无线传感器知识点总结sansan.doc

专指有基础设施如手机需要大功率的基站和天线
无线局域网：使用接入点这样的固定设备
无线传感器网络知识点总结
有基础设施网

第一章
无线传感器网络的分类
无基础设施
移动Ad Hoc网络：它的终端是快速移动的，了解一下就行了

无线传感器网络：它的节点是静止的或者移动很缓慢的

传感器网络的三种功能：数据采集（感官），处理（大脑），传输（神经）。
传感器网络的基本要素：传感器，感知对象，用户。
传感器节点由电源、存储器、感知部件、嵌入式处理器、通信部件、和软件组成。
1. 与现有无线传感器网络的区别：传统无线网络设计的目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源，而传感器网络设计的目标是能源的高效使用。
2. 传感器节点的限制：
电源能量有限：节点的体积小，人员不可达
通信能力有限：E=K*Dn N通常取值为3，尽量选择多跳。
计算和存储能力有限：价格低，功耗小。
传感器网络是集成了监控，控制以及无线通信的网络系统。节点多，容易受到环境的影响，网络拓扑结构容易变化。
传感器节点消耗能量的模块主要包括传感器模块，处理器模块和无线通信模块。绝大部分的能量消耗在无线通信模块。
3. 传感器组网的特点：
a) 自组织性：节点平等，没有中心，通过分布式算法来相互协调。优点是不会因为单个节点的脱离而受到损害。能够进行配置和管理，通过拓扑机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。自组织要适应网络拓扑的结构的动态变化。
b) 以数据为中心：以数据本身作为查询或传输线索的思想，更接近于自然语言交流的习惯，因此说是一个以数据位中心的网络。
c) 应用相关性
d) 动态性：传感器网络的拓扑结构因如下原因改变：
环境因素或电源耗尽
环境变化造成链路带宽变化，甚至时断时续。
传感器网络的传感器，感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性
新节点的加入
e) 网络规模大：大规模范围，小范围的传感器密集
f) 可靠性：保密性和安全性
4. 无线传感器网络的关键性能指标：
a) 网络的工作寿命
b) 网络覆盖范围
c) 网络搭建成本和难易程度
d) 网络响应时间
5. 无线传感器网络发展的三个阶段
a) 第一阶段：传统的无线传感器
例子：热带树（由震动和声响组成）
节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信，传统的无线传感器网络只能获取单一信号，节点只能进行单一的点对点通信，网络一般采用分级处理结构。
b) 第二阶段：传感器网络节点集成化
节点之间相互协作，但自主运行，将信息发送到它们的处理节点。这些节点同时具备了感知能力，计算能力，通信能力。
c) 第三阶段：多跳自组网
例子：抓住本拉登
特点：网络传输自组织，低功耗。
第2章 无线传感器网络结构、覆盖与连接
类似移动通信的蜂窝结构，集中管理
集中式
拓扑结构：无线传感器网络的拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术
按组网形态和方法分类
类似AD hoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理
分布式

混合式

有集中式有分布式

1. 无线传感器网络的拓扑结构：
a) 平面网络结构：对等结构，没有中心管理节点。

拓扑结构简单，容易维护，具有较好的健壮性，但是组网比较复杂。
b) 分级网络结构： 网络上层：骨干节点，平面结构
网络下层：一般节点

骨干节点

一般节点

骨干节点：包括相同的MAC层、路由、管理、和安全等功能的协议
一般节点：可能没有路由、管理及汇聚处理等功能
特点：网络拓扑性能好，便于集中管理，可以降低系统的建设成本，提高网络的覆盖率和可靠性。但是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不够直接通信。
c) 混合网络结构：网络上层：平面结构
网络下层：平面结构，各个节点能直接通信

骨干节点

一般节点

和分级网络结构的区别是一般的传感器节点能够直接通信，不需要汇聚到骨干节点，来转发数据。支持的功能更强大，所需的成本更高。
d) Mesh网络结构：规则分布，只允许和节点最近邻居通信

