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传感网课程复习资料2016年
1、传感网的概念：就是由部署在监测区域内，由大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器网络的三个要素：传感器、 感知对象和观察者
2、传感网的研究与发展：
答：传感器网络的研究起步于20实际90年代末期。从21世纪开始，传感器网络引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。1、在军事领域：美国国防部和各军事部门焦躁开始启动传感器网络的研究。2、在民用领域：美国交通部1995年提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。3、学术界：美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划。4、我国2004年起有更多的院校和科研机构加入到领域的研究工作中去。 3、传感网的关键技术与特点：
答：WSN的关键技术：网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、无线通信技术、嵌入式操作系统、应用层技术。特点：大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠性网络、应用性相关的网络、以数据为中心的网络。 4、传感网的主要应用领域
答：军事应用，环境观测和预报系统，医疗护理，智能家居，建筑物状态监控，其他方面的应用（如空间探索，智能尘埃等）。 1、物理层特点：功耗分布 答：
传感器节点的限制：电源能量有限，通信能力有限，计算和存储能力有限。
频率分配：由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都是采用这个范围的频段。 物理层设计考虑：（1）低功耗问题。（2）低发射功率和小传播范围。（3）低占空系数问题。大多数硬件应用在大部分时间内不工作或工作于低功耗的待机状态。（4）相对较低的数据率。一般来说每秒几十或几百kb。（5）较低的实现复杂度和较低的成本。（6）较小的移动程度。 （7）对于全部节点来说，一个较小的形状系数。 2、WSN面临的挑战： 答：（1）低能耗：电池供电，不能及时补充能量，如何最大化工作周期；（2）实时性：及时反映监控区域事件的变化，如交通事故报告；（3）低成本：节点数量大，无法回收，易于隐藏等要求节点体积小，低成本；（4）安全和抗干扰：要求节点具有很好的抗干扰性能在各种复杂环境工作，节点数据不易被截获；（5）协作：要求节点协作通信工作完成一项任务，网络协作和数据协作都是关键技术。 3、物理层的通信信道： 答： （1）自由空间信道；（2） 多径信道；（3）加性噪声信道；（4）实际物理信道。
4、物理层的调制解调技术:
答：(1）模拟调制：基于正弦波的调制技术无外乎对其参数幅度A(t)、频率f(t), 相位φ(t)的调整。分别对应的调制方式为幅度调制（AM）、频率调制(FM)、相位调制(PM)；（2）数字调制：数字调制技术是把基带信号以一定方式调制到载波上进行传输。从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成三种类型：ASK、FSK和PSK；（3）UWB通信技术超宽带（Ultra Wide Band）无线通信技术是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一，由于其具有高传输速率、非常高的时间和空间分辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点，被认为是未来短距离高数据通信最具潜力的技术；（4）扩频通信：按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式；跳变频率(Frequency Hopping)工作方式；跳变时间(Time Hopping)工作方式；宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式；混合方式。 5、物理层的主要短距离通信技术及特点。 答：技术：（1)802.11:在2.4GHz频段使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率提高到20Mbit/s以上；能够与IEEE802.11ｂ的Wi-Fi系统互联互通，可共存于同一AP的网络里，从而保障了后向兼容性。（2）802.15.4/ZigBee：低成本，低功耗，低速率。（3）超宽带：系统结构的实现比较简单；高速的数据传输；功耗低；安全性高；多径分辨能力强；定位精确；工程简单造价便宜。（4）WIFI：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。（5）蓝牙：全球范围适用，同时可传输语音和数据，可以建立临时性的对等连接，具有很好的抗干扰能力，蓝牙模块体积很小、便于集成，低功耗，开放的接口标准，成本低。
1、MAC概述
答：介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 2、传感网的MAC面临的问题：主要功耗分布。
答：①空闲监听：因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；②冲突（碰撞）：如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉；③控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；④串扰（串音）：出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。 3、典型的MAC协议：竞争型，分配型，混合型。 