WSN复习-2015（改）

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综合：20分

概述

无线传感器网络的标准定义：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感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network，简称WSN。

无线传感器网络的任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到?用户端，从而达到对目标区域的监测。它综合了计算技术、通信技术及传感器技术，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境信息或被监测对象的信息，这些信息以无线方式传送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界及人类社会三元世界的连通。

传感器网络限制条件:?电源能量有限?通信能力受限?计算和存储能力受限。

1.短距离无线通信技术的三个重要特征和优势：低成本、低功能和对等通信。 2.目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：ZigBee、超宽频(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。

3. ZigBee系统采用的是直序扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。

4. ZigBee技术特点主要包括：

①数据传输速率低。只有10kb/s~250kb/s,专注于低传输应用。

②功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至2年。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

③ 低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 ④ 网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

⑤ 有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

⑥ 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。

5. 无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。无线局域网采用的传输媒体主要有两种——无线电波和红外线。根据调制方式的不同，无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性；窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。而红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管理委员会的限制，但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。

6、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者。 7、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息。 8、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等。

9、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。

10、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。

11、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。

协议标准

IEEE 802.15.4标准：IEEE 802.15.4是用于低速无线个域网LR-WPAN的物理层和媒体接入控制层的规范，是ZigBee、Wireless HART及MiWi规范的基础。IEEE 802.15.4旨在为无线个域网中的通信设备提供一种基本的底层网络，它支持两种网络拓扑，即单跳星状和当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。

IEEE 802.15.4定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层，其中2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s的信道。IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。

ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。

ZigBee标准概要

ZigBee是一个协议的名称，这一协议基于IEEE 802.15.4标准，其目的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由ZigBee联盟维护。IEEE802.15.4是ZigBee协议的底层标准，主要规范了物理层和MAC层的协议，其标准由国际电工学协会IEEE组织制定并推广。ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。ZigBee技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。

ZigBee技术优势：ZigBee无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；ZigBee无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势；ZigBee技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。

ZigBee网络节点类型：Coordinator，Router，End Device。

ZigBee协议中的两类地址：64位的IEEE MAC地址及16位网络地址。64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者扩展地址（Extended address）；16位的网络地址，也叫做逻辑地址（Logical address）或短地址。64位长地址是全球唯一地址，并且终身分配给设备。这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置，是由IEEE来提供；当设备加入ZigBee网络被分配一个短地址，在其所在的网络中是唯一的。这个地址主要用来在网络中辨识设备，数据传输和数据包路由等。

ZigBee网络可以实现星状、网状和混合状三种网络拓扑形式。

路由

Z-Stack采用无线自组网按需平面距离矢量路由协议AODV，建立一个Hoc网络，支持移动节点，链接失败和数据丢失，能够自组织和自修复。

当一个Router接受到一个信息包之后，NMK层将会进行以下的工作：首先确认目的地，如果目的地就是这个Router的邻居，信息包将会直接传输给目的设备；否则，Router将会确认和目的地址相应的路由表条目，如果对于目的地址能找到有效的路由表条目，信息包将会被传递到该条目中所存储的下一个hop地址；如果找不到有效的路由表条目，路由探测功能将会被启动，信息包将会被缓存直到发现一个新的路由信息。

ZigBee End Device（终端设备）不会执行任何路由函数，它只是简单的将信息传送给前面的可以执行路由功能的父设备。因此，如果End Device想发送信息给另外一个End Device，在发送信息之间将会启动路由探测功能，找到相应的父路由节点。

无线传感器网络的体系结构

1无线传感器网络通信体系结构：1物理层 2数据链路层 3网络层 4传输层 5应用层

2无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。物理层主要处理信号的调制，发射和接收。数据链路层主要负责数据流的多路传输，数据帧检测，媒介访问控制和错误控制。网络层主要考虑数据的路由。传输层用于维持给定的数据流。根据不同的应用，应用层上可使用不同的应用软件。

信道接入技术

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DIF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。

S-MAC(Sensor medium access control )协议是在IEEE802.11协议的基础上，针对WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩展性。它针对WSN消耗能量的主要环节，采用了以下三方面的技术措施来减少能耗： ?周期性侦听和休眠?消息分割和突发传输?避免接收不必要消息

