Energy Efficient Wireless Sensor Networks based on 6LoWPAN and Virtual MIMO Technology

Energy Efficient Wireless Sensor Networks based on 6LoWPAN and Virtual MIMO Technology
Energy Efficient Wireless Sensor Networks based on 6LoWPAN and Virtual MIMO Technology

Energy Efficient Wireless Sensor Networks based on 6LoWPAN and Virtual MIMO Technology

Donghyuk Han, Jong-Moon Chung, and Raymond C. Garcia

School of Electrical & Electronic Engineering

Yonsei University

Seoul, Republic of Korea

Abstract—6LoWPAN (IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Network) is a standard defined by IETF (Internet Engineering Task Force), which enables IPv6 transmission over IEEE 802.15.4 based WPANs (Wireless Personal Area Networks) to support many types of services, including WSNs (Wireless Sensor Networks). 6LoWPAN technology is rapidly gaining popularity for its extensive applicability, ranging from healthcare to environmental monitoring. In order to provide more reliable and effective IPv6 connectivity on top of LoWPAN, the 6LoWPAN WG (Working Group) has defined some key technologies. This paper introduces the 6LoWPAN technology and its applications, and discusses on possible technology that can enhance the energy efficiency of 6LoWPAN. One possible technology that is considered for combination with 6LoWPAN is the virtual multiple input and multiple output (V-MIMO) technology. The technical details of V-MIMO and its possible combination with 6LoWPAN are described in this paper.

Index Terms—6LoWPAN, WSN, V-MIMO, Duty cycle

I.I NTRODUCTION

Increasing demands on real-time monitoring systems brought popularity to WSN (Wireless Sensor Network) research, such as BAN (Body Area Network), WPAN (Wireless Personal Area Network), and ad hoc networks. The most widely used WSN protocols ZigBee [1] and WirelessHART [2] are non-IP based since IP is considered quite heavy protocol for WSNs. As WSN becomes more important to a wide range of application areas, there is a need to have WSNs internetworked to general IP networks. IP based WSN can accommodate a wide range of applications with increased interconnectivity to other IP networks including the Internet. Hence, IETF created the 6LoWPAN WG [3] to create solutions that can enable more efficient IP communication over LoWPAN links. Specifically, an adaptation layer is proposed between the network layer and MAC (Medium Access Control) layer to enable efficient and reliable delivery of IPv6 packets over IEEE 802.15.4 links. In this paper, the technical overview and the possible applications of 6LoWPAN are introduced. In addition, the considerations on designing duty cycle mechanisms and adopting V-MIMO technology are discussed to provide energy efficiency enhancements to 6LoWPAN WSNs.

The remainder of this paper is organized as follows. The technical overview and applications of 6LoWPAN is introduced in Section 2 followed by considerations of the energy saving in Section 3. The conclusion is presented in Section 4.

II.6L O WPAN O VERVIEW

In this chapter, IEEE 802.15.4, one of the most widely used underlying WSN protocols, is briefly presented followed by the technical overview and applications of 6LoWPAN.

A.IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 standard defines the PHY (PHYsical layer) and MAC layers for LoWPAN [4]. ZigBee, WirelessHART, as well as 6LoWPAN use the IEEE 802.15.4 standard as the underlying protocol. The bandwidth and the related data rates are defined as 868 MHz in support of a maximum 20 kbps, 915 MHz in support of a maximum 40 kbps, and 2.45 GHz in support of a maximum 250 kbps. IEEE 802.15.4 defines two types of devices: FFD (Full-Function Device) and RFD (Reduced-Function Device). FFDs support all the network functionality and are capable of operating as a PAN coordinator, which controls the duty cycle and BI (Beacon Interval) of the network. RFDs have a limited functionality to lower cost and complexity. Since RFDs need minimal resources for implementation and usually are battery-powered,

IEEE 802.15.4 based networks can be created in cost efficient

Figure 1. Superframe structure

forms in support of many useful applications. IEEE 802.15.4 has two operation modes: beacon-enabled mode and non-beacon-enabled mode. In beacon-enabled mode, the PAN (Personal Area Networks) coordinator broadcasts beacon frames. The beacons are used to synchronize the devices, and to describe the structure of the superframe.

B.6LoWPAN

The bottom layer of 6LoWPAN technology adopts IEEE 802.15.4 PHY and MAC layers and uses IPv6 in the NET (NETwork layer) [5]. To enable IPv6 transmissions over LoWPAN, the adaptation layer is defined between NET and the IEEE 802.15.4 MAC layer as shown in Fig. 2. In addition, in Fig. 3, the 6LoWPAN packet format is presented. As presented in Fig. 3, the 6LoWPAN packet has little overhead, making it light-weight to be more efficient for low-data-rate WSN data transfer.

The IPv6 protocol is designed as the successor to IPv4 and enables a vast number of appliances be connected to the Internet by expanding the IP address space from 32 to 128 bits. To simplify processing and increase protocol efficiency, IPv6 implements additional features. For efficient packet

processing, IPv6 simplified the packet header to have fewer fields compared to the IPv4 header. To simplify the address assignment and increase efficiency, IPv6 implements stateless address auto-configuration, which enables nodes to assign IP addresses to themselves. IPv6 performs fragmentation only at the end points to simplify router operations, and thereby enhancing the routing performance. Thus, implementing IPv6 in LoWPAN improves network performance and broadens the range of applications. Most of all, adopting the IP protocol makes WSNs compatible with all the IP based networks.

The 6LoWPAN format defines the IPv6 datagram carried in the IEEE 802.15.4 frames and specifies the adaptation layer's key elements. The primary specifications of 6LoWPAN are defined in RFC 4919 [5]. Some of the considerations include header compression and fragmentations.

Figure 2.

