无线传感网络
时间：2022-08-16 06:00:00
无线传感器网络(WSN)
第一章:绪论
掌握WSN定义：
无限传感器网络的标准定义是大量由自组织和多跳组成的静态或移动传感器的无线网络，旨在处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监控信息，并向用户报告。
掌握WSN系统组成：
传感器节点、汇聚节点和管理节点
掌握WSN三个基本要素:
传感器、感知对象、观察者
掌握WSN节点结构：
传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源管理模块
理解WSN特点：
- 自组织：通过拓扑控制机制和网络协议，自动配置和管理，自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。
- 以数据为中心：以数据本身为查询或传输线索。
- 应用相关性：不同的应用背景对传感器网络有不同的要求。
- 动态：由各种因素引起的网络拓扑的变化。
- 网络规模大：分布面积大，部署密集。
优点：不同空间获取信息的信噪比较大
分布式处理大量采集信息，提高精度，降低单个节点的精度要求
有大量的冗余节点，具有容错性
覆盖面积大，盲区减少 - 可靠性：传感器节点不易损坏，适应各种环境
理解WSN支撑技术：
时间同步、定位技术、数据集成、能量管理、容错技术、Qos保证，安全技术
理解WSN应用领域； - 军事领域
- 环境科学
- 空间探索
- 医疗健康
- 智能家居
- 建筑物和大型设备安全状态的监控
- 紧急援救
- 其它商业应用
第三章：WSN拓扑控制与覆盖技术
掌握WSN拓扑结构类型：
按组网形式和方式划分：
-
集中式
-
分布式
-
混合式
按节点功能和结构层次划分： -
平面网络结构：平面网络结构的所有节点均为对等结构，具有完全一致的功能特性，即每个节点均包含相同的节点MAC、路由、管理和安全协议。
优点：网络拓扑结构简单，维护方便
缺点：无中心管理节点，采用自组织协作算法形成网络，算法复杂 -
分级网络结构（层次网络结构）：网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点互连形成的子网拓扑，下层为一般传感器节点互连形成的子网拓扑。
优点：扩展性好，集中管理方便，可降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性
缺点：成本高，硬件成本高。一般传感器节点之间不能直接通信 -
混合网络结构：平面网络结构用于网络骨干节点和一般传感器节点，分级网络结构用于网络骨干节点和一般传感器节点。
优点：功能强大
缺点：硬件成本较高 -
Mesh网络结构：Mesh网络结构是一种新型的无线传感网络结构。从结构上看，Mesh网络是规则分布的网络，网络内部节点一般相同。Mesh网络结构最大的优点是使所有节点尽可能平等，并具有相同的计算和通信传输功能。节点可指定为簇首节点，并可执行额外功能。一旦簇首节点失效，另一个节点可以立即补充并接管原簇首的额外执行功能。
掌握WSN拓扑控制定义及评价指标
定义：它是一种协调节点间各自传输范围的技术，用于构建网络拓扑结构，具有一定的预期整体特性（如连通性），降低节点能耗或提高网络传输能力。
评价指标：
覆盖：指网络对物理世界的感知，也可视为无线传感器网络服务质量的衡量。如果目标区域中的任何一个都被K个传感器节点监控，则称为网络k-覆盖的。
连接性：任何节点是否能到达任何节点。如果至少删除k个传感器节点，则网络不连接，称为网络k-连接。无线传感网络通常是大规模的，因此传感节点感知到的数据通常需要通过跳跃传输到聚合节点。我们必须确保网络是1-连接。
网络生命周期：死亡节点的百分比低于一定阈值的持续时间，或通过测量网络的服务质量来判断
吞吐量：指单位时间内成功传输数据的数量（以比特、字节、分组等测量）。
扩展（网络容量）：减少数据传输节点影响的邻居节点数量，减少节点通信的传输范围，有效减少网络中的冲突域，降低通信冲突的可能性。相反，网络中的冲突越多，节点通信就越容易丢失或重新传输数据。
