无线传感器网络

第一章1、 传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是WirelessSensorNetwork,简称WSN。2、 无线网络分为两种：1、无线蜂窝网，是一种有基础设施的网络，需要固定基点（无线局域网也是）2、无基础设施网，又称无线AdHoc网络，节点是分布式的，没有固定基点AdHoc分为两类：移动AdHoc网络，无线传感器网络传感器网络的五层协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层3、 无线传感器的组成：传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个基本元素。4、 传感器网络节点的体系：由分层的网络通信协议、网络管理平台、应用支撑平台组成（1） 网络通信协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层、（应用层）（2） 网络管理平台：拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理（3） 应用支撑平台：时间同步、定位、应用服务接口、网络管理接口5、 传感器网络与现有无线网络的区别：无线自组网是由几十到上百个结点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的、多跳的移动性对等网络。传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的网络系统，结点数目更为庞大；它的结点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，结点更容易出现故障；环境干扰和结点故障易照成网络拓扑结构的变化；通常情况下大多数传感器的结点是固定不动的。另外，传感器结点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统的无线网络的首要设计目标是提供高质量服务和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。6、 传感器网络与现场总线的区别：现场总线是应用在生产现场和微机化测量控制设备之间、实现双向单行多结点数字通信的系统，也被称为开放化、数字化、多点通信的底层控制网络。由于现场总线通过报告传感器数据从而控制物理环境，所以从某种程度上说它与传感器网络非常相似。我们甚至可以将无线传感器网络看作是无线现场总线的实例。但是两者的区别是明显的，无线传感器网络关注的焦点不是数十毫秒范围内的实时性，而是具体的业务应用，这些应用能够容许较长时间的延迟和抖动。另外，基于传感器网络的一些自适应协议在现场总线中并不需要，如多跳、自组织的特点，而且现场总线及其协议也不考虑节约能源问题。7、 传感器结点的限制条件：1、电源能量的有限2、通信能力受限3、计算和存储能力受限8、 组网特点：1、自组织性2、以数据为中心3、应用相关性4、动态性5、网络规模大6、高可靠性9、 无线传感器网络的发展阶段：1、 第一阶段：20世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。标志事件：“热带树”2、 第二阶段：20世纪80年代至90年代之间的传感器网络结点集成化。标志事件：商业周刊3、 第三阶段：从21世纪至今的多跳自组网。标志事件“9.11”第二章1、传感器的定义和作用传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，为网络提供了丰富多彩的业务功能。什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。传感器的作用类似于人的感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。2、 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。3、 传感器的分类按被测量与输出电量的转换原理划分，可分为能量转换型和能量控制型两大类。能量转换型传感器直接将被测对象（如机械量）的输入转换成电能。属于这种类型的传感器包括压电式传感器、磁电式传感器、热电偶传感器等。能量控制型传感器直接将被测量转换成电参量（如电阻等），依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化。属于这种类型的传感器包括电阻式、电感式、电容式等。传感器按测量原理分类，主要有物理和化学原理，包括电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。执行器按控制系统要求，应具备高精确度控制和快速响应的能力，主要有电动执行器、气动执行器、液压执行器、压电陶瓷执行器和纳米执行器等。按被测量的性质不同划分为位移传感器、力传感器、温度传感器等。按输出信号的性质可分为开关型（二值型）、数字型、模拟型。数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量，它的特点是抗干扰能力强、稳定性强、易于微机接口、便于信号处理和实现自动化测量。2.2常见传感器的类型介绍（名、问）1、 能量控制型传感器能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量，在工作过程中不能起换能作用，需从外部供给辅助能源使其工作，所以又称作无源传感器。电阻式、电容式、电感式均属这一类型。2、 能量转换型传感器能量转换型传感器感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷量。它可以直接输出或放大后输出信号，传感器本身相当于一个电压源或电流源，因而这种传感器又叫做有源传感器。压电式、磁电式和热电式传感器等均属这一类型。3、 光敏传感器光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。当感应到光强度不同时，光敏探头内的电阻值就会有变化。常见的光敏传感器有光电式传感器、色敏传感器、CCD图像传感器和红外/热释电式光敏器件等。将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。4、 气、湿敏传感器气敏传感器是一种能将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。半导体气敏传感器广泛应用于可燃性气体的探测与报警，以预测灾害性事故的发生。