无线传感网络总结

1.1无线传感网的体系构造与构造无线传感网是由一组无线传感器节点以Adhoc〔自组织〕方式组成的无线网络，其目的是协种无线传感网集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术，能协作地感知、监测准确信息，然后通过Adhoc传感器、感知对象和观看者构成了无线传感网的三个要素。1-1所示为典型的无线传感网体系构造，它由分布式传感器节点群组成。这些节点通过自组织方式，并通过多跳方式将整个区域内的信息传送给基站〔BS〕或集合节点，BS再通过传输通信网络〔由互联网、卫星网或移动通信网构成〕将数据传到数据中心或发送给远处的用户。反之，用户可以通过传输通信网发送命令给BS，而BS再将命令转发给各个传感器节点。无线传感网是以数据为中心1-2所示。分簇方式的特点是簇群内的节点只能与本簇的簇头通信，簇头和簇头之间可以相互传递数据，可以通过多跳方式传送数据到数据中心。1.1.2无线传感器节点构造无线传感器节点是一个微型化的嵌入式系统，它构成了无线传感网的根底层支持平台。典型的传感器节点由数据采集的感知单元、数据处理和存储单元、通信收发的传输单元和4个局部组成，感知单元由传感器、A/D转换器组成，负责感知监能源供给单元传输单元MAC层协议处理单元节点的操作，存储和处理本身采集的数据以与其他节点发来的数据。典型的传感器节点体积较小，可能小于1cm3次方，常被部署在无人照看或恶劣的环境中，无法更换电池，节点能量受限。实际上各平台最主要区分是承受了不同的处理器、无线通信协议以与与应用相关的不同的传感器。目前国内外消灭了多种无线传感网节点的硬CrossBowMoteMica2MicaZMica2Dot，InfineonEYESIntelStrongARM、TexasInstrumentMSP430AtmelAtmega802.llb802.15.4/ZigBee和Bluetooth等；与应用相关的传感器有光传感器、热传感器、压力传感器以与湿度传感器等。1.2.4无线传感网的特点1.2.传感器节点的能量、计算力量和存储容量有限4.网络的自动治理和高度5.6.以数据为中心的网络7.1.3无线传感网关键技术网络拓扑掌握技术网络通信协议使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络网络层协议和数据链路层协议。消耗，这样才能延长整个网络的生存期。无线传感网是以数据据源到会聚节点之间的转发路径。无线传感网的MAC协议首先要考虑节约能源和可扩展性，其次才考虑公正性、利用率和实时性等。在MAC层的能量铺张主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。为了削减能量的消耗，MAC协议通常承受“侦听/睡眠”交替的无线进入睡眠状态。网络安全技术时间同步技术RBS、TINY/MINI-SYNCTPSN被认为是三个根本的同步机制。RBS机制是基于接收者-接参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们间的时钟同步。TINY/MINI-SYNC是简洁也是线性的，可通过交换时标分组来估量两个节点间的最优匹配偏移量。TPSN承受层次构造根节点的时间同步。节点定位技术确定大事发生的位置或采集数据的节点位置是无线传感网最根本的功能之一。由于传满足自组织性、强健性、能量高效、分布式计算等要求。依据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点标节点，依据某种定位机制确定自身的位置。在无线传感网定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估量法确定节点位置。依据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把无线传感网中的定位分类为基于测距的定位和无需测距的定位。数据融合技术首先是延迟的代价，在数据传送过程中查找易于进展数据融合的路由、进展数据融合操作、鲁棒性的代.价的鲁棒性。应用层网络层中，很多路自动识别等领域得到了广泛的应用。数据治理技术无线通信技术嵌入式操作系统应用层技术第2第32.4典型的物理层通信技术无线传感网使用的典型物理层通信技术，包括近距离无线通信技术的ZigBee技术、红外通信技术，蓝牙技术，以与WiFi、UWB技术GPRSEDGE技术、WiMax、3GLTE〔4G〕通信技术。