鲁棒性（robustness）： 也指强度，是指控制系统在一定（结构、尺寸）的参数摄入下保持某些性能的特性。也就是说，如果网络拓扑发生变化，流量突然增加，或者某些节点失败，网络仍然可以保持稳定的工作，这样的网络，良好的鲁棒。
干扰与竞争：
网络延迟：
拓扑性质：
掌握WSN拓扑控制的主要实现方式：功率调节和睡眠调度机制
理解WSN经典的功率控制实现算法：LMA,LMN，RNG、MST
基于节点度的功率控制：节点度（从节点跳跃的邻居节点数）
核心思想：给定节点度的上下需求，动态调整节点的发射功率，使节点度数落在上下限之间。本地平均算法（LMA）和本地邻居平均算法（LMN）节点发送功率的算法是两种周期性动态调节，不同之处在于节点度计算的算法不同。
基于方向的功率控制；
基于临近图的功率控制：
基本思想：在最大发射功率发射过程中设置所有节点形成的拓扑图G，根据一定的邻居判断条件，q找出图片的邻近图片G’，最后G发射功率由相邻的最远通信节点确定。
经典的相邻图算法：
RNG、GG、DG、YG、MST、DRNG、DLMST、DLSS
掌握LEACH实现机制
LEACH算法是一种分布式、自组织的分簇协议。运行LEACH协议的无线传感器网络将随机选择一些节点作为簇头，并将所有节点定期轮换为簇头，以平衡整个网络的能量负荷。在LEACH在协议中，来自其成员节点的数据被压缩和聚合，然后通过单跳将聚合数据直接发送到基站节点，大大降低了整个网络中的数据交换量，大大降低了整体能耗。
理解节点部署方式分类：
确定性部署、随机性部署、混合性部署
掌握覆盖感知模型类型：
布尔感知模型
概率感知模型 P69
掌握k-覆:
每个节点至少覆盖k个传感器节点
覆盖感知分类根据不同的覆盖目标掌握:
表面覆盖：在大量冗余节点中找到可以覆盖相同区域大小并确保网络连接的节点
点覆盖:覆盖的目标是一些离散的目标点
围栏覆盖：找出连接出发位置S和离开位置D的一条或多条路径，使该路径能够在不同模型定义下为目标提供不同的传感/监控质量
第四章：WSN通信与网络技术
掌握WSN协议结构及功能
传统的网络协议OSI参考模型:除物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。
从无线网络的角度来看，传感器网络结点系统由三部分组成：分层网络通信协议、网络管理平台和应用支持平台
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。IEEE 802.15.4协议
(1)物理层。 传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发，传输介质主要包括无线电、红外线、光波等。
(2)数据链路层。 传感器网络的数据链路层负责数据帧、帧检测、介质访问和错误控制。介质访问协议确保可靠的点对点和点对点通信，错误控制确保源结点发出的信息完全到达目标结点。
(3)网络层。 传感器网络的网络层负责路由的发现和维护。通常，大多数结点不能直接与网络通信，数据需要通过中间结点通过多跳路由传输到收集结点。
(4)传输层。 传感器网络的传输层负责数据流的传输和控制，主要采集传感器网络中的数据，使用卫星、移动通信网络、互联网或其他链接与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要组成部分。
网络管理平台：主要是拓扑控制、服务质量管理、能源管理、安全管理、移动管理、网络管理等。
1)拓扑控制。
为了节约能源，一些传感器结点在某些时候进入休眠状态，导致网络拓扑结构的不断变化，需要通过拓扑控制技术管理每个结点状态的转换，保持网络畅通，有效传输数据。拓扑控制利用链路层和路由层完成拓扑生成，进而为其提供基本信息支持和优化MAC降低能耗的协议和路由协议。
(2)服务质量管理。
服务质量管埋在协议层中，设计队列管理、优先机制或带宽预留机制，并对特定应用程序的数据进行特殊处理。它是网络与用户之间的质量协议，以及网络上相互通信的用户之间的信息传输和共享。为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的性能指标。