5、 集成与智能传感器集成传感器是将敏感元件、测量电路和各种补偿元件等集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功能强和性能好的特点。目前广泛应用的集成传感器有集成温度传感器、集成压力传感器、集成霍尔传感器等。若将几种不同的敏感元件集成在一个芯片上，可以制成多功能传感器，可同时测量多种参数。智能传感器（SmartSensor）是在集成传感器的基础上发展起来的，是一种装有微处理器的、能够信息处理和信息存储以及逻辑分析判断的传感器系统。智能传感器利用集成或混合集成的方式将传感器、信号处理电路和微处理器集成为一个整体。智能传感器与传统传感器相比，具有如下几个特点：具有自动调零和自动校准功能。具有判断和信息处理功能，对测量值进行各种修正和误差补偿。实现多参数综合测量。自动诊断故障。具有数字通信接口，便于与计算机联机。2.3传感器的一般特性和正确选型2.3.1传感器的一般特性1、 灵敏度传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即K=^出变化量福入变化量=△Y/AX=dy/dx2、 响应特性3、 线性范围4、 稳定性5、 重复性6、 漂移7、 精度8、 分辨度(力)9、 迟滞2.3.2传感器选型的原则1、 测量对象与环境2、 灵敏度3、 频率响应特性4、 线性范围5、 稳定性6、 精度2.4微型传感器的应用示例P382.4.2磁阻传感器用于车辆探测1、磁感应探测原理运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。30。n20015030。n200150100用途P430 , .•—• ,第三章传感器网络的通信与组网技术一h物理层的主要功能如下：传感器与车间距关翌为数据终端设备(DataTerminalEquipment,DTE)提供传送数据的通路。传输数据。其他管理工作。2、 通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。3、 无线通信物理层的主要技术介质和频段选择无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。调制技术调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息(即信源)含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。扩频技术扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)、跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)和宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。4、 无线传感器网络物理层的特点ISM特点：“工业、科学和医疗”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)频段，ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。5、 传感器网络物理层的设计5.1、传输介质目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。5.2、物理层帧结构物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4,用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。4字节1字节1字节可变长度前导码帧头帧长度(7比特)保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128字节PHY负载5.3、物理层设计技术物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：采用分布式控制还是集中控制；使用单一共享信道还是多个信道；采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。6、MAC协议6.1、 传感器网络的MAC协议分为以下三种：时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC协议。竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。6.2、 CSMA/CA机制的定义所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。6.3在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。

ABCDRTSI数^数据NAV6.4RTSI数^数据NAV根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。节点 A节点节点 A节点B节点 C节点 D节点 E剩余退避时间6.6802.11MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。

7、S-MAC协议的应用1、S-MAC协议采用的主要机制周期性侦听和睡眠机制流量自适应侦听机制冲突和串音避免机制消息传递机制8、路由协议8.1路由协议概述(名)路由选择(routing)是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：①寻找源节点和目的节点间的优化路径；②将数据分组沿着优化路径正确转发。8.2、与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点:能量优先基于局部拓扑信息以数据为中心应用相关8.3、在根据具体应用设计路由协议时，必须满足如下要求:能量高效可扩展性稳健性快速收敛性8.4、我们从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类:能量感知路由协议基于查询的路由协议地理位置路由协议可靠的路由协议9、典型路由协议：定向扩散路由定向扩散(DirectedDiffusion,DD)路由协议是一种基于查询的路由机制。定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:源汇聚节点源(b)梯度建立汇聚节点(a)兴趣传播(1)兴趣扩散阶段0 0源汇聚节点源(b)梯度建立汇聚节点(a)兴趣传播(1)兴趣扩散阶段源'* i'"' f汇聚节点0 0(c)加强路径在路由协议的兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。