无线传感器网络知识点

第一章
1.目前最常见的短距离无线通信技术有IrDA/红外，蓝牙，WIFI（802.11标准）和Zigbee技术
2.传感器节点由五部分组成，即能源供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统。
3.传感器节点的处理能力、存储能力、通信能力和电源能力非常有限：因此，传感器节点在实现各种网络协议和应用控制方面存在以下约束：电源能量有限，通信能力有限，计算和存储能力有限
4.无线通信模块存在发送、接收、休闲和休眠四种状态。
5.能耗与无线通信距离的关系是 E=kdn
6.无线网络可分为两种：一种是基础设施网络，需要固定基站；另一种是无基础设施网络，也称为无线自组织网络（Ad Hoc Network）移动、联通、电信等前一种网络比较常见，需要高大的天线和大功率基站来支持，有基础设施的网络比较常见，包括GSM、CDMA、3G、Beyond3G、4G、WLAN（WIFI）和WMAN（WiMax)等。
7.现有操作系统：TinyOS操作系统、MANTIS 操作系统、SOS操作系统
8.Zigbee技术是基于IEEE802.15.4标准无线技术，IEEE802.15.4只负责Zigbee的物理层和MAC层
应用层 Zigbee联盟
网络层/安全层
MAC层 IEE802.15.4
物理层
Zigbee该技术适用于便携式或移动设备，通信数据量、成本低的便携式或移动设备。 QoS测量无线传感器网络为应用/用户提供的服务性能。
第二章
扩频通信
扩频通信是通过伪随机编码处理传输的信息数据，然后在信道上传输宽带信号：接收端使用相同的编码序列进行解调和相关处理，恢复原始信息数据。
扩频通信的理论基础是从信息论和抗干扰理论的基本公式中延伸出来的，如信息论中的香农公式 C=Blog2(1 S/N)
特点
与窄带通信相比，扩频通信的主要特点包括以下两点：
◆扩展后形成宽带传输信息频谱。
◆相关处理后，信息频谱恢复为窄带信息数据。
扩频通信的优点:抗干扰、抗噪声、抗多径干扰、保密性好、功率谱密度低、隐蔽性低、截获概率低、复用、任意位置、测量方便等。
分类
现有的扩频通信系统可分为以下几类：
直接序列扩频工作模式简称直接扩频(DS）方式。
跳变频率工作方式，简称跳频（FH)方式。
跳时间工作模式简称跳时（TH)方式。
宽带线性训断工作模式简称Chirp方式。
混合模式，即在几种基本的扩频模式的基础上组合，形成各种混合模式，如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH.
物理层数据帧称为物理层协议数据单元。目前，无线传感器网络的物理层数据帧结构还没有统一的标准。目前，无线传感器网络中应用最广泛的物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4标准协议，其物理层数据帧结构如图所示，与物理帧头和PHY负载构成。
4字节 1字节 1字节 变长
前导码 SFD 帧长(7位) 保留位(1位) PSDU
同步头 物理帧头 PHY负载
同步头包括前导码和帧起始分隔符，物理帧头包括帧长和保留位，PHY负载包括物理服务数据单元。 ◆前导码由四个字节的0组成，用于收发器同步码片或符号。 ◆帧开始分隔符（SFD）域由一个字节组成，表示数据包在同步结束时开始传输。 ◆帧长由7位组成，表示物理服务数据单元的字节数。 ◆PSDU域变长，携带PHY包含介质访问控制协议的数据包（MAC)数据单元。PSDU域是物理层的载荷。
物理层功能(判断什么功能)
1.数据的发送和接收
数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA实现物理层与原语MAC子层的MAC协议数据单元传输
2.物理能量信道的检测
在构建新网络时，协调器需要扫描所有信道，然后网络选择空闲信道
3.激活和关闭射频收发器
为满足低功耗要求，底层射频收发器可在无线数据收发时关闭。
4.空闲信道评估
由于802.15.4标准的MAC子层采用CSMA/CA访问信道的机制
5.链路质量指示