(3)能量管理。
在传感器网络中，电源能量是每个节点中最宝贵的资源。为了使传感器网络尽可能长，需要合理有效地控制节点对能量的使用。能量控制代码应添加到每个协议级别，并提供给操作系统进行能量分配决策。
(4)安全管理。
由于结点的随机部署、网络拓扑的动态性和无线信道的不稳定性，传统的安全机制不能应用于传感器网络，因此需要采用扩频通信、接入认证/认证、数字水印和数据加密等新型传感器网络安全机制。
(5)移动管理。
在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，移动管理用于监控和控制结点的移动，并保持聚集结点的路由，并使传感器结点跟踪其邻居。
(6)网络管理。
网络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进行有效监控、控制、诊断和测试的技术和方法。它要求各层嵌入各种信息接口，定期收集协议运行状态和流量信息，协调和控制网络中各协议组件的运行。
应用支持平台：应用支持平台基于网络通信协议和网络管理技术，包括一系列基于监控任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口为终端用户提供各种具体的应用支持
掌握无线网络节点隐藏终端，暴露终端询问的描述及实现机制RTS/CTS
隐藏终端：接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了
隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端两种。
暴露终端：在发送节点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点，暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送。但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。这就引入了不必要的延时。
暴露终端又可以分为暴露发送终端和暴露接收终端两种。
实现机制RTS/CTS：首先，通过RTS/CTS机制， 明确预留信道，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，而其余欲向B发送数据的基站则暂停发送；双方在成功交换RTS/CTS信号（即完成握手）后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收站点发送信号时，实际只能是收到接收站点回应CTS的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，大家再回头用DCF协议提供的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS（Distributed Inter-Frame Space）后竞争发送RTS，直到成功为止。
掌握名词解释：MAC,CSMA/CA,RTS/CTS,AP,ESS,BSSID,PCF/DCF,FDMA,TDMA等
MAC:介质访问控制
CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问
RTS/CTS：请求发送/允许发送协议
AP：无线访问接入点
ESS:扩展服务集合
BSS:基础服务集合
BSSID:一群计算机设定相同的BSS名称，即可自成一个group，而此BSS名称，即所谓BSSID。
PCF/DCF：集中式协调功能/分布式协调功能
FDMA:频分复用
TDMA:时分复用
掌握WSN·MAC层实现经典协议S-MAC协议及特点
基于竞争的MAC协议S-MAC (sensor MAC)协议是在802.11 MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。
（1）周期性侦听和睡眠
每个节点独立地调度它的工作状态,周期性地转入睡眠状态,在苏醒后侦听信道状态,判断是否需要发送或接收数据。为了便于相互通信,相邻节点之间应该尽量维持睡眠/侦听调度周期的同步。
