无线传感器网络作业

1分析WSN和ADhoc网络特征的相同之处和不同处？移动Adhoc网络是由无线移动节点组成的具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统，有时称作MANET（MobileAdhocNETworks,移动Adhoc网络）。每个节点既可以作为主机，同时也可以作为路由器来使用，除了可以运行用户应用程序，还可以通过其它节点转发数据包，节点之间是以对等方式连接的。无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。1.1相同点都是自组织网络，网络自动配置，动态拓扑结构，需要考虑网络的安全性等。1.2不同点无线传感器网络作为一种分布式传感器网络和移动Adhoc网络有相似点，但又有很多不同。移动Adhoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动adhoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。WSN和传统无线宽带网络在设计中，各自的首要设计目标是什么？WSN的首要设计目标通常传感器节点都由能量有限的电池提供能量,且在实际应用中由于传感器节点数量多,分布广,部署环境复杂,因而在大多数部署环境中通过更换电池或充电的方式来补充能量是不可行的。能量有限是WSN发展的一个瓶颈。因此,如何合理有效地使用现有能量最大化WSN的生命周期便成了首要的设计目标。其中生命周期是指从网络开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽所经历的时间。2.2无线宽带网络的首要设计目标传统宽带无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源。无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其鲜明的特点：（1）传感器节点体积小、能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。（2）通信能力有限传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。（3）节点存储和计算能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。（4）网络规模大、分布广传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。（5）自组织、动态性网络在传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，这就要求传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结构的动态变化。以数据为中心的网络传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。观察者感兴趣的是传感器产生的数据，而不是传感器本身。观察者不会提出这样的查询：“从A节点到B节点的连接是如何实现的?”，他们经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气?”。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。因此，传感器网络是一种以数据为中心的网络。802.15.4协议的特点？包括主要的针对的应用场合、解决传输误码的方法，说明和ZIGBEE、6LoWPAN的层次关系。802.15.4协议的特点802.15.4是一个低数据率的WPAN(LR-AN)标准，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)，使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。IEEE802.15.4支持多种网络拓扑结构。最简单的一种是星型网，只有一个网络协调器，连接多个从设备。为了降低系统成本，IEEE802.15.4定义了两种物理设备一完整功能设备(FFD)和部分功能设备(RFD)。FFD支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其他设备对话;RFD仅支持星型结构，不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但是实现非常简单。在星型网中只有网络协调器是FFD,其他均为RFD。另一种网络结构是对等网络，它的覆盖范围很大，有成千上万个节点。网络中的每一个FFD也可作为路由器，通过路由协议来优化最短和最可靠的路径，同时路由协议还可根据情况动态变化。802.15.4协议的应用场合IEEE802.15.4特别适合应用于嵌人式系统、微处理器等领域，希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网的场合。802.15.4协议解决误码的方法在802.15.4标准中提到了两种机制解决误码问题。一种机制是使用短帧格式=小于128B)以减少单个帧出错的概率;另外一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的数据是否出错。MAC帧的校验码长16位，使用ITU标准的16位校验生成算法生成。