ZigBeeZigBee技术是一种近距离、低简单度、低功耗、低速率、低本钱的双向无线通信技有周期性数据、间歇性数据和低反响时间数据传输的应用。ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的无线通信标准，该联盟成立于20238月。ZigBee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简洁牢靠、价格低廉、功耗低、无线连接202312月公布了第一个ZigBee正式标准。ZigBeeIEEE802.15.4标准定义的物理层与MAC层为根底，并对其进展了扩展，对网络层协议和API进展了标准化，定义了一个敏捷、安全的网络层，支持多种拓扑构造ZigBee联盟还开发了应用层、安全治理、应用接口等标准。ZigBee换电池并且不充电的状况下能正常工作几个月甚至几年。ZigBee支持mesh型网络拓扑构造。网络规模可以比蓝牙设备大得多，一个网络可支持65000一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信。ZigBee无线设备工作在免许可频段2.4GHz868/915MHz10～75m，具体数值取决于射频环境以与特定应用条件下的传输功耗。ZigBeeZigBee2.4GHz250kbps，在915MHz时为40kbps868MH220kbps。3MAC3.2基于争型MAC协议基于竞争的MAC相应的机制来保证任一时刻在通信区域内只能有一个无线节点获得信道使用权. .数据产生了碰撞，就依据某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。基于竞争的MAC协议有如下优点：由于基于竞争的MAC协议是依据需要安排信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；基于竞争的MAC协议不需要简单的时间同步或集中掌握调度算法。通信过程中造成能量损耗主要表达在以下几方面：空闲监听(idlelistenning)：节点在不需要收发数据时仍保持对信道的空闲侦听。冲突重传：数据冲突导致的重传和等待重传。掌握开销：为了保证牢靠传输，协议将使用一些掌握分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必需消耗肯定的能量来发送它们；串扰(overhearng)：节点因接收并处理并非传输给自己的分组造成的串音。3.2.2S-MAC协议关键技术周期性监听和睡眠自适应监听冲突和串音避开消息传递〔分片传输机制〕ZigBee协议ZigBee协议框架相对于常见的无线通信标准，ZigBee三个根本层次：物理层/数据链路层、ZigBee堆栈层和应用层，物理层/数据链路层位于最底层，应用层位于最高层，ZigBee4-4所示。各层的根本功能如下：物理层/数据链路层帧的装配以与接收到的数据帧的解析。ZigBee堆栈层ZigBeeIEEE802.15.4物理层/数据链路层的连接，由与网络拓扑构造、路由、安全相关的几个堆栈层次组成。应用层将输入转化为数字数据，或者将数字数据转化为输出。ZigBee协议主要特征ZigBee〔当不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee网络中称作“协调器”的设备负责唤醒他们〕，所以ZigBee技术特别省电，避开了频繁更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。牢靠。由于承受了可碰撞避开机制并为需要固定宽带的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据时的竞争和冲突，而且MAC层承受了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必需等待接收方确实认信息，因此从根本上保证了数据传输的牢靠性。.廉价。由于ZigBee协议栈设计简练，因此它的研发和生产本钱相对较低。一般网络880C514KB32KBROM；软件实现上也较简洁。随着产品产业化，ZigBee1.5～2.5美元。短时延。ZigBee技术与蓝牙技术的时延指标都格外短。ZigBee节点休眠和工作状态15ms30ms3～10s。大网络容量。ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内最100ZigBee安全。ZigBee技术供给了数据完整性检查和鉴别功能，加密算法承受AES-128，并且其应用可以敏捷确实定其安全属性，使网络安全能够得到有效的保障。ZigBee网络层网络层功能网络层在MAC层与应用层之间供给适宜的接口，通过激发MAC层的动作执行寻址和路由功能。主要任务包括:①发起一个网络并且安排网络地址(网络协调器)；②向网络中添加设备或者从网络中移除设备；③将消息路由到目的节点；④对发送的数据进展加密；⑤在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表。网络层效劳标准网络层包含网络层数据实体(NLDE)和网络层治理实体(NLME)，NLDE通过网络层数据实体效劳接入点(NLDE-SAP)供给数据传输效劳，NLME通过网络层治理实体效劳接入点(NLME-SAP)供给治理效劳。NLME利用NLDE完成一些治理任务和维护网络信息库(NIB)，网4-5网络层数据实体(NLDE)网络层治理理实体(NIME)4.3.5ZigBee应用层ZigBee协议的应用层由应用支持子层(ApplicationSupportSoblayer，APS)、应用框架(AppliCationFramework，AF)、ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)以ZigBee4-6APS子层的作用包括：〔绑定表作用是基于两个设备的效劳和需要把它们绑定在一起之间来传输信息。ZDO的作用包括：在网络中定义一个设备的作用〔如定义设备为协调器、路由器或终端设备. .定需求以与在网络设备中建立一个安全的连接。应用支持子层(APS)应用支持子层在网络层和应用层之间，通过ZDO和应用设备共同使用的一套通用的效劳机制供给两层间的接口。应用支持子层包含两个实体：APS数据实体(APSDEAPS治理实体(APSMEAPSDE通过APS数据实体效劳接入点(APSDE-SAP)在同一网络的两个或多个设备之间供给数据传输效劳；APSME通过APS治理实体效劳接入点(APSME-SAP)供给效劳机制，以觉察和绑定设备，并维护一个治理对象的数据库，称为APS信息库(AIB)。应用框架(AF)ZigBee应用层框架是应用设备和ZigBee设备连接的环境。在应用层框架中，应用对象(ApplicationObject)发送和接收数据通过APSDE-SAP实现，而对应用对象的掌握和治理则通过ZDOAPSDE-SAP传输的指示信息。用户可以定义多达240个不同的应用对象，每个应用对象由端口(Endpoint)1到端口240241-2540用于ZDO255用于全部应用对象的播送数据的数据接口。使用APSDESAP供给的效劳，应用层框架供给了应用对象的两种数据效劳类型：键值对(KeyvaluePair，KVP)效劳和通用信息(GenericMessage，MSG)效劳。两者传输机制一样，不同的是：KVP较为严格，是特地为传输一组特征量而设计的；MSG构造上则比较自由，不承受应用支持子层数据帧的内容，留给用户自己定义。ZigBee设备对象(ZDO)ZigBee(ZDO和应用支持子层之间供给了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。它满足了ZigBee协议栈全部应用操作的一般要求。ZDO还有以下作用:①初始化应用支持子层、网络层、安全效劳文档。②从终端应用中集合配置信息来确定和执行觉察、安全治理、网络治理、以与绑定治理。ZDOZDO供给了与协议栈中低一层相连的接口，数据信息通过APSDE-SAP相连，掌握信息通过APSME-SAP相连。在ZigBeeZDO公用接口供给设备觉察、绑定以与安全等功能的地址治理。ZigBee设备对象治理平台ZigBee设备对象治理平台治理网路层和应用支持子层，在ZigBee设备对象执行内部.工作时允许其与网络层和应用支持子层通信。此外，治理平台也负责ZigBee设备对象处理应用恳求接入网络与使用ZigBee设备文件信息的安全功能。思考题ZigBee协议主要特征有哪些？ZigBee网络中，设备类型有几种？Zigbee3种设备类型：协调器、路由、终端。简述Zigbee协议体系构造。55.1.2路由协议的分类按源节点猎取路径策略划分〔1〕主动路由协议。