（2）流量自适应侦听机制
传感器网络往往采用多跳通信,而节点的周期性睡眠会导致通信延迟的累加。在 S-MAC 协议中,采用了流量自适应侦听机制,减少通信延迟的累加效应。
（3）串音避免
为了减少碰撞和避免串音,S-MAC 协议采用与802.11 MAC 协议类似的虚拟和物理载波侦听机制,以及 RTS/CTS的通告机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程中时,S-MAC协议的节点进入睡眠状态。
4） 消息传递
因为传感器网络内部数据处理需要完整的消息,所以 S-MAC 协议利用 RTS/CTS机制,一次预约发送整个长消息的时间;又因为传感器网络的无线信道误码率高,S-MAC 协议将一个长消息分割成几个短消息在预约的时间内突发传送。
路由协议分类：
1）按源节点获取路径的方法
(1)主动路由协议
(2)按需路由协议
(3)混合路由协议
2）按节点参与通信的方式
(1)直接通信路由协议
(2)平面路由协议
(3)层次路由协议
3）按路由的发现过程
(1)以位置信息为中心的路由协议
(2)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
保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由；或者根据业务类型，保证满足不同业务需求的QoS路由协议
掌握平面路由协议：洪泛路由、闲聊法、SPIN协议，
洪泛路由：
在洪泛协议中，传感器节点不需要对网络拓扑结构进行维护，也不需要进行路由计算。节点在进行监测数据报告或接收到其他节点的数据包时，用广播方式向所有邻居节点转发数据，邻居节点重复执行上述过程，直到数据包到达目的节点或者该数据包的因生存周期结束而被丢弃。优点是实现简单,缺点是在数据广播转发过程中产生的冗余数据包大大加重了网络负荷，导致数据内爆(implosion)问题如下图左所示和数据重叠(overlapping)现象如下图右所示。
闲聊法：
闲聊协议是对洪泛协议的改进，当节点收到数据之后，并不像洪泛协议那样采用广播形式将数据包发送给所有邻居节点，而是将数据包发送给某个随机选择的邻居节点，如下图所示。闲聊协议考虑节点的能量消耗和数据冗余性，在选择下一跳时只是随机选择一个节点进行数据转发，但是所选择的路径往往不是最优路径，这将导致数据包的端到端传输延迟增加，甚至在数据没有到达目的节点之前就结束了生命周期。
SPIN协议：
是一种以数据为中心的白适应通信方基于协商机制的传感器网络SPIN协议(Sensor Protocols for式，使用3种类型的信息进行通信，即ADV、REQ和DATA信息。
图4-28表示了SPIN协议的工作过程。在发送一个TATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包；如果某个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，然后节点向该邻居节点发送DATA数据包。类似地进行下去， DATA数据包可被传输到远方汇聚节点或基站。
SPIN协议的缺点是没有考虑节能和多种信道条件下的数据传输问题。因此，后续又出现了SPIN-PP (Point to Point，点到点的通信模式)、SPIN-EC (Energy Control，点到点模式下的节能路由)、SPIN-RL (Route Lossy，点到点通信中的信道衰减模式)、SPIN-BC (Broadcast Channel，广播信道模式)等在SPIN基础上改进的路由协议。
掌握层次路由协议：LEACH协议实现
低功耗自适应聚类分级协议：LEACH协议分为两个阶段操作，即簇准备阶段(set-up phase)和就绪阶段(ready phase)。为了使能耗最小化，就绪阶段持续的时间比簇准备阶段长。簇准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一轮(round)。
