無線傳感網(wǎng)知識(shí)點(diǎn)

1、第1章 無線傳感網(wǎng)概述1. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念：無線傳感器網(wǎng)路是一種由多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和幾個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的環(huán)境或感興趣的的感知對(duì)象的各種信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后一無線的方式發(fā)送出去。2. WSN的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)1） WSN與Ad hoc共有的特征：自組織；分布式；節(jié)點(diǎn)平等；安全性差2） WSN特有的特征：計(jì)算能力不高；能量供應(yīng)不可代替；節(jié)點(diǎn)變化性強(qiáng)；大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：1） 協(xié)議：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，應(yīng)用層物理層：負(fù)責(zé)載波頻率產(chǎn)生、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等工作，提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)。 數(shù)據(jù)鏈路層：（1）

2、媒體訪問控制。（2）差錯(cuò)控制。網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要因素。傳輸層：負(fù)責(zé)將傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)，也就是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信。應(yīng)用層：主要由一系列應(yīng)用軟件構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)任務(wù)。這一層主要解決三個(gè)問題：傳感器管理協(xié)議、任務(wù)分配和數(shù)據(jù)廣播管理協(xié)議，以及傳感器查詢和數(shù)據(jù)傳播管理協(xié)議。2） 管理平臺(tái)：（1）能量管理平臺(tái)（2）移動(dòng)管理平臺(tái)（3）任務(wù)管理平臺(tái)（1） 管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用資源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。（2）檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)跟蹤其鄰居的位置。（3） 在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度

3、檢測(cè)任務(wù)。4. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)：低能耗，實(shí)時(shí)性，低成本，安全和抗干擾，協(xié)作第2章 無線傳感網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)1. WSN物理層頻率的選擇：一般選用工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療頻段。ISM（醫(yī)療）頻段的主要優(yōu)點(diǎn)是無需注冊(cè)的公用頻段、具有大范圍可選頻段、沒有特定標(biāo)準(zhǔn)、靈活使用。歐洲使用433MHZ，美國(guó)使用915MHZ頻段2. WSN結(jié)構(gòu)采用的是無線射頻通信第3章 數(shù)據(jù)鏈路層1. MAC協(xié)議分類： 1）按節(jié)點(diǎn)的接入方式：偵聽（間斷偵聽：DEANAdeng），喚醒（低功耗前導(dǎo)載波偵聽MAC協(xié)議），調(diào)度（主要使用在廣播中） 2）按信道占用數(shù)劃分：?jiǎn)涡诺溃ㄖ饕捎茫?，雙信道，多信道 3）信道分配方式：競(jìng)爭(zhēng)型（

4、S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC）， 跨層型2. 分配型MAC協(xié)議采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技術(shù)3. 數(shù)據(jù)鏈路層的關(guān)鍵問題：能量效率問題，可擴(kuò)展性，公平性，信道共享，網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化4. 記憶競(jìng)爭(zhēng)的S-MAC協(xié)議，具有以下特點(diǎn)：（1） 周期性的偵聽和睡眠（2） 使用虛擬載波偵聽和物理載波偵聽進(jìn)行沖突避免（3） 自適應(yīng)偵聽（4） 將長(zhǎng)消息分成子段進(jìn)行消息傳遞5. 基于競(jìng)爭(zhēng)的T-MAC協(xié)議：為了改進(jìn)S-MAC協(xié)議不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)整自己的調(diào)度周期的缺點(diǎn)，T-MAC協(xié)議根據(jù)一種自適應(yīng)占空比的原理，通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整偵聽與睡眠時(shí)間的比值

5、，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的。主要解決了早睡的問題6. 基于競(jìng)爭(zhēng)的Sift協(xié)議：為了解決多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)現(xiàn)同一事件并傳輸相關(guān)信息而導(dǎo)致空間競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，它采用CSMA機(jī)制，競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小原本是設(shè)定好的，采用非均勻概率來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，特點(diǎn)如下：（1） 無線傳感傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于空間中的競(jìng)爭(zhēng)（2） 基于時(shí)間的報(bào)告方式（3） 感知事件的節(jié)點(diǎn)密度的自適應(yīng)調(diào)整7.基于分配的SMAC協(xié)議：該協(xié)議假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換，將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段。SMAC協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)集發(fā)現(xiàn)鄰居并進(jìn)行信道分配。SMAC協(xié)議可避免全局時(shí)間同步，從而減少?gòu)?fù)雜性8. 基于分配的TRAMA協(xié)