高层协议往往需要根据底层链路的质量来选择路由。当物理层接受报纸时，它可以回到当前的状态LQI值
6.获取和设置物理层属性参数
在协议栈中，每层协议都维护一个管理该层的信息库，具体存储一些与该层相关的属性参数。
非理想特性
来源：对于实际的无线传感器节点平台，物理层的非理想特性是不规则的无线信号传输、较长的电路转换时间和较低的性能。
无线传输的不规输
DOl模型分为以下三种情况；
◆接收点与发送点之间的距离大于上边界。此时，所有节点都不在通信范围内，接收方将无法接收数据
◆接收点与发送点之间的距离小于下边界。此时，所有节点都在传输范围内，接收方将接收可靠的数据。此时，传输链路可视为对称传输（双向传输）。
◆接收点与发送点之间的距离位于上下边界之间。接收性能取决于不同方向的实际信号强度、对称链路或非对称链路（即单向传输）。此时，传输链路是不规则传输。
插入图片描述
当DOI=0时，传输链路对称，此时传输规则：
当DOl=0.02时，传输链路明显显示出不规则形状。
影响
1.对MAC层的影响
无线传输的不规则性增加了载波侦听协议中数据收发冲突的概率
2.对路由层的影响
反向路径和邻居发现物理层的非理想特征对路由层的影响。由于无线传输的不规则性，反向路径技术的路由协议可能会在反向链路中断开。
第三章
IEEE802.15.4标准定义MAC子层具有以下功能：
◆采用CSMA/CA访问信道的机制。
◆PAN(Personal Area Network,建立和维护个域网。
◆支持PAN网络关联(加入网络)和解除关联(退出网络)。
◆根据信标帧与协调器同步，协调器产生网络信标帧。
◆保证处理和维护GTS(Guaranteed Time Slot，同步间隙)。
◆在两个对等MAC实体之间提供可靠的链路。
帧结构
MAC帧的一般格式：（MAC帧头（MHR) 、MAC有效载荷、MAC帧尾）
帧控制 帧序号 目的PAN标识码 目的地址 源PAN标识码 源地址 帧有效载荷 FCS
地址信息
MAC帧头（MHR) MAC有效载荷 MAC帧尾 （MFR)
MAC帧的特定格式:(信标帧（MAC帧头、有效载荷和帧尾)、数据帧、确认帧、命令帧
帧控制 序号 地址信息 超帧 GTS 待处理地址 有效载荷的信标帧 FCS
MAC帧头（MHR) MAC有效载荷 MAC制尾 （MFR)
SMAC协议
基本思想：当节点不需要发送数据时，尽量保持低功耗的睡眠状态。SMAC该协议提出了适合多跳无线传感器网络的竞争性协议MAC协议节能方法。
关键技术：周期性监听与睡眠、自适应监听、串扰避免、消息传递
TMAC协议
基本思想：TMAC在周期长度不变的基础上，根据通信流量动态调整活动时间，以紧急方式发送信息，减少空闲监控时间。
关键技术：定期监控同步，RTS操作和TA的选择
特点：TMAC协议能更好地适应网络流量的变化，TMAC协议在经常变化的网络中具有更高的能量效率。
PMAC协议
基本思想:在网络数据流量小的情况下，节点的主要能量损失是空闲监控，采用周期性调度MAC协议采取措施尽可能减少这种能量损失。
关键技术:引入模式信息-睡眠唤醒信息二进制串
特点：当网络数据流量较大时，PMAC协议延迟较小，可以增加系统的吞吐量。PMAC根据节点本身的数据流量和邻居节点的流量模式，协议可以自适应地调整周期性调度模式的比例，从而提高能量效率。
SMACS协议
基本思想：为每个邻居节点分配一个独特的数据传输频率，不干扰不同节点之间的频率，避免节点同时传输数据之间的碰撞。
关键技术：SMACS协议节点链路建立主要用于静态节点之间的无线链路。
特点：SMACS协议是一种TDMA和FDMA结合信道分配机制，该协议可以建立一个平面结构网络。随机载波频率每对间隙，SMACS减少了整体时间同步和复杂性。
TRAMA协议
基本思想：TRAMA该协议将物理信道分为多个间隙，并通过重用这些间隙为数据和控制信息提供信道。核心思想是采用交错调复机制
关键技术：NP协议、SEP交换协议的分配
特点：TRAMA协议是一种分配型MAC协议，节点通过NP通过协议获取邻居信息，通过协议获取邻居信息SEP通过协议建立和维护分配信息AEA发送节点和接收节点的算法分配间隙。TRAMA该协议在避免冲突、延迟和带宽利用方面具有良好的性能，但该协议需要更大的存储空间来存储更多的跳跃邻居信息和分配信息。