- 在簇准备阶段，LEACH协议随机选择一个传感器节点作为簇头节点(cluster head node)，随机性确保簇头与基站之间数据传输的高能耗成本均匀地分摊到所有传感器节点。具体的选择办法是：一个传感器节点随机选择 0和1之间的一个值，如果选定的值小于某一个 阈值T(n)，那么这个节点成为簇头节点。T(n)值按下面公式计算：
N：网络中传感器节点的总数；
p：期望的簇头在所有节点中所占的百分比；
r：选举轮数；
r mod (1/p)：这一轮循环中当选过簇头节点的个数
Gr：这一轮循环中未当选过簇头的节点集合
2.在簇头节点选定后，该簇头节点对网络中所有节点进行广播，广播数据包含有该节 点成为簇头节点的信息。一旦传感器节点收到广播数据包，根据接收到的各个簇头节点广播信号强度，该节点选择信号强度最大的簇头节点加入，向其发送成为其成员的数据包。簇形成后，簇头节点采用TDMA策略分配通道使用权给簇内节点。
3…一旦处于就绪阶段，簇头节点开始接收簇内各节点采集的数据，然后采用数据融合和数据压缩等技术进行汇聚，将整合后的数据传输给Sink节点。在就绪阶段持续了一段时间后，网络又进入了另一次的簇准备阶段
缺点：
1、簇头选举随机性很强，可能会出现簇头集中在某一个区域的现象，造成簇头分布不均匀。
2、2、信息的融合和传输都是通过簇头节点来进行，造成了簇头节点能量消耗过快的问题；
3、3、发射机和接收机必须严格遵守时隙的要求，避免在时间上互相重叠，然而，维持时间同步又增加了一些额外的信令通信量。节点的时间表可能会需要较大的存储器。
4、4、LEACH要求节点之间和节点与Sink点之间都能进行直接通信，网络的扩展性差，对于大规模网络而言，节点直接进行通信需要消耗大量的能量。并且采用单跳路由方式，增加了交换数据的能量。
理解能量感知路由以及常用几种能量路由选择策略
1.EA路由
能量感知就是根据节点的可用能量（即节点的当前剩余能量）或传输路径上的能量需求，选择数据转发的路径。能量感知路由策略主要有以下几种。
最大剩余节点能量路由：从数据源节点到汇聚节点的所有路径中选取节点剩余能量之和最大的路径；
最小能耗路由：从数据源节点到汇聚节点的所有路径中选取节点能耗值和最小的路径。
最少跳数路由：从数据源节点到汇聚节点的所有路径中选取节点最少的路径。
最大最小剩余节点能量路由：每条路径上有多个节点，且节点的可用剩余能量不同，从中选取每条路径中可用能量最小的节点来表示这条路径的可用能量。
理解多径路由、单径路由
掌握描述LEACH路由协议及平面路由协议实现过程，画出网络拓扑图，比较他们的优缺点
第五章:WSN支撑技术
WSN支撑技术分类：
时间同步，定位技术，数据融合，能量管理，容错技术，Qos保证，安全技术
时钟同步：
掌握5.1时间同步问题、基于同步消息实现时间同步的方法(单向消息交换、双向消息交换、接收端-接收端同步)
基于硬件振荡器的计算机时钟是所有计算设备的重要组成部分。典型的时钟由一个稳定的石英振荡器和一个计数器组成，这个计数器随着每次石英晶体的振荡递减。
对于两个节点的本地时间而言，时钟偏移量表示时钟之间的时间差。同步是指调整一个或者两个时钟，从而使它们的读数匹配。时钟率则表示一个时钟推移的频率，而时钟偏差则表示两个时钟频率之间的差别。数值由振荡器的制造厂商给出，且满足:
同步有两种，一种是外部的，一种是内部的。
外部同步是指所有节点的时钟都与一个外部时间源(或者参考时钟)同步。
内部同步是指在没有外部参考时钟支持的情况下，所有节点的时钟之间互相同步。
网络中所有节点的时间都一样。
单向消息交换:最简单的两两时间同步是在两个节点之间同步时只用一个消息，也就是一个节点发送一个时间戳给另一个节点。
双向消息交换:另一种更加准确的方式是采用两个同步消息
接收端-接收端同步: 接收端-接收端同步准则的协议是根据同一消息到达不同
节点的时差来实现同步的。
通信延时的不确定性
- 发送延时：发送节点生成同步消息和将消息发送到网络接口的时间。
(2)访问延时：这是发送节点访问物理信道的延时，主要取决于 MAC协议。
(3)传播延时：传播延时是消息从发送端到接收端真正的延时。