6、議：該協(xié)議采用了流量自適應(yīng)的分布式選舉算法，節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)的鄰居信息，傳輸分配時(shí)指明在時(shí)間順序上哪些節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)，然后選擇在每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，TRAMA將一個(gè)物理信道分成多個(gè)時(shí)隙，通過對(duì)這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道。9. 混合型MAC協(xié)議：ZMAC采用CSMA機(jī)制作為基本方法，在競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制來解決信道沖突問題。ZMAC協(xié)議引入了時(shí)間幀的概念，每個(gè)時(shí)間幀又分為若干時(shí)隙，在ZMAC協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)部署每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一個(gè)時(shí)隙分配的DRAND算法。ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信道競(jìng)爭(zhēng)情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整MAC協(xié)議所采用的機(jī)制，在CSMA和TDMA機(jī)制

7、之間進(jìn)行切換，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較少時(shí)工作在CSMA機(jī)制下；在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，工作在TDMA機(jī)制下，使用拓?fù)湫畔⒑屯綍r(shí)鐘信息來改善協(xié)議性能11. 跨層MAC協(xié)議：MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在MINA架構(gòu)中節(jié)點(diǎn)分為三種類型：大量靜止的低容量傳感器節(jié)點(diǎn)；少量手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；靜止的大容量基站節(jié)點(diǎn)。第4章 網(wǎng)絡(luò)層1. 相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層，無線傳感器具有以下特征：大規(guī)模分布式應(yīng)用，以數(shù)據(jù)為中心，基于局部拓?fù)湫畔?，基于?yīng)用，數(shù)據(jù)的融合2. 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵問題：節(jié)能，高擴(kuò)展性，容錯(cuò)性，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通信量分布不均3. 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議：1） 基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議：SPIN、DD路由協(xié)議2） 基于集群結(jié)構(gòu)協(xié)議：LEACH、TEEN、A

8、PTEEN路由協(xié)議3） 基于地理位置的路由協(xié)議：GEAR、GAF路由協(xié)議第5章 傳輸層協(xié)議1、 傳輸層協(xié)議相對(duì)傳統(tǒng)傳輸層協(xié)議：降低傳輸層協(xié)議的能耗，進(jìn)行有效的擁塞控制，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性2、 傳輸層的關(guān)鍵問題：擁塞控制，丟包恢復(fù)，優(yōu)先級(jí)策略3、 傳輸層協(xié)議分類： 1）基于擁塞控制的傳輸層協(xié)議：PECR、CODE協(xié)議 2）記憶可靠性傳輸協(xié)議：FSFQ、ESRT協(xié)議 3）跨層傳輸協(xié)議：RCTP協(xié)議4、WSN傳輸層研究的主要內(nèi)容：傳輸層是是最靠近用戶數(shù)據(jù)的一層，主要負(fù)責(zé)在源和目標(biāo)之間提供可靠的、性價(jià)比合理的數(shù)據(jù)傳輸功能。為了實(shí)現(xiàn)傳輸層對(duì)上層透明，可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，傳輸層主要研究端到端的流量控制和擁塞

9、的避免，保證數(shù)據(jù)能夠有效無差錯(cuò)地傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。主要包括以下幾點(diǎn)： 1降低傳輸層協(xié)議的能耗 2進(jìn)行有效的擁塞控制3保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性第6章 通信標(biāo)準(zhǔn)1、 IEEE 802.15.4(LP WPAN)：能量消耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它主要致力于解決無線連接在能量值和網(wǎng)絡(luò)吞吐量低的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。1) 四種傳輸頻率：20kbps 40kbps 100kbps 250kbps2) 兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀、點(diǎn)狀3) 兩種地址格式：16位（由協(xié)調(diào)器分配）、64位（全球統(tǒng)一）4) 采用可選的時(shí)隙保障（GTS）機(jī)制5) 采用CSMA/CA沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)6) 支持ACK反饋機(jī)制，確保

10、可靠傳輸7) 硬件根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力和硬件條件分為：全功能設(shè)備（FFD）精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）2、 IEEE802.15.4協(xié)議棧：1） 物理層：三個(gè)載波頻段（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）分別對(duì)應(yīng)2400MHz、250kbps,868MHz、20kbps，915MHZ、40kbps2） 鏈路層：LLC、MAC3.ZigBee在IEEE 802.15.4基礎(chǔ)上擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，協(xié)議棧如下：應(yīng)用層用戶應(yīng)用接口層網(wǎng)絡(luò)層ZigBee聯(lián)盟數(shù)據(jù)鏈路層MAC層物理層定義了三種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器、ZigBee終端設(shè)備4、 無線局域網(wǎng)技術(shù)：1） 工作于2.5GHZ或5GHz頻段2） 由