DMAC协议
基本思想：采用交错调度机制。
关键技术：自适应比例机制、数据预测机制
特点：DMAC该协议是一种高效、低延迟的能量采集网络MAC协议。DMAC协议根据节点在数据采集树上的深度，为节点分配交错的活动/睡眠周期，避免了数据多跳传输中的睡眠延迟。通过引入自适应空比机制，DMAC协议可以根据网络数据流动动态调整空比。
ZMAC协议
基本思想：ZMAC引入时间帧的概念，每个时间帧分为干个时隙。在ZMAC中，网络部署时每个节点都执行时隙分配的DRAND算法。
关键技术：邻居节点发现和时隙分配、本地时间帧交换、传输控制、局部同步
特点：ZMAC协议是一种混合型MAC协议，可以根据网络中的信道竞争情况来动态调
整MAC协议所采用的机制，在CSMA和TDMA机制间进行切换、在网络数据量较小时，竞争者较少，协议工作在CSMA机制下：在网络数据量较大时，竞争者较多，ZMAC协议工作在TDMA机制下，使用拓扑信息和时钟信息来改善协议性能、ZMAC协议结合了竟争型MAC协议和分配型MAC协议的特点，能很好地适能网络拓扑的变化并提供均衡的网络性能。
第四章
路由协议分类：
以数据为中心的路由协议。
分层结构的路由协议。
地理位置信息的路由协议。
可靠的路由协议
按需路由协议。
以数据为中心的路由协议
SPIN协议、DD协议
SPIN协议
基本思想：SPIN路由协议通过节点间协商的方式来减少网络中数据的传输数据量，节点只广播其他节点所没有的数据以减少冗余数据，从而有效减少能量消耗。
关键技术：SPIN 协议通过节点之间的协商，解决了Flooding（泛洪协议）和Gossiping（语传协汉）的内爆和重叠现象。
　”泛洪协议”是一种原始的无线通信路由协议。该协议规定，每个节点接收来自止他
节点的信息，并以广播的形式发送给邻居节点。如此继续下去，最后数据的传约到目的节点。但是容易引起信息的“内爆”和“重叠”，造成资源的浪费。
特点：
DD协议
基本思想：DD 路由协议中引入了几个基本概念：兴趣、梯度和路径加强。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段。路径的建立过程由汇聚节点发起，汇聚节点周期性地广播一种称为“兴趣”的数据包，告诉网络中的节点它需要收集什么样的信息。
**关键技术：**兴趣扩散阶段、数据传播阶段、路径加强阶段
特点：
分层结构的路由协议
LEACH协议、PEGASIS 协议、TTDD协议、TEEN与APTEEN协议.
LEACH协议
基本思想：网络周期性地随机选择簇头，其他的非簇头节点以就近原则加入相应的簇头，形成虚拟簇。簇内节点将感知到的数据直接发送给族头，由簇头转发给汇聚节点，簇头节点可以将本族内的数据进行融合处理以减少网络传输的数据量。
关键技术：LEACH中每个节点都可以和汇聚节点通信，但是由于节点距离太大，导致与汇聚节点直接通信的能量消耗增大，或者有些节点不在汇聚节点通信范围之内，不能与汇聚节点直接通信。
特点： LEACH协议从传输数据的能量和数量上进行了优化，提高了网络的生存时间。
PEGASIS 协议
基本思想：PEGASIS协议中的节点在进行数据传输之前先发送测试信号，通过检测应答来确定离自己最近的相邻节点并作为自己的下一节点，在整个网络中的所有节点按照这种方式最终形成一条链。
关键技术：成链阶段、数据传输阶段
特点：
TEEN与APTEEN协议
基本思想：TEEN采用与LEACH相同的多簇结构和运行方式。不同的是，在族的建立过程中，随着簇首节点的选定，族首除了通过TDMA方法实现对节点的调度外，还向簇内成员广播有
关数据的硬阀值和软阀值两个参数。
关键技术：APTEEN簇头的建立采用集中式控制的思想，由汇聚节点决定簇头节点的个数并且指定簇头节点。
特点：
地理位置信息路由协议
GPSR协议、GAF协议、LAR协议、GEAR协议
GPSR协议
基本思想：GPSR协议算法是使用地理位置信息实现路由的一种算法，它使用贪婪算法来建立路由。
关键技术：最佳主机问题、边界转发策略、