6LoWPAN Protocol Stack

Figure 3. 6LoWPAN Header Compression

1)Header Compression:IPv6 header fields are 40 octets long, which leaves only 33 octets for UDP (User Datagram Protocol) data and 21 octets for TCP (Transmission Control Protocol) data. Therefore, an optimal header compression technique for IPv6 is necessary. RFC 6282 [6] defines an efficient compression scheme that erases or compresses some redundant fields, such as Payload Length field, IID (Interface Identifier) field, and Version field.

2)Fragmentation and reassembly:IEEE 802.15.4 MAC PDU (Protocol Data Unit) is as small as 81 octets, which is far below the minimum IPv6 MTU (Maximum Transmission Unit) of 1280 octets. Thus IPv6 packets must be fragmented into several frames at the layer below IP.

C.Applications of 6LoWPAN

6LoWPAN has a broad range of applications. The potential application scenarios include industrial monitoring, home automation, healthcare, and environmental monitoring [7].

1)Industrial monitoring:6LoWPAN applications for industrial monitoring provide significant cost savings, safety of industrial operations, and increased productivity. With a cheap and simple installation of WSN, more reliable and frequent data are provided to end-users, whereas manual monitoring methods are usually time-consuming and expensive. Its wireless nature gains superiority to monitor inaccessible locations, rotating machinery, hazardous or restricted areas, and so on. For most applications in industrial monitoring, the information to be delivered through WSN is business-critical, and therefore, a high level of security is required. The data must be protected from unauthenticated users.

2)Home automation:6LoWPAN offers various services for home automation, such as remote access from the Internet to monitor the temperature, humidity, and to activate remote video surveillance, door locks, etc. Several attributes of designing WSN protocols for home automations are described as follows. Network configuration for home automation must be easy and efficient for end-user convenience. All elements of the network must be connected to the Internet through 6LoWPAN. The security system of the protocol must block unauthorized access and provide user’s

privacy. Traffic patterns as well as the required level of QoS (Quality of Service) may vary depending on the applicability. Thus a proper QoS mechanism that provides a differentiated service must be considered.

3)Healthcare: Due to the growing interests on wearable sensor nodes monitoring, a lot of research on ubiquitous health care systems have been conducted. WHMSs (Wearable health-monitoring systems) [8] provide real-time medical condition monitoring and report vital signs to the user and the medical center. In WHMSs, one or few wearable sensors collect the body signals, such as, heart rate, blood pressure, body temperature, oxygen level, and so on. Detected signals are transmitted to portable base stations, LBR (LoWPAN Border Router), or medical center. Since the health-related applications are implicated in a matter of life and death, high level of QoS support such as real-time data acquisition, and reliability of the network are essential.

4)Environmental monitoring: Environmental monitoring includes agricultural monitoring, water/river monitoring, air pollution monitoring, etc. Agricultural monitoring aims to automatically monitor temperature, humidity, and soil condition, which enhances environment protection and energy efficiency. IP based WSNs can increase the agricultural productivity by providing adequate information to find optimal environments for the plants. River monitoring prevents water contamination and promises our safety from disaster by monitoring water quality and water flow rate, and by alerting disaster (e.g., flood alerts). Due to the limitation of existing management methods to manage enormous water area, the monitoring technology is shifting towards automatic monitoring and management using WSN. To guarantee reliable and prompt transmission of emergency alert signaling even for weak communication areas, and dangerous environments, it is required to guarantee high reliability and QoS support of a wide monitoring area.

D.Securing 6LoWPAN Networks

Earlier work to securing low power IPv6 WSNs involved compressed security headers. Prior to that, most of the work was based on modified versions of SSL [9]. The often-stated goals are authentication, authorization, and non-repudiation (replay-attack avoidance). The overreaching issues are about addressing the impracticalities of robust encryption and key management as we know them today as well as multi-layered security solutions (including IPsec and SSL) due to the low power constraints and multi-mode nature of the WSN.

1)Encryption and Key Management

The use of encryption is inescapable as a viable solution to end-to-end security. The accompanying requirement to a robust encryption infrastructure is flawless key management [10]. 6LoWPAN networks simply cannot sustain implemented forms of current key exchanges but nevertheless must contain a “resemblance” of existing key exchange schemes (e.g., trusted-server, key pre-distribution, asymmetric-encryption based, etc.).

III.E NERGY S AVING C ONSIDERATIONS

In designing WSN protocols, energy efficiency is one of

the most important considerations, since many sensors are battery-operated and battery replacement is often difficult, it is necessary to develop energy efficient protocols for 6LoWPAN to meet various needs from a vast range of applications. Some major reasons for energy waste are idle listening and retransmission due to packet error. In this chapter, the methods to solve the problem of energy waste are discussed.

A.Duty cycle control

Duty cycling is an efficient mechanism to solve energy dissipation of idle listening. Duty cycle is defined as the ratio between the duration of active period and the full period. For instance, a duty cycle is 50% when the duration of active period and inactive periods are the same. In general, a low duty cycle is required to save energy by disabling the transceiver for most of the time. For example, it is suggested that the duty cycle for home automation be lower than 1% [11].

Determining the optimal duty cycle is not as simple as minimizing it. Lower duty cycles result in lower throughput, smaller energy consumption but higher latency. On the other hand, the data rate and the energy consumption increase when the network operates with a high duty cycle. This increase is due to having a long active period. Deciding the lengths of the active and the inactive periods also plays an important role for QoS and lifespan of WSNs. A long beacon interval results in increased latency and packet drop rate because packets are stuck in the buffer during the inactive period. A network with short beacon intervals wastes energy due to beacon transmission overhead, but achieves high data rate owing to frequent transmission.

Thus, a careful design of duty cycle as well as the beacon interval is required for stable network management and proper QoS support for relevant applications. The network architect should consider the required data rate, latency, and energy efficiency for the applications. For instance, a lower inactive period is required for urgent data delivery in healthcare networks, and a lower duty cycle is required for WSNs installed in restricted areas (including but not limited to hazardous location of industrial monitoring or underwater location of environmental monitoring).