802.15.4协议和ZigBee、6LoWPAN层次关系IEEE802.15.4标准具有可扩展性，只规定了底层:为单一的媒体访问控制(MAC)层和多样的物理层，至于MAC层以上的协议，可以采用不同的方案。由此就产生了多种不同的技术，ZigBee和6LoWPAN就是其中的两个。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。网络层将采用基于AdH0。技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE802.15.4标准同样省电。6LoWPAN技术也采用的是IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6LoWPAN技术使用IETF规定的IPv6功能，采用IPv6协议栈。了解ISM波段含义，说明802・15・4协议所占ISM无线波段，以及各个波段的信道数。八十年代后期，美国联邦通信委员会(FCC)对使用无线电的计算机通信开放了无须申请就可以使用的ISM(Industrial,Scientific，and，Medical)频段，使得无线网络的使用成为通信领域的一个热点。1990年7月，IEEE802委员会接受了“CSMA/CD无线媒介标准扩充”的提案，成立了IEEE802.11无线局域网工作委员会，为无线网络制定工业标准。日本于1993年也公布了无线局域网使用的ISM频段。在中国，也先后开放2.4G和5.8G作为ISM频点。对于ISM波段的通信机来说，只要功率谱及带外辐射满足要求，使用者无须向无线电管理部门申请使用许可证，提高了微波波段无线扩频技术的商业价值。所有CiscoAironet产品符合美国/欧洲以及世界的电磁辐射标准。在世界各区域销售的产品满足不同地区对于ISM和功率及辐射的要求，在中国，采用2.4G的开放民用频率，无需许可证。30毫瓦功率也远低于无线电委员会要求。ISM频段为902-928MHZ，2.4-2.4835GHZ，5.725-5.850GHZ在2450MHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道传感器节点的主要组成以及WSN中传感器节点的特点和限制条件传感器节点的主要组成：控制器、通信装置、传感器/驱动器、存储器、能量供应。特点：传感节点体积小、成本低、传感节点数量大、具有自适应能力。限制条件：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。路由协议的作用和功能？WSN路由协议独特特征？路由协议的作用是寻找一条或多条满足一定条件，从源节点到目的节点的路径，将数据分组沿着所寻找的路径进行转发。路由协议的功能主要有两个方面：一是搜索满足条件的从源节点到目的节点的优化路径；二是转发资料分组。WSN路由协议独特特征：无线传感器与传统的无线网络协议不同之处，它受到能量消耗的制约，并且只能获取到局部拓扑结构的信息，由于这两个原因，无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性，不同应用中的路由协议差别很大，没有通用的路由协议。8・WSN路由协议的4种分类根据无线传感器网络结构、路由协议自身的特点及应用类型，将路由协议分为以下几个类型：（1）以数据为中心的路由：在无线传感器网络应用中，终端用户往往只关心采集的数据，而不关心这些数据是从那个节点传送的。（2）基于层次节后的路由协议，基于层次的网络结构致力于解决如何节省网络节点的能量消耗，均摊网络能量，延长网络寿命。（3）基于地理信息路由协议。合理利用节点的地理信息，从而将数据分组转发给一个特定区域而不是整个网络，减少网络能耗。（4）基于多路径的路由协议。多路径路由协议能够提高网络的可靠性，并且可以将传输能耗分摊在更多的节点上。简要说明SPIN、DirectedDiffusion、TTDD、LEACH、LAR、P-MAC协议的最基本的工作思想SPIN：。该协议假定网络中所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点没有的数据。SPIN协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送；此外，SPIN协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。DirectedDiffusion:它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。TTDD：—个层次路由协议，主要是解决网络中存在多sink点及sink点移动问题。当多个节点探测到事件发生时，选择一个节点作为发送数据的源节点，源节点以自身作为格状网（grid）的一个交叉点构造一个格状网。LEACH：是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络生存时间。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。LAR：LAR协议是一种基于源路由的按需路由协议。它的思路是利用移动节点的位置信息来控制路由查询范围，从而限制路由请求过程中被影响的节点数目，提高路由请求的效率。它利用位置信息将寻找路由的区域限制在一个较小的请求区域(requestzone)内，由此减少了路由请求信息的数量。LAR在操作上类似于DSR。