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无线传感器期末总复习一、无线传感器网络概述1.无线传感器分为两种：（1）有基础设施网，需要固定基站（2）无基础设施网，称为无线AdHoc网络，节点为分布式A.移动AdHoc网络，终端是快速移动的B.无线传感器网络，节点是静止的或移动很慢2.无线传感器网络的标准定义：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，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区内感知对象的监测信息，并报告给用户（数据采集传感器技术、处理计算机技术和传输功能通信技术）3.无线传感器网络的三个基本元素（1）传感器（2）感知对象（3）用户4.节点的工作模式：发送、接收、空闲、睡眠5.传感器节点由4个部分组成：传感器单元、处理器单元、无线通信单元、电源单元。除了电源单元，其他都在消耗能量，传感器单元能耗比处理器与无线传输能耗低很多。6.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成7.能量消耗的两种类型：通讯相关、计算相关。8.传感器节点的限制传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束，这些约束把无线传感器网络和计算机网络区分开来。（1）电源能量有限（消耗能量的模块有传感器、处理器和无线通信模块发送、接收、空闲、睡眠）（2）通信能力有限（3）计算和存储能力有限9.传感器组网的特点（与其他网络的区别）(1)自组织性：自动进行配置和管理，通过图谱控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统(2)以数据为中心：根据任务采集数据，关心数据本身和数据产生位置(3)应用相关性：不同的应用对传感器网络的要求不同(4)动态性：结点故障失效、通信链路宽带变化、新节点加入、基本元素的移动而造成拓扑结构的改变(5)网络规模大：分布在很大的地理区域内，结点部署密集A.通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比B.分布式处理大量采集信息，提高检测的精确度C.大量冗余节点的存在，使系统具有很强的容错性能D.大量节点增大覆盖监测区域，减少探测遗落地点或盲区(6)可靠性：坚固，不易损坏，能适用恶劣环境条件10.无线传感器网络的关键性能指标（1）网络的工作寿命（能量供给）（2）网络覆盖范围（多跳通信技术可大大扩展网络覆盖范围）（3）网络搭建成本和难易程度（4）网络响应时间（发生安全异常事件时需立刻发送警报消息）11.无线传感器网络的应用（1）军事应用（战场实时监视）（2）环境科学（监视土壤空气情况）（3）空间探索（检测星球表面）（4）医疗健康（监护病人病情）（5）智能家居（自动除尘）（6）建筑物和大型设备安全状态的监控（房屋、桥梁的安全隐患和建筑缺陷）（7）紧急救援（在地震等紧急情况下进行通信）（8）其他商业应用（交互式博物馆）二、无线传感器网络结构、覆盖与连接1.无线传感器网络拓扑结构从组网形态与方式划分：集中式、分布式、混合式从节点功能和结构层次划分：（1）平面网络结构A.简单，易维护，较好的健壮性B.没有中心管理节点，组网算法比较复杂（2）分级网络结构A.骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性B.一般传感器之间可能不能直接通信（3）混合网络结构A功能强大，但硬件成本更高B一般传感器节点之间可以直接通信，不需通过汇聚骨干节点来转发数据（4）Mesh网络结构A.由无线节点构成网络，网络内部节点一般都是相同的B.按照Mesh拓扑结构部署，网内每个节点至少可以和一个其他节点通信C.支持多跳路由D.功耗限制和移动性取决于节点类型及应用特点E.存在多种网络接入方式，通过星型、Mesh等节点方式和其他网络集成2.两个定理（r为传感器能够感应的距离，c为传感器的通信半径）（1）当传感器的密度及单位区域的传感器数目为有限时，c2r是覆盖包含连接性的充分必要条件（2）当c2r，一个凸区域的k阶覆盖必定包含了k阶连接性3.无线传感器网络的点覆盖的目标节点覆盖优化后要求每个目标在任意时间内都能至少被一个无线传感器节点监测三、无线传感器网络通信1.网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中MAC层和物理层协议采用的是IEEE802.15.4协议（1）物理层：负责信号的调制和数据的收发（2）数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制（3）网络层：负责路由发现和维护（4）传输层：负责数据流的传输控制2.物理层主要功能（1）微数据终端设备（DTE）提供传送数据的通路（2）传输数据（3）其他管理工作：信道状态评估、能量检测3.数据链路层误差控制方法:增加输出传送能量或使用合适的FEC方案都可保证链路可靠性。增大发送能量可使误码率降低，但节点能量有限，不可随意增大；FEC编码和解码消耗额外处理能量，额外计算和额外传输消耗能量，但可纠正错误使不至于整个数据重传，若浪费能量节约能量，则使用FEC有意义。