（2） 数据传播阶段当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，节点向多个邻居发送数据，汇聚节点可能收到经过多个路径的相同数据。（3） 路径加强阶段定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化来修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低速率来采集和发送数据，我们称这个阶段建立的梯度为探测梯度。定向扩散路由在路由建立时需要一个兴趣扩散的洪泛传播，在能量和时间方面开销较大，尤其是当底层MAC协议采用休眠机制时，有时可能造成兴趣建立的不一致，因而在网络设计时需要注意避免这些问题。第四章1、 传感器网络时间同步的意义无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成，分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。2、 无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。3、 TPSN协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i—1）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i—1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。4、 时间同步的应用实例（看）P685、 定位的含义无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。6、 位置信息的分类位置信息有物理位置和符号位置两大类。7、 基于测距的定位技术测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。7.1、测距方法1） 接收信号强度指示（RSSI）2） 到达时间/到达时间差（ToA/TDoA）

到达角(AoA)6.2、 多边定位7.2、 无需测距的定位技术1、 质心算法2、 DV-Hop算法8、 数据融合的定义数据融合也被人们称作信息融合，是一种多源信息处理技术，它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。这个定义包含三个要点：数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的不同抽象程度；数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的总战术态势的评估。目杂干噪标'波'环境扰声9、 源信息、传感器与环境之间的关系：目杂干噪标'波'环境扰声1源数据源图像源波形10、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测。11、 数据融合的主要作用可归纳为以下几点：提高信息的准确性和全面性。降低信息的不确定性。提高系统的可靠性。增加系统的实时性。12、 在传感器网络中数据融合起着十分重要的作用，它的主要作用在于：节省整个网络的能量；增强所收集数据的准确性；提高收集数据的效率。13、 传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，这里介绍三种分类方法:依据融合前后数据的信息含量进行分类；依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类；依据融合操作的级别进行分类。14、 数据融合的主要方法综合平均法卡尔曼滤波法贝叶斯估计法D-S证据推理法统计决策理论模糊逻辑法产生式规则法神经网络方法15、 根据类SQL语言进行网内处理的示例p8916、 能量管理的意义在无线网络通信中，能量消耗E与通信距离d存在关系：E=kdn,其中k为常量，2WnW4。由于无线传感器网络的节点体积小，发送端和接收端都贴近地面，干扰较大，障碍物较多，所以n通常接近于4,即通信能耗与距离的四次方成正比。从上述的关系式反映出，随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输能耗会低些。因此，在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。17、 传感器网络的电源节能方法1、 休眠机制硬件支持专门的节点功率管理机制动态电源管理动态电压调度2、 数据融合18、 传感器网络的安全问题和一般网络的安全问题相比而言，它们的出发点是相同的，都需要解决如下问题：机密性问题。点到点的消息认证问题完整性鉴别问题新鲜性问题认证组播/广播问题安全管理问题19、 传感器网络的安全性需求主要来源于通信安全和信息安全两个方面。20、 传感器网络安全问题的解决方法与传统网络安全问题不同，主要原因如下：有限的存储空间和计算能力缺乏后期节点布置的先验知识布置区域的物理安全无法保证有限的带宽和通信能量侧重整个网络的安全应用相关性21、 传感器网络安全问题的解决方法与传统网络安全问题不同，主要原因如下：有限的存储空间和计算能力缺乏后期节点布置的先验知识布置区域的物理安全无法保证有限的带宽和通信能量侧重整个网络的安全应用相关性22、 传感器网络的安全设计分析1、物理层物理层面临的主要问题是无线通信的干扰和节点的沦陷，遭受的主要攻击包括拥塞攻击和物理破坏。拥塞攻击物理破坏完善物理损害感知机制。信息加密。2、 链路层碰撞攻击使用纠错编码。使用信道监听和重传机制。耗尽攻击非公平竞争3、 网络层(了解)虚假的路由信息。选择性的转发。Sinkhole攻击。Sybil攻击。Wormhole攻击。HELLOflood攻击。确认欺骗。4、 传输层5、 应用层23、传感器网络安全框架协议：SPINS(知道意思)SPINS安全协议族是最早的无线传感器网络的安全框架之一，包含了SNEP(SecureNetworkEncryptionProtocol)和以TESLA(microTimedEfficientStreamingLoss-tolerantauthenticationProtoco1)两个安全协议。第五章1、 网络研究与设计方法：通常计算机网络的研究与设计方法包括分析方法、实验方法和模拟方法。分析方法是对所研究对象和所依存的网络系统进行初步分析，根据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和系统进行描述，抽象出研究对象的数学分析模型。实验方法的主要内容是建立测试床和实验室。模拟方法主要是应用网