无线传感器总结复习

1、无线传感器总结1、 现代信息科学的六个组成部分信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分2、 WSN的定义大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络，其中的节点是同构的、成本较低、体积较小、大部分节点不移动、被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。3、 WSN和Ad-hoc网络的区别不同点：（1）网络拓扑结构和工作模式各不相同。 Ad hoc网络: 网络拓扑结构动态变化。WSN: 网络拓扑结构是静态的。 （2）工作模式不同。 WSN:多对一(Many-to-One)通信，节点之间几乎不会发生消息交换。以数据为中心（Data Centri

2、c），与组播正好相反Ad Hoc网络 ：网络中任意两节点之间都有通信的可能。 相同点（补充）： 基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，二者统称为自组织网络（Self-Organization Networks）。二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计。4、 无线传感器网络的特点(1)传感器节点数目大，密度高，采用空间位置寻址(2)传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限（能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议）(3)无线传感网络的拓扑结构易变化，有自组织能力（与传统的有不同的特点和技术要求：它根据需要可以在工作和休眠之间切换，因此网络的拓扑结构容易发生变化，传统的网络重在

3、QoS和更大的宽带保证，并且是静止的。无线传感器网络需要节省能量，保证连通性和延长运行寿命）(4)传感器节点具有数据融合能力（与Mesh网络区别，数据小，移动，重能源。 与无线Ad-hoc网络比数量多、密度大、易受损、拓扑结构频繁、广播式点对多通信、节点能量、计算能力受限。）5、 网络拓扑结构(1)组网形态和方式来看，有集中式、分布式和混合式 集中式结构：类似移动通信的蜂窝结构，集中管理； 分布式结构：类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接人连接，分布管理； 混合式结构：包括集中式和分布式结构的组合。无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh 网络结构，网状分布连接和管理。 (2)节点功能及结

4、构层次来看，分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构（简单的示意图） 平面网络结构：无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构。这种网络拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性。 分级网络结构：分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点，骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构；下层为一般传感器节点。所有骨干节点为对等结构，骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性，每个骨干节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能协议；混合网络结构：混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构。这种结构支持的功能更加强大，但所

5、需硬件成本更高。Mesh网络结构：从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络，不同于完全连接的网络结构。通常只允许和节点最近的邻居通信。网络内部的节点一般都是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。 由于通常Mesh网络结构节点之间存在多条路由路径，网络对于单点或单个链路故障具有较强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最大优点就是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的计算和通信传输功能。特点：由无线节点构成网络；节点按照Mesh拓扑结构部署；支持多跳路由；功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点；存在多种网络接入方式。6、 路由两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息7、 无线传感器网络微

6、型节点由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成8、 WSN路由协议的基本概念 WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制9、 WSN与IP网络区别（1）WSN中节点数量多，配置全局ID是不可能的 （2）不要求建立任意两个节点之间的路由路径（3） 应用需求多样化 （4）存在大量的数据冗余 10、WSN路由协议分类（数据，集群，地理信息及QoS）（1）数据为中心路由协议-SPIN (Flooding)，Directed Diffusion (Gradient) （2）集群（Cluster）结构的路由协议：单层和多层-LEACH, TEEN，APTEEN，TTD

7、D（3）地理信息路由协议 -LAR，GAF，GPSR， GEAR （4）QOS路由协议 -QOS路由协议11、内爆和重叠现象的解释（做图）内爆(Implosion)：节点向邻居节点转发数据包，不管其是否收到过相同的（将同一个数据包多次转发给同一个节点的现象就是内爆）（左图）重叠(Overlap)：感知节点感知区域有重叠，导致数据冗余（右图）12、SPIN协议的三步握手协议，并解释（1）节点A有新数据，通过ADV发布新数据信息，使用元数据（2）B节点收到ADV后，发现自己没有该数据，通过REQ向A请求新数据（3）A节点向B节点传送源数据（4）B节点融合新数据，并通过ADV发布新数据消息DATA（

