无线传感器网络原理及应用 第6章
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其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。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
《无线通信原理及应用》课后习题
《无线通信原理及应用》课后习题第1章无线传感器网络概述1、无线传感器网络的定义？2、传感器节点结构及其各部分功能？3、无线自主网的定义？4、传感网与无线自主网的主要区别？5、传感器网络的特点？6、传感器网络的应用主要包括那些方面？7、传感器网络的关键技术包括那些？第2章路由协议1、传统路由协议主要功能？2、无线传感器网络路由协议与传统路由协议有什么不同点？3、无线传感器网络的路由协议的特点？4、传感器网络路由机制的要求有哪些？5、根据传感器网络的不同应用敏感度不同，可将传感器网络的路由协议分为：6、能量路由策略主要有哪几种？7、能量多路径路由的基本思想？8、能量多路径路由的基本过程？9、定向扩散路由的基本思想？10、定向扩散路由机制的基本过程？11、谣传路由的基本思想？12、GEAR路由的基本过程？13、传感器网络有三种存储监测数据的主要方式？14、GEM路由的基本思想？15、虚拟极坐标建立过程的步骤？16、边界定位的地理路由的基本思想？17、一个信标节点确定边界节点的过程？18、目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑？19、基于不想交路径的多路径路由机制的基本思想？20、ReInForM路由的基本过程？21、SPEED协议的基本过程？22、SPEED协议主要由几部分组成？第3章MAC协议1、在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？2、在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？3、传感器网络的MAC协议分哪三类？4、基于竞争的MAC协议的基本思想？5、IEEE 802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？6、S-MAC协议工作机制？7、流量自适应侦听机制的基本思想？8、Sift协议的设计目的？9、Sift协议的核心思想？10、Sift协议的工作原理？第4章拓扑控制1、网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面？2、传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为哪两类？3、拓扑结构的常见算法有哪些？4、基于节点度算法的核心思想？5、基于邻近图的算法的作用？6、什么是LEACH算法？7、LEACH算法的实现过程？8、GAF算法的基本思想是什么？9、GAF算法的执行过程10、TopDisc算法的基本思想是什么？11、STEM-B (STEM-BEACON)算法的基本思想是什么？12、ASCENT算法执行分哪几个阶段？第5章IEEE 802.15.4标准1、IEEE 802. 15. 4标准的实现目标？2、IEEE 802. 15. 4标准定义的LR-WPAN网络具有哪些特点？3、IEEE 802. 15. 4网络根据应用的需要可以哪些网络结构。
无线传感器网络复习资料
无线传感器网络复习资料第一章概述1、什么是无线传感器网络?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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。
另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。
3、传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？（1）网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。
它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
（2）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。
包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。
包括一系列基于监测任务的应用层软件，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。
第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？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。