B.Virtual MIMO technology

MIMO is a transmission technique that uses multiple antennas to obtain diversity and multiplexing gain. MIMO transmission can increase channel capacity without the expansion of bandwidth by applying spatial diversity. There is a significant reduction in the SNR (Signal-to-noise Ratio) requirement for a desired BER (Bit Error Rate), and/or desired transmission rate. Therefore, MIMO transmission can obviously reduce the energy consumption compared to SISO (Single-Input Single-Output) transmission [12].

However, it is hard to apply MIMO technology to WSNs since the nodes are commonly small devices that have insufficient space to deploy multiple antennas. V-MIMO technique is an alternative solution that realizes cooperative

Figure 4. Lifetime Comparison of Transmission Schemes

MIMO transmission with multiple single antenna WSN devices.

Fig. 4 illustrates the lifetime of WSN, where 128 bytes of IEEE 802.15.4 packet is transmitted every 300 seconds. It is assumed that each sensor is equipped with ENERGIZER CR2032 battery which has a capacity of 480 mWh. Although

V-MIMO transmission requires additional energy consumption due to local data exchange, diversity gain obtained by V-MIMO technology results in energy savings for long-haul transmission [13]. Thus V-MIMO technology can be utilized for numerous applications such as environmental monitoring and remote medical condition monitoring to guarantee energy saving and reliable transmission, as depicted

in [14].

IV.C ONCLUSION

6LoWPAN technology allows connectivity of IP networks with IEEE 802.15.4 modems. In this paper, the key concepts, advantages, and applications of 6LoWPAN are presented, and the viable energy saving mechanisms for 6LoWPAN are discussed. The major benefit of 6LoWPAN is its low overhead and its IPv6 internetworking capability. In addition, it is shown that the IEEE 802.15.4 duty cycle control mechanism provides a method to increase lifetime by controlling the active/inactive periods and intervals. Further, this paper discusses using V-MIMO, which is an emerging energy efficient technology. Through the combination of V-MIMO to

6LoWPAN, a more energy efficient transmission scheme could be created, and therefore, is promoted as a new technical area of research and standardization for WSNs.

A CKNOWLEDGMENT

This research was supported by the MKE (The Ministry of

Knowledge Economy), Korea, under the ITRC (Information Technology Research Center) program (NIPA-2012-H0301-12-1001) supervised by the NIPA (National IT Industry Promotion Agency) of the Republic of Korea.

R EFERENCES

[1]ZigBee. [Online]. Available: https://www.360docs.net/doc/4848642.html,/

[2]HART Communications Foundation, WirelessHART Overview, 2007.

[Online]. Available:https://www.360docs.net/doc/4848642.html,/hart_protocol/wireless_hart/wireless_hart_

main.html

[3]IETF 6LoWPAN WG. Available: https://www.360docs.net/doc/4848642.html,/wg/6lowpan/

[4]IEEE Standard for Information Technology—Part 15.4: Wireless

Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR- WPANs), IEEE Standard 802.15.4-2003, pp. 1-670, Oct. 2003.

[5]N. Kushalnagar, G. Montenegro, and C. Schumacher, IPv6 Over Low-

Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs):Overview, Assumptions, Problem Statement, and Goals, IETF RFC 4919, Aug.

2007.

[6]J. Hui and P. Thubert, Compression Format for IPv6 Datagrams over

IEEE 802.15.4-Based Networks, IETF RFC 6282, Sept. 2011.

[7] E. Kim, D. Kaspar, N. Chevrollier, and JP. Vasseur, “Design and

Application Spaces for 6LoWPANs,” IETF Internet draft, July, 2011.

[Online]. Available: https://www.360docs.net/doc/4848642.html,/html/draft-ietf-6lowpan-usecases-10

[8] A. Pantelopoulos and N. G. Bourbakis, “A Survey on Wearable Sensor-

Based Systems for Health Monitoring and Prognosis," IEEE Trans. Sys., Man, and Cyber., vol. 40, no. 1, pp. 1-12, Jan. 2010.

[9]J. Granjal, E. Monteiro, and J. Sá Silva, “Enabling network-layer

security on IPv6 Wireless Sensor Networks,” Proc. IEEE Globecom, Miami, U.S.A., Dec. 2010.

[10]S. Park, K. Kim, W. Haddad, S. Chakrabarti, and J. Laganier, “IPv6

over Low Power WPAN (6lowpan) Security Analysis,” IETF Internet

draft, Sept. 2011. [Online] Available: https://www.360docs.net/doc/4848642.html,/html/draft-

daniel-6lowpan-security-analysis-05

[11] A. Brandt, J. Buron, and G. Porcu, Home Automation Routing

Requirements in Low-Power and Lossy Networks, IETF RFC 5826, Apr.

2010.

[12] A. Lozano, F. R. Farrokhi, and R. A. Valenzuela, "Lifting the Limits on

High-Speed Wireless Data Access Using Antenna Arrays," IEEE Commun. Mag., vol. 39, no. 9, pp. 156-162, Sept. 2001.

[13]S. Cui, A. J. Goldsmith, and A. Bahai, "Energy-Effciency of MIMO

and Cooperative MIMO Techniques in Sensor Networks," IEEE J. Sel.

Areas Commun., vol. 22, no. 6, pp. 1089-1098, Aug. 2004.

[14]J. Kim, D. Han, and J.-M. Chung “Virtual MIMO Based Wireless

Communication for Remote Medical Condition Monitoring,” Lecture Notes in Computer Science, vol. 6159, pp. 259-262, June, 2010.