完全链接的网络结构 Mesh网络结构
某个节点可以被指定为族首节点，而且实现额外的功能。可以被替换。
Mesh网络结构的无线传感器网络的特点：
由无线节点构成网络
节点按照Mesh拓扑结构部署，网内节点至少可以和另一个节点通信。
支持多跳路由
功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点
存在多种网络接入方式，可以通过星型，Mesh等节点方式和其他网络集成。
2. 无线传感器网络区域覆盖：
a) 能效性随机覆盖方法
b) 连接性随机覆盖方法
3. 区域覆盖：要求覆盖的面积最大
点覆盖：覆盖要求的节点
（1）随机型点覆盖（2）确定型点覆盖
一般边界覆盖：不可知区域覆盖
4. 无线传感器网络覆盖能效评价指标：
a) 覆盖指标：采用可靠度概念
b) 能耗指标
第3章 无线传感器网络通信
1. 网络通信协议： 应用层：应用业务、安全性
传输层：可靠性、流量控制、吞吐量
网络层：连接/无连接、路由、可达性
数据链路层：介质访问、功率管理、帧格式
物理层：信道编码、无线传输、调制解调
2. 网络管理平台（填空）：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。
3. 应用支撑平台：在前两个的基础上，包括一系列基于监测的应用软件，并通过应用层接口和网络层管理接口来为终端用户提供对各种具体应用的支持。

4. 物理层的物理接口四个特性：
机械特性：它规定物理链接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。
电气特性：它规定在物理链接上传输二进制比特流时，线路上的信号的电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。
功能特性：它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为信号线、控制线、定时线和地线。
规程特性：它定义了信号线进行二进制比特流传输时的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。
5. 无线通信物理层的主要技术：
介质和频段选择：介质包括电磁波和声波
调制技术：调制和解调
扩频技术：一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于信息必需的最小宽度。
6. 数据链路层访问方式：基于TDMA的媒体访问、基于TDMA/FDMA媒体访问、基于CSMA媒体访问（载波传感多路访问）。
7. 网络层设计原则（了解就行）：
1. 能量有效性是必须考虑的关键问题
2. 多数无线传感器网络以数据为中心
3. 理想的无线传感器网络采用基于属性的寻址和位置感知方式
4. 数据聚集仅在不妨碍无线传感器节点的协作效应时是有效地
5. 路由协议易于其他网络相结合
Event-to-sink传输（简答题）
Sink-to –sensor传输（简答题）
7. 什么是Event---to----Sink和Sink-----to----sensor传输？
答：Event----to---Sink 的可靠度是必要地，包括了事件特征到SInk节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感器报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。就是事件半径区域内的传感器将事件信息发送给汇聚节点。Sink----to----sensor是汇聚节点为实现可操作性或特定应用而发送数据，这类数据数据的分发需要100%的可靠传递。
8. 什么是Sink-to-sensor传输？
9. 目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型？他们各有什么特点？
10. 无线网络通信系统为什么要进行调制解调？调制有哪些方法？
跨层设计定义：是针对特定的分层结构而言的，一切不符合参考分层通信结构的协议设计都被称为跨层设计。
9．无线传感器网络跨层设计：因为无线传感器的网络资源和能量比较受限，使得它不能像有线网络那样的分成每一层设计，例如把物理层和链路层看成一层，MAC看成一层进行设计。
所谓跨层设计的定义，是针对特定的分层结构而言的，一切不符合参考分层通信结构的协议设计都被称为跨层设计。
10.跨层设计的必要性：（1）无线信道的动态性：信道是不稳定的传输介质，要保证系统的可用性。（2）无线传感器网络节点的能量受限（3）传统通信系统分层参考模型的弊端

第4章 无线传感器网络的支撑技术

定位技术
时间同步机制

数据融合
无线传感器网络的支撑技术
能量管理

容错技术

数据管理

服务质量保证

造成传感器网络节点时间误差的原因：
1. 不同节点的晶体振荡器频率存在偏差
2. 湿度
3. 电磁波的干扰
为什么需要时间同步机制？
1. 单个节点能力有限
2. 某写应用的需要，整个系统实现的功能要求网络内所有的节点相互配合共同完成，分布式系统需要节点间的时间同步
物理时间：人类社会使用的绝对时间。
逻辑时间：体现了时间发生的顺序关系，是一个相对的概念。
无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两个方面：
1. 传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务
2. 传感器网络的一些节能方案是通过同步机制来实现的。
网络时间协议（NTP）在因特网中得到了广泛的使用，具有精度高，鲁棒性好和易扩展的优点，但是这个协议为什么不能应用于无线传感器网络呢？
1. NTP协议它应用在已有有线网络中，它假设网络链路失效的概率很小，而在传感器网络中，无线链路的通信质量收到环境的影响很大，甚至会时常有中断情况
2. NTP的协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的节点手工配置时间服务器列表，而无线传感器网络的拓扑结构是动态变化的，简单的静态手工配置无法适应这种变化。
3. NTP中时间基准服务间的同步是无法通过网络自身来实现，需要其他的基础设施协助，如GPS系统和无线广播报时系统，而无线传感器网络的有些应用中，无法取得相应基础设施的支持。
4. NTP协议需要通过频繁交换信息，来不断校准始终频率偏差带来的误差并通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中收到的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受约束，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。

