无线传感器网络知识点总结
时间：2022-09-12 20:00:01
第一章：无线传感器网络概述
1.什么是无线传感器网络？与无线局域网的区别？例如，三个无线传感器网络的例子？
无线传感器网络：是一种由传感器结点组成的网络，可以实时监控、感知和收集聚点部署区域的环境或观察者感兴趣的各种信息。
Ad hoc：无线自组织网络，需要固定的通信设备作为支持，每个终端节点都可以构建自己的网络域，动态实现网络互联。
应用：环境预测与保护、医疗保健、军事领域、智能家居
2.描述无线传感器网络的系统结构？
传感网络部分，汇聚节点，管理节点
3.OSI七层协议与无线传感器网络五层协议的异同？按层对比说明？
物理：大量WSN基于射频电路的网络节点
数据链路层：访问控制、错误控制
网络层：特殊的多跳无线路由协议，路由算法在设计中需要考虑能耗，WSN网络层的设计以数据为中心
传输层：互联网TCP协议不适于WSN的传输层
应用层：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议
4.为什么无线传感器网络的每一层协议都需要关注功耗？
在WSN传感器节点大多由能量有限的电池供电，长期无人值守工作。节点数量多，分布区域光，环境复杂
5.设计无线传感器网络的物理层主要考虑哪些关键问题？为什么？
传输介质、频率选择、调制技术
传输介质传输介质包括光纤、无线电波、红外线、光波等。WSN主流传输方式是无线电波，容易产生无线电波，传输距离长，穿透性强。
频率选择：选择ISM频段，优点是无需注册公共频段，可选频段范围广，无特定标准，可灵活使用。
调制技术：设计以节能和成本为主要标准的调制技术。为满足要求WSN最小化符号率和最大化数据传输率的指标，M－ary用于调制技术WSN。
物理层需要考虑编码调制、通信速率、通信频段等问题。
6.简述B-ary和M-ary各自的特点，举例说明各自适应的应用场景。
M-ary：多进制调制利用多进制数字基带信号调制载波的振幅、频率、相位。
与二进制调制相比：
ａ．M-ary调制系统可以通过单个符号发送多个数据来减少发送时间。
ｂ．M-ary调制电路比较复杂
ｃ．M-ary调制需要更高的发射功率来发送多个信号
d.二进制调制机制在启动能耗大的系统中更有效，多进制调制机制仅适用于启动能耗低的系统。
ｅ．M-ary调制的误码率通常大于二进制调制的误码率
1.概念、功能、特征
特点：自组织、分布式、节点平等、安全性差
特点：计算能力低，能源供应不可替代，节点变化强，规模大
节点功能：a.支持多种网络功能的动态配置，b.网关可动态配置节点，普通节点，c.为了增加新的功能，远程可编程，d.定位功能，e.支持低功耗网络传输，f.支持长途通信
WSN节点结构：
2.分布式特征
3.WSN时效性和实时性的区别
无线传感器网络要求有较好的实时性
4.常见的拓扑结构
５.分层，每层主要功能
6.自组织网，多跳传输的特点
多跳传输：由于考虑到通信范围和节能，节点只能在固定范围内与节点交换数据。因此，必须采用多跳传输来访问邻居节点以外的节点或将数据传输到外部网络。
第二章物理层
1.主流传输方式，介质，特点
WSN物理层主流传输是无线电波，容易产生无线电波，传输距离长，穿透性强，通信无特殊限制
2.与传统不同，所涉及的调制编码技术
M-ary用于多进制调制WSN物理调制。多进制调制通过单个符号发送多个数据来减少发射时间和发射功耗。
3.物理层的主要功能，协议，解决问题
OSI物理层：物理层提供机械、电气、功能和鬼城特性，以建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接。
WSN物理层:直接向下连接物理传输介质，主要负责数据的调制、发送和接收。WSN节点体积、成本和功耗的关键环节
主要功能:a.为数据终端设备提供传输数据的渠道，b.传输数据，c.信道评估、能量检测等其他管理工作。
4.无线电波使用频段的限制
基本采用单信道无线传感器网络节点ISM波段
第三章:无线传感器网络数据链路层
1.无线传感器网络数据链路层的功能？