答：基于竞争的MAC协议的类型：（1）802.11MAC协议：有分布式协调DCF和点协调PCF两种访问控制方式；在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用 CSMA/CD机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主动确认机制：如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据；在PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式；（2）SMAC协议：?采用周期性睡眠和监听方法、减少空闲监听带来的能量损耗。?当节点正在发送数据时，根据数据帧特殊字段让每个与此次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量损耗。?采用消息传递机制（分片传输机制），减少控制数据带来的能量损耗；（3）TMAC协议提出了一种自适应调整占空比的方法：通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比解决早睡问题的两种方法?预请求发送机制；? 满缓冲区优先机制；（4）Sift协议是基于事件驱动的MAC协议，其特点：①网络中的数据传输由事件驱动，存在空间相关的竞争。②不是所有节点都需要报告事件。③
节点的密度是时变的。
基于竞争的MAC协议有如下优点：①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。 基于调度(分配)的MAC协议 （通常以TDMA协议为主,也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式）采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点,这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽/频率/正交码(1个或多个)无冲突访问信道.因此,调度协议也可称作无冲突MAC协议或无竞争MAC协议。
混合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
4、熟悉CSMA，SMAC,TMAC,SIFT,DMAC协议原理。
答：CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这时发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。 DMAC协议就是针对数据采集树结构提出的，目标是减少网络的能量消耗和减少数据的传输延迟。1、采用交错调度机制。2、接收时间和发送时间相等，均为发送一个数据分组的时间。3、每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应上层节点的接收时间。这样，数据就能够连续的从数据源节点传送到汇聚节点，减少在网络中的传输延迟。 1、ZigBee概述
答：IEEE 802.15.4 标准，针对低速无线个人区域网络（LR-W PAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。ZigBee标准以IEEE802.15.4标准定义的物理层及MAC层为基础，并对其进行扩展，对网络层协议和API进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传输。 2、IEEE802.15.4与ZigBee协议：目标，设备类型，网络结构。
答：IEEE802.15.4目标同上，ZigBee目标：是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。
设备类型：ZigBee设备包括全功能设备和精简功能设备，其中全功能设备包括：网络协调器，FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器。 网络结构：
全功能设备 网络协调器 精简功能设备
点对点网络 通信信道 网络协调器
星型网络
3、CC2420与CC2430的区别
答：CC2420和CC2430都是TI的第一代ZIGBEE芯片，CC2420只是一个收发器，不带处理功能，而CC2430集成了CC2420的无线功能和一个增强的8051处理器。它们的第二代替代芯片分别是CC2520和CC2530。CC2430和CC2420射频参数相同，CC2430具有51单片机核；发射功率0dbm；接收灵敏度小于-110dbm左右；工作频点：2.4GHz；支持zigbee2003，2006协议。
4、ZigBee物理层规范。 PHY (MHz) 868/915 2450 频段 （MHz） 868~868.6 902~928 2400~2483.5 序列扩频参数 片（chip）速调制方式 比特速率率（kchip/s） （kbps） 300 600 2000 BPSK BPSK O-QPSK 20 40 250 数据参数 符号速率符号（ksymbol/s） （symbol） 20 40 62.5 二进制 二进制 十六进制 1、概述：路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方
面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正确转发。 2、平面结构路由协议 （以数据为中心）平面结构是指网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。（补充：优点：网络中没有特殊节点，网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现。缺点：可扩张性小，在一定程度上限制了网络的规模。 典型路由：Flooding,Gossiping,SPIN,DD，Rumor）
（1）洪泛算法Flooding协议：由槽节点发起数据广播，然后任意一个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大跳数。优点：不用维护网络拓扑结构和路由计算，实现简单。缺点：内爆，重叠，资源盲点。
