2.无线传感器网络数据管理系统的特殊性
(1)无限、连续、实时、流式的数据
(2)节点上的资源非常有限
(3)数据存在冗余性
(4)中间传感器节点具有数据融合、缓存、转发的能力
3.无线传感器网络数据管理系统的设计目标
1.节能
2.查询实
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