4.传输层协议（1）Event-to-Sink传输Event-to-Sink的可靠度是必要的，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报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。（2）Sink-to-Sensors传输包括了一定等级的重新传送和确认机制。为了不消耗稀缺资源的节点资源，这些机制应慎重的结合到传输层协议中。四、无线传感器网络的支撑技术(重点)1.时间同步的意义和作用(1)首先，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。数据融合是协作操作的典型例子，不同的结点采集的数据最终融合并形成一个有意义的结果。例：在车辆跟踪系统中，传感器节点记录车辆的位置和时间，并传送给网关汇聚节点，然后结合这些信息来估计车辆的位置和速度。如果传感器节点缺乏统一的时间同步，则对车辆的位置估计将会是不准确的。(2)其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。例：传感器可在适当的时候休眠，在需要的时候再次被唤醒。在应用这种节能模式时，网络节点应该在相同的时间休眠或被唤醒，也就是在数据到来时，节点的接收器并没有关闭。在这里，传感器网络时间同步机制的设计目的是为网络中所有节点的本地时钟提供共同的时间戳2.传感器网络时间同步协议(1)RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后在多个收到同步信号的节点之间进行同步。(2)Ting/Mini-Sync(3)TPSN(TimingsyncProtocolforSensorNetwork)目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步操作过程包括两个阶段：A.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0级，第i级的结点至少能够与一个第i-1级的节点通信B.第二阶段（同步阶段）：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级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步相邻级别节点间的同步机制3.传感器网络节点定位问题是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。（1）这种自组织网络的定位可分为节点自身定位和目标定位A.节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程B.目标定位是确定网络覆盖范围内一个事件或一个目标的坐标位置（2）从不同的角度出发，无线传感器网络的定位方法可分为：A.根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需测距的定位B.根据部署场合的不同，分为室内定位和室外定位C.根据信息收集的方式，网络收集传感器数据用语节点定位被称为被动定位，节点主动发出信息用于定位被称为主动定位4.基于测距的定位技术含义：通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置的技术，常用方法是多变定位和角度定位。(基于测距的定位技术的方法与工作原理：三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标。)测距方法：(1)接收信号强度指示（RSSI）原理：接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离/nRTPPr=RP是无线信号的接受功率，TP是无线信号的发射功率，r是接收单元之间的距离，n是传播因子优点：实现简单，广泛采用，缺点：遮盖或折射现象使接收端误差大、精度较低(2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)基本原理：ToA：根据已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间距离；TDoA：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这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。1212/()Scccc=-21()LTTS=-无线信号速度为1c超声波速度为2c，无线信号快1T为无线信号到达的时间，2T为超声波信号到达的时间L为两点之间的距离精度高，但ToA需节点间保持精确的时间同步，TDoA有c1与c2的误差5.无需测距的定位技术（1）质心算法1111(,)(,)nnnniiiixyXY=质心算法虽然实现简单，通信开销小，但仅能实现粗粒度定位，并且需要信标锚点具有较高密度，各锚点部署的位置也对定位效果有影响（2）DV-Hop算法根据矢量路由协议的原理在全网范围内广播条数和位置。