无线传感网络复习.docx

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无线传感网络复习

概念

一、传感器网络基本概念：

基本要素、节点结构、节点限制、节点功能

1.无线传感器网络的标准定义是：

无线传感器网络是大量的静止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的感知对象的检测内容，并报告给用户。

2.无线传感器的三个要素：

传感器、感知对象和用户。

3.传感器节点结构：

数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）组成。

4.节点限制：

①电源能量有限②通信能力有限③计算和存储能力有限

5.节点功能：

在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点的角色。

采集数据，数据处理，控制、通信

二、WSN分类

1.按照组网形态和方式分：

集中式、分布式和混合式。

2.按节点功能及结构层次分：

平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构、以及Mesh网络结构。

三、覆盖分类

1.节点部署方式分类：

①确定性覆盖②随机覆盖

2.覆盖目标分类：

①面覆盖②点覆盖③栅栏覆盖

四、WSN各层名称及其所负责的分工

五、WLAN通信标准

IEEE802.11——2.4GHz定义了介质访问控制（MAC）层和物理层。

最初版本主要应用于办公室局域网和校园网，用户和用户终端的无线接入业务主要限制于数据存取，速率最高达2Mb/s

IEEE802.11a——5GHz的ISM频段上，数据传输速率可达54Mb/s的物理层

IEEE802.11b——2.4GHz的ISM频段上数据传输速率最高可以达到11Mb/s物理层

IEEE802.11g——2.4GHz的ISM频段上，数据速率最大54Mb/s使用OFDM调制技术，可以与相同网络中的IEEE802.11b设备共同工作

六、WSN路由器分类、定向扩散等主要的基本思想，flooding和gossing路由协议的特点

（1）//基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量感知路由协议

平面路由、层次路由、能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由

（2）定向扩散是一种基于查询的路由机制，是专门为无线传感器网络设计的。

为了能够适应网络拓扑的动态变化，采用周期性地对网络进行路由维护与更新，其主要分为3个阶段：

兴趣扩散、数据传输、梯度建立、路径加强

谣传路由：

（3）洪泛路由协议（Flooding）是一种最早的路由协议，接收到消息的节点以广播的形式转发报文给所有的邻居节点。

优点：

实现简单，适用于健壮性要求高的场合

缺点：

存在信息爆炸的问题、出现数据重叠的现象。

（带来了资源盲目消耗的问题）

（4）闲聊法（gossing）是泛洪法的改进版本。

为了减少数据的无谓消耗，闲聊法引入了随机发送数据的方法。

在某一个节点发送数据时，随机选择一个邻居节点，向它发送一份数据副本。

接收到的数据的节点采用相同的方法，随机选择下一个接收的节点发送数据。

如果一个人节点E已收到它邻居节点B的数据副本，若再次收到，那么它就将此数据发回它的邻居节点B.

优点：

避免了出现信息爆炸问题

缺点：

无法解决数据重叠现象和盲目使用资源问题，由于才有随机选择接受节点的方式，使得数据传输不能按照最短路径进行，甚至会出现南辕北辙的现象，数据传输平均时延拉长，传输速度慢，无谓的资源消耗依然很多。

七、WSN的支持技术及其用途，时间同步面临的挑战，基于树的轻量级时间同步协议，基于测距的定位算法、与距离无关的定位算法，数据融合的主要内容

1.WSN的支撑技术：

1时间同步技术：

为了确保感测到的时间可以以有意义的方式进行比较

2定位技术：

根据有限的位置已知的节点来确定无线传感器网络中其他节点的位置，在无线传感器网络的节点之间建立起位置关联关系

3数据融合：

充分利用传感器资源，通过对传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。

4能量管理：

高效使用传感器节点能量，在完成应用要求任务的前提下，尽量延长整个网络系统的生存期。

5容错技术：

网络中某个节点或节点的某些部件发生故障时，网络仍然能够完成指定任务。

6QOS保证：

确保出具传输的适当服务级别

7安全性：

防止信息和网络资源受到攻击和发生异常

2.时间同步面临的挑战

1环境影响：

时钟的漂移率碎环境的温度、压力和湿度的波动而有所不同。

2能力限制：

无线传感器通常用能量有限的电源来驱动，也就是说启殿园是一次性电池或者充电电池。

3无线介质和移动性：

无线通信介质是不可预知的。

雨水、雾、风和温度的改变都会带来环境特性的变化，从而导致通信介质性能的波动。

这些波动限制了网络的吞吐量，提高了误码率，并产生无线电干扰的问题。

4其他约束：

除了电源能量的限制，低功耗低成本的传感器节点在处理速度和存储空间上也收到限制，这要求时间同步协议必须低消耗、轻量化。

3.基于树的轻量级时间同步协议

其只要目的是：

用尽可能小的开销提供特定的精度。

4.基于测距的定位算法、与距离无关的定位算法

根据是否需要测量实际节点间的距离将定位算法分为以上两种

1基于测距的定位算法：

通过测量相邻节点间的距离或角度信息，然后使用三遍测量、三角测量或最大似然估计定位计算方法来计算节点位置。

常用的测距技术有RSSI,TOA,TDOA和AOA。

测距定位过程分为以下三个阶段：

（1）测距阶段，未知节点测量到邻近锚节点的距离或角度。

（2）定位阶段，计算出未知节点与三个或三个以上锚节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算未知节点坐标