数据链路层利用物理层提供的数据传输功能，将物理层的物理连接链转换为逻辑连接链，以确保链路的可靠性。同时，数据链路层还为网络层提供透明可靠的数据传输服务，负责数据流多路重用、数据帧监控、媒体访问和错误控制，以确保WSN内点到点和多点连接。
MAC层协议分类：
按节点接入方式划分：侦听、唤醒、调度MAC协议
按信道占用数划分：单信道、双信道、多信道MAC协议
按分配信道划分：固定接入，随机接入。MAC协议属于随机接入协议
MAC协议多余能量的消耗方面：碰撞，持续侦听，控制开销三方面浪费大量能量。
MAC层层的关键问题：
A.能效问题：降低能耗的主要方法是调度节点睡眠，降低协议的复杂性
b.可扩展性：网络的节点分布结构会发生动态变化，MAC层协议必须具有可扩展性
c.公平性:每个节点都有相同的访问信道权；每个节点的能量保持大致平衡，从而延长整个网络的使用寿命
d.信道共享问题WSN通过多跳共享，信道上的数据会产生冲突和串扰(节点收到大量无用信息)
2.无线传感器网络数据链路层常见的协议有哪几种？各自的特点？各自适应的应用场景？
２.基于竞争的协议：S－MAC协议，T-MAC协议
２.１.1S-MAC协议机制：
节点工作模式分为侦听和睡眠状态
b.通过协商的一致性睡眠调度机制，相邻节点可以同时活动和睡眠，从而形成虚拟簇
c.通过突发传输和消息分割机制，减少消息传输延迟，控制消息费用
d.减少网络延迟在传输过程中的累积效应，通过流量自适应的侦听机制
２.基于分配的协议：SMACS协议，TRAMA协议，
２.３混合型MAC协议：
２.４跨层MAC协议
1.面对冲突和竞争的协议
2.基于竞争的协议，有图的协议
３.WSN协议结构模型，绘图
第四章：无线传感器网络的网络层
1.网络层无线传感器的主要功能？OSI网络层七层协议的差异。
功能:
a.从源结点到目的节点寻找最佳路径的路由选择
b.路由维护确保数据可以沿着这条最佳路径转发数据
不同点:
传统无线路由协议的主要目的是减少网络拥堵，保持网络数据交换，提供高质量的网络服务
无线传感器的特点：
以数据为中心、基于局部拓扑信息、基于应用、数据集成的大规模分布式应用
2.无线传感器网络网络层协议面临的问题？
最佳路径选择，安全，Qos保证能量的高效利用和平衡
节能、高可扩展性、容错性、数据集成技术、通信量分布不均匀
3.无线传感器网络的网络层协议有哪些？
基于数据的路由协议，基于集群的路由协议，基于地理位置的路由协议
基于数据的路由协议：可以根据属性命名感知数据，在传输过程中集成相同属性的数据，减少网络中冗余数据的传输
基于集群的路由协议：考虑到路由算法的可扩展性和分层路由协议
基于地理位置的路由协议：利用节点的地理位置改变一些路由算法
4.对比WSN各种路由协议的特点和异同点。
5.泛洪协议的主要优缺点？
优点：向节点广播，直到数据到达目的地
缺点：内部爆炸和重叠浪费了大量能量
6.基于数据的路由协议是什么？有哪些例子？
SPIN路由算法(基于协商的路由算法)
DD路由算法(定向扩散路由算法)
7.基于集群的路由协议是什么？有哪些例子？
分层路由协议
LEACH路由协议：
TEEN协议:
8.基于地理位置的路由协议是什么？有哪些例子？
利用位置数据,确定自己的路由协议,提高网络性能
GAF路由算法：利用地理位置协助改进其他路由算法，约束网络中的路由搜索区域，减少网络不必要的开支。
GEAR算法：利用地理位置实现自己的路由策略
9.什么是洞现象
洞:没有邻居节点在某个节点周围比它去事件区域的路径更贵。
解决方案：当出现孔现象时，选择临界点中成本最低的节点作为下一个跳跃节点
1.路由，路由维护，路由选择
2.路由协议有哪些类型可以区分？
无线传感器网络路由协议的特点：
a.高效均衡地利用能量
b.协议简化，算法复杂，需要存储大容量冗余数据，控制成本小
c.互联网通过sink完成节点，其他节点不提供网外通信
d.基于数据或位置的路由算法机制主要用于网络无中心节点
e.由于节点的移动或故障，一般采用多路径备选
第五章:无线传感器网络的传输层
１.WSN传输层协议的特点
降低传输层协议的能耗，有效控制拥塞，确保网络的可靠性.