在路由发现过程中，LAR利用位置信息进行有限的广泛搜索，只有在请求区域内的节点才会转发路由请求分组。若路由请求失败，源节点会扩大请求范围，重新进行搜索。LAR确定请求区域的方案有两种：一是由源节点和目的节点的预测区域确定的矩形区域；二是距离目的节点更近的节点所在的区域。P-MAC:采用交换预约包的方式完成信息交换。为了节能，节点周期性监听/休眠，每个节点任意设定开启时间，避免了全网同步对定时的精确要求。节点通过周期广播的方式通知邻节点自己的开启策略。节点通过周期探测与预测结合的方式存储并更新邻节点信息表。简要说明SPIN、DirectedDiffusion和LEACH的工作流程SPIN：采用了3种数据包来通信：ADV用于新数据的广播，当节点有数据要发送时，利用该数据包向外广播；REQ用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发送该报文；DATA包含带有Meta-data头部数据的数据报文；当一个传感器节点在发送一个DATA数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV数据包，如果一个邻居希望接收该DATA数据包，则像该节点发送REQ数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA数据包。DirectedDiffusion：首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建立传输梯度。数据沿着建立好的梯度路径传输。LEACH：不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：一是簇的建立，即包括簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。二是传输数据的稳定阶段。每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知整个网络，完成簇的建立。在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信息融合后送给汇聚点。一段时间后，重新建立簇，不断循环。MAC协议的作用，按分配信道方式分类的类型？MAC协议的主要作用是决定无线信道的使用，建立传感器网络的基础结构，为了能够使传感器节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突。MAC协议可分为3类：（1）基于竞争的MAC协议。即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道。（2）基于固定分配的MAC协议。即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行。（3）基于按需分配的MAC协议。即根据节点在网络中所承担数据量的大小决定其所占用信道的时间。说明CSMA、CA主要工作机理以及特点。工作机理：（1）使用如RTS，CTS等控制消息预留信道（2）首先站点执行CSMA算法（3）如果确定了用于传送的适当时间，站点发送RTS（4）然后目标回应CTS消息。特点：在RTS上仍然可能会发生碰撞。说明混合型MAC协议中ZMAC协议的主要思想。ZMAC协议，采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题。ZMAC引入了时间帧的概念，每个时间帧又分为若干个时隙。在ZMAC中，网络部署时每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法。时隙分配结束后，每个节点都会在时间帧中拥有一个时隙。分配了时隙的节点称为该时隙的所有者：所有者在对应的时隙中发送数据的优先级最高。在ZMAC中，节点可以选择任何时隙发送数据。节点在某个时隙发送数据需要先监听信道的状态，但是该时隙的所有者拥有更高的发送优先级。发送优先级的设置通过设定退避时间窗口的大小来实现。时隙的所有者被赋予一个较小的时间窗口，所以能够抢占信道。时隙在被所有者闲置时还能被其他的节点使用，从而提高信道利用率。此机制还隐含了根据信道的竞争情况在CSMA机制和TDMA机制间切换的方法。ZMAC协议将顺序执行步骤：邻居发现；时隙分配；本地时间帧交换；全局时间同步。了解传输延时中不确定性时间分布情况。所有的无线传感器网络的无线消息传输时延都可以分解为以下几个部分：（1）发送时延。发送方节点在应用层组装信息及向MAC层发起发送请求所需的时间，此时延是高度可变的，取决于操作系统的调度和当前节点的处理器的负载。访问时延。数据包达到MAC层后，等待信道空闲所需的时间，访问时延取决于当前无线网络的负载，是导致消息传递时延的最关键因素。传输时延。物理层传输比特数据所需的时间，可以通过数据包的大小和无线通信速率估算出来，是确定的。传播时延。消息在两个节点之间的传输介质中的传播时间，这个时间主要取决于节点之间的距离，这个时延是确定的。接收时延。物理层接收比特数据所花费的时间，与传输时延对应，并与传输时延有重叠接收处理时延。接收方处理接收到的消息包并传递到应用层所需的时间，与发送时延类似。传输时延和接收时延又可以细分为以下几个部分的时延：(1)中断处理时延。无线芯片发起中断信号和微处理机响应这个中断所需的时间，这个延时远小于几微秒。但是如果中断无效的话，这个时延就很大了。编码时延。无线芯片把要传输的信息编码转换成无线电波所消耗的时间。解码时延。