8、5）如果节点ADV中描述的数据的副本就忽略该消息SPIN协议采用三次握手协议来实现数据的交互，协议运行过程中使用三种报文数据：ADV、REQ和DATA。ADV用于数据的广播，当某个节点有数据可以共享时，可以用ADV数据包通知其邻居节点；REQ用于发送数据，当某一个收到ADV的节点希望收到DATA数据包时，发送REQ数据包；DATA为原始感知数据包，里面装载了原始感知数据。13、SPIN协议的协商通过元数据来解决元数据：节点感知数据的抽象描述，一种对源数据的一个映射，比源数据短（数据压缩）（1）元数据描述实数据 （2）元数据与时数据一一对应避免传输冗余数据14、 DD协议的三个阶段-兴趣扩散、梯

9、度建立和路径加强（会画图）汇聚节点发送查询消息兴趣消息：任务性质、数据采集/发送数率、时间戳等中间节点：记录、转发梯度：表示了数据的传输方向15、什么是谣传路由针对DD方法中采用泛洪方法建立路径带来的开销过大问题，引入基于代理(Agent)消息的单播随机转发方法，事件区域内的传感器节点产生代理消息，代理信息沿随机路径向外扩散传播，同时汇集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相遇的时候，就会形成一条Sink节点到时间区域的完整路由路径。16、LEACH协议经过2个阶段（簇头建立和数据传输） 网络按照周期工作，每个周期分为两个阶段： (1)簇头建立阶段：节点

10、运行算法，确定本次自己是否成为簇头；簇头节点广播自己成为簇头的事实；其他非簇头节点按照信号强弱选择应该加入的簇头，并通知该簇头节点；簇头节点按照TDMA的调度，给依附于他的节点分配时间片；（2）数据传输阶段：节点在分配给它的时间片上发送数据。17、LEACH协议的基本思想网络周期性地随机选择簇头节点，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簇头，由簇头转发给Sink节点，簇头节点可以将本簇内的数据进行融合处理以减少网络传输的数据量。延长节点的工作时间，并且实现节点的能耗平衡。 20、簇头选择的策略每个传感器节点选择0，1之间的一个随机数，如果选定的

11、值小于某一个阈值，那么这个节点成为簇头节点，计算如下： N表示网络中传感器节点的个数，k为一个网络中的簇头节点数，r为已完成的回合数，G为网络生存期总的回合数。一个回合表示一个周期，分为两个阶段：簇的建立和稳定的数据传输阶段。 18、爬山算法与模拟退火，举例说明（1）爬山算法 ( Hill Climbing )爬山算法是一种简单的贪心搜索算法，该算法每次从当前解的临近解空间中选择一个最优解作为当前解，直到达到一个局部最优解。爬山算法实现很简单，其主要缺点是会陷入局部最优解，而不一定能搜索到全局最优解。如图1所示：假设C点为当前解，爬山算法搜索到A点这个局部最优解就会停止搜索，因为在A点无论向那

12、个方向小幅度移动都不能得到更优的解。（2）模拟退火(SA, Simulated Annealing)思想 爬山法是完完全全的贪心法，每次都鼠目寸光的选择一个当前最优解，因此只能搜索到局部的最优值。模拟退火其实也是一种贪心算法，但是它的搜索过程引入了随机因素。模拟退火算法以一定的概率来接受一个比当前解要差的解，因此有可能会跳出这个局部的最优解，达到全局的最优解。以前图为例，模拟退火算法在搜索到局部最优解A后，会以一定的概率接受到E的移动。也许经过几次这样的不是局部最优的移动后会到达D点，于是就跳出了局部最大值A。（3）关于爬山算法与模拟退火，有一个有趣的比喻爬山算法：兔子朝着比现在高的地方跳去。

13、它找到了不远处的最高山峰。但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是爬山算法，它不能保证局部最优值就是全局最优值；模拟退火：兔子喝醉了。它随机地跳了很长时间。这期间，它可能走向高处，也可能踏入平地。但是，它渐渐清醒了并朝最高方向跳去。这就是模拟退火。21、 LAR路由协议中的期望域和寻找域期望域（Expected Zone）：可能出现的区域寻找域（Request Zone）：限定一个路由请求区域，只有在寻找域中的节点才转发RREQ（广播路由请求分组）。为了增加到达目的节点的成功率，寻找域应该包括期望域以及期望域以外的其他区域。 19、如何解决地理信息路由算法中的局部优化和空旷域问题，路由空洞，右手法