特点：GPSR协议是一种直接使用地理位置信息建立路由路径的算法。
GAF协议
基本思想：GAF协议算法通过让节点尽量处于休眠状态来节省能量。
关键技术：等价节点的确定、分布式协商算法、对节点移动的自适应
特点：此协议是一种使用地理位置信息作为辅助的路由协议，地理信息除了用于选择优化路径外，还用于确定等价节点。
LAR协议
基本思想：使用地理位置信息来改进基于“泛洪协议”的路由。
关键技术：期望域、寻找域、
特点：地理位置主要用于优化路径
GEAR协议
基本思想：GEAR协议算法借鉴DD算法的思想，采用查询的方法来建立从汇聚节点到事件区域的路由。
关键技术：GEAR协议是一种依据邻居节点地理位置来选择下一跳的路由协议，然而目前基于地理位置信息的路由协议都是基于局部最优的角度在邻居节点中选择下一跳。
特点：SPEED协议是一个实时路由协议，在一定程度上实现了端到端的传输速率保证，网络拥塞控制以及负载平衡机制。
可靠的路由协议
SPEED
基本思想：SPEED协议首先交换节点的传输延迟，以得到网络负载情况；然后节点利用局部地理信息和传输速率信息作出路由决定，同时通过邻居反馈机制保证网络传输速率在一个全局定义的传输速率阀值之上。节点还通过反向压力路由变更机制避开延迟太大的链路和路由空洞。
关键技术：延迟估计、SNGF算法、反馈机制、路由变更
特点：
按需路由协议
DSDV协议、DSR协议、AODV协议
DSDV协议
基本思想：在DSDV协议中，每个移动节点都需要维护一个路由表。
关键技术：MAC层检测到某条链路中断时，向路由层报告、通过时间推断，即节点在过了一段时间后仍没有收到某个节点发送的分组，自动认为本节点到该节点的链路中断，将相应的路由条目设置为无穷大来描述断开的链路。
DSR协议
基本思想：DSR协议是一种基于源路由方式的按需路由协议。
关键技术：路由发现、路由维护
AODV协议
基本思想：AODV 协议旨在多个移动节点中建立和维护一个动态的、自启动的、多跳路由的专属网络。
关键技术：路由发现过程、路由维护过程
第五章
时间同步技术
典型的时间同步协议：DMTS协议、RBS协议、TPSN协议
数据融合技术
概念：数据融合是将来自多个传感器和信息源的多份数据或信息进行相关的处理，去除冗余数据，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。对于无线传感器网络的应用，数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据。
作用：节省整个网络的能量、增强数据的准确性和提高收集数据的效率
安全协议
无线传感器网络安全隐私协议族是最早的无线传感器网络的安全框架之一，包含了安全网络加密协议和微型容忍丢失的流认证协议两个安全协议。
密钥分配管理
密码系统的两个基本要素是密码体制和密钥管理。
容错设计
无线传感器网络容错设计需要考虑三个方面：故障模型、故障检测和故障修复
故障类型及描述
故障级别 故障表征 故障检测 修复机制
部件故障 故障节点能够正常通信，但是测量数据是错误的 检测出错误的测量数据 数据舍弃或校正出错的测量数据
节点故障 故障节点不能与其他节点进行通信 通过询问或重新路由等方法检测故障节点 通过移动冗余节点弥补形成的连接覆盖问题
分布式故障检测
隐藏终端、网络拥塞、非对称链路是几种常见的节点通信故障。
故障修复
k连通网络是基于连接修复的一种方法，它是指任意k-1个节点发生故障时网络仍能保持连通
抖动，漂移
高频率的时延变化称为抖动，而低频率的时延变化称为漂移。
QoS
QoS是无线传感器网络提供给应用/用户的服务性能的一种测量
网络生存周期（服务时间）
已有的第一个节点的死亡时间、最后一个节点的死亡时间和一半节点的死亡时间作为整个网络寿命的度量标准。
感知精度(服务准确性)
感知精度定义为在无线传感器网络目标区域检测的数据和真实事件的符合程度，包括时间精确度和空间精确度，比如在目标追踪中节点定位信息的延迟和位置误差。
吞吐率
吞吐率用于衡量每单位时间目的节点从发送源节点接收到的数据包数量，是对无线传感器网络处理传输数据请求能力的总体评价。