2、集成传感器的特点是什么?体积小、重量轻、功能强、性能好。
6.3-其他无线技术介绍 [Repaired]
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常用无线技术
第六章 目录
01 什么是无线通讯技术 02 无线通讯技术的发展影响 03 常用无线技术 04 基于GPRS技术实现温度数据采集任务
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第3页
6.3.1 UWB
1. 简介
是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波
窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展， 认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。从前 面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
第 12 页
6.3.2 NFC
1. 简介
近场通信（Near Field Communication，NFC），又 称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信 技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据 传输（在十厘米内）交换数据。 [1] 这个技术由免 接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由Sony 和Philips 各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供 M2M(Machine to Machine)的通信。由于近场通讯具有天然的安全 性，因此，NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。 NFC 芯片是具有相互通信功能，并具有计算能力，在Felica标准中 还含有加密逻辑 电路，MIFARE的后期标准也追加了加密/解密模块 (SAM)。
第六章
6.3 其它无线技术介绍
4.应用
第8页
1)应用概述 由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受
发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据 传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN 的各种应用。总的说来，UWB主要分为军用和民用两 个方面。
无线传感器网络技术原理及应用第6章ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
20
2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
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第6章 无线传感器网络安全技术-无线传感器网络-王利强-清华大学出版社
6.1 安全问题概述
6.1.1 信息安全面临的障碍
无线传感器网络是一种特殊类型的网络，其约束条件（相对于传统计算机 网络）。这些约束条件导致很难将现有的安全技术应用到无线传感器网络。下 面分析无线传感器网络的约束条件： 能量控制
随着计算机和无线通信能力的增强，传感器节点也从单纯的信息发布扩展 到网络处理和分布式计算等等更有挑战的任务中。用于网内数据处理的传感器 节点和传感器网络的体系结构容易发生故障，如节点或网络系统能量不足、数 据出错率较高等。另外，无线传感器节点的可移动性、动态重配置造成网络结 构动态改变，但传感器网络数据采集、数据处理与数据传输必须可靠执行，以 确保嵌入式应用结果的正确性和精度。
依据具体传感器网络的特定功能，传感器节点可能长时间处于无人照看状 态。对于无人照看传感器节点存在以下三个主要威胁：
➢ 暴露在物理攻击之下。传感器节点可能布置在对攻击者开放、恶劣气候等环境中。 这种环境中的传感器节点遭受物理攻击的可能性比典型PC（安置在一个安全地点， 主要面临来自网络的攻击）要高得多。
能量是无线传感器能力的最大约束因素。通常依靠电池供电的传感器节点 一旦布置在一个传感器网络中就不容易被替换（工作成本很高），也不容易重 新充电（传感器成本高），因此必须节省电池能量，延长各个传感器节点的寿 命，从而延长整个传感器网络的寿命。 不可靠通信
不可靠通信无疑是无线传感器网络安全的另一个威胁。无线传感器网络安 全密切依赖所定义的协议，而协议又依赖通信。