14、则，边界转发，贪婪策略；存在x到D的路径 x的邻居w, y离D的距离比x大 D与X间距离为半径的圆与X的一跳传输范围发生重叠，且重叠区域内没有X的邻居节点，称该重叠区域为X的空旷区域。F是最佳主机 解决方法：边界转发 Perimeters Forwarding 边界转发时的右手法则(如右上图)一个数据分组从节点y到达节点x；下一条边的选择：下一边是以x为定点，沿(x，y)逆时针方向上的第一条边，图中为(x，z)后续各边同样依次法则确定；边界转发数据包在x点进入边界转发模式，通过face边界向目的节点D转发，这些face都被xD穿越；转发边的选择采用右手法则，初始边为xD；数据包在同一个face

15、中转发时采用右手法则，当碰到与xD相交的边时，进行face切换，进入下一个face； 常用的贪婪策略MFR (Most Forward within Radius)：使到目的节点的跳数最少NFP (Nearest with Forward Progress)： 选择最近的邻居节点，使节点之间干扰最少CR (Compass Routing) ：减小数据传输范围局部优化问题的解决选择一个邻居节点使数据分组距离目的节点的距离变大（GPSR属于这个方法）； 建议丢弃该数据分组，由于WSN的网络拓扑是动态变化的，出现局部优化问题的时间也是短暂的，丢弃的数据分组可以用更高层的重传来恢复；路由空洞问题路由空

16、洞：邻居节点传输代价都比本地节点大；选择邻居节点中代价最小的作为转发节点； 修改本地节点的转发代价； F(N,R)= F(Nmin,R)+C(N,Nmin) ， C(N,Nmin)表示将数据包从N传送到Nmin的代价22、 如何解决网络能量和负载均衡提出的方法汇聚节点移动最优移动策略：Sink节点在网络外边界移动，左图为圆形网络模型，灰色区域是Sink节点移动区域。B为Sink节点，Rm为其移动圆形轨迹半径，R为网络半径，最好RmR 路由方法Sink移动区节点数据：数据沿着以O为中心的环转发，直到该数据包到达OB(B为节点Sink所在的位置)线附近的一个节点，到达该节点后再沿着OB，采用最短路

17、径算法到达Sink节点Sink移动区外节点数据直接采用最短路径路由算法到达Sink节点 优点：提出了一种新思路，通过Sink移动的方式从一定程度上削弱了网络中能耗和负载不平衡的现象缺点：大多数应用背景下要求Sink节点固定；普通节点定位Sink节点的问题不能很好的解决；23、隐藏终端和暴露终端，产生的原因，如何解决隐藏终端是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。（降低了信道的利用率）隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端两种。暴露终端是指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。（引入了不必要的时延）隐藏终端和暴露终端问题产生的原因（1）网络具有动态变化的网络拓

18、扑结构；（2）在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问题；（3）为了提高信道利用率，移动节点接收的频率和发射功率都比较低；信号受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响；（4）因此移动节点的通信距离受到限制，一个节点发出的 信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题。 隐藏终端和暴露终端问题的解决方法解决方法的思路：使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收；一种是接收节点在接收的同时发送忙音来通知邻居节点，即BTMA（Busy-Tone Multiple Access ）系列；另一种方法是发送节点在数据发送

19、前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即RTS/CTS方式。这种方式是目前解决这个问题的主要趋势，如已经提出来的CSMA/CA、MACAW等。还有将两种方法结合起来使用的多址协议，如DBTMA。 对于隐藏发送终端问题，可以使用控制分组进行握手的方法加以解决。在单信道条件下使用控制分组的方法只能解决隐发送终端，无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题。为此，必须采用双信道的方法：即利用数据信道收发数据，利用控制信道收发控制信号。24、 MAC协议的分类方式（1）分配信道的方式：竞争型、分配型、混合型 （2）使用的信道数目：单信道、双信道、多信道 （3）网络类