11、無線網(wǎng)卡，無線接入點(diǎn)AP，無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)關(guān)組成5、 藍(lán)牙技術(shù)：采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，其數(shù)據(jù)率為1Mbps，采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸6、 超寬帶：是一種具備低功耗電與高速傳輸?shù)臒o線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，適合需要高質(zhì)量服務(wù)的無線通信應(yīng)用，可以用在無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)絡(luò)連接和短距離雷達(dá)等鄰域。它不采用連續(xù)的正弦波，而是利用脈沖信號(hào)傳送信息7、 UWB多條網(wǎng)絡(luò)鏈路層協(xié)議模型：MAC子層協(xié)議模型和LLC子層協(xié)議模型第7章 時(shí)間同步技術(shù)1、 時(shí)間同步技術(shù)概述：使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間基本保持一致1) 按照

12、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的深度可分為：時(shí)序確定，相對(duì)同步，絕對(duì)同步2) 參考時(shí)間來源：外同步，內(nèi)同步3) 關(guān)鍵問題：傳輸時(shí)延不可預(yù)測(cè)，高能效，可擴(kuò)展，健壯4) 技術(shù)：DMTS同步、RBS同步、TPSN同步、FTSP同步2、傳統(tǒng)協(xié)議比較：P132RBSTPSNFTSP精度方面較高優(yōu)于RBS明顯優(yōu)于前兩者收斂性方面收斂時(shí)間較短較長(zhǎng)較短擴(kuò)展性方面較好很差很好魯棒性方面較好很差很好能耗方面較大較小很小第8章 節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)1、 衡量節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)好壞：定位區(qū)域與精度，實(shí)時(shí)性，能耗2、 三邊定位技術(shù)測(cè)量?jī)晒?jié)點(diǎn)之間的距離的算法：根據(jù)接受信號(hào)強(qiáng)度定位（RSSI），根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)距（TOA），根據(jù)到達(dá)時(shí)間差測(cè)距（TDOA）3

13、、 基于非測(cè)距定位技術(shù)的基本原理：基于連通性的定位，基于跳數(shù)的定位第12章 仿真技術(shù)1、 WSN仿真方法必須具備以下關(guān)鍵特性：可伸縮性，完整性，可信性，橋梁作用，具有能量模型2、 仿真模擬工具主要有：NS2、OPNET、TOSSIM3、 仿真軟件比較:課本P220第13章 硬件開發(fā)1、 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)：有傳感器模塊，處理器模塊，無線通信模塊，能量供應(yīng)模塊組成2、傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中需要從以下幾個(gè)方面考慮1微型化：無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在體積上足夠小，保證對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不會(huì)造成影響，或者所造成的影響可忽略不計(jì)。 2低功耗：由于設(shè)備的體積有限，通常攜帶的電池能量有限。有的部署區(qū)域環(huán)境復(fù)

14、雜，人員不能到達(dá)。 3擴(kuò)展性和靈活性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，在需要添加新的硬件時(shí)可以在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)上直接添加，而不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以按照功能拆分成多個(gè)組件，組件之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口自由組合。 4穩(wěn)定性和安全性：硬件的穩(wěn)定性要求節(jié)點(diǎn)的各個(gè)部件都能夠在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作。 5低成本：低成本是傳感器節(jié)點(diǎn)的基本要求。只有低成本，才能大量地布置在目標(biāo)區(qū)域中，表現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點(diǎn)。第14章 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)1、 嵌入式系統(tǒng)往往不完全擁有支持一個(gè)成熟操作系統(tǒng)必須的資源。WSN對(duì)操作系統(tǒng)提出特殊的要求：減小系統(tǒng)開銷；需要較低能耗；各模塊間協(xié)調(diào)，支持并發(fā)控制；實(shí)時(shí)性；自適應(yīng)性；可信賴性；可升級(jí)2、 三種常見的WSN操作系統(tǒng)比較： 1）TinyOS：采用事件驅(qū)動(dòng)模式，同時(shí)能對(duì)處理器和外設(shè)進(jìn)行能量的控制，任務(wù)調(diào)度方式采用先進(jìn)先出方式，靜態(tài)管理內(nèi)存，實(shí)時(shí)性較低 2）MANTIS OS：采用線程驅(qū)