无线传感网知识点

第一章无线传感网概述

1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。

2.WSN的特点及优势

1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差

2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络

3.无线传感器网络架构：

1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层

物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。

数据链路层：（1）媒体访问控制。（2）差错控制。

网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。

传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。

应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。

2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台

（1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。

（2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

（3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作

第二章无线传感网物理层设计

1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段

2.WSN结构采用的是无线射频通信

第三章数据链路层

1.MAC协议分类：

1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中）

2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道

3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型

2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术

3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化

4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点：

（1）周期性的侦听和睡眠

（2）使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免

（3）自适应侦听

（4）将长消息分成子段进行消息传递

5.基于竞争的T-MAC协议：为了改进S-MAC协议不能根据网络负载调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。主要解决了早睡的问题

6.基于竞争的Sift协议：为了解决多个相邻节点都会发现同一事件并传输相关信息而导致空间竞争现象，它采用CSMA机制，竞争窗口的大小原本是设定好的，采用非均匀概率来决定是否发送数据，特点如下：

（1）无线传感传感器网络中基于空间中的竞争

（2）基于时间的报告方式

（3）感知事件的节点密度的自适应调整

7.基于分配的SMAC协议：该协议假设每个节点都能够在多个载波频点上进行切换，将每个双向信道定义为两个时间段。SMAC协议是一种分布式协议，允许一个节点集发现邻居并进行信道分配。SMAC协议可避免全局时间同步，从而减少复杂性

8.基于分配的TRAMA协议：该协议采用了流量自适应的分布式选举算法，节点交换两跳内的邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点，TRAMA将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道。

9.混合型MAC协议：ZMAC采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题。ZMAC协议引入了时间帧的概念，每个时间帧又分为若干时隙，在ZMAC协议中，网络部署每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法。

ZMAC协议是一种混合型MAC协议，可以根据网络中的信道竞争情况动态地调整MAC协议所采用的机制，在CSMA和TDMA机制之间进

行切换，在网络数量较少时工作在CSMA机制下；在网络数据量较大时，工作在TDMA机制下，使用拓扑信息和同步时钟信息来改善协议性能

11.跨层MAC协议：MINA网络架构，在MINA架构中节点分为三种类型：大量静止的低容量传感器节点；少量手持移动节点；静止的大容量基站节点。

第四章网络层

1.相对于传统网络层，无线传感器具有以下特征：大规模分布式应用，以数据为中心，基于局部拓扑信息，基于应用，数据的融合

2.网络层关键问题：节能，高扩展性，容错性，数据融合技术，通信量分布不均

3.网络路由协议：

1）基于数据的路由协议：SPIN、DD路由协议

2）基于集群结构协议：LEACH、TEEN、APTEEN路由协议

3）基于地理位置的路由协议：GEAR、GAF路由协议

第五章传输层协议

1、传输层协议相对传统传输层协议：降低传输层协议的能耗，进行有效的拥塞控制，保证网络的可靠性

2、传输层的关键问题：拥塞控制，丢包恢复，优先级策略

3、传输层协议分类：

1）基于拥塞控制的传输层协议：PECR、CODE协议

2）记忆可靠性传输协议：FSFQ、ESRT协议

3）跨层传输协议：RCTP协议

4、WSN传输层研究的主要内容：传输层是是最靠近用户数据的一层，主要负责在源和目标之间提供可靠的、性价比合理的数据传输功能。为了实现传输层对上层透明，可靠的数据传输服务，传输层主要研究端到端的流量控制和拥塞的避免，保证数据能够有效无差错地传输到目的节点。主要包括以下几点： 1．降低传输层协议的能耗 2．进行有效的拥塞控制3．保证网络的可靠性

第六章通信标准

1、IEEE 802.15.4(LP WPAN)：能量消耗小、结构简单、容易实现的无线通信网络协议，它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用。