无线能量传输技术

小组成员: 无线能量传输技术简述 摘要: 无线能量传输技术近年来得到了极大的发展,在诸多领域得到了广泛的应用。该技术不依赖于有线的传输媒介,对于有线供电部署困难的场合具有重要的意义。本文将简要介绍了无线能量传输技术的发展、传输方式、国内外的研究现状以及传输中遇到的问题。 关键词: 无线能量传输、电磁感应、电磁共振、电磁辐射 1.引言 1.1技术背景 尼古拉?特斯拉创建了交流电系统后,又基于交流电系统提出了无线能量传输的构想,为此,他搭建了特斯拉铁塔实验平台,以研究无线远距离能量传输。后由于资金匮乏最终未能如愿,但这,足以启发人们对无线能量传输的探索。 随着科学技术的发展,基于特斯拉无线能量传输的构想,很多欧美学者展开研究工作,20世纪60年代,提出了利用微波将太阳能从卫星输送到地面的想法;70年代,利用电磁感应原理的电动牙刷研制成功;90年代,新西兰奥克兰大学成立研究中心,主要研究滑动式无线能量传输系统并获得重大进展,21世纪初,美国麻省理工学院研究人员提出了强耦合电磁共振原理,并实验成功引起世界注目;随后几年,诸多国家掀起了无线能量传输技术的研究热潮。 传统的电能传输方式存在很多不足之处,电源线、电源插头种类各异,不能

通用;插座也有形式和数量的限制;电线插头又存在老化损坏的现象,对人们的生命财产安全造成威胁,特别是在一些大功率应用的工业场合,如井下作业、石油和采炼等,接触中即使再微弱的火花都会造成难以估量的损失。而在这些场合,如果使用无线供电方式,就能消除潜在的安全隐患,因为无线能量传输技术能够在非接触的情况下将电能输送过去,这样得以保证系统安全、可靠以及灵活的运作。 1.2技术应用 无线输电技术应用领域非常广泛,概括起来有以下几个方面: ①医学:把设备放置于体外,对体内设备进行无接触能量传输和控制; ②地下作业:用于海底探测、化石能源采集等活动; ③电池充电:手机、笔记本电脑,太阳能电池板等用电设备的电池充电; ④机器驱动:对区域内用电设备直接供电,如电灯、机器人等。 1.3能量传输方式 无线能量传输主要通过三种方式: ①电磁感应式(InductivelyCoupledPowerTransfer),现已比较成熟,它是由原边线圈通电产生磁场,而副边线圈必须处于这一磁场之中才能有效传输能量,因此传输距离相对较近(数十毫米之内),属于近场无线能量传输技术,但电能传输的效率却很高,能够达到99%,工作频率较低,一般在几十KHz。电力传输过程中使用的变压器就是最直接的应用,变压器原副边线圈实际并未相接,通过互感耦合来实现能量的传递,这种技术要求发射端和接收端的位置保持固定,两侧线圈一旦出现位移情况,那么传输的稳定性以及效率都会骤然下降。 ②电磁共振式(MagneticResonantWirelessPowerTransfer),基于相同频率的振

无线传感器网络能量管理

无线传感器网络的能量管理 班级:信息1502 学号:2015485 姓名:张蕊

1 进行能量管理的原因 无线传感器网络节点密度大,一般部署在恶劣环境中,能源通常很难替代,节点能量供给大都是采用电池供电方式,并要求工作相当长的时间。因此,如何在不影响功能的前提下,尽可能节约无线传感器网络的能量成为无线传感器网络软、硬件设计中的核心问题。通过能量管理机制尽量减少节点的能量消耗,可有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命,达到应用的需求。 因为节点的能量非常有限,所以能量消耗是WSN重点关注的问题。事实上,所有的无线设备都面临能量不足的问题,而以下原因使得WSN的能耗问题更加严重: 1.与其承担的感知、处理、自主管理和通信等复杂功能相比,节点的体积非常小,难以容纳大容量电源。 2.一个理想的无线传感器网络由大量节点组成,因此,不能通过人工方式更换节点电池或者给电池充电。 3.虽然学术界正在研究可再生能源和自动充电机制,但节点太小仍然是限制其应用的因素。 4.部分节点失效可能会导致整个网络过早地分离成一些子网。 在实现无线传感器网络能量管理方面普遍从每个节点出发,除了在无线传感器网络节点设计过程中采用低功耗硬件之外,还通过动态能量管理等技术使系统各个部分运行在节能模式,可以节约大量的能量。另外,还可以针对无线传感器网络不同应用进行专门的优化,并采用软、硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化能量管理方案来为无线传感器网络节能。 2 无线传感器网络节点的能耗分析 一个传感器节点主要由四部分组成:电源、传感器、处理器和射频模块。传感器感知各种信息,包括温度、湿度、压强、化学物浓度等物理量,然后交由处理器进行信息的处理和融合,最后通过射频模块对信息进行转发。传感器节点的射频模块不仅仅负责接收或发送数据包,还负责侦听通信信道,或控制射频模块的开/关以进入工作或休眠状态。除了产生能量的电源模块以外,传感器、处理器和射频模块都是传感器节点的能耗源。下面就这三个构成部分来详细分析它们对节点能耗所产生的影响。 (1)传感器的能耗主要来源于:变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。传感器的种类很多,测量不同的物理量时传感器所需要的能耗不同:感应温度和感应声音所需消耗的能量不同,感应声音和感应图像所需消耗的能量也不同。根

无线传感器网络技术试题

无线传感器网络技术试 题 Company Document number:WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素:传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能:采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点:大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看,汇聚节点被称为网关节点。 11. 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 13. 传感器网络的电源节能方法:_休眠(技术)机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络,在无线传感器网络,Internet网络,WLan网络,拨号网络中,无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中,MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议

17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点,但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为:通信模块、()、计算模块、存储模块和电源模块。A A.传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成()。A A.球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是()D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层,通常它的网络层支持三种拓扑结构,下列哪种不是。D A.星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A.定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A.能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限