1、基于竞争的MAC协议

即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道，这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。 S-MAC协议 T-MAC协议

基于竞争的MAC协议的显著优点是：协议的简明性和可扩展性。

缺点：由于没有像基于预约的MAC协议那样使用某种机制对信道利用情况进行均衡，所以公平性就成为它的一个问题。

2、基于固定分配的MAC协议

即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。

相比随机竞争接入机制，时分复用方式的优点：更能节省能量，因为省去了竞争机制的碰撞重传问题；缺点：它需要严格的时间同步，并且通常用在拓扑结构不变的网络，它不能很好地处理传感器节点移动和节点失效的情况，因此在网络扩展性方面存在严重不足。

TDMA CDMA FDMA SDMA

3、基于按需分配的MAC协议

即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。

路由协议

路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件的，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所寻找的路径进行转发，由此可以看出路由协议的功能主要有两个方面：

一、搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径 二、转发资料分组

无线传感器网络的路由协议特点:

①能量优先② 基于局部拓扑信息③ 以数据为中心④ 应用相关 路由协议类型：① 以数据为中心的路由协议 ② 基于层次结构（树结构）的路由协议 ③ 基于地理信息路由协议

④ 基于多路径的路由协议

简单的无结构路由协议：Flooding和Gossiping路由协议

在Flooding（泛洪）协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，直到数据包过期或到达目的地。该路由不进行维护网络拓扑和相关路由算法，只负责以广播形式转发数据包，因此效率并不高。该协议具有严重缺陷：内爆(Implosion，节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)、交叠(Overlap，节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据)、盲目利用资源(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)，造成资源的浪费。

Gossiping（闲聊）协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，而不是用广播。这种方式避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗，节约能量，在一定程度上解决了信息的“内爆”问题，但增加了信息的数据传输平均时延，传输速度变慢，并且无法解决部分交叠现象和盲目利用资源问题。

DD(directed diffusion，定向扩散)协议是以数据为中心的路由算法，是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。为建立路由，sink点向网络中Flooding（包含属性列表、上报间隔、持续时间、地理区域等）信息的查询请求Interest(该过程本质上是设置一个监测任务)。沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、创建（包含数据上报率、下一跳等）信息的梯度(gradient)，从而建立多条指向sink点的路径。Interest中的地理区域内节点则按要求启动监测任务，并周期性地上报数据。途中各节点可对数据进行缓存与聚合。Sink点可在数据传输过程中通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的Interest，以增强或减弱数据上报率。如果sink点的一次查询只需一次上报，DD协议开销太大。Rumor（谣传）协议正是为解决此问题而设计的。该协议借鉴了欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想。

SPIN(sensor protocol for information via negotiation)路由算法是一种以数据为中心的自适应通信路由协议。SPIN协议中使用三种类型的消息：（1）ADV，用于新数据广播。当一个传感器节点有数据需要传输时，它就使用ADV数据包(包括元数据)对外广播。（2）REQ，用于请求发送数据。当一个传感器节点希望接收DATA数据包时，便发送REQ。（3）DATA，包含了元数据头、传感器节点采集数据的数据包。在发送DATA数据包之前，传感器节点首先对外广播ADV消息。如果一个邻近节点在收到ADV后希望接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ；接着该节点向它发送DATA数据包。类似的过程继续下去，DATA数据包就会被传输到远方sink。

在层次型结构的网络中，具有某种关联的网络节点组成簇。在簇内，通常有一个按一定规则选举产生的，被称为簇头(cluster head)的节点。除了簇头节点外，一般节点成员(clustermember)的功能较简单，无须维护复杂的路由信息。这类协议的设计思想是，将所有节点划分为若干簇，每个簇按照一定规则来选举一个簇头。各个节点采集的数据在簇头节点进行融合，再由簇头节点与Sink节点进行通信。

LEACH（LOW-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种WSN的低功耗自适应聚类路由算法，基本思想是通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。LEACH算法包括簇头的产生、簇的形成和簇的路由三个阶段。