无线芯片把接收到的无线电波消息转换为比特数据所花费的时间。字节序列校正时延。接收端无线芯片得到的字节序列可能会与发送端的不同，因此还需要字节序列校正时间，这个时间是确定的。说明时间同步协议中FTSP、单挑RBS、HRTS、TPSN的基本工作思想。FTSP(FloodingTimeSynchronizationProtocol)：洪泛时间同步协议，属于典型的发送端/接收端单向时间同步模式。它实现了全网了时间同步，并且能够很好地适应网络拓扑结构的动态变化，FTSP采用以下措施来处理多种传输时延，提高同步精度。节点在消息发送和接收的时候记录MAC层时间标，就可以直接消除消息传递过程中的发送时延、访问时延及接收处理时延。在发送方传输同步信息和接收方接收同步信息的过程中，节点在同步字节发送后在MAC层给以后的每个字节记录时间标。用线性回归法来确定是在漂移率。FTSP协议能够实现多跳的时间同步，它根据节点的ID号动态的选举出一个根节点，作为时钟源节点，所有的节点的时间都痛不欲根节点的时间，根节点和已经同步的节点周期性地发送同步信息。RBS根据无线信道的广播特性，消息对所有接收节点而言是同时发生到信道上的。RBS算法中正是利用这一特性来消除发生时间和访问时间引入的时间同步误差，从而提高时间同步精度。RBS算法中，参考节点周期性地向邻居节点广播时间同步消息，接收到这个消息的组节点记录消息达到时各自的本地时间，然后相互交换本地时间戳信息，这样这组节点就可以计算出相互间的时钟偏差。RBS算法中广播的时间同步消息并不包括真是的时间戳信息，消息的准确发送时刻并不重要，它也并不关心消息到达每个节点的传播时间，而是关心这些传播时间之间的差值。RBS算法最简单的情形是参考节点广播一个时间同步消息，广播域中的两个节点接收到这个信息，并记录消息达到时的本地时间，然后交换各自记录的时间。RBS算法把两个接收时间的差值作为两个节点的实在偏差，其中一个节点可以根据接收时间差值来修改其本地时间，从而实现两个节点之间的同步。HRTS(HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol)是基于“发送者-接收者”时间同步机制。该同步机制主要通过“发送者”和“接收者”之间的三次数据通信来达到“发送者”和“接收者”时间同母的目地。在第一次数据通信中，“参考节点”(发送者)广播一个同步请求命令帧Fl,并记录下发送该帧的时刻tl。该同步请求命令帧的载荷中含有“参考节点”在其邻居表中随机选择的一个“应答节点”，该“应答节点”完成和“参考节点”的通信过程。在“参考节点”广播范围内的所有节点在接收到这个同步请求命令帧时都记录下接收到该帧的时间，但是只有“应答节点”会回复该命令帧。其中，邻居节点J将该接收时刻记录为t2j“应答节点”将其接收到同步命令帧的时刻记为t2。在第二次同步通信过程中，“应答节点”向“参考节点”回复的同步响应命令帧(记为F2)中包含的是“应答节点”接收到同步请求命令帧F1的时刻t2以及发送同步响应命令帧F2的时间t3,“参考节点”把收到同步响应命令帧尺的时刻记为t4。HRTS同步算法在MAC层加入了时间戳，有效的减少了发送时延以及接收处理时延的影响，提高了同步精度。该算法假定了所有节点之间的传输时延以及接收时延相同，通过标记发送以及接收命令帧的时间来确定传输时延以及接收时延。但是该算法的同步范围局限在节点的广播范围之内，同步范围有限，可扩展性不好。TPSNTPSN算法主要分为两个步骤。首先是为节点建立层次性的结构，然后每一级的节点与它上一级节点进行时间同步最终达到网络内所有节点与最顶层的节点保持同步。TPSN算法假设所有的节点具有全网唯一的ID标识号，链路层的协议确保每个节点能够获知可以直接通信的节点集了；TPSN算法还假设无线通信链路是双向的，并且可以对整个网络建立生成树(spanningtree)。TPSN算法包括两个阶段：生成层次结构阶段(leveldiscoveryphase)和同步阶段(synchronizationphase)。ZigBee协议的拓扑结构类型，节点可以分为哪几类和相互关系。拓扑结构类型：星型、网状型、簇状型。节点分为网络协调器、全功能设备(FFD)、精简功能设备(RFD)。相互关系：网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置(RFD)连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。WSN中故障模型分类和区别。WSN中的故障模型分为网络模型和数据模型。网络模型：无线传感器网络中节点的状态可分为正常和故障。故障是“永久”和“静态”的，所谓“永久”是指故障节点将持续故障直到该节点被维修或替代，所谓“静态”是指在节点故障诊断过程中不产生新故障。无线传感器网络的节点故障分为两类：硬故障和软故障。数据模型：在无线传感器网络中，节点和其邻节点之间具有空间的相似性，即网络中无故障的相邻传感器节点之间具有相同或相似的测量值。因此，可以通过邻节点感知的传感数据来诊断当前节点的状态。TOA/TDOA/RTOF的工作原理及计算公式。TOA:已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=[(T3-T0)-(T2-T1)]*V/2TDOA:发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=(T2-T1)*C1C2/(C1-C2)测距方式对精度的影响，尤其是各种物理信号用于测量距离时，可以达到的定位精度区别，采用射频信号，设TOA达到始终精度为1ms,则测距精度是多少？