每个节点设置一个至哥锚点跳数最小的计数器，根据接收的信号更新计数器。锚点广播其坐标位置，当节点接收到新的广播消息时，如果跳数小于存储的数值，则更新并转播该条数6.数据融合含义：数据融合也被称作信息融合，是一种多源信息处理技术。通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。内容：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪和识别、情况评估和预测；基本目的是通过融合，得到比各个单独的输入数据更多的信息。(1)无线传感器网络中数据融合的作用：A.提高信息的准确性和全面性.与单个传感器相比，多传感器的数据融合处理可以获得有关周围环境的更准确、全面的信息B.降低信息的不准确性.一组相似的传感器采集的信息存在着明显的互补性，这种互补性经过适当处理后，可以对单一传感器的不确定性及其测量范围的局限性进行补偿C.提高系统的可靠性.某个或某几个传感器失效时，系统仍能正常运行D.增加系统的实时性(2)数据融合技术的分类.A.根据融合前后数据的信息含量分类无损失融合：所有细节信息均被保留，只去除冗余的部分信息有损失融合：省略一些细节信息或降低数据的质量，从而减少需要存储或传输的数据量，以达到节省存储资源或能量资源的目的B.根据融合操作的级别分类数据级融合：操作对象是传感器采集的数据特征级融合：通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性决策级融合：根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合C.根据数据融合与应用层数据语义之间的融合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7.无线传感器网络的电源节能方法（1）休眠机制通过休眠实现节能的策略主要体现在以下方面：A 硬件支持（能量消耗从高到低：发送、接收、空闲、休眠）B采用休眠机制的网络协议C专门的结点功率管理机制（2）数据融合通过本地计算和融合，原始数据可以在多跳数据传输过程中进行处理，进发送有用信息，有效的减少了通信量。节能效果主要体现在路由协议的实现上8.失效（Failure），故障（Fault），差错（Error）三者区别（1）失效：某个设备中止了它完成所要求功能的能力（2）故障：某个设备、元件或组件不能按照所要求的方式工作（3）差错：一个不正确的步骤、过程或结果9.故障检测与诊断3种不需要地理位置信息的部件故障检测（1）多数投票策略通过与邻居节点的测量值进行比较，得到与自己测量值相同或差距在允许范围内的邻居测量值的个数，如果个数超过邻居数目的一半，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。（2）均值策略计算邻居测量值的平均值，然后比较这个均值和自己的测量值，如果它们差距在允许范围内，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。（3）中值策略利用邻居测量值的中值与自己的测量值比较，如果它们差距在允许范围内，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。即使是在有很多邻居测量值都是错误时，仍能正确地判断出自己的测量值是否正确10.查询语句(1)TinyDB系统的查询语句TinyDB系统的查询语言是基于SQL的查询语言，称为TinySQL。该查询语言支持选择、投影、设定采样频率、分组聚集、用户自定义聚集函数、事件触发、生命周期查询、设定存储点和简单的连接操作。(2)Cougar系统的查询语句Cougar系统提供了一种类似于SQL的查询语言。在很多传感器网络应用中，对环境进行连续周期性地监测特别重要。因此，Cougar系统的查询语言提供了对连续周期性查询的支持。11.数据存储数据中心存储方法：（1）地理散列函数使用地理散列方法，一个数据的关键字被散列函数随机地映射为一二个地理位置，即地理坐标(x,y)（2）地理路由协议GPSRGPSR是为移动AdHoc网络设计的一种路由协议。给定一个节点的位置坐标，GPSR根据节点的位置信息就可把数据包路由至该节点（3）地列散列方法如何利用GPSR（见7.6.3）（4）增强地列散列函数的鲁棒性（5）地列散列方法的结构复制12.数据中心存储方法(1)地理散列函数：将一个输入映射到一个地理位置的函数(2)地理路由协议GPSR(3)地理散列方法如何利用GPSR：（地理散列函数得到一个位置，通过GPSR协议找距该位置最近的节点并存入数据）(4)增强地理散列方法的鲁棒性五、无线传感器网络的MAC层1.IEEE802.11协议协议定义了两种类型的设备，一种是无线站，通常是通过一台PC机器加上一块无线网络接口卡构成的，另一个被称为无线接入点，作用是提供无线和有线网络之间的桥梁2.IEEE802.11协议MAC层工作模式协议规定了两种不同的MAC层访问机制(1)分布式协调功能（DCF），用来传输异步数据，同时也是支持PCF机制的基础。