传感器网络的支撑技术：定位技术、时间同步、数据融合、能量管理、安全机制。

拓扑控制

1、拓扑控制的意义

2、拓扑控制研究已经形成功率控制和睡眠调度两个主流研究方向。所谓功率控制，就是为传感器节点选择合适的发射功率；所谓睡眠调度，就是控制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。

定位技术

无线传感器网络的定位是指自组织的网络通过特定方法提供节点位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点为坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖范围内目标的坐标位置。

在WSN节点定位技术中，根据节点是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标节点（beacon node）或锚点（anchor）和未知节点（unknown node）。 感器节点定位的基本术语

1.邻居节点（Neighbor Nodes）：是指传感器节点通信半径内的所有其他节点，也就是说：在一个节点通信半径内，可以直接通信的所有其他点。 2.跳数（Hop Count）：是指两个节点之间间隔的跳段总数。

3.跳段距离（Hop Distance）：是指两个节点间隔的各跳段距离之和。

4.接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：是指节点接收到无线信号的强度大小。

5.到达时间（Time of Arrival，TOA）：是指信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间。

6.到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一节点所需要的时间之差。

7.到达角度（Angle of Arrival）：是指节点接收到的信号相对于自身轴线的角度。 8.视线关系（Line of Sight）：是指两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信。 9.非视线关系（Non Line of Sight，NLOS）：是指两个节点之间存在障碍物。 10.基础设施（Infrastructure）：是指协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备（如卫星、基站等）。

测距方法

接收信号强度(Receivcd Signal Strength Indicator，RSSI)指示法是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。由于RSSI指示已经是现有传感器节点标准功能，因此实现简单并且对节点的成本和功耗没有影响，因此RSSl方法已被广泛采用，不足之处是遮盖或折射会引起接收端产生严重的测量误差，因此精度较低。

到达时间法（TOA）

到达时间测距：已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来汁算节点间的距离 到达时间差法(TDOA，Time Difference of Arrival)是测量不同的接收节点接收到同一个发射信号的时间差。

到达角法(AOA，AngIe of Arrival)通过配备天线阵列或多个接收器来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。

常用的定位计算方法：三边定位与求解、三角定位与求解、极大似然估计法

三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标

三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标； 典型定位系统

Cricket定位系统是一种基于TDOA测距技术的室内定位系统，与其他定位系统不同的是，它通过测量到未知节点最近的信标节点计算静止或者移动目标在大楼内具体房间的哪一区域，而不是绝对位置。Cricket系统没有中心管理或者控制系统，而是分布式管理，为了更好地通信，把信标节点和发射器布置在天花板上。

近似三角形内点测试法APIT算法是一种适用于大规模无线传感器网络的分布式无需测距的定位算法。APIT虽然是无需测距的定位算法，但其利用了电磁波强度大小与距离的相对关系，因此相比于其它无需测距定位算法有着定位精度高，对节点密度要求低，通信量小的优点且适用于电磁波不规则模型。APIT算法中锚节点定时广播自己的坐标信息，节点与邻居节点相互交换接收到的锚节点定位信号强度并以此来判断节点是否在锚节点组成的三角形内，从而估计节点可能位于的区域。APIT(Approximate Point-in-triangulation Test)是一种无需测距的定位技术，它包括四个步骤：1.收集信息。2.PIT测试。3.计算重叠区域。4.计算未知节点的位置。

跟踪技术

基于无线传感器网络的目标跟踪过程大致包括3个阶段：检测、定位和通告，每个阶段需要不同的技术来实现。

在检测阶段，主要任务是通过各种检测手段检测跟踪目标是否出现，常用的技术有超声波检测、震动技术检测、红外线技术检测以及多媒体基础检测等；定位阶段，定位是跟踪的技术基础，在前面部分叙述了多种无线传感器网络定位技术，可以根据不同的场景和用户需求来选择适合的定位技术来确定当前目标的位置和状态，比较常用的方法有双元检测、三角测量以及基于流行学习算法等，然后记录当前目标的轨迹和状态，用于以后目标跟踪查看或者预测；通告阶段，是节点之间交互信息的过程，在这个过程中节点向周围其他节点发出协作定位求助或者通告其他节点自己对目标的监测状态。