6.1 安全问题概述
6.1.1 信息安全面临的障碍
无线网络连接技术
了解：无线组网实例。
3
1.无线网络概述
1.无线网络定义及发展。
⑴无线网络的特点。 ⑵无线网络的分类。
⑶无线网络的标准。
4
OFDM
CCK
OFDM
主流OFDM/256子 主流OFDM/256子 QPSK/16QAM/ FM/GFSK 载波/BPSK/QPSK/ 载波/BPSK/QPSK/ 64QAM 16QAM/64QAM 16QAM/64QAM
8
2.无线LAN:802.11
⑴802.11协议栈
⑵802.11物理层 ⑶802.11MAC子层协议 ⑷802.11帧结构
SIFS SIFS DATA DATA 介质忙
介质空闲
竞争延迟
竞争窗口
IEEE802.11中CSMA/CA的工作原理
12
IEEE802.11中RTS/CTS工作机制
802.11在MAC层上引入了一个新的Send/Clear to Send(RTS/CTS)选项 ,解决“隐藏节点”问题 . 下图为MAC层 采用RTS/CTS的工作机制
PMD子层 FHSS DSSS
802.11物理层
11
IR
⑶802.11MAC子层协议
IEEE802.11采用CSMA/CA工作方式且同时推荐了两种 CSMA/C方式。一种是基于来自物理层的CA信号所采 用的CSMA/CA，另一种是带有ACK应答帧和差错恢复 的CSMA/CA 。CSMA/CA的工作原理如图所示。 DIFS DIFS
标准 性能参数 频率(GHz) 速率 (Mbit/s) 调制 5 54 2.4 5.5/11 2.4 20～54 2.402～ 2.480 1 10～66 32～134 2～11 75 2～ 6 15～60 IEEE802.11a IEEE802.11b IEEE802.11g 蓝牙 IEEE802.16a IEEE802.16d IEEE802.16e
《无线传感器网络设计与应用》课程标准
《无线传感器网络设计与应用》课程标准课程名称：无线传感器网络设计与应用总学时：60学分：4开课单位：电气信息工程学院课程类别：专业拓展课授课方式：教、学、做一体化适用专业：电子信息工程技术专业、应用电子技术专业一、课程性质《无线传感器网络设计与应用》是电子信息工程技术专业、应用电子技术专业的一门专业拓展课。
二、课程设计思路《无线传感器网络设计与应用》课程采用“基础理论——项目化实践”的组织结构组织课程教学内容。
首先，通过基本理论的教学，使同学们了解无线传感器网络的发展历程、特征、关键技术以及应用方向。
其次，通过师生共同完成一系列完整项目的形式开展教学活动。
教师边示范，边讲解，边指导，学生边学、边做、边实践。
实现在“教中学”，在“学中做”，在“做中学”，教、学、做合一。
使学生在项目实施过程中收获知识，提高技能，掌握方法，感受实际工作过程。
三、课程基本目标本课程培养目标分为方法能力、专业能力和社会能力：1、方法能力（1）掌握搜集、整理、应用“无线传感器网络”相关学习资源的方法；（2）掌握无线传感器网络应用系统功能需求分析、系统设计、软硬件联合调试的方法；2、专业能力（1）了解无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术、协议标准；（2）掌握IAR Embedded Workbench软件的使用；（3）掌握以TI CC2530 SoC芯片为CPU的应用系统硬件电路设计；（4）掌握TI CC2530 SoC芯片祼机软件开发；（5）掌握基于CC2530硬件平台和IAR软件平台的Zigbee Zstack协议栈应用开发。
3、社会能力（1）具有良好的职业道德和社会责任感、工作责任心，能主动参与到工作中；（2）具有团队协作精神，能主动与人合作、交流和协商；（3）具有群体意识和劳动组织能力。
（4）具有诚实守信的品质，树立环保、节能和安全意识。
四、先修课程《无线传感器网络设计与应用》课程的先修课程有《程序设计基础》、《传感器的选择与应用》、《单片机应用设计与制作》。
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ci (t)
1 f0
t
0 fi ( ) d ci (t0 )
ci (t) ai (t t0 ) bi
(6-2)
对于理想的时钟，有 r(t) dc(t) 1 ，也就是说，理想时
dt
钟的变化速率为1，但工程实践中，因为温度、压力、电源
电压等外界环境的变化往往会导致晶振频率产生波动，因此，
构造理想时钟比较困难，但一般情况下，晶振频率的波动幅
度并非任意的，而是局限在一定的范围之内：
(2) 访问时间(Access Time)：消息等待传输信道空闲所需的时 间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它是消息传递 中最不确定的部分，与低层MAC协议和网络当前的负载状况密切 相关。在基于竞争的MAC协议如以太网中，发送节点必须等到信 道空闲时才能传输数据，如果发送过程中产生冲突需要重传。无 线局域网IEEE 802.11协议的RTS/CTS机制要求发送节点在数据传 输之前先交换控制信息，获得对无线传输信道的使用权；TDMA 协议要求发送节点必须得到分配给它的时间槽时才能发送数据。