DCF机制可被应用于所有站点，无论其拓扑结构是基本网络配置还是IBSS(2)点协调功能（PCF），只可用于基本网络配置的拓扑结构。PCF工作原理主要是轮询机制，即由一个点协调器来制定令牌的循环。3.DCF中RTS/CTS访问机制在无线局域网中，经常出现隐藏终端的问题。为了解决这种问题，DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行新到预约。具体实现过程：A发送RTS给B，B发送CTS给A，C可收到B发送的CTS，C收到CTS后根据持续时间NAV字段进行休眠4.基于竞争的MAC协议基本思想：当节点需要发送数据时，通过竞争的方式来使用无线信道，如果发送的数据产生碰撞，就按照某种策略重发数据，知道数据发送成果或放弃发送。（1）S-MAC协议的主要机制A.周期性侦听和睡眠（作用、原理和步骤）作用、原理：为了减少能力消耗，节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。每个节点独立地调度自己的工作状态，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，以判断是否需要发送或接收数据。为了便于相互通信，相邻节点应该尽量维持睡眠和侦听调度周期的同步。步骤：当节点启动工作时，首先侦听一段相同的定长度的时间，如果在这段侦听时间内收到了其他节点的调度信息，则将它的调度周期设置得与邻居节点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息。当节点收到多个邻居节点的不同调度信息时，可以选择其第一个收到的调度信息，并记录收到的所有调度信息。如果节点在这段侦听时间内没有收到其他的调度信息，则产生自己的调度周期并广播。在及诶单产生和通告自己的调度后，如果收到了邻居的不同调度，则分为两种情况：如果没有收到过与自己调度相同的其他邻居的通告，则使用邻居的调度而丢弃自己生成的调度；如果节点已经收到过与自己调度相同的其他邻居的通告，则在调度表中记录该调度信息，以便能够与非同步的相邻节点进行通信B.流量自适应侦听机制。流量自适应的侦听，减少消息在网络中的传输延迟。C.串音避免D.消息传递。通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。（2）T-MAC协议基本工作原理：通过采用周期性侦听和睡眠的工作方式来减少空闲侦听。周期长度是固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的。协议提出了两种方法解决早睡问题：A.未来请求发送B.满缓冲区优先（3）Sift协议5.基于分簇网络的MAC协议（基于TDMA的无线传感网络MAC协议）为了适应1簇内节点的动态变化，2及时发现新节点，3使用能量相对高的结点转发数据等目的，协议将时间帧分为周期性的4个阶段：(1)数据传输阶段(2)刷新阶段(3)刷新引起的重组阶段(4)事件触发的重组阶段六、无线传感器网络协议的技术标准1.IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4标准定义的LRWPAN网络有如下特点：(1) 在不同的载波频率下实现20KB/s,40KB/s和250KB/s3种不同的传输速率(2)支持星型和点对点两种网络拓扑结构(2) 有16位和64位两种地址格式，其中64为地址是全球唯一的扩展地址(3) 支持冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA/CA）(5)支持确认机制，保证了传输的可靠性2.物理层定义了27个信道，信道跨越3个频段，具体包括2.4GHz的16个信道，915MHz的10个信道，868MHz的1个信道3.ZigBee协议标准ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率低功耗低价格的无线网络方案ZigBee无线设备传输距离为1075m，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功率，工作在公共频段上分别为：（1）全球2.4GHz，通讯速率250KB/s（2）美国915MHz，通讯速率40KB/s（3）欧洲868MHz，通讯速率20KB/sZigBee网络拓扑结构：星型网络、网状网络、簇树形网络ZigBee的技术特点：（1）数据传输速率低，数据率只有20250KB/s，专注于低速传输应用。（2）有效范围小，有效范围在1075m内（3）工作频段灵活，三个频段均为无需申请的ISM频段（4）省电，工作周期短，收发信息功耗较低，并采用了休眠模式（5）可靠，采用了碰撞避免机制，并为需要固定带宽业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突（6）成本低，速率低，协议简单，另外使用ZigBee协议可免专利费。（7）时延短，针对时延敏感的应用做了优化（8）网络容量大，一个ZigBee网络可容纳多大254个从设备和一个主设备，一个区域内可布置多达100个ZigBee网络（9）安全，提供数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。4.