无线传感器网络复习

1、第一章 概述1、无线网络有基础设施网无基础设施网移动Ad Hoc网络无线传感器网络2、Ad Hoc网络：无中心，自组织，对等，多跳路由，动态拓扑。3、无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。4、传感器节点（sensor node）功能：采集、处理、控制和通信等。汇聚节点（sink node）功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。5、传感器节点组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能

2、量供应模块。6、网络通信协议栈： 7、传感器网络体系结构：网络通信协议，网络管理平台，应用支撑平台（时间同步、定位、数据融合）。8、无线传感器网络特点：（1）硬件资源有限（2）电源容量有限（3）无中心（4）自组织（5）多跳路由（6）动态拓扑（7）节点数量众多，分布密集（8）应用相关的网络（9）以数据为中心的网络9、传感器网络的关键技术：1）无线通信技术2）低功耗设计问题3）嵌入式（操作）系统设计4）多跳自组织的网络路由5）传感器网络数据管理系统的理论和技术6）如何保护机密数据和防御网络攻击第二章 WSN设计影响因素1、影响传感网设计的因素A. 硬件限制B.容错（可靠性）C. 可扩展性D. 生产

3、成本E. 传感网拓扑F. 操作环境（应用）G. 传输媒介H. 能量消耗（生命周期）2、传感器节点硬件：（1）传感单元【无线传感器节点的重要组成部件，包含许多感应单元。感应单元具有从外界收集信息的能力。每一感应单元负责收集某种类型的信息。】（2）处理单元【无线传感器节点的控制器】（3）收发单元【实现两个传感器节点间的通信】（4）能量单元（5）定位系统【提供传感器节点的物理位置。由一个GPS模块+软件模块组成】（6）移动装置3、容错：1）节点k的容错（可靠性）R 可被计算为：即，当节点k的失败率为k ，在时间间隔（0，t）内，由泊松分布而得的节点未失败概率。2）广播范围内有N个节点时的容错可计算为

4、：4、可扩展性：1）节点密度： 2）节点度：传感器节点的传输半径内的节点数据均值：R是传输半径基本上：(R) - 区域A中传输半径为R的传感器节点的邻居节点。5、传感器的拓扑结构：拓扑维护与改变:1） 预部署与部署阶段 2）部署后阶段3） 额外节点的重新部署阶段6、传输介质：无线电、红外、光学、声音、磁媒介7、功耗：传感网的功耗来自三方面：1）感知【应用、 感知的性质: 偶发的或持续的、 检测复杂性、 周围的噪声级别】 2）数据处理 (计算) 【比通信所耗能量少，多跳网络中，局部数据处理对于最小化能耗是至关重要的】3）通信【传感器节点将大量能量消耗在数据通信上（包括发送与接收）】第三章 MAC

5、协议（基于竞争、调度、混合的MAC协议）1、基于竞争的随机访问MAC协议(简称竞争协议)采用按需使用信道的方式.1）其基本思想是：当节点需要发送数据时，通过竞争的方式使用无线信道。如果发送的数据产生了冲突，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。2）在无线传感器网络中，睡眠唤醒调度、握手机制设计和减少睡眠延时是竞争协议重点考虑的三大问题。2、IEEE 802.11 MAC具有两种访问控制方式: 分布式协调（DCF）和中心点协调（PCF）。 DCF方式：是IEEE 802.11协议的基本访问控制方式，用于支持竞争型业务。采用CSMA/CA机制和随机退避时间机制，实现无线信道的共享。包

6、括两种访问模式： CSMACA（缺省）和带RTSCTS的CSMACA（可选）。另外，由于无线信道相对较高的比特错误率，使用链路层确认/重传（ARQ）机制保证数据正确接收。 PCF方式：是可选的介质访问方式，在DCF基础上实现无竞争的访问，支持无竞争型业务。PCF建立在DCF基础上，由AP的中心控制器点协调器PC（Point Coordinator）提供轮询来解决无竞争帧传输问题。3、IEEE 802.11 MAC需要解决的问题：信道监听、碰撞、隐藏终端：三种机制：CSMA/CA、RTS/CTS信道预、虚拟载波监听（NAV）4、802.11 MAC CSMA/CA描述：（1）发送方Step1：监