无线传感器网络的安全性研究

无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)是一种自组织网络,由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求,而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点,大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN,因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]: (1)传感器节点数量巨大,网络规模庞大; (2)节点密集分布在目标区域; (3)节点的能量、存储空间及计算能力受限,容易失效; (4)动态的网络拓扑结构; (5)通常节点不具有统一的身份(ID)。 1 WSN的安全性问题 WSN中,最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾,是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性,使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限,使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性,攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外,WSN是以数据通信为中心的,将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合,中间节点要能访问数据包的内容,因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上,会受到不同的攻击,需要不同的防御措施和安全机制。 2.1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有: 1)拥塞攻击:攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号,可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度,整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大,采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2)物理破坏:WSN节点分布在一个很大的区域内,很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点,对它进行物理上的分析和修改,并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制,破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件,同时增加物理损害感知机制。另外,可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2.2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类:确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中,节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道,因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service,DOS)[2]。一旦信道发生冲突,节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送,这时接收者回送数据冲突的应答ACK,发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突,节点不断倒退,导致信道阻塞,且很快耗尽节点有限的能量。

无线传感器网络技术试题

1. 传感器网络的三个基本要素:传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能:采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点:大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括:物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看,汇聚节点被称为网关节点。 11. 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 13. 传感器网络的电源节能方法:_休眠(技术)机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络,在无线传感器网络,Internet 网络,WLan 网络,拨号网络中,无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中,MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点,但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA

无线传感器网络的应用及影响因素分析

无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要:无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初,由于军事方面的需要,无线传感网络不断发展,传感器网络技术不断进步,其应用的X围也日益广泛,已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词:无线传感器网络;传感器节点;限制因素applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of puter science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点

无线电能传输(课程设计)实验报告

实验报告 1.实验原理 与无线通信技术一样摆脱有形介质的束缚,实现电能的无线传输是人类多年的一个美好追求。无线电能传输技术(Wireless Power Transfer, WPT)也称之为非接触电能传输技术( Contactless PowerTransmission, CPT),是一种借于空间无形软介质(如电场、磁场、微波等)实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式,该技术是集电磁场、电力电子、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究,是能源传输和接入的一次革命性进步。 无线电能传输技术解决了传统导线直接接触供电的缺陷,是一种有效、安全、便捷的电能传输方法,因而它被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。该技术不仅在军事、航空航天、油田、矿井、水下作业、工业机器人、电动汽车、无线传感器网络、医疗器械、家用电器、RFID识别等领域具有重要的应用价值,而且对电磁理论的发展亦具有重要科学研究价值和实际意义。在中国科协成立五十周年的系列庆祝活动中,无线能量传输技术被列为“10 项引领未来的科学技术”之一。 到目前为止,根据电能传输原理,无线电能传输大致可以分为三类:感应耦合式、微波辐射式、磁耦合谐振式。作为一个新的无线电能传输技术,磁耦合谐振式是基于近场强耦合的概念,基本原理是两个具有相同谐振频率的物体之间可以实现高效的能量交换,而非谐振物体之间能量交换却很微弱。 磁耦合谐振式无线电能传输的传输尺度介于前两者之间,因此也被称之为中尺度(mid-range)能量传输技术,其尺度为几倍的接收设备尺寸(可扩展到几米到几十米)。 除了较大的传输距离,还存在以下优势:由于利用了强耦合谐振技术,可以实现较高的功率(可达到kW)和效率;系统采用磁场耦合(而非电场,电场会发生危险)和非辐射技术,使其对人体没有伤害;良好的穿透性,不受非金属障碍物的影响。因此该技术已经成为无线电能传输技术新的发展方向。

无线电能传输系统设计

本科毕业论文(设计) 题目中短距离小功率 无线电力传输系统设计 指导教师张军职称讲师 学生姓名陈昂学号20091526102 专业通信工程(无线移动通信方向) 班级2009级无线移动通信1班 院(系)电子信息工程学院 完成时间2013年4月20日

中短距离小功率无线电力传输系统设计 摘要 移动互联网的井喷式繁荣,移动互联设备(MID)层出不穷的涌现,电池技术瓶颈的限制已难以满足人们的用电需求;物联网的深入发展,越来越广泛的网络节点能量供给等都要求更为先进的无线能量传输技术的发展,尤其是中短距离中小功率的无线电能传输的发展。两者共同昭示着无线电能传输光明的未来。 本文对无线电能传输(WPT)做出了简要但系统的介绍,并对其中的微波输能技术(MPT)做出了深入的探讨,在此基础上建立起了中短距离中小功率无线电力传输系统模型,即为MPT-MDSP式系统的模型。这种系统是由发射和接收两部分组成,发射部分用声表面波射频发生电路将DC转变成RF并通过特制天线辐射出去,接收部分再通过接收天线接收RF能量,用整流电路将RF转变成DC,供应用电设备。 关键词无线电能传输(WPT)/微波输能 (MPT) /天线

MIDDLE DISTANCE & SMALL POWER WIRELESS POWER TRANSPOTAION SYSTEM ABSTRACT The Wireless Power Transportation (WPT) shows a outstanding necessity in our today`s daily life .For one thing The Mobile Internet device (MID) comes out one after another because of The prosperity of Mobile Internet.The limitations of the technology bottleneck in battery capacity can not fit people`s requirement in these devises .For another the booming of Internet of Things brings large quantity of net nodes .These nodes cannot be charged easily.However,WPT will be the best way to solve this problem.Especially,the Middle Distance & Small Power Wireless Power Transportation System(WPT-MDSP) will plays a great role in these scopes. In this paper ,I made a brief but clear introduction of the WPT,and a thorough discussion in Microwave Power Transportation (MPT) ,which was used to leed to the applied system WPT-MDSP .This system contains two parts,the eradiation part and the Receive part .The first part works for changing Direct-current(DC)into R adiofrequency (RF),the other does the converse work.Both of them are designed for exclusive use. They works together to charge the Electrical equipment. Key words Wireless Power Transportation (WPT)/ Microwave Power Transportation (MPT)/Antenna