蓝牙(1)运行在2.4GHz的非授权ISM频段，通讯距离只有10m左右(2)在基带中，蓝牙为微微网的主设备和从设备之间提供了两种基本的物理链路类型，即同步面向连接链路（SCO）和异步无连接链路（ACL）5.UWB：超宽带技术特点：利用持续时间非常短（纳秒级）的窄脉冲形式来传输数据，而且数据传输速率可以达到几百Mbps以上七、无线传感器网络路由协议1.无线传感器网络路由协议分类(1)按元及诶单获取路径的方法A.主动路由协议B.按需路由协议C.混合路由协议(2)按节点参与通信的方式A. 直接通信路由协议B.平面通信路由协议C.层次路由协议(3)按路由的发现过程A.以位置信息为中心的路由协议B.以数据为中心的路由协议(4)按路由选择是否考虑服务质量（QoS）约束2.Flooding和Grossing协议（1）洪泛路由协议接收到消息的节点以广播的形式转发报文给所有的邻居节点；设定了生命期限，直到传输到目标节点或生命期限变为0为止。A.优点：实现简单，适用于健壮性要求高的场合B.缺点：使得网络中无效的数据传输急剧增加，从而出现信息爆炸现象，消耗本来紧张的能量、存储空间等资源；信息重叠情况大量出现。（2）闲聊法随机选择某一个邻居节点，作为转发的下一个节点，向它发送一份数据副本A.优点：避免了信息爆炸问题B.缺点：仍然无法解决出现的部分数据交叠现象和盲目使用资源的问题；数据传输的平均时延被拉长，传输速度变慢，无谓的资源消耗依然很多。3.TEEN阈值敏感的高效无线传感网络TEEN协议是一个基于簇群的路由协议，也是由LEACH发展而来的。定义了硬门限和软门限两个概念。达不到门限值，节点就无法和簇头节点通信，用户就无法从网络得到任何数据。即使节点死亡，用户也不知道。4.能力消耗源：尝试在通信、计算相关的能量消耗之间达到一个平衡分为两类：通信相关的能量消耗、计算相关的能量消耗5.基于查询的路由(1)定向扩散（DD）路由的四个阶段A.兴趣扩散阶段B.梯度建立阶段C.数据传播阶段D.路径加强阶段(2)谣传路由借鉴了欧式平面图上任意两条曲线交叉几率很大的思想（当一个节点检测到一个事件，它将事件添加到该节点自身保存的事件表中。然后产生一个被称为代理的生命期较长的数据包，代理消息沿着随机路径向外扩撒传播，同时汇聚节点发送的查询消息也沿着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）。执行过程如下：A.每个传感器节点都维护一个邻居列表和一个事件列表B.传感器节点在本地检测到一个事件时，就在事件列表中增加一个表项，设置相关的事件名称、跳数等，同时根据一定的概率产生一个代理消息C.网络的任何节点都可以针对一个特定的事件生成查询消息D.若出现查询消息和代理消息的路径出现交叉的情况，交叉节点会沿着查询消息的反方向将事件信息传达到查询节点6.地理位置路由GPSR的前提：GPSR协议默认网络中的每个节点都可以通过GPS或者其他方法获知自己的地理位置信息路由开始时，采用贪婪转发方式进行分组转发，当贪婪方式失效时，即遇到通信空洞时转入周界转发模式继续路由，在条件满足时恢复贪婪转发模式，如此反复直至分组到达目的地。节点收到贪婪模式下的分组时，首先在邻居节点列表中选择离目的节点最近的一个节点作为下一跳，如果这个邻居节点比自己离目的节点的距离更近，则采用贪婪转发算法，反之就标记该数据分组为周界转发模式，并进行周界转发。（1）贪婪转发算法：基于地理信息的路由算法贪婪转发算法的前提是每个分组都已包含其目的节点位置或目标区域位置，每个节点都已知自己及自接邻节点的位置。总是朝目的节点最近的邻节点转发分组。优点：有点事节点只依赖邻居节点而不是网络中所有节点的位置信息；减轻了路由节点维护负担；由于下一跳的节点确定且只有一个，可避免数据分组在网络中重复大范围传播；GPS策略原理简单，计算复杂度低，生成的路径接近于最优化路径（2）周界转发：出现空洞现象时使用如果单纯依赖贪婪转发策略来转发数据包，在转发过程中数据包可能会到达没有任何邻居节点比自身更接近目的节点的区域，导致数据无法继续传输，这种现象称为路由空洞。采用右手规则确定转发路径。沿当前链路逆时针方向上的第一条链路。7.不相交多路径路由机制基本思想：首先由汇聚节点发出主路径增强消息，建立一条由汇聚节点到源节点的主路径P，然后进行备用路径的建立。汇聚节点向其次优节点A发出次优路径增强消息，节点A再将该消息发给自己的最优节点B。缠绕多路径可以克服主路径E单个节点失败的问题。理想的缠绕多路径由一组缠绕路径构成，如图7-18(a)所示，在主路径上的每个节点都能找到一条不包括本身的从源节点到目的节点的最优路径(实际上是次优路径)。而局部缠绕多路径则是经过运算后有可能在某些主路径的节点处找不到能绕过该节点的理想路径。八丶无线传感器网络安全1.无线传感器网络约束条件1WSN资源极其有限(1)存储器容量限制;(2)能量限制2不可靠通信(1) 不可靠传输;(2)碰撞;(3)时延3WSN网络操作无人照看(1)暴露在物理攻击之下;(2)远程管理;(3)缺乏中心管理点2.无线传感器网络安全要求数据机密性，数据完整性，数据新鲜度，认证，可用性，自组织，时间同步，安全定位，其他安全要求。3.WSN安全解决方案的性能指标和能力的评估安全；弹性;能量效率；灵活性;可扩展性；容错能力；自愈能力;保证;