TPSN时间同步协议：目的是实现全网范围内节点间的时间同步。
TPSN协议包括如下两个阶段：
1. 第一阶段生成层次结构，每个节点都被赋予一个级别，根节点被赋予最高级别地0级，第i级的节点至少能够与第i-1级的节点通信。
2. 第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第i-1级的节点，最终所有的节点都同步到根节点，实现整个网络时间同步。
2.时间同步的概念：分布式系统通常需要一个表示系统时间的全局时间。
1. 定位的含义：无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定的方法提供节点的位置信息。可分为自身定位和目标定位。
2. 了解基本术语（简答题）：锚点：指通过其他方式预先获得位置坐标的节点
测距：指两个互相通信的节点通过测量的方式估计彼此距离或角度
连接度：节点连接度和网络连接度两种含义
节点连接度指可探测发现的邻居节点的个数。网络连接度所有节点网络邻居节点数目的平均值，它反映传感器配置的密集程度。
邻居节点：传感器节点通信半径范围内的所有其他节点，被称为该节点的邻居节点
接受信号强度：节点接受到无线信号的强度大小，被称为接受信号的强度指示。
到达角度：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，被称为信号相对接收节点的到达角度。
视线关系：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称为视线关系
非视线关系则相反
定位系统的评价指标：
1. 位精确度（最重要）
2. 覆盖范围（与位精确度是一对矛盾性指标）
3. 刷新速度（提供位置信息的频率）
4. 功耗

4. 需要测距的定位技术：（1）接收信号强度指示：信号越强离的越近（2）到达时间差：时间短离得近（3）到达角：获得角度
无须测距的定位技术：
质心算法、DV--Hop算法
5. 多传感器数据融合概念：多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程、这个过程是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和组合。
6. 传感器网络中数据融合的作用（简答题）：
1.提高信息的准确性和全面性
2.降低信息的不确定性
3. 提高系统的可靠性
4. 增加系统的实时性
7. 数据融合的分类：（1）无损失融合（2）有损失融合
8. 根据数据融合的级别分类：数据级融合、特征级融合、决策级融合
9. 数据融合的主要方法：
1. 综合平均法
2. 卡尔曼滤波法
3. 贝叶斯估计法
4. D-S证据推理法
5. 统计决策理论
6. 模糊逻辑法
7. 产生式规则法
8. 神经网络方法
10. 能量管理的意义：能够高效的使用传感器节点的能量，在完成应用要求任务的前提下，尽量延长整个网络系统的生存期。
11. 传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合
12. 容错技术：无线传感器网络不仅自身容易发生故障，而且还容易受到外界的影响，因此需要有效的容错技术设计来满足可靠性要求。
a) 失效：某个设备中止了它完成所要求功能的能力
b) 故障：一个设备、元件或组件的物理状态，在次状态下不能按所要求方式工作
c) 差错：一个不正确的步骤、过程或结果
13. 数据管理系统的结构：集中式结构、半分布式结构、分布式结构、层次式结构
14. 数据存储：
a) 地理散列函数：包括put（）按名字在网络中存储数据，get()按名字取数据
b) 地理路由协议：（1）贪心传递算法：将信息发送给邻居节点中离目标最近的节点
（2）周界转递算法：发现没有邻居节点比它自己离目标节点更近时，认为该数据包遇到了一个空洞，用右手规则逆时针围绕空洞寻找更接近的节点。
15. 索引技术：层次检索结构、一维分布式索引、多维分布式索引
16. 服务质量（Qos）概念：应用层，Qos通常是指用户或者应用所获取的具体业务的服务质量。而网络层，Qos被定义为网络提供给应用或者用户的服务质量的度量，依赖于网络协议的特性。包含（简答题）：
可用性：指综合考虑网络设备的可靠性与网络生存性等网络的失效因素，得出的当用户需要时网络即能开始工作的时间百分比
吞吐量：又被称为带宽，是在一定时间段内对网络流量的度量。吞吐量越大越好
时延：指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。时延变化
时延变化：指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同
丢包率：指网络在传输过程中数据包丢失的比率。（丢失原因包括网络链路质量较差，网络发生拥塞）