1)四种传输频率：20kbps 40kbps 100kbps 250kbps

2)两种网络拓扑结构：星状、点状

3)两种地址格式：16位（由协调器分配）、64位（全球统一）

4)采用可选的时隙保障（GTS）机制

5)采用CSMA/CA冲突避免的载波多路侦听技术

6)支持ACK反馈机制，确保可靠传输

7)硬件根据设备所具有的通信能力和硬件条件分为：全功能设备（FFD）精简功能设备（RFD）

2、IEEE802.15.4协议栈：

1）物理层：三个载波频段（工业、科学、医学）分别对应2400MHz、250kbps,868MHz、20kbps，915MHZ、40kbps

2）链路层：LLC、MAC

3.ZigBee在IEEE 802.15.4基础上扩展了网络层和应用层，协议栈如下：

定义了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备

4、无线局域网技术：

1）工作于2.5GHZ或5GHz频段

2）由无线网卡，无线接入点AP，无线网桥，无线网关组成

5、蓝牙技术：采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM频段，其数据率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输

6、超宽带：是一种具备低功耗电与高速传输的无线个人局域网络通信技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络、家庭网络连接和短距离雷达等邻域。它不采用连续的正弦波，而是利用脉冲信号传送信息

7、UWB多条网络链路层协议模型：MAC子层协议模型和LLC子层协议模型

第七章时间同步技术

1、时间同步技术概述：使网络中的节点的本地时间基本保持一致

1)按照网络应用的深度可分为：时序确定，相对同步，绝对同步

2)参考时间来源：外同步，内同步

3)关键问题：传输时延不可预测，高能效，可扩展，健壮

4)技术：DMTS同步、RBS同步、TPSN同步、FTSP同步

2、传统协议比较：P132

第八章节点定位技术

1、衡量节点定位技术好坏：定位区域与精度，实时性，能耗

2、三边定位技术测量两节点之间的距离的算法：根据接受信号强度定位（RSSI），根据信号传播时间测距（TOA），根据到达时间差测距（TDOA）

3、基于非测距定位技术的基本原理：基于连通性的定位，基于跳数的定位

第十二章仿真技术

1、WSN仿真方法必须具备以下关键特性：可伸缩性，完整性，可信性，桥梁作用，具有能量模型

2、仿真模拟工具主要有：NS2、OPNET、TOSSIM

3、仿真软件比较:课本P220

第十三章硬件开发

1、传感器节点体系结构：有传感器模块，处理器模块，无线通信模块，能量供应模块组成

2、传感器节点硬件平台的设计中需要从以下几个方面考虑

1．微型化：无线传感器节点应该在体积上足够小，保证对目标系统本身的特性不会造成影响，或者所造成的影响可忽略不计。

2．低功耗：由于设备的体积有限，通常携带的电池能量有限。有的部署区域环境复杂，人员不能到达。

3．扩展性和灵活性：无线传感器网络节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件时可以在现有节点上直接添加，而不需要开发新的节点。同时，节点可以按照功能拆分成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合。

4．稳定性和安全性：硬件的稳定性要求节点的各个部件都能够在给定的外部环境变化范围内正常工作。

5．低成本：低成本是传感器节点的基本要求。只有低成本，才能大量地布置在目标区域中，表现出传感器网络的各种优点。

第十四章无线传感网络的操作系统

1、嵌入式系统往往不完全拥有支持一个成熟操作系统必须的资源。WSN对操作系统提出特殊的要求：减小系统开销；需要较低能耗；各模块间协调，支持并发控制；实时性；自适应性；可信赖性；可升级

2、三种常见的WSN操作系统比较：

1）TinyOS：采用事件驱动模式，同时能对处理器和外设进行能量的控制，任务调度方式采用先进先出方式，静态管理内存，实时性较低 2）MANTIS OS：采用线程驱动的模式进行编程，同时能对处理器和外设进行能量的控制，任务调度方式采用优先级方式，静态管理内存，实时性较高

3）SOS：采用事件驱动模式，只能对处理器能量进行控制，任务调度方式采用优先级方式，静态管理内存，实时性较高