（2）Gossiping协议（Flooding协议的改进）：当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点的某一个节点或几个，而不是所有节点。优点：就降低了数据转发重叠的可能性，避免了信息内爆现象的产生缺点：点到点的时延较大 （3）SPIN（是对Flooding协议的改进）：考虑到WSN的数据冗余，临近节点所感知的数据具有相似性，通过节点间协商方式减少数据传输量，只广播其他节点没有的数据。SPIN利用三步握手机制 （解决内爆），利用数据融合（DC），部分解决了重叠问题。优点：1、解决了内爆问题和部分解决了重叠问题；2、不需要进行路由维护；3、对网络拓扑变化不敏感，可用于移动WSN；缺点：1、本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大。 2、当多个节点向同一个节点同时发送REQ时，需要退避算法。 （4）DD（定向扩散，基于查询方式）：Sink节点周期性地广播一种称为“兴趣”的分组，告诉其他节点，我要收集什么兴趣。兴趣在扩散的过程中也反向建立了路由路径，与“兴趣”匹配节点通过路径传送数据到Sink节点。三个阶段：1、兴趣扩散（采用泛洪）；2、梯度建立（反向建立）；3、强化路径（Sink节点会收到多条路径，选最优路径，进行加强，以后的数据按照加强路径传送）。优点：1、数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息；2、路径加强机制可显著提高数据传输的速率；3、周期性路由：能量的均衡消耗；缺点：1、周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大；2、Sink周期性广播，不适用于大规模网络；3、节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大。 （4）rumor（谣传协议，基于事件+查询）：谣传路由机制引入了查询消息的单播随机转发，克服了使用洪泛方式建立转发路径带来的开销过大问题。基本思想：事件区域中的传感器节
点产生代理（ agent ） 消息， 代理消息沿随机路径向外扩散传播。同时汇聚节点发送的查询消息也沿随机路径在网络中传播。当代理消息和查询消息的传输路径交叉在一起时， 就会形成一条汇聚节点到事件区域的完整路径。
3、分层结构路由协议：采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇与簇之间可以通过网关通信。网关可以是簇首也可以是其它簇成员。网关之间的连接构成上层骨干网，所有簇间通信都通过骨干网转发（补充：优点：扩展性好，适宜大规模网络。缺点：成簇过程会产生一定的能源消耗。）
LEACH （ Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）低功耗自适应聚类算法，是最早的一种分层路由算法，主要考虑簇内节点能耗，簇头作为一定区域所有节点的代理，负责和Sink的通信。非簇头节点可以使用小功率和簇头节点通信；簇头节点可以对所辖区域节点数据进行融合，减少网络中传输的数据；簇头选举算法的设计成为本协议的重要问题，要求保证公平性。和网络生存周期最大。
4、基于位置信息的路由协议：地理位置信息作为其它路由算法的辅助，直接用于路由的计算。
GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing）：它使用贪婪算法来建立路由，网络节点都知道自身地理位置并被统一编址，各节点利用贪婪算法尽量沿直线转发数据。优点：1、采用局部最优的贪婪算法，不需要维护网络拓扑，路由开销小；2、可适用于静态和移动的WSN网络；缺点：1、需要地理位置信息的支持；2、需要维护邻居节点位置信息。 GEAR（Geographic and Energy Aware Routing）：假设已知事件区域的位置信息，每个节点知道自己的位置信息和剩余能量信息，并通过一个简单的Hello消息交换机制知道所有邻居节点的位置信息和剩余能量信息。节点间的无线路由链路是对称的。分两个阶段：1、查询消息到达目的区域的路径；2、查询消息在目标区域的传播。选路依据：1、节点到查询区域通信能量能耗；2、节点本身的剩余能量；3、最小代价节点为转发节点。优点：1、利用了位置信息，避免了查询消息的Flooding；2、考虑了消耗的能量和节点剩余能量，均衡消息；3、路径选择可达到局部最优；4、迭代地理转发对洪泛机制的补充；缺点：1、可能出现路由空洞（局部信息）- 两跳信息；2、不适合在移动WSN使用。
1、定位技术基本概念：在传感器网络节点定位技术中，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和未知节点。信标节点在网络节点中所占的比例很小，可以通过携带的GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。信标节点是未知节点定位的参考点。除了信标节点外，其他传感器节点就是未知节点，它们通过信标节点的位置信息来确定自身位置。 2、定位算法：基于距离的和基于非距离的算法
基于距离的定位：精度相对较高，硬件要求也较高，易受环境因素影响，能量消耗相对较多 ?基于TOA的定位：已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用已有的算法计算出节点的位置。?基于TDOA的定位：发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用已有的算法计算出节点的位置。?基于AOA的定位：接收节点通过天线阵列或多个超声波接收机感知发射节点的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，在通过三角测量法计算出节点位置。④基于RSSI的定位：已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到的信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，然后利用已有的算法计算出节点的位置。 注：以上几种方法仅仅是测距方法，不是定位方法，都得和前面的测量法（如三边测量法）组合使用。
距离无关的定位算法：受环境因素影响小，硬件要求低，成本低
?质心算法：多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。完全基于网络连通性，无需信