时间同步

时间同步：使网络中所有节点的时间保持一致，按照网络应用的深度可以分为三种不同的情况：

第一种：时序确定，判断事件发生的先后顺序，对本地时间的要求比较低，只需要知道本节点与其余节点的相对时间即可

第二种：相对同步，节点维护自己的本地时钟，周期性地获取其邻居节点与本节点的时钟偏移，实现本节点与邻居节点的时间同步

第三种：绝对同步，所有节点的本地时间严格同步，等同于标准时间，这种情况对节点的要求最高，因此实现也最为复杂 时间同步的两个重要的时间参数：

时钟偏移：在真实时刻t时定义时钟偏移为c(t)?t，即本地时间与真实时间的差值。 时钟漂移：在真实时刻t时定义时钟漂移为ρ(t)=r(t)?1，即本地时间变化速率与1的差值。

典型时间同步协议：

网络时间协议NTP的时间同步精度可以达到毫秒级，通过外界一个精准的时间源接收机，顶层的时间服务器可以获得高精度的参考时间，并向全网内提供统一的时间服务。

同步机制：发送者-接收者同步模式、接收者-接收者同步模式。

DMTS协议： 一种简单的同步技术，发送者通过发送单个广播报文，同步一跳内的所有节点。

RBS协议同步机制的工作流程如下：假设有N个节点组成的单跳网络，1个发送节点，N?1个接收节点，发送节点周期性地向接收节点发送参考报文，广播域内的接收节点都将收到该参考报文，并各自记录收到该报文的时刻。接收者们通过交换本地时间戳信息，这样这一组节点就可以计算出它们之间的时钟偏差。

TPSN可以分为层次发现阶段和时间同步两个阶段。

1．层次发现阶段

在网络部署后，根节点首先广播以使发现分组，启动层次发现阶段。 级别发现分组包含发送节点的ID和级别。根节点是0级节点，在根节点广播域内的节点收到根节点发送的分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，即为第1级，然后将自己的级别和ID作为新的发现分组广播出去。

当一个节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点的ID，设置自己的级别为i+1。这个过程持续下去，直到网络内的每个节点都具有一个级别为止。如果节点已经建立自己的级别，就忽略其他的级别发现分组。

2．时间同步阶段

层次结构建立以后，根节点就会广播时间同步分组，启动时间同步阶段。第1级节点收到这个分组后。在等待一段随机时间后，向根节点发送时间同步请求消息包，进行同步过程，与此同时第2级节点会侦听到第1级节点发送的时间同步请求消息包，第2级节点也开始自己的同步过程。这样，时间同步就由根节点扩散到整个网络，最终完成全网的时间同步。

建立层次之后，相邻层次之间的节点通过双向报文机制来进行时间同步，假设节点A是第i层的节点，节点B是第i－1层的节点，根据TPSN报文交换协议，我们规定T1和T4为节点A的时间，T2和T3为节点B的时间，节点A在T1向节点B发送一个同步报文，节点B在收到该报文后，记录下接收到该报文的时刻T2，并立刻向节点A发回一个应答报文，将时刻T2和该报文的发送时刻T3嵌入到应答报文中。当节点A收到该应答报文后，记录下此时刻T4。我们假设当节点A在T1时刻，A和B的时间偏移为Δ，因为T1到T4两个报文发送的时间非常短，我们可以认为Δ没有变化，假设报文的传输延迟都是相同且对称的，均为d，那么有

T2=T1+Δ+dT4=T3?Δ+d，

这两个方程联立可解得：

Δ=[(T2－T1)－(T4－T3)]/2，d=[(T2－T1)+(T4－T3)]/2

在T4时刻，节点A在本地时间上面加上一个偏移量Δ，A和B就达到了同步。 从双向同步协议的同步过程中可以看出，在TPSN协议中，当双向报文的传输完全对称时其精确度最高，即同步误差最小。另外TPSN的同步误差与双向报文的传输延迟有关，延迟越短，同步误差越小。

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