（3）校正阶段，对计算得到的节点的坐标进行循环求精，减少误差，提高定位算法的精度。

2与距离无关的定位算法：

利用网络的连通性等信息来估计节点的位置。

当定位误差小于传感器节点无线通信半径的40%时，定位误差对路由性能和目标追踪精确度的影响不会很大，因此无须测量节点间的绝对距离或方位。

（1）质心定位算法

（2）凸规定定位算法

（3）APS算法

（4）Amorphous算法

（5）APIT定位算法

（6）SeRLoc定位算法

（7）MDS-MAP定位算法

5.数据融合

1.优点：

①提高了信息的可信度，②扩展系统的空间、时间覆盖能力，③减小系统的信息模糊程度，④改善系统的检测能力

2.分类：

根据融合信息方法的不同：

集中式、分布式、混合式

根据融合处理的数据种类：

时间融合、空间融合和时空融合

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

数据融合的内容主要包括：

多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测

八、ZIGBEE网络的构成，Z-STACK的特点

ZIGBEE网络由一个协调器以及多个路由器和对个终端设备组成。

协调器负责启动整个网络和配置网络。

路由器设备的功能是允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通信。

终端设备没有特定维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。

Z-STACK特点：

Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，包括了网状网络拓扑的几乎全功能的协议栈。

特点：

功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全。

九、802.15.4标准针对的层次，WSN频段

针对的层次：

物理层和MAC层

WSN频段：

2.4GHz（全球流行）频段的16个信道、915MHz（美国流行）频段的10个信道、868MHz（欧洲流行）频段的一个信道，这些信号频段中心定义如下：

（其中k表示信道编号）

fc=868.3MHz,k=0；

fc=906+2X（k-1）MHz,k=1,2,3…，10；

fc=2405+5X（k-11）MHz,k=11,12,13…，26；

十、UWB、蓝牙等技术的特点

1.蓝牙运行在2.4GHz的非授权ISM频段，通信距离只有十米。

2.超宽带技术（UWB）它没有理用载波，而是利用持续时间非常短的窄脉冲形式传输数据，而且数据传输速度可以达到几百兆比特每秒。

它的工作频谱在3.1~10.6GHz，因此UWB产品要受到其他工作在这个频段上的设备的干扰。

UWB的优点：

对信道衰落不敏感、发射信号功率频谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数里面的定位精度。

1.UWB有哪两种实现方案？

DS-UWB方案、MB-OFDM方案。

算法

一、CSMA/CAp111

1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理

CSMA/CA机制:

当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。

若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。

发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。

如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。

若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。

否则执行退避算法。

二、LEACHp74

LEACH算法是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。

在簇的建立阶段，相邻的节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点吧数据发送给簇头，簇头形成数据融合并把数据结果发送给汇聚节点。

由于簇头需要完成数据融合、汇聚节点通信等工作，所以能量消耗大。

LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。

LEACH路由算法的基本思想是什么？

通过随机循环的选择簇头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，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。

LEACH是一种自适应分簇拓扑算法，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。

三、TPSNp171

四、

2.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？

在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。

不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差，

RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。

这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。

这种同步协议的缺点是协议开销大

TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。

五、三边测量法、三角测量法p178

六、基于RSSI的定位机制及误差分析p181

七、路由空洞的概念及分析

在存在“空洞”的网络环境中，如果单纯依赖贪婪转发策略来转发数据包，在转发过程中数据包可能会到达没有任何邻居节点比自身更接近目的节点的区域，导致数据无法继续传输，这种现象被称为路由空洞。

如图所示，节点x有数据需要传送给目的节点D，此时，D在节点x的传输范围之外，必须要找一个离节点D更近的节点进行转发，但如图所示，x的邻居节点w和y到节点D的距离都比x到节点D的距离更远，贪婪转发就无法继续进行下去，但从网络拓扑中可以看出，其实转发路径是存在的，x-y-z-D和x-w-v-D都是可行的，此时就需要引入另外的转发机制-周界转发。

（怎么解决？

）

路由空洞会导致数据无法正常传输，当出现这种情况时，该节点应通过探测空洞周围的节点建立拓扑图，并利用在GPSR路由协议中的右手法则沿空洞周围传输，绕开传输空洞，使用周界转发机制来解决此问题。