〔2〕按需路由协议。〔3〕混合路由协议：按通信的规律构造划分〔1〕平面路由协议：〔2〕层次路由协议：按路由的觉察过程划分以位置信息为中心的路由协议：。以数据为中心的路由协议：5.3.1Flooding和Gosipping协议洪泛路由协议洪泛路由协议〔Floodingprotocol〕内爆现象：重叠现象：闲聊法闲聊法〔Gossiping〕引入了随机发送数据的方法基于查询的路由协议定向集中路由定向集中〔directeddiffusion，DD)路由协议是一种基于查询的路由方法定向集中路由机制包括周期性的兴趣集中、梯度建立、数据传播与路径加强等阶段。. .谣传路由66.1定位的含义无线传感网定位问题是指网络通过特定方法供给节点的位置信息点自身定位和目标定位网络掩盖区域内一个大事或者一个目标的坐标位置作为参考，确定大事或者目标在网络掩盖范围内所在的位置。根本术语〔名词解释〕信标节点：指通过其他方式预先获得位置坐标的节点，有时也被称作锚点。网络中相应的其余节点被称为非锚点。测距：指两个相互通信的节点通过测量的方式来估量出彼此之间的距离或角度。连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测觉察的的密集程度。邻居节点接收信号强度指示〔receivedsignalstrengthindicator，RSSI〕：节点接收到无线信号的强度大小，被称为接收信号的强度指示。到达角度〔angleofarrival，AoA〕：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，被称为信号相对接收节点的到达角度。视线关系〔lineofsight，LoS〕:假设传感网的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个节点间存在视线关系。非视线关系〔nonelineofsight，NLoS〕：传感网两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。定位性能的评价指标〔1〕定位精度：〔2〕掩盖范围：〔3〕刷速度：〔4〕功耗：〔5〕代价：时间代价空间代价.资金代价测距方法接收信号强度指示〔RSSI〕到达时间〔ToA〕到达时间差〔TDoA〕到达角〔AoA〕节点定位计算方法三边测量法三边测量法〔trilateration〕，A、B、C三个节点的坐标，以与它们到未知节点D的距离,求D的坐标.BADC三角测量法三角测量法(triangulation),A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、CD对于节点A、C和角∠ADC，假设弧段AC在△ABC内，那么能够惟一确定一个圆，O1A、B、∠ADBB、C、∠BDC分别确定相应的圆心、半径。最终利用三边测量法，由三个圆心点与其半径确定D极大似然估量法极大似然估量法(maximumlikelihoodestimation，MLE1、2、3等n个节点D的距离，求未知节点的坐标使用标准的最小均方差估量方法可得到节点的坐标为：6.3无须测距的定位技术是依据网络的连通性确定网络中节点之间的跳数1．质心算法DV-Hop算法距离向量-跳数〔distancevector-hop，DV-Hop〕算法定位机制格外类似于传统网络中的距离向量路由机制。在距离向量定位机制中，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，. .的估量距离，再利用三边测量法或极大似然估量法计算未知节点的坐标。DV-Hop算法的定位过程分为以下三个阶段：计算未知节点与信标节点的最小跳数444444 334333 444444 334333 324343232222 221114333244344343443133211A112334443321111223442113443312 3224443322 23222334333334344444计算未知节点与信标节点的实际跳数距离每个信标节点依据第一个阶段记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用式〔6-8〕估算平均跳数的实际平均距离值。近的信标节点接收每跳平均距离值。未知节点接收到每跳距离平均值后，依据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离。利用三边测量法或极大似然估量法计算自身位置未知节点利用其次阶段中记录的每个信标节点的跳段距离估量法计算自身坐标。6-8给出了DV-Hop算法例如。经过第一阶段和其次阶段，能够计算出信标节点、、L L L、、1 2