无线传感器网络中MIMO技术的能量分析

无线传感器网络中MIMO技术的能量分析 摘要:本文分析无线传感器网络能量效率。假定在一个合作传感器网络中,比较了基于MIMO的传感器网络和基于SISO的传感器网络的能量消耗。我们的结果显示在传感器网络中应用MIMO技术是明智的系统设计。 I.介绍 近些年来,能量受限的无线传感器网络得到大量的研究。在这样的传感器网络中,使用电池作为能源的传感器一般要工作几个月,甚至几年。在这期间,电池得不到替换和更新,这使得能量优化在系统设计中成为决定性的问题。 在传统的无线通信系统中,最主要的能量消耗是实际的传输能量。然而,在无线传感器网络中可能不是这种情况。事实上,在一些情况中,接收和发射过程所需的电路能量占主导地位。因此,在无线传感器网络中,通常最大限度地减少传输能量的能量优化可能是无效的。 多输入多输出(MIMO),或多重通信天线是一种近些年来在无线通信系统中获得相当重视的技术。这些技术包括各种空时编码方案[1]-[3],分层空时结构[4]和智能天线技术[5]。然而,MIMO技术的一个缺点是,它需要复杂的收发器电路和大量的信号处理能量,这导致了大量的能量消耗在电路级。这一事实排除了在由电池供电的传感器节点组成的无线传感器网络中应用MIMO技术。 最近发表的文献[6]比较了无线传感器网络中MIMO技术和SISO技术的能量效率。这篇文献中所讨论的合作式MIMO技术是基于总体的能量消耗。文中能效的评价表明在某些情况下,基于合作式MIMO技术的传感器网络事实上可能得到更好的能量优化。 在本文中,我们将完善文献[6]的结论,考虑在MIMO系统中所需的训练开销。虽然在文献[6]这些被忽略,但是实际的能量优化需要考虑到训练开销,因为对于MIMO技术正常运作这是非常重要的。在衰落信道中,根据相干时间,系统将发送周期性训练符号。所需训练符号的数量至少等于发射天线的数量,从而导致MIMO系统中大量的训练开销。我们提供分析方法计算基于MIMO的传感器网络的能效,并考虑到训练开销。 本文组织如下:在第二节我们提出传感器网络的MIMO系统模型,并分析能量消耗.我们将按照文献[6]的模型,但引入MIMO训练所需的开销项,并提出确切的计算表达式。在第三节,我们比较固定速率MIMO系统和SISO系统的能量效率。在第四节,我们讨论无线传感器网络中的可变速率M进制正交幅度调制(M-QAM)的MIMO系统,评价优化传输速率MIMO系统的能量效率。接着,在第五节我们评价基于虚拟MIMO的合作无线传感器网络的能量效率。最后,在第六节我们得到最后的结论。 II.信号模型和系统描述 我们考虑一个连接两个无线传感器节点的窄带,平坦衰落的通讯信道,它既可以MIMO,MISO,也可以是SISO。就象文献[6],我们忽略基带处理模块的能量消耗,假定未编码通讯,使得分析简单化。 象文献[6],[8]-[10]所讨论的,沿着信号路径总的能量消耗可分为两个主要部分:所有的功率放大部件的能量消耗和所有其他电路的能量消耗。假定功率放大器的能耗线性正比与发射功率,功率放大器的总的能耗可以表达如[6],[8]。 式中,η为RF功率放大器泄露效率,ε为依赖调制方案和星座大小的峰均比。对M-QAM系统来说 根据链路关系,(1)中发射功率可以计算出 其中k是信号衰减参数,d为传输距离,,分别是发射机和接收机的天线增益,是载波波长,是链路边缘补偿,是接收噪声模型,是接收机输入端总共

无线传感器网络练习题(1)

一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是:采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 5.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。 6.扩频技术按照工作方式的不同,可以分为四种:直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有:868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法:休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别,可将数据融合技术分为一下三类: 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类(无损失融合和有损失融合) 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类(依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合)13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。

14.无线传感器网络的关键技术主要包括:时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网,标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔:SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层,通常它的网络层支 持三种拓扑结构:网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有:接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为:物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比,无线传感器网络的路由协议具有以 下特点:能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括:目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。

无线传感器能量优化

无线传感器网络能量优化技术摘要:无线传感器很好地实现了与网络的连接,作为21世纪最有影响力的创新型技术之一,对科学技术的发展和无线传输领域的进一步拓宽至关重要。本文从无线传感器的概况出发,对其消耗进行分析,进而阐述了能量优化技术的相关原理。 关键词:无线传感器;能耗;技术优化 Discussion on Wireless Sensor Network Energy optimization Techniques WANG Qiupeng (Xi’an Railway V ocational Technical Institute,Xi’an 710014,China) Abstract:Wireless sensor can realize the reality and the network connection weU,as one of the most influential innovtive techn0109ies in the new century,the developments of science and techn0109y and further expansion in the“eld of wireless transmission are important。The paper started from the general situation of wireless sensors,analyzed the consumption of wireless sensor,and expounded the related principles of energy optimization techn0109y. Key words:wireless sensor,energy consumption,techn0109y optimization

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展,安全问题显得越来越重要。在现实生活中,有线网络已经深入到千家万户:互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密,已经成为必不可少的一部分,有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中,人们可以放心的使用这些网络,利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展,无线网络在日常生活中已占据重要的地位,如无线LAN技术、3G技术、4G技术等,同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络,Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈,无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法,随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型,分析比较这些攻击模型对定位的影响,最后介绍已有的一些安全定位算法,为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题,安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。 图3-1安全定位方法研究流程图

Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型,分析这些攻击对定位精度所造成的影响,然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患:一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击,另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位,还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型,分析各种参数对系统性能的影响,最后根据这个数学模型对算法进行仿真,并把仿真结果作为反馈信息,对安全定位算法进一步优化和改进,直到达到最优为止。 3.2 安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点,使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想,所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段,因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类:其一,节点失效(如节点被破坏、电量耗尽)、环境毁坏(通信干扰)等引起的定位误差;其二,恶意攻击[30],攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法,系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为:基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段,攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差,达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种:(1)通过移动、隔离信标节点来

无线传感网络概述

无线传感网络概述 学号031241119姓名魏巧班级0312411 一、无线传感器网络(WSN)的定义: 无线传感器网络(WSN)是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点,通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域,构成的“智能”自治监控网络系统,能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。二、传感器的节点分布及通信方式: 由于传感器节点数量众多,布设时智能采用随机投放的方式,传感器节点的位置不能预先确定。节点之间可以通过无线信道连接,并具有很强的协同能力,通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务,同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。由于传感器节点是密集布设的,因此节点之间的距离很短,在传输信息方面多跳(multi—hop)、对等(peer to peer)通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用,例如:使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。 三、WSN运行的环境: 1、WSN可以在独立封闭的环境下(如局域网中)运行。 2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上(如Internet)。在这种情况中,远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。 四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点: 主流的无线网络技术,如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的,我们称之为无线数据网络。 目前,无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术,这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。特点有如下几点: (1)无中心和自组性(优点):无线自组网络没有绝对的控制中心,网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为,这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。 (2)动态变化的网络拓扑(缺点):移动终端能够以任意速度和方式在网中移动,在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。 (3)受限的无线传输带宽(缺点):无线自组网络采用无线传输技术作为底层通信手段,由于无线信道本身的物理特性,它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。 (4)移动终端的能力有限(缺点):虽然无线自组网络中移动终端携带方便,轻便灵巧,但是也存在固有缺陷,例如:能源受限,内存较小,CPU性能较低等(5)多跳路由(优点):由于节点发射功率限制,节点覆盖范围有限。因此当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时,需要中间节点的转发。其中转发是由普通节点协作完成的,并不是由专用的路由设备完成的。 (6)安全性较差(缺点):无线自组网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术,使它更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务,剥夺“睡眠”等网络攻击。

无线传感器网络技术试题及答案

无线传感器网络技术试题及答案 一、填空题 1.传感器网络的三个基本要素:传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3.无线传感器节点的基本功能:采集数据、数据处理、控制、通信 4.传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5.基站节点不属于传感器节点的组成部分 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段:兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点:大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8.NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9.IEEE标准主要包括:物理层。介质访问控制层 10.从用户的角度看,汇聚节点被称为网关节点。 11.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 13.传感器网络的电源节能方法:_休眠(技术)机制、__数据融合 14.分布式系统协同工作的基础是时间同步机制

15.无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络,在无线传感器网络,Internet网络,WLan网络,拨号网络中,无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16.传感器网络中,MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 协议 17.分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18.以数据为中心特点是传感器网络的组网特点,但不是Ad-Hoc的组网特点 19.为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突,目标节点使用了SIFS帧间间隔 20.典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为:通信模块、()、计算模块、存储模块和电源模块。A A.传感模块模块C网络模块D 实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成()。A A.球状B网络C直线D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是()D A. B. C. D.

无线传感器网络安全技术

无线传感网络设计报告 题目无线传感器网络安全设计 报告人 指导老师 二○一六年十二月 无线传感器网络安全技术 摘要:针对目前库在未来的几十年里,传感器网络作为首要的技术的出现给许多研究拘束人员带来了很多挑战。这些传感器网络由大量的同质节点,这些节点可以用来限制计算机的资源。现实生活中的很多应用在传感器网络的研究文献中被提出来。当传感器网络部署在一个意想不到的或敌对的环境中,安全问题成为一个重要的关注点,因为这些安全问题都来自不同类型的恶意攻击。在本文中,我们目前的关于无线传感器网络安全问题的调查、网络受到的攻击还有相应的对策以及对未来工作范围的都有了很好结论和概述。 关键字:无线传感器网络;安全;威胁;危险 1 引言 传感器网络监控物理或环境条件如温度、声音、压力、湿度等。传感器网络由大量的低功率、低成本的智能设备与极端的资源约束。每个设备是称为传感器节点,每个节点连接到一个有时几个传感器节点。它具有无线通信的能力和一些情报信号处理和数据网络。这些传感器节点通常是在各种随机方向地区收集数据、过程数据并将其传递给中央节点进行进一步处理。每个传感器节点由三个子系统组成:传感器子系统、处理子系统和通信子系统。传感器子系统用于传感环境。处理子系统用于执行当前计算数据感知和负责通信子系统与邻近的传感器节点的信息交换。

传感器网络在许多应用程序中使用。这些应用程序包括: 1)军事应用,如监测出对方是否是友好的和设备、军事影院或战场监测、核、生物和化学攻击检测。 2)环境应用程序等小气候、森林火灾探测、精确农业和洪水检测。 3)应用程序,如跟踪和健康监控,医生对在医院的病人进行药物生理数据的管理、远程监控。 4)家庭应用,如食品自动化的环境,自动抄表等。 5)环境等商业应用控制在工业办公楼和车辆跟踪和检测、库存控制、交通流监测[1]。 2 传感器节点的体系结构 传感器节点是无线传感器的重要组成部分。通过网络可以收集传感器和执行一些计算的信息和其他结果网络中连接节点沟通。 图1:传感器节点的体系结构传感器节点由以下部分组成: a:控制器 它是传感器节点的大脑。它的功能是控制其它部分的传感器节点。它能够处理数据执行任务。由于其低成本,灵活地连接到其他设备,方便编程和低功耗主要在传感器微控制器作为控制器比通用微控制器节点(数字信号桌面处理器,处理器)。 b .收发器 无线传输介质可以像无线电频率(RF),光学(激光)和红外通信以不同的方式。激光有优势它只需要更少的能量,但主要缺点是它大气状况更为敏感。红外是也是一个不错的选择,但它广播有限能力。所以大部分的基础是基于射频通信。收发器的主要功能能够作为发射机和接收机。 c .外部存储器 由于成本和存储容量,使用闪存。 d .电源 电源是最重要的一个单位例如单电池可能是有限的。有些支持清除设备(如太