第5章 无线传感器网络MAC层
单信道MAC协议
1. 无线传感器网络MAC协议的分类：

（1） 信道数（即物理层所使用的信道数）
多信道MAC协议

单信道：节点结构简单，无法解决能量有效性和时延的矛盾
基于TDMA的时分复用固定式MAC协议
多信道：可以解决能量时延和有效性的矛盾，但是节点的结构复杂
(2)信道分配方式
基于CSMA的随机竞争式MAC协议

混合式MAC协议

基于TDMA的时分复用固定式MAC协议：把时分复用，频分复用和码分复用相结合，实现无冲突的的强制信道分配，如C-TDMA协议

基于CSMA的随机竞争式MAC协议：通过竞争机制，保证节点随机地使用信道，并不受其他节点的干扰，如S-MAC。

混合式MAC协议：把基于TDMA的固定分配式和基于CSMA的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等，如Z-MAC。

侦听MAC协议：接收节点持续侦听，会浪费能源，周期性的侦听睡眠机制，虽然减少了能源的浪费，BUT引入了时延
（3）节点工作方式
唤醒MAC协议：发送节点采用低能耗的辅助唤醒信道发送唤醒信号，以唤醒一跳的邻居节点，如STEM协议

调度的MAC协议中：接收节点接入信道的时机是确定的，知道何时打开其无线通信模块，就能避免能量的浪费

分布式执行的协议：一般用于大规模的网络中

控制方式

集中式控制的协议

MAC层主流的分类方式是按照信道的分配方式来划分的：
采用无线信道的随机信道竞争方式，节点在需要发送数据随机使用无线信道，重点考虑如何尽量减少节点之间的相互干扰。
采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免了节点之间的相互干扰。
其他MAC层协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点无冲突的无线信道分配。
2. IEEE 802.11采用带冲突检测的载波技术（CSMA/CA）。
3.802.11网络拓扑结构：
（1） Ad Hoc网络形式(P2P或IBSS)：没有固定的、有线的基础设施的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。
节点可以移动，节点即使主机又是路由器，具有路由功能可以通过无线连接形成多种拓扑结构。
这中结构使用公用广播信道，抗毁性好，建网容易费用低，适用于用户数相对较少的工作群网络规模。
（2） 基础结构网络形式：无线接入点（AP）负责移动终端的管理以及协调无线和有线网络之间的通信。
因为有接入点所以复杂度降低，当网络的业务增大时，网络的吞吐性能和网络时延并不明显每个节点只要在站点的覆盖范围内就能够与其他节点通信，网络受环境的限制也很小。
（3） 扩展服务集结构形式：一个AP将无线网络连接至有线网络主干。主要用于无线工作站与有线网络之间接收‘缓存转发数据。
4.载波侦听多点访问协议（CSMA）：当信道有帧存在时，称信道忙碌，否则称为信道空闲，每站发送前先检测信道状态，是否发送数据要根据信道状态来决定。
5.802.11 协议MAC层的工作模式：两种访问机制
（1） DCF 分布式协调功能：用于竞争服务并且作为PCF的基础
（2） PCF 点协调功能：轮询机制
（3） NAV（网络分配矢量）：计数器，为0时信道空闲，否则信道忙。
6.（1）短帧间间隔：SIFS
（2）PCF帧间间隔：PIFS
（3）DCF帧间间隔：DIFS
（4） 扩展帧间间隔：EIFS
时间是由短到长
7.DCF的基本访问是竞争一个信道
DATA
DIFS
源站点

ack
SIFS

difs
目的站点
数据
竞争

其他站点
等待时间

RTS/CTS解决隐蔽终端问题，A向B发送RTS，B向另外两个区域都发送CTS，这样A就能给B发送消息但是不受别的节点影响。

7. PDF通过PC控制下的轮询和应答机制来提供无竞争的帧传输。

8. 基于竞争的MAC协议：
a) S-MAC协议：
1. 周期性侦听和睡眠：具有相同调度的节点形成一个虚拟蔟，边界节点记录两个或多个调度。边界节点可以通知一边睡觉，另一边工作。
2. 流量自适应侦听机制：通信节点的邻居节点在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间，如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立即接收数据，无须等待下一次侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。
3. 消息传递：S-MAC一次性预约整个长消息发送的时间，每个分组都有剩余时间域，并把长消息分成几个短消息，每发送一个短消息就立刻确认。而802.11只预约下一个发送短消息的时间，其他节点发送后进入侦听状态无需醒来，没有收到短消息应答就端来连接，其他节点可以竞争信道，实现公平性。
9. T-MAC是S-MAC的升级版：如果在一个给定的时间没有没有发生任何一个激活事件（收到信息）就进入睡眠状态。
10. T-MAC早睡问题：解决方法：（1）未来请求发送：A向B发送RTS，B向A和C发送CTS，C向D发送FTFS让D不要睡觉，这样就能在接受到B的消息后发送给D 而不会让D睡觉而延迟到下一个侦听周期。（2）满缓冲区优先，C的缓冲区满了，A发送的信息发送给B—C—D然后再传回给C。