间的实际距离和跳数，那么信标节点L

计算的每跳平均距离为d=(4075)/(2225)=16.42mAL22

A与三个信标节点之间3d，2d，3d，最终利用三边测量法计算出节点A的坐标。LL2LL31A100mDV-Distance4.APIT算法.RBSRBS协议是基于接收者和接收者时间同步机制的代表协议，根本原理如图7-1所示。发送节点播送一个参考〔reference〕分组，播送域中两个节点都能够接收到这个分组，每个接收节点分别依据自己的本地时钟记录接收到reference分组的时刻，然后交换它们记录的reference中一个节点依据这个时间差值更改它的本地时间，从而到达两个接收节点的时间同步。RBS机制中不是通揭露送节点的时间值的相对时间同步，参考分组本身不需要携带任何时标，也不需要知道是何时发送出去的。RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差〔时钟歪斜〕、接收节点的非RBS表示节点间的时间差。Tiny-sync/mini-sync同步机制it的单调非递减函数。用来产生实时时间的频偏和时钟相偏往往存在差异，但是它们时钟频偏或相偏之间的差值在一段时间内保持不变，依据节点之间的线性相关性，可以得出：12a12和b分别表示两个时钟之间的相对时钟频偏和相对时钟相偏Tiny-syncMini-sync算法承受传统的双向消息设计来估量节点时钟间的相对漂移和相对偏移。12t02tb。并且1tr，利用这些时间戳确实定12挨次和上面的等式可以得到下面的不等式：12 三个时间戳〔t0、tb、tr〕叫做数据点，Tiny-syncMini-sync利用这些数据点进展的两个约束条件。图7-3ab上的约束。Tiny-sync12 . .总共只需要存储三到四个数据点，就可以实现肯定精度的时间同步。如图7-4所示，在收到(A1,B1)和(A2,B1)后，计算出频偏和相偏的估量值，在收到数据点(A3,B3)之后，约束A1、B1、A3、B3被储存，A2、B2被丢弃了，但是后(A4,B4)可以和(A2,B2)(A2,B2)已经丢弃，只能获得次优估量。Mini-sync算法是为了抑制Tiny-sync算法中丧失有用数据点的缺点而提出的，该算法建立约束条件来确保仅丢掉将来不会有用的数据点并且每次猎取的数据点后都更约束条件由于只有Aj满足： 这个条件就表示这个数据点是以后有用的数据点〔m(A,B)表示通过点AB的直线的斜率〕无线传感网的安全防护技术安全框架SPINS安全协议族是最早的无线传感网的安全框架之一，主要由安全加密协议〔SNEP〕和认证流播送〔μTESLA)两局部组成。SNEP供给双向通信认证、数据XX安全效劳；μTESLA协议则供给对播送消息的数据认证效劳。安全协议与防护技术〔LEAP〕LEAP+支持每个节点4种密钥：与中心节点共享的单独密钥、每个相邻节点共享的成对密钥、与一组相邻节点共享的分群密钥、与全部网络节点共享的全网密钥。认证和访问掌握技术.无线传感网内部实体之间认证无线传感网对用户的认证⑴直接基站恳求认证⑵路由基站恳求认证⑶分布式本地认证恳求⑷分布式远程恳求认证3〕无线传感网播送认证安全通信与安全路由技术安全时钟同步技术于测距的定位。无线传感网时间同步协议可以有效地实现传感器节点点对点的时间同步或传感器节点的全局时间同步。传感器节点点对点的时间同步是指邻居节点间获得高精度的相互时间同步，而传感器节点的全局时间同步是让整个无线传感网中全部节点共享一个全局的时钟。大多数全局时间同步协议都是建立在点对点时间同步的根底上的建立多跳路径使全部的节点能够沿着多跳路径与邻居节点进展点对点的时钟同步己的本地时钟能够与一个特定的源时钟同步，到达全局同步的目的。入侵检测与容错技术3个局部组成：入侵检测、入侵跟踪和入侵响应。这3个局部挨次执行。9.2数据融合的必要性铺张通信带宽和能量。降低信息收集的效率。数据融合的作用1〕节约能量2〕获得更准确的信息3〕提高数据的收集效率依据数据进展融合操作前后的信息含量，可以将数据融合分为无损融合和有损融合从信息流通形式和网络节点处理的层次看，跟踪级融合模型可以分为集中式与分布式。无线传感网数据融合技术基于路