２.能否把TCP协议用于WSN，他们之间的关系
不能
ａ.TCP该协议提供端到端可靠的信息传输，中间转发节点没有数据处理能力.而WSN节点需要处理数据
b.TCP三次握手机制时间长，过程复杂.而WSN动态性强，实时性要求高，TCP没有相应的处理机制
c.TCP和WSN有一定的数据包丢失或删除
d.TCP协议中的ACK反馈机制延长，能耗大，不适合WSN
e.TCP每个节点都有IP，在WSN中不现实
第六章：通信标准
IEEE 802.15.4标准是一种低速率、近距离无线通信标准
IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层，介质访问控制层
IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议，其定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
1)在不同的载波频率下实现了20Kbps、40kbps,100kbps和250kbps四种不同的传输频率；
2支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
3)有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址；
4)支持冲突避免的载波多路侦听技术；
5)支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
LR-WPAN网络中，根据设备所具有的通信能力分为：全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD）
IEEE802.15.4物理层数据服务包括以下五方面的功能：
（1）激活和休眠射频收发器
（2）物理信道能量检测
（3）检测接收数据包的链路质量指示
（4）空闲信道评估
（5）收发数据
(6) 物理层属性参数的获取与设置
MAC层功能
1)协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；
2)支持PAN（个人域网）网络的关联和取消关联的操作；
3)支持无线信道的通信安全；
4)使用CSMA/CA机制访问信道；
5)支持时隙保障（GTS）机制；
6)支持不同设备的MAC层间可靠传输。
Zigbee协议简介
相对常见的无线通信标准，比较紧凑、简单。可分为3个层次：物理层/数据链路层，Zigbee堆栈层和应用层。
ZigBee协议主要特征
省电 可靠 廉价 短时延 大网络容量 安全
Zigbee网络层功能
网络层在MAC层与应用层之间提供合适的接口，通过激发MAC层动作执行寻址和路由功能。主要任务包括：
a.网络的建立
b.设备的加入
c.设备段地址的分配
d.设备的离开
e.邻居列表的维护
Zigbee网络层包括网络层数据实体和网络层管理实体
Zigbee应用层：由应用支持子层（APS）、应用框架（AF）、Zigbee设备对象（ZDO）
Zigbee设备：协调器、路由器、终端设备
蓝牙:
短距离通信,10m内
蓝牙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,采用时分双工传输方案
第七章：时间同步技术
1.什么是无线传感器网络的时间同步？与传统计算机网络的时间同步有何不同？
时间同步：使网络中所有节点的本地时间保持一致
时间同步的三种情况：判断事件发生的先后顺序，相对同步，绝对同步
时间同步的参考时间来源分：外同步和内同步
计数方式：硬件计数（晶振），软件计数
时钟偏移：本地时间与真实时间的差值，用来描述计数的准确度
时钟漂移：本地时间变化率与1的差值，反映时钟计数的稳定性
不同点：
现有传统网络的时间同步机制关心的是怎样使同步误差更小，不关心节点的计算复杂程度，通信的安全保障和能耗问题，NTP和GPS时间同步技术不适用于无线传感器网络。
2.时间同步的方法有哪些？哪些适合无线传感器网络？为什么？
DMTS同步：考虑报文的传输延迟，在设置本地时间时，报文中嵌入的时间加上传输延迟即节点的本地时间。算法简单灵活，网络流量小，能耗小，但没考虑传播延迟，编解码影响，同步精度不高。
RBS同步：消除发送时间和访问时间所造成的传输时间误差，从而提高同步精度。接收节点只需要比较接收节点接收报文的时间误差。但网络开销大。
TPSN同步：双向报文交换协议，层次型网络结构。分为层次发现阶段和时间同步两个阶段。消除了访问时间带来的时间同步时延，提高了时间同步的精度，协议的同步开销比较大。
FTSP算法：使用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步，采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差。
3.无线传感器网络时间同步的关键技术问题有哪些？
传输延迟不可预测，高能效，可扩展，健壮
4.列表比较时间同步技术的特点及优缺点？