7、测信道状态。如果信道空闲，且经过一个分布式帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点发送数据帧。Step2（尽力避免CA过程）如果信道忙，则站点一直监听信道，直到信道空闲且空闲时间超过DIFS后，使用二进制退避算法计算随机退避时间，进入退避状态。进入退避状态后启动一个退避计时器（计算出的随机退避时间作为该计时器的时间值），若此时信道空闲则继续计时，信道忙则终止计时，直到检测到信道空闲且空闲时间大于DIFS后再恢复计时。Step3：当退避计时器时间到时，该站点发送数据帧并等待确认帧（ACK）。Step4：如果在规定的时间收到确认帧，则认为数据已被目的站正确接收，该次数据发送结束，转step6。

8、如果该站点要发送另一帧，则转step2。Step5：如果未收到确认帧，则认为接收错误，转step2，重新进入退避状态等待重传数据。如果重传超过一定次数则丢弃该帧，发送失败。Step6结束。（2）接收方如果接收到的数据目的地是本站并且接收CRC校验正确，就返回发送方一个确认帧（ACK），否则丢弃这一帧。5、隐蔽终端问题：隐终终端不能侦听到发送端但能干扰接收端暴露终端问题：暴露终端能够侦听到发送端但不会干扰接收端。6、RTS/CTS机制，解决隐藏终端问题，但解决不了暴露终端问题。7、S-MAC（满足节能需求）协议基本思想：1）在侦听状态，节点利用CSMA/CA机制竞争信道和避免冲突，进行数据的接收

9、或发送； 在睡眠状态，节点关闭收发器进入睡眠。2） 为使节点能够在侦听状态下相互通信，减小网络延迟，SMAC协议使相邻节点之间尽量保持侦听/睡眠调度周期的同步。8、S-MAC协议的主要处理机制：1）对于空闲监听，采用周期性休眠和监听方法减少空闲监听带来的能量损耗。2）对于冲突，采用与802.11类似的CSMA/CA和RTS/CTS握手机制来尽量避免，这种办法还解决了隐藏终端问题。3）对于串音，采用虚拟载波监听机制。4）对于控制分组费用，采用长消息分割传递机制，以减少控制数据带来的能量损耗，提高长消息的传输效率。9、S-MAC协议1）优点：（1）周期性监听/休眠机制减少了空闲监听带来的能量消耗；

10、（2）长消息传送处理机制降低了竞争延迟和控制包开销。2)缺点：降低了节点公平性，增加了传输延迟。10、1）TDMA的工作机制简单地说，TDMA就是让无线节点依照时间顺序访问信道。（1）时间轴被分割成多个等长的区段，称为时槽(slot)，多个连续时槽可组合成时间帧，简称为帧(Frame)。（2）时间帧中的时槽根据TDMA调度算法进行分配，参与TDMA的节点被分配到一个或多个时槽，节点只能在分配的时槽访问信道，保证数据传输没有冲突。（3）根据TDMA的特性，节点可以根据时槽分配方案得知在某些时槽下自己不会发送或接收数据，可在不影响效能的情况下进入休眠状态减少能耗。通常情况下，在数据流量较大且比较稳

11、定的无线传感器网络应用中，TDMA协议优于竞争协议。2）TDMA 机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求：（1）TDMA 机制没有竞争机制的碰撞重传问题；（2）数据传输时不需要过多的控制信息；（3）节点在空闲时时槽能够及时地进入睡眠状态。3）TDMA 机制的缺点：（1）TDMA 机制需要节点之间比较严格的时间同步。（2）TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时槽的分配；对于传感器网络的节点移动、节点失效等拓扑结果适应性较差；对于节点发送数据量的变化也不敏感。11、Z-MAC协议（1）Z-MAC是一种CSMATDMA混合MAC协议。（2）在低流量（轻负载）条件下使用

12、CSMA信道访问方式，提高信道利用率并降低延时；在高流量（重负载）条件下使用TDMA信道方式，减少冲突和串扰。12、三类协议比较：1) 基于竞争类的MAC协议通常具有良好的可扩展性和能量有效性，在低业务的WSN应用中具有较好的吞吐量性能，但无法避免碰撞问题，从而带来了延时。2) 基于调度的TDMA类MAC协议没有竞争机制的碰撞重传问题，节点在空闲时隙能及时进入睡眠状态，从而节省了能量消耗。但TDMA类的MAC协议需要节点间的时间同步。由于节点的接入时隙是固定的，在低业务情况下，空闲时隙增多，网络的吞吐量下降，而且网络的可扩展性和对网络拓扑动态变化的适应性差。为了弥补这些不足，需要增加控制开销，