(4)接收延时：接收设备从介质层中接收消息、处理消息以及将到达消息告知主机所需的时间。
掌握5.2WSN时间同步协议TPSN实现过程
传感器网络的时间同步协议(TPSN)是另一种传统的使用树结构组织网络的“发射端-接收端”同步方式。TPSN同步有两个过程:级别探测阶段(在网络部署时执行)和同步阶段。
(1)级别探测阶段
这个阶段的目标是创建网络的分层拓扑结构,每个节点被分配了一个级别,根节点(例如一个配备了 GPS,可以通向外部世界的网关)驻留在级别0。根节点通过发出一个level_discovery消息开始这个过程,这个消息包含了级别信息和发射者独有的身份信息。
(2)同步阶段
在同步阶段,TPSN 沿着在前一阶段建立起的分层结构的边缘使用双向同步机制,也就是每个i级节点会与处于i-1级的节点进行时钟同步。
5.3WSN定位技术
掌握定位的概念：
定位是无线传感器网络重要的支撑技术，定位就是确定位置。无线传感器网络的定位是指自组织的网络通过特定方法提供节点位置信息。
掌握节点定位或目标定位
这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络中节点为坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖范围内目标的坐标位置。
掌握绝对定位或相对定位
掌握常见术语：未知节点或盲节点，已知节点或锚节点，邻居节点
未知节点(unknown node):在无线传感器网络中，需要定位的节点,在一些资料中也称为盲节点(blind node)。
锚节点(anchor node)：在无线传感器网络中已知位置，并协助未知节点定位的节点，部分资料中也称为参考节点(reference node)、信标节点(beacon node)。
每个节点通信半径以内的其他节点，称为邻居节点(neighbor nodes)。如下图所示典型的无线传感器网络结构，通过锚节点向网络广播信标信息(beacon)，或未知节点通过与邻近的锚节点或已经知道位置信息的邻居节点之间通信，未知节点获得与其他节点的距离或跳数信息，然后根据一定的定位算法得到自身的位置信息。
定位算法分类
1．基于测距的定位和无需测距的定位
前者需要测量相邻节点之间的绝对距离或者方位，并利用节点间的实际距离或者方位来计算未知节点的位置，常用的测距技术有RSSI（到达信号强度测量法）、TOA（到达时间测量法）、TDOA（到达时间差测量法）等。虽然在定位精度上有一定可取之处，但是并不适用于低功耗、低成本的领域。基于无需测距的定位算法无需测量节点之间的绝对距离或方位，而是利用节点间的估计距离计算节点的位置，如典型的DV-Hop定位、凸规划定位。虽然在精确度方面有待进一步改进，但是具有可扩展性、规模性以及代价小等优点。
2．绝对定位与相对定位
绝对定位的定位结果是一个标准的坐标位置，如经纬度；而相对定位通常是以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。绝对定位可为网络提供唯一的命名空间，受网络变动影响较小，有非常广泛的应用领域。大多数定位系统都可以实现绝对定位，只有部分定位系统和算法能实现相对定位。
3．集中式计算、分布式计算与递增式计算
集中式计算是指把所需要的定位信息集中传送到某个中心节点（如汇聚节点），由该节点进行集中计算未知节点的位置。分布式计算是指由节点间进行信息交换，未知节点根据自身获取足够的信息进行自身位置计算的计算方式。集中式计算的优点是可以从全局角度出发更好地进行规划，从而获得相对精确的定位。缺点是中心节点以及它周围的节点通信开销过大、能耗过快，易造成个别节点过早死亡，从而影响其它节点的定位。分布式计算可使网络中所有节点同时进行位置计算。递增式计算通常是从信标节点开始，信标节点周围的节点首先开始定位，依次向外延伸，逐步实现整个网络的定位。递增式算法的缺点是在定位过程中误差容易被积累和放大。
掌握测距实现方法：TOA,TDOA,RSSI
到达时间测量法（TOA）:
已知物理信号的传播速度v，根据信号的传播时间t来计算节点间的距离，即距离d=v×t。此方法要求进行通信的两个节点时间必须高度同步。