11. 基于分簇的MAC协议：每个簇有簇头节点，簇成员节点将信息传递给簇头节点，然后簇头节点将信息传递给汇聚节点。
12. DEANA协议：与传统的TDMA协议相比，DEANA协议在数据传输的时槽前加入了一个控制时槽，使节点在得知其不需要接收数据时进入睡眠状态，从而解决串音问题。

第6章 无线传感器网络协议的技术标准
1. 传感器主要的标准：ZigBee、802.15.4、超宽带（UWB）。
2. ZigBee的技术特点：（1）数据传输速率低（2）有效范围小（3）工作段灵活（4）省电（5）可靠（6）成本低（7）时延短（8）网络容量大（9）安全
第七章 无线传感网络的路由协议
1.平面路由协议：（1）洪泛路由协议：收到的信息以广播的形式转发给所有邻居节点
（2）闲聊法：如果一个节点已经收到它的邻居节点B 的副本，如果再次收到，就发回给B。
（3）SPIN 协议：ADV、REQ、DATA
（4）SAR：考虑很多内容
（5）DD：以数据为中心
（6）MCFA：大多数据流都是从传感器节点向Sink节点方向传输的。
2.层次路由协议：（简答）
（1）LEACH：可以将网络整体的生存时间延长15%，其基本思想是通过随机循环地选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中去，从而降低流能源消耗，提高网络整体生存时间。
（2）PEGASIS：在网络中选择一个节点作为起始节点，建立一条最优回路链，起始节点将进行了数据融合后的数据信息发送给汇聚节点。由于起始节点负载较重，
PEGASIS采用了全网节点轮流作为回路链的起始节点的方式进行均衡。
3.能量感知路由：能源消耗包括：通信相关的能量消耗、计算相关的能量消耗
4.基于查询的路由：（1）定向扩散路由：兴趣扩散阶段、梯度建立阶段、数据传播阶段、路径加强阶段。（2）谣传路由
5.地理位置路由：GPRS路由：（1）贪婪转发算法 ( 2 ) 周界转发：逆时针方向选择链路

第八章 无线传感器网络安全
1.无线传感器网络安全面临的障碍：WSN资源极其有限、不可靠通信、WSN网络操作无人照看
2.无线传感器网络安全安全要求：（1）数据机密性（2）数据完整性（3）数据新鲜度（4）认证（5）可用性（6）自组织（7）时间同步（8）安全定位
3.无线传感器网络中的安全攻击：
（1）物理层攻击：人为干扰、物理篡改
（2）数据链路层攻击：碰撞、能量消耗、不公平性
（3）网络层（路由）攻击（简答）：
1.对路由信息的哄骗、篡改、重放：攻击者对路由信息哄骗、篡改、重放，能创建路由闭环，吸引或者降低网络流量，延长或缩短源路由，产生错误信息，分割网络，增大端到端的时延。
2.选择性转发：一种是拒绝转发一些消息并丢掉，确保这些信息不会进一步传输，另一种是攻击者选择性的转发分组，降低他被怀疑的可能性，但是抑制或篡改一些精选节点的分组，仍转发其余流量分组。
3.污水池攻击：是使失密节点对于周围节点看上去很有吸引力，攻击者可以哄骗或者重放到达中心节点的极高质量的路由广播消息。
4.女巫攻击:是指一个恶意装置非法占用了多个网络身份，将一个恶意装置的额外身份称为女巫节点。
5. 蠕虫攻击：一条蠕虫就是一条连接两个网络子区域的低时延链路，攻击者在这条链路上中继网络消息，就会导致信息传输不到目标节点，或者网络拥堵。
6. Hello洪泛攻击：攻击者利用路由协议中的hello消息进行攻击，告诉邻居节点自己的存在，让别人把信息发送给自己。
7. 确认哄骗：当源节点要发送给目标节点消息的时候，确认哄骗的节点就告诉源节点目标节点已经接受到了消息，但实际没有接受到。
（4）传输层的攻击：洪泛、去同步
第十章 物联网
1. RFID：射频识别技术