13、这又降低了能效。3) 混合类的MAC协议通过增加控制开销，进一步改进了能量有效性和其它性能，同时也具有较好的适应性和可扩展性，但仍然存在能量有效性和其它性能指标的矛盾性，协议的执行过程也更为复杂。第四章 路由协议1、平面路由协议：洪泛协议：是一种传统的路由协议，它不要求维护网络的拓扑结构和计算路由。收到数据的节点以广播形式向所有的邻居节点转发，直到数据包到达目的节点或者达到预先设定的最大跳数为止。1）协议机制：源节点S希望发送数据给目的节点D。S发起数据广播，然后任意一个收到广播的节点都无条件将该数据副本广播出去，每一节点都重复这样的过程直到数据遍历全网或者达到规定的最大跳数。2）优点：洪泛法

14、具有实现简单、路径容错性好、时延短等优点，3）缺点： 存在消息内爆、重叠和盲目使用资源的问题，数据传输时能量消耗巨大、资源浪费严重。一般用于军事或与其它算法进行性能上的比较。【消息内爆：节点几乎同时从邻居节点收到多份相同数据的现象。浪费能量重叠：节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据。浪费能量盲目使用资源：即不考虑各节点能量可用状况，在任何情况下都转发数据。】2、SPIN协议：工作机制：当传感器节点有数据要发送时，先广播ADV消息（使用元数据），邻近节点收到ADV消息后，如果愿意接收该数据，就向发送节点发出REQ请求消息，最后发送节点向请求的邻居节点发送DATA数据包。【协议提

15、供了3种类型的消息：ADV、REQ和DATA。ADV：包含元数据的ADV消息用于通知邻节点有数据要发送，当某一个节点有数据可以发送时，可以用ADV数据包通知其邻居节点。REQ： REQ消息用于邻节点请求数据，当某一个收到ADV的节点希望接收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。】1）SPIN协议的优点：简单，不需要进行路由维护；通过数据协商机制保证了只向需要的节点发送数据，提高了转发效率。小ADV消息解决了内爆问题；通过数据命名减轻了重叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题。2）SPIN协议的缺点：AD

16、V消息采用广播方式传输，开销比较大；每次发送数据包之前都要进行协商，数据传输延迟较大。当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据。3、层次路由协议：LEACH协议：1）基本思想：将所有节点分成若干个簇，每个簇选取一个簇头，其余的节点为簇内成员。簇内成员发送数据给簇头，簇头需要把数据进行融合后再发送给汇聚节点。通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。2）工作步骤：LEACH中的操作是按“轮”(round)进行的。每一轮包含簇的建立阶段和稳定的数据传输阶段

17、。（1）簇建立阶段：1）簇首选举：在每一轮的开始，节点随机产生一个0，1之间的随机数，然后与系统阈值T(n)相比，决定自己能否成为簇首。若当前轮中这个值小于设定的阈值T(n)，则该节点称为簇首。2）簇的形成： 一旦簇首节点被随机选举出后，簇首节点需要告知其它节点自己已当选为簇首的消息。普通节点接收到簇首广播ADV消息后，选择信号最强的簇首作为此轮要加入的簇。普通节点确定了所要加入的簇后，需要向簇首节点发送一个请求加入消息。簇首节点收到节点的请求加入消息后，会为其建立一个TDMA时隙表。最后根据成员节点的数目产生一个TDMA时隙调度表，以广播的方式发送出去，告诉成员在什么时刻可以发送数据。【选择

18、簇首的原则（问题）可描述为：网络中有n个节点，经过若干轮后，让所有节点都有机会当选且仅当选一次簇首。】（2）稳定阶段（数据传输）：一旦簇形成，TDMA调度表确定，数据传输就开始了。簇头节点在收到成员节点传来的数据后对数据进行数据融合和压缩，将融合处理后的数据传输给Sink节点。在经历一段时间后，新的一轮重新开始，上述过程又开始循环进行。4、机会路由：传统路由基本思想：在端到端的数据传输过程中，首先建立一条端到端的节点序列，然后在每次分组转发时，首先确定一个下一跳节点，再执行链路层转发。如果传输过程中发生分组丢失或差错，则启动链路层重传。【两个例子】 链路上的值代表分组成功投递率。 传统路由选择