定位的精确度是无线传感器网络定位算法的重要评价指标，然而测距是测距定位算法的先决条件。常用测量距离方法主要有：RSSI、TOA、TDOA、AOA等。很多典型的基于测距技术的定位算法没有考虑到现实环境中多种多样的因素，而是在理想的部署环境下评测的，当部署环境中存在障碍物时，很多提高定位精度的算法是无效的，还有可能降低定位的精度。接收信号强度指示(ReceivedsignalStrengthindicator,RSSI)：已知发送节点的信号功率，根据接收节点接收到的信号功率，然后根据传播信号损耗模型，计算两个节点之间的距离,并利用节点之间的距离进行定位的技术。对于射频系统(RF)，多路反射、背景干扰、不规则的信号传播特性会使得估计的距离不精确。到达时间(Timeofarrival，TOA):根据信号的到达时间进行测距。最常见的使用TOA技术进行测距的技术是GPS，GPS系统的价格较贵，能量消耗大，并且需要与卫星的时钟同歩。基于无线传感器网络的硬件和内部能量限制，GPS和其它基于TOA的设备太过昂贵。到达时间差(Timedifferenceofarrival，TDOA):在一对临近节点间，基于声波和电磁波的不同到达时间计算它们距离。但是，室外环境非常的复杂。例如，草对声音有严重的阻尼效应，廉价的扬声器和操作系统使得调度和驱动花费较多时间，影响时间测量的准确性，回声和多径效应会使得提供的数据有误。通过对测量距离进行信号处理、统计滤波和一致性检验来解决这些问题。到达角度(Angleofarrival，AOA):需要估算邻居节点发送信号的角度。由于辅助设备成本过高，因此AOA技术不能广泛用于大规模无线传感器网络中。若采用射频信号，TOA的时钟精度为1ms，则测距精度是为3x105。简要说明三边定位、质心算法？三边测距算法设未知节点D的坐标(x,y),A、B、C3个信标节点的坐标分别为(x,y)、ddaa(x,y)、(x,y)，它们到D的距离分别为d,d,d，则可得如下方程组：bbccadbdcd(x—x)2+(y—y)2二d2⑴TOC\o"1-5"\h\zaaad<(x—x)2+(y—y)2二d2(2)bbbd(x—x)2+(y—y)2二d2(3)cccd式(1)减式(3)，式(2)减式(3)后联立方程

‘2(x一x)x+2(y一y)y=x2一x2+y2一y2+d2一d2cacacaccd‘2(x一x)x+2(y一y)y=x2一x2+y2一y2+d2一d2cbcbcbccdbd可解得D点的坐标(x,y)。dd三边测距算法确定未知节点的坐标的思想可用图1来表示。图1由于三边测距算法基于两条直线的交点来估算未知节点的坐标，没有充分利用A、B、C3个节点的坐标信息，使估算的未知节点的坐标可能存在比较大的误差。在图2，图3的情况下，根据(1)(2)(3)式可解出圆A与圆C的交点M(xy),M(xy)，圆B与圆C的交点M(xy),M(xy),ac1ac1,ac1ac2ac2,ac2bc1bc1,bc1bc2bc2,bc2圆A与圆B的交点M(xy),M(xy).通过将圆A与圆C交点ab1ab1,ab1ab2ab2,ab2M(xy),M(xy)代入式(x-x)2+(y-y)2，判断大小可找出两点距ac1ac1,ac1ac2ac2,ac222圆B的圆心较近的点,假设为M(xy)•同理可找出圆B，圆C交点中距圆ac1ac1,ac1A较近的点设为M(xy)，圆A,圆B交点中距圆C的圆心较近的点设为bc1bc1,bc1M(xy)•依据质心思想估算未知节点D的坐标为：ab2ab1,ab1/.,x+x+xy+y+y、(x,y)=(ab1bc1,ab1bc1)⑷dd33说明DV-Hop的距离了计算步骤。计算未知节点与每个信标节点的最小跳数信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0。接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数，忽略来自同一个信标节点的较大跳数的分组。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这个方法，网络中的所有节点能够记录下到每个信标节点的最小跳数。

（2）计算未知节点与信标节点的实际跳段距离每个信标节点根据第一个阶段中记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离，iHopSize=闻i工点x-X）2+（yiHopSize=闻ijijEhj其中，（x其中，（x,y）,（x,y）是信标节点i,iijj之间的跳段数。然后，信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期字段的分组广播至网络中，位置节点仅记录接收到的第一个每跳平均距离，并转发给邻居节点。这个策略确保了绝大多数节点从最近的信标节点接收每跳平均距离值。未知节点接收到j的坐标，h是信标节点i与j（i丰j）j平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离。（3）利用三边测量法或极大似然估计法计算自身位置未知节点利用第二阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离，利用三边测量法或极大似然估计法计算自身坐标。简要说明APIT方法的四个步骤。