20、型：同步网络、异步网络25、 CSMA/CD和CSMA/CA的主要差别CSMA/CD：带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”： CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量避免； 1.两者的传输介质不同，CSMA/CD用于总线式以太网，而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等；2.检测方式不同，CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；26、 如何解决MAC协

21、议中传感器节点的早睡问题早睡问题的定义: 节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态 早睡问题解决办法 （1）未来请求发送（Future request-to-send, FRTS），包括节点接收数据前需要等待的时间长度。C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A延迟发送数据，接收到CTS后发送一个与FRTS相同的DS (Data-Send)帧，不包含有用信息，为了保持AB对信道的占用。 FRTS可以提高吞吐量，减少延迟，但是增加了控制开销，降低TMAC协议的能量效率。（2）满缓冲区优先（Full-buffer priority）：当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复CTS，而

22、是立即向缓冲区中数据包的目的地址发送RTS，以建立数据传输。优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。缺点是在网络数据量较大时增加了冲突的可能。 早睡问题 FRTS帧交换 接受RTS节点优先27、 定位的分类：基于测距和无需测距 基于测距（range-based）的定位技术（1）三边定位和多边定位 其中具体包括：信号强度（RSS） ；信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）； 接收信号相位（PDOA）；近场电磁测距（NFER） （2） 接收信号角度定位 具体包括：质心算法； DV-Hop算法；不定形（Amorphous）定位算法； APIT算法； 28、 全球

23、和区域导航系统的基本情况（1）全球导航系统：全球范围a.GPSGPS使用24颗人造卫星在离地面约2万公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行。在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，通过4颗卫星发出的信号，我们可得到卫星到接收机的距离。GPS精度达到5m，专用车载GPS导航仪已经广泛使用于车辆导航等应用领域。b. Galileo系统伽利略系统是中高度圆轨道（MEO）方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。 伽利略系统可以分发实时的米级定位精

24、度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务（2）地区导航系统：区域范围a.LORAN系统LORAN（LOng RAnge Navigation）是一种地区导航系统。基站以一定的时间间隔发送低频无线信号，船只、飞机等接收到多个信号基站的信号后，可以计算出自身所处的位置。LORAN系统发展经历LORAN-A、LORAN-C、LORAN-D和LORAN-F，最为重要的是LORAN-C系统。LORAN-C是测量脉冲和测量相位相结合的双曲线导航系统，工作频段90110kHz，1957年开始建设，直到现在已经建成大量电台链，覆盖了北半球大部分地区。b.北斗北斗双

25、星定位系统是我国自行建立起来的一种区域性定位系统（RDSS）。2003年5月25日，我国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星，作为“北斗导航定位系统”的备份星，连同2000年10月31日和12月21日发射升空的两颗“北斗一号”导航定位卫星和一个地面中心站，形成了一个较为完善的“双星导航定位系统”。“双星导航定位系统”应归于“卫星无线电定位服务”（RDSS）。29、 容错方面的概念（故障，差错，失效，可靠性）故障（Fault）：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（Error）：差错是指一个不正确的步骤、过程或结果。失效（Failure）：

26、失效是指某个设备中止了它完成所要求功能的能力。可靠性（Dependability）：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。国内通常翻译fault tolerant为容错，实际是”容故障”的含义，本章仍然沿用容错的说法。30、 容错能力通常是建立在信息的冗余上31、 传感器网络的故障分为三个层面：部件级、节点级和网络级部件故障：传感、供电、通信等部件发生故障，测量值偏离了实际值；节点故障：由于能量耗尽或通信部件发生故障，节点无

27、法连上网络，节点不能与其邻居通信，这时节点被判断为出现故障，即使节点的其他部件仍然正常。网络故障：某个区域内的节点都出现了故障，造成部分网络停止工作。由于能量耗尽或通信部件发生故障，节点不能与其邻居通信，这时节点被判断为出现故障，即使节点的其他部件仍然正常。网络级的故障是指在某个区域内的节点都出现了故障，造成部分网络停止工作。32、 （传感部件）故障模型：固定，偏移，倍数和方差下降四种固定故障：是指感应器的读数一直为某个固定的值，这个值通常大于或小于正常的 感知范围。偏移故障：在真实值的基础上附加一个常量。倍数故障：指真实值被放大或缩小某个倍数。方差下降故障：由于使用时间过长，感应器老化后变得