无线能量传输的三种方式

无线能量传输技术是将电能从电能发射端传输到负载的一个过程,这个过程不是通过传统的电线完成,而是通过无线实现。 目前在国内外研究的无线能量传输技术,根据其传输原理,大致上可以分为三类:第一类是感应耦合式无线能量传输技术,这种技术主要利用电磁感应原理,采用松耦合变压器或者可分离变压器方式实现功率无线传输。该项技术可以实现较大功率的电能无线传输,但由于传输原理的局限传输距离被限制在毫米等级。 第二类是电磁波无线能量传输技术,例如微波技术,该技术直接利用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。该技术优点在于可以实现极高功率的无线传输,但是在能量传输过程中,发射器必须对准接收器,能量传输受方向限制,并且不能绕过或穿过障碍物,微波在空气中的损耗也大,效率低,对人体和其他生物都有严重伤害。 第三类是磁耦合谐振式无线能量传输技术。该技术通过磁场的近场耦合,使接收线圈和发射线圈产生共振,来实现能量的无线传输。该技术最早是由美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic的研究小组于2006年11月在美国AIP工业物理论坛上提出,并于2007 年6月,通过实验进行了验证,相隔2.16m隔空将一只60W灯泡点亮,并在<>杂志上发表了题为“Wireless Power Transfer Via Strongly Coupled Magnetic Resonances”。该技术可以在有障碍物的情况下传输,传输距离可以达到米级范围。 目前该技术尚处于基础理论和实验研究阶段,对该技术我们做了一些研究,发现这项技术其很有发展潜力,相信在不久的将来这项技术会进入我们的生活,进入真正的无线时代,让我们试目以待吧。

无线传感网络的发展现状及研究中的关键技术教学内容

随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术的飞速发展,低成本、低功耗、小体积、多功能的微型传感器的大量生产成为可能。之所以称为微型传感器,是因为传感器小到可以像灰尘一样在空气中浮动,所以又可称之为“智能尘埃(Smart Dust)”[1]。传感器节点借助于内置的微型传感器,可以测量周围环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号、温度、湿度、光强度、压力、土壤成分、移动物理大小、速度和方向等人们感兴趣的物理现象。无线传感网络( Wireless Sensor Network, WSN) 是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统,IEEE1451.5无线标准为无线传感器网络提供了各种基于协议和需求的无线应用标准。在WSN中,无线传感器节点常常被随机地布置在许多人类无法接近的场合,通过自组织的方式来构成一个快速、有效可靠的无线网络。传感器节点往往是同构的,并且由于其低能耗(甚至不需要换电池)的特点,它适用于无人看守的各种应用场景等特点,从而被公认为是未来改变人们生活的十大技术之一。本文针对无线传感网络的特点、应用、关键技术及各种研究进行了论述和分析,在研究人员进行应用场景的选择、课题申报,特别是对做WSN的MAC层研究的人员有一定的参考价值。 1 无线传感器网络的特点 目前常见的无线通信网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、AdHoc 网络等, 无线传感器网络与无线通信网络有着本质的区别:无线通信网络的主要功能是提供网络上点对点的建立连接、互相通信和操作, 为数据共享提供正确、可靠的传输, 而由微型传感器节点构成的无线传感器网络则一般是为了某个特定的需要设计的自组织网络, 能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息, 并对这些数据进行处理, 从而获得详尽而准确的信息, 将其传送到汇聚节点。无线传感器网络相对于Ad hoc网络具有以下特点[2]: (1) 节点更多, 分布更密集, 网络规模更大。为了在某个地理区域上进行监测, 通常有成百上千甚至上万的节点被布置在该区域, 如果单个节点或者局部几个节点出现故障是不会导致网络瘫痪的, 所以利用节点之间的高度连接性可以保证系统的容错性和抗毁性。 (2) 节点处理信息能力受限。由于受价格、体积和功耗的限制, 传感器网中的传感器节点一般采用嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计算能力,可以完成一些信息处理工作。但是, 由于嵌入式处理器的能力和存储器的容量有限, 因此传感器的处理能力也相对受限,所以在设计WSN的各种协议时要力求简单有效。 (3) 能量节省更为重要。由于受到硬件条件的影响, 无线传感器节点通常采用电池供电, 而无线传感网络通常是不需更换电池的,相对于Ad hoc网络,电池的更换更为不便,而多数传感器网又往往要求长时间工作, 所以能量节省更为重要。受到发射能量的限制,无线传感网络节点的通信距离可能会短些, 一般只有几十米, 甚至更短。 (4)无线传感器网络中的节点相对而言处于静止状态,移动的节点有限,所以在考虑MAC层协议时,往往不需考虑节点移动的特性。而Ad hoc网络中的节点必须考虑移动特性。 (5)以数据为中心。在无线传感网络中,人们常常只关心某个区域内某个观测指标的数值,而不会去关心单个节点的观测数据。它不同于传统网络的寻址过程,能够快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用的信息来传送到用户。 2 无线传感网络中的关键技术 无线传感网络作为当今信息领域的研究热点,涉及多个学科的交叉,所需要研究的内容可以分为四个部分,网络通信协议、核心支撑技术、自组织管理、开发与应用。每个部分都有一些关键技术需要解决。 (1)网络通信协议

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