到达时间差测量法（TDOA）:
到达时间差TDOA法与TOA方法类似，该方法使用两种不同的传播速度的信号，如一个是无线射频信号，另一个是超声波信号。两个信号向同一个方向发送即可，如下图所示，收发节点之间的距离为d， 时刻发射节点发送超声波信号，随后，在 时刻发送无线电波信号。接收节点分别在 、 时刻接收到超声波和无线电波信号。TDOA的计算公式如下：
到达信号强度测量法（RSSI）:
信号强度会随着其传播距离的增加而衰减,表明信号强度变化与传播距离间存在着某种函数关系。无线信道的数学模型如式：
d是发射机和接收机之间的距离，d0是参考距离；n是信道衰减指数，一般取值2～4；X 是均值为零、方差 的高斯随机变量；PL(d0)是距离发射机d0处的信号强度。
它是一种低功率、廉价的测距技术，但是信号强度很容易受到周围环境的影响，通常将其看做一种粗糙的测距技术。
掌握基于测距的常用实现方法：三边定位法、三角定位法、极大似然估计估计法。
三边定位法:
已知3个信标节点的坐标和其中1个未知节点到3个信标节点的距离，求该未知节点的坐标。
设未知节点D的坐标为（x，y），信标节点的A、B、C的坐标分别为（xA，yA）、（xB，yB）、（xA，yC），未知节点到3个信标节点的距离分别为dA、dB、dC，则
从而可以推出未知节点的坐标为
三角定位法:
极大似然估计估计法:
多边极大似然估计法是指已知3个以上的信标节点的坐标和它们到未知节点的距离，求解该未知节点的坐标。
设节点1，2，3，4，…，n个节点的坐标分别为 (x1, y1)，(x2, y2)， 、…， (xn, yn) ，它们到节点D的距离分别为d1、d2、d3、…、dn，节点D的坐标为（x，y），则
从第一个方程开始分别减去最后一个方程可得如下线性方程：
简化为矩阵相乘的方式：AX=b
使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：
掌握与距离无关的定位算法：质心定位法，DV-hop定位算法
质心定位法
DV-hop定位算法
DV-HOP（Distance Vector-HOP）定位机制包括3个不同的阶段，首先计算未知节点与每个信标节点的最小跳数，其次计算未知节点与信标节点之间的距离，最后计算未知节点的坐标。
（1）第一阶段：计算未知节点与每个信标节点的最小跳数
这个阶段使用经典的距离矢量交换协议，每个节点维护一个表 ，其中xi、yi、hi分别代表信标节点的坐标和到该信标节点的跳数。每个信标节点发送一个广播分组，该分组包含自身的位置信息和跳段个数，跳段个数初始化为0。节点收到信标节点的广播分组后检验该分组跳段数是否小于本节点表内的存储值，如果是则更新该表，然后跳段数加1并广播该分组，否则丢弃该分组。最终所有的未知节点均能获得到所有信标节点的最小跳数。
（3）第三阶段：计算未知节点的坐标 当未知节点收到3个或者更多信标节点的距离时，则可以根据三边定位或多边定位算法进行自身位置的计算。接下来举例说明具体计算过程，如图4-11所示，经过前两个阶段，现在已知信标节点L1、L2与L3之间的距离和跳数，假设L2计算得到平均跳段距离为（40+75）/（2+5）=16.42。假设节点A从节点L2获得平均跳段距离，则它与信标节点L1、L2、L3的距离为分别为3×16.42、2×16.42、3×16.42。
DV-HOP定位算法使用平均跳段距离估算两点之间的实际距离，存在一定误差，同时在定位过程中两次洪泛，能量开销大，但是该算法对硬件要求低，实现简单。
5.4数据融合、电源管理、容错技术、故障模型
理解数据融合的概念及分类
数据融合是利用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定的准则下进行多级别、多方面、多层次信息检测、相关估计和综合，以获得目标的状态和特征估计，产生比单一传感器更精确、完整、可靠的信息、更优越的性能，而这种信息是任何单一传感器所无法获得的。
根据处理融合信息方法的不同，数据融合系统可分为集中式、分布式和混合式三种。
①集中式:各个传感器的数据都送到融合中心进行融合处理。