精度：FTSP＞RBS＞TPSN
收敛性：TPSN收敛时间较长，RBS和FTSP收敛时间较短
扩展性：TPSN扩展性最差
鲁棒性：RBS>FTSP>TPSN
能耗方面：RBS能耗较大，TPSN相对较小，FTSP最小
5.新型时间同步技术：
协作同步：远方节点直接接收到时间基准节点的同步脉冲，中间节点只是起协调作用
萤火虫同步：Pekin模型和Ｍ&S模型。优点
a.同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现
b.对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此扩展性强
c.机制简单，不需要对其他节点的时间信息进行存储
1.时间同步类型
2.解决的主要问题
3.TPSN，RBS协议，有图的协议
第八章：无线传感器网络结点定位技术
1.什么是无线传感器网络的定位技术？与传统定位技术有何不同点？
无线传感器网络定位：依靠网络中少量的位置已知的节点，通过邻居节点间有限的通信和某种定位机制确定网络中所有未知节点的位置。
自定位：确定节点自身在系统中的位置
目标定位：确定目标节点在系统中的位置
2.定位的方法有哪些？哪些适合无线传感器网络？为什么？
三边定位法：
角度定位法：
3.无线传感器网络定位的关键技术有哪些？
4.列表比较定位技术的特点和优缺点？
1.类型区分
2.定位的基本原理
测量两点之间的距离：
a.根据接收信号的强度来计算距离
b.根据信号传播时间（TOA）或者时间差来计算距离（TDOA）
c.根据接收信号相位差定位
传感器网络定位算法特点：
自组织性，健壮性，节能性，分布式，可扩展性
第九章：容错设计技术
1.什么是容错？无线传感器网络容错的重要性？
容错：当由于种种原因在系统中出现了数据，文件损坏或丢失时，系统能够将这些文件恢复到发生事故以前的状态，使系统能够连续正常运行的一种技术。
2.什么是失效，故障，差错？
失效：设备停止工作，不能够完成所要求的功能
故障：设备还能工作，但不能够按照系统要求工作，得不到应有功能
差错：设备出现了不正常的操作步骤或结果
3.故障模型有哪几种？
故障避免，故障检测，故障隔离，故障修复
4.无线传感器网络的可靠性主要体现在哪几方面？分别如何实现可靠性？
事件的可靠性，数据包的可靠性
5.基于空间相关性的故障诊断有哪三种策略？各自特征是什么？
空间相关性：无线传感器网络中相邻节点的同类传感器之间所测量的值通常有很相近的特性
a.多数投票策略：通过与邻居节点测量值进行比较，根据邻居节点在误差范围内的个数。
b.均值策略：计算邻居测量值的平均值，判断自己是否正确。
c.中值策略：利用邻居测量值的中值与自己的测量值进行比较
WSN故障层级：部件级，节点级，网络级
第十章服务质量QOS
6.什么是QOS？无线传感器网络的QOS需求有哪些？
含义：
应用角度：QOS代表用户对于网络所提供服务的满意程度
网络角度：QOS代表网络向用户所提供的业务参数指标
需求：可用性，吞吐量，时延，时延变化，丢包率
7.举例说明WSN的QOS在各个协议层是如何实现的？
应用层QOS：系统生命周期，查询响应时间，事件检测成功率，查询结果数据的事件空间分辨率，数据可靠性，数据新颖度。
数据管理层QOS：传感器节点相互合作，实现高效的信息采集和分发策略。资源自适应信息采集算法RAIG
数据传输层QOS：PSFQ（快吸慢取得方式，可靠得数据传输协议价），ESRT协议（新颖的数据传输方法）
网络层QOS：路由协议通过将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点
连通层QOS：保证网络的感知覆盖度和连通度
MAC层QOS：提出基于冲突和载波监听的MAC协议，目标是最大化系统量，并未提供实时性保证。
交叉层QOS：保障实时性和容错性的传感器网络中间件
8.什么是感知QOS？
感知QOS：WSN中传感器节点对检测区域的感应，监控的效果
9.简述比较典型的WSN中使用的感知QOS算法与协议的特点和区别？
a.基于网格的覆盖定位传感器配置算法：
b.轮换活跃/休眠节点的覆盖协议：
c.最坏与最佳情况覆盖：
d.暴露穿越
e.圆周覆盖
f.连通传感器覆盖
10.传输QOS主要解决的问题是什么？
可靠数据传输和拥赛控制
1.失效，故障，差错概念区分
2.QOS含义和功能
第十一章：网络管理
网络管理：对网络的运行状态进行监测和控制
1.哪几种，怎么区分
集中式网络管理：依赖于少量的中心控制管理站
层次式网络管理：设置若干个中间控制管理站点
分布式网络管理：网络具有多个控制管理站点，每个管理站点都管理各自的子网
网络管理技术：
a.基于web的网络管理技术
b.基于策略的网络管理
c.基于智能agent技术的网络管理
d.基于XML的网络管理
e.基于web service的网络管理
网络管理的关键问题：
a.高效的通信机制
b.轻量型的结构
c.智能自组织的机制
d.安全稳定的环境
大学生一个，微信公众号：飞享
交有想法，一起做事的朋友，公众号上有简介