28、越来越不精确而产生。33、什么是空间相关性无线传感器网络相邻节点的同类传感器所测量的值通常很相近，这种特性为空间相关性。一个节点通过周围邻居的同类传感器来检测自己的传感器是否发生了故障。34、故障检测的策略故障检测分为：部件故障检测（-基于空间相关性 -基于贝叶斯网络）节点故障检测（-集中式 -分布式）检测的结果有两个指标（识别率和误报率）：识别率是指发生故障的部件被检测为有故障的概率；误报率是把正常的部件判断为发生了故障的概率。部件故障检测（1）基于空间相关性不需要地理位置信息：无线传感器网络中的正常节点都能听到邻居发送的信息，节点可以根据侦听到的邻居数据来判断自己测量值是否正确，判断策略可

29、以分为左边三种：需要地理位置信息：（2）基于贝叶斯网络不同部件之间的潜在关系可以用来检测传感部件是否发生故障，这些部件可以属于同一个节点，也可以属于不同节点，这类故障的检测方法主要是利用了部件间的信任关系。可以通过贝叶斯网络进行表述。贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对应的概率表集合。有向图中的顶点表示变量，边表示变量之间的影响关系。贝叶斯信任网络的关键特征是能够模型化并推理出不确定因素。模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实现。节点故障检测（1）集中式故障检测：需要Sink节点的处理能力较高，如果网络规模很大时，这些信息的传播也会消耗网络的大量资源。（2）分布式故障检测：不是由Sink节点

30、统一检测，而是由每个节点分别自行检测，隐藏终端、拥塞、链路不对称是几种常见的节点通信故障。 35、k连通网络k连通网络是网络中任意两点之间都至少有k条不相交的路径，k连通网络中任意K-1个节点发生故障时网络仍然保持连通。左图为3连通图，它能容忍任意2个节点的故障而保持网络的连通性。在完全图中找最小代价的K连通子图的近似算法（Fault-tolerant Global Spanning Subgraph）维持K连通的全局算法 (Fault-tolerant Local Spanning Subgraph) 维持K连通的局部算法36、无线网络中4种通信安全威胁（监听、篡改、伪造和阻断攻击）无线网络

31、中4种通信安全威胁： （a）监听 （b）篡改 （c）伪造 （d）阻断37、 DoS攻击的分类 DoS攻击-试图阻止网络服务被合法使用 阻塞攻击：简单阻塞一个或一组传感器节点的通信信道;冲突攻击：违反通信协议，连续发送信息产生冲突； 路由攻击：多跳环境下，恶意节点简单丢弃路由的数据，可使预定接收者接收不到该数据包； 泛洪攻击：恶意节点对网络中的敏感节点发送许多连接请求，导致敏感节点资源耗尽，失去功用。38、 网络层的常见攻击：路由信息欺骗，选择性转发，污水坑攻击，sybil攻击，虫洞攻击，hello数据包泛洪攻击，ack欺骗，流量分析攻击。a) 路由信息欺骗：通过伪造、篡改传感器节点间的路由协商信息，或者简单的发起路由协商信息的重放攻击，攻击者可以控制和发布虚假的路由信息，扰乱正常的网络路由。攻击者可以创建路由环、传送虚假错误消息等手段发起DoS攻击，也可以改变路由链路，插入或去除中间节点。b) 选择性转发：简单的丢掉部分数据包后在做转发。 c) 污水坑（Sinkhole）攻击：攻击者发送虚假信息，表示通过部分俘获节点的路径是一条高效路由路径。使得俘获节点成为网络中的一个污水坑。攻击者吸引几乎所有的数据流通过俘获节点转发。这样攻击者就可以伪造数据包源地址和目的地址，以任意合法节点