19、4个中间节点的一个作为下一跳节点，其投递成功率只有30%，发送次数为： 1/ 0.3 + 1 = 4.3tx 机会路由建立一个转发节点集(forwarder candidate set)，把4个中继节点同时作为备选转发节点，只要其中一个收到源节点发来的数据包就可以继续向目的节点转发. 转发成功率可以提高到(1-(1-O.3)4)×100=76，转发率从30上升到了76，从而显著提高了端到端的吞吐量。 发送次数： 1/ (1-(1-0.3) 4) + 1 = 2.3tx第2个例子：减少端到端转发跳数、降低延迟、提高吞吐量 传统路由协议事先确定源到目的节点的路径，例如Src-B-D-Ds

20、t。 当源节点向下一跳节点B发送数据时，B收到了数据包，但同时C也收到了同样的数据包。机会路由策略允许C向下游转发，而不是由B来承担此任务，这样就可能形成Src-C-Dst路径，相比而言，减少了跳数 另一种情况是，源在给B发送数据时，B没有收到，但A收到了，传统路由协议中，源节点必须重发这个数据包（事实上，这是一种浪费），而最好的方式是允许A来发送这个数据包，这就是机会路由的概念。这种策略会使得数据更快地向目的端方向传输，从而减少了延迟，增加了端到端的数据吞吐量，同时也提供了可靠传输。5、ExOR 路由协议：Ex0R是最早的机会路由方案，这是一个以端到端的最短路径的ETX期望传输次数值为基准的

21、机会路由算法。ExOR的基本思想和算法步骤是：（1）建立备选转发节点集CNS。源节点欲向目的节点发送数据，它首先选择到目的节点的最短ETX路径小于自身的节点作为备选转发节点，这些节点组成备选转发节点集(CNS)，并依据其到目的节点的ETX度量设置优先级，距离目的节点越近，优先级越高。（2）CNS中的节点协调转发机制。收到数据包的邻居节点，根据其是否为CNS节点及其优先级顺序，并按照一定的协调规则或丢弃该包，或转发该包。也就是，收到数据包的节点就谁是“最优”转发节点要达成共识。 重复以上两步，直至数据包发送至目标节点。6、ETX的计算方法为一条完整路径上的所有节点间链路包送达率倒数和的最小值。所

22、有ETX比当前节点小且可直接通信的节点都被视为备选节点，将其加入CNS。第五章 支撑技术-定位技术1、定义：无线传感器网络的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。2、基本术语：n 跳数(Hop Count)：两个节点之前间隔的跳段总数，称为两个节点之间的跳数；n 锚节点（Anchor nodes）：通过自主定位或人工配置的方法已知位置的节点；n 未知节点（Unknown nodes）：不能自主定位，需要依靠一定的定位算法和

23、锚节点的位置信息来定位的节点。n 邻居节点(Neighbor Nodes)：传感器节点通信半径内的所有其他节点，称为该节点的邻居节点；n 到达时间(TOA)：信号从一个节点到另一个节点所需要的时间，称为信号到达时间；n 到达时间差(TDOA)：两种不同传播速度的信号从一个节点到另一个节点所需要的时间之差，成为信号的到达时间差；n 视线关系(LOS)：两个节点间没有任何障碍物间隔，能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系；n 非视线关系(NLOS)：两个节点之间存在障碍物；n 接收信号强度指示(RSSI)：节点接牧到无线信号的强度大小，称为接收信号强度的指示。3、DV-Hop定位算法由下面三个阶段组成：（1）距离矢量交换阶段（每个节点计算到各锚节点的最小跳数）。利用典型的距离矢量交换协议，锚节点向所有的邻居节点广播一个包含其位置信息的数据包，接收到该数据包的节点将跳数加l后继续转发，这样使网络内的所有节点获得到距离参考节点的最小跳数。（2）校准值（平均每跳距离）计算