②分布式:各个传感器对自己测量的数据单独进行处理，然后将处理结果送到融合中心，由融合中心对各传感器的局部结果进行融合处理。
③混合式:以上两种方式的组合，可以均衡上述两种方式的优缺点，但系统结构同时变得复杂。
根据融合处理的数据种类，数据融合系统可以分为时间融合、空间融合和时空融合。
①时间融合:对同一传感器对目标在不同时间的测量值进行融合。
②空间融合:对不同传感器，在同一时刻的测量值进行融合。
③时空融合:在对不同的传感器，一段时间内的测量值不断地进行融合。
根据信息的抽象程度来分，数据融合可分为数据级融合、特征级融合和决策级融合三种
数据融合的数据处理方式：集中式，分布式，混合式
数据融合的数据特点：时间融合，空间融合，时空融合
数据融合的层次：数据级融合，特征级融合，决策级融合
了解基于组播树的数据融合算法的实现
1.组播树的构造
本算法将分为以下三个阶段来实现:组播树构造阶段,兴趣散布阶段和数据融合阶段。
（1)组播树的构造，定义1，定义2，定义3，组播树构造阶段的主要任务就是构造一棵组播树,为下一阶段的数据融合创造条件。
（2)兴趣散布阶段，本阶段的主要任务是簇首节点向整个网络散布其感兴趣的数据类型。Sink节点可以简单地通过flooding的方式进行散布,这种方式下,当网络规模比较小,而且Sink节点的兴趣变化比较缓慢的情况下由于实现简单,具有较好的性能。但当网络规模很大,或兴趣变化比较频繁时,flooding并不合适,这里采用一种基于分簇的优化定向扩散路由进行散布。
（3）数据融合阶段，当组播树构造后,每个源节点将数据转发给其父节点,父节点根据其子节点数目做以下动作:如果父节点仅有一个子节点,父节点将数据转发给其父节点;如果父节点有多个子节点,父节点将等待一段合适的时间,直到其所有子节点都将数据转发给其为止,然后,该父节点进行数据融合再进行转发,而其他的非组播节点不断进行数据融合,直到将数据融合到Sink节点为止,其融合采取一种改进的一致性融合算法。
(4)算法验证及性能分析
采用数值算例的方式对改进的一致性融合算法进行验证。
第六章：WSN协议技术标准
空缺
理解电源管理的概念。
掌握WSN节能策略主要有:休眠机制、数据融合、功率调节
休眠机制:休眠机制的主要思想是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。
数据融合
功率调节
掌握无线接收器四种工作状态：
发送、接收、空闲、休眠
节点功率管理机制：
动态电源管理、动态电压管理
容错技术
理解容错领域基本概念：失效、故障、差错
失效是指某个设备中止了它完成所要求功能的能力。
故障是指一个设备、元件或组件的一种物理状态，在此状态下它们不能按照所要求的方式工作。
差错是指一个不正确的步骤、过程或结果。
故障只有在某些条件下才能在其输出端产生差错，这些差错由于在系统内部，不是很容易就能观测到。只有这种差错积累到一定程度或者在某种系统环境下，才能使系统失效。所以，失效是面向用户的，而故障和差错是面向制造和维修的。
故障模型层级：部件级、节点级、网络级(从低到高)
由于网络、节点、部件间的包含关系，所以高层故障本质也是由低层故障所造成。
WSN网络安全需求有哪些
数据保密性、数据认证、数据完整性、数据实时性、秘钥管理、真实性、扩展性、可用性、自组织性、鲁棒性等方面
理解安全攻击类型分类及安全实现协议SNEP、TESLAC
物理层安全攻击：人为干扰，物理篡改
链路层安全攻击：碰撞，能量消耗，不公平性
对WSN网络层（路由）的攻击：对路由信息的哄骗，篡改，重放，选择性转发，污水池攻击，女巫攻击，蠕虫攻击，hello泛洪攻击，确认哄骗
对传输层的攻击：泛洪，去同步
SPINS采用安全网络加密协议（SNEP)提供数据机密性，数据认证，数据完整性，数据新鲜度，采用uTESLA提供广播认证
掌握WSN接入Internet方式
应用层网关：
延时容忍网络
TCP/IP覆盖传感器网络协议栈
传感器网络协议覆盖TCP/IP
移动代理
源文件连接:https://download.csdn.net/download/weixin_45659472/71471086?spm=1001.2014.3001.5501