1 dC(t) 1
dt
(6-3)
其中，为绝对频差上界，由制造厂家标定，一般多在1 ppm～
100 ppm之间，即一秒钟内会偏移1 μs～100 μs。
在无线传感器网络中主要有以下三个原因导致传感器节 点间时间的差异：
(1) 节点开始计时的初始时间不同； (2) 每个节点的石英晶体可能以不同的频率跳动，引起 时钟值的逐渐偏离，这个误差称为偏差误差； (3) 随着时间地推移，时钟老化或随着周围环境如温度 的变化而导致时钟频率发生的变化，这个误差称为漂移误差。
在无线传感器网络中，为了完成节点间的时间同步，消 息包的传输是必须的。为了更好地分析包传输中的误差，可 将消息包收发的时延分为以下六个部分。
(1) 发送时间(Send Time)：发送节点构造一条消息和发布发 送请求到MAC层所需的时间，包括内核协议处理、上下文切换时 间、中断处理时间和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理 器当前负载，可能高达几百毫秒。
对任何两个时钟A和B，分别用CA(t)和CB(t)来表示它们
在t时刻的时间值，那么，偏移可表示为CA(t) - CB(t)，偏差
可表示为 dCA(t) dCB(t) ，漂移(drift)或频率(frequency)可
dt
dt
表示为
2CA (t) t2
2CB (t ) t2
。
假定c(t)是一个理想的时钟。如果在t时刻，有c(t) ci (t)
第6章 时间同步技术
6.1 无线传感器网络的时间同步机制 6.2 现有时间同步技术分析 6.3 时间同步算法设计 6.4 小结
6.1 无线传感器网络的时间同步机制
6.1.1 影响无线传感器网络时间同步的关键因素 准确地估计消息包的传输延迟，通过偏移补偿或漂移补
偿的方法对时钟进行修正，是无线传感器网络中实现时间同 步的关键。目前绝大多数的时间同步算法都是对时钟偏移进 行补偿，由于对漂移进行补偿的精度相对较高且比较难实现， 所以对漂移进行补偿的算法相对少一些。
(6-1)
其中，fi ( ) 是节点i晶振的实际频率，f0为节点晶振的标准频 率，t0代表开始计时的物理时刻， ci (t0 ) 代表节点i在t0时刻 的时钟读数，t是真实时间变量。 ci (t0 ) 是构造的本地时钟，
间隔c被(t)用来c(t作0) 为度量时间的依据。由于节点晶振频率短时间 内相对稳定，因此节点时钟又可表示为
本地时钟通常由一个计数器组成，用来记录晶体振荡器
产生脉冲的个数。在本地时钟的基础上，可以构造出逻辑时
钟，目的是通过对本地时钟进行一定的换算以达成同步。节
点的逻辑时钟是任一节点i在物理时刻t的逻辑时钟读数，可
以表示为 LCi (t) lai Ci (t) lbi ，其中为当前本地时钟读数， lai、lbi分别为频率修正系数和初始偏移修正系数。采用逻辑 时钟的目的是对本地任意两个节点i和j实现同步。构造逻辑
(5) 接收时间(Reception Time)：接收节点按位(bit)接收 信息并传递给MAC层的时间，这个时间和传输时间相对应。
(6) 接收处理时间(Receive Time)：接收节点重新组装信 息并传递至上层应用所需的时间，包括系统调用、上下文切 换等时间，与发送时间类似。
6.1.2 无线传感器网络时间同步机制的基本原理 无线传感器网络中节点的本时刻是准确的；如果 dc(t) dci (t) ，则称时钟 dt dt
在时刻是精确的；而如果 ci (t) ck (t) ，则称时钟 ci (t)
在时刻与时钟 ck (t) 是同步的。上面的定义表明：两个同步 的时钟不一定是准确或精确的，时间同步与时间的准确性和 精度没有必然的联系，只有实现了与理想时钟(即真实的物 理时间)的完全同步之后，三者才是统一的。对于大多数的 传感器网络应用而言，只需要实现网络内部节点间的时间同 步，这就意味着节点上实现同步的时钟可以是不精确甚至是 不准确的。
时钟有以下两种途径：
一种途径是根据本地时钟与物理时钟等全局时间基准的
关系进行变换。将公式(6-2)反变换可得
t
1 ai
Ci
(t)
t0
bi ai
(6-4)
将lai、lbi设为对应的系数，即可将逻辑时钟调整到物理 时间基准上。
另一种途径是根据两个节点本地时钟的关系进行对应换
(3) 传输时间(Transmission Time)：发送节点在无线链路 的物理层按位(bit)发射消息所需的时间，该时间比较确定， 取决于消息包的大小和无线发射速率。
(4) 传播时间(Propagation Time)：消息在发送节点到接 收节点的传输介质中的传播时间，该时间仅取决于节点间的 距离，与其他时延相比这个时延是可以忽略的。