（1）收集信息：未知节点收集邻近信标节点的信息，如位置、标识号、接收到的信号强度等，邻居节点之间交换各自接收到的信标节点的信息；（2）APIT测试：测试未知节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部（3）计算重叠区域：统计位置节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部；（4）计算未知节点位置：计算重叠区域的质心位置，作为未知节点的位置M&S模型的同步实质。M&S模型的同步实质是基于萤火虫的同步闪光效应提出无线传感器网络群时间同步机制，通过补偿耦合时延对该机制进行了改进，将M&S模型引入到无线传感器网络中，网络中的每一个节点等效为M&S模型中的一个振荡器，节点的时钟系统由本地晶振和计数器构成，在某一时刻读取计数器的值即为节点的相位，计数器的最大计数值即为节点的相位极限，一旦达到计数最大值，则产生计数器溢出中断（相当于M&S模型中的振荡器被激发），并且通过向网络中的其它节点广播信号来产生相应的祸合效应，同时计数器将清零，然后重新计数，进入下一个周期。对于群中的每一个节点，用其相位变量来代替M&S模型中的状态变量。概述GPS、Galileo和北斗导航定位系统的简要知识。（1）GPS1973年12月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制新的卫星导航系统：navigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem,其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地，海洋，航空和航天），全球性，全天候，连续性和实时性的导航，定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974-1978年），系统论证（1979-1987年），生产实验（1988-1993年）三个阶段。总投资超过200亿美元。整个系统分为卫星星座，地面控制和监测站，用户设备三大部分。论证阶段共发射了11颗叫做BLOCKI的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCKIIR型第三代卫星，GPS系统由此基础改建而成。GPS卫星，其基本技术参数是：卫星颗数为21+3（截止2007年11月5日在轨的GPS卫星为31颗），卫星轨道面个数为6,卫星高度为20200KM，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），基准频率10.23MHZ，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地方任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m重约774kg（其中包括310kg燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作的用电，每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子种为GPS定位提供高精度的时间标准。卫星的运行周期约为11恒星时58分，每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监测站。主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作；另外主控站也具有监控站的功能。监控站有五个除了主控站外其它四个分别位于夏威夷Hawaii、阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。它们分别位于阿松森群岛Ascencion、迭哥伽西亚DiegoGarcia、卡瓦加兰Kwajalein。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换，放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS接收机，包括接收机硬件，机内软件以及GPS数据后处理软件包。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近适当的地方，用电缆线将二者连接成一体。随着科学技术的进步，已经将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时安置在测站点上。近几年，国内外GPS生产厂家生产出很多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLOASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。（2）Galileo从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代定位系统。伽利略系统计划由30颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成。30颗卫星部署在3个高度圆轨道面上，轨道高度23616km，倾角56度，星座对地面覆盖良好。在欧洲建立两个控制中心。欧洲航天局在2005年12月28日发射了第一颗伽利略演示卫星。Galileo系统最主要的设计思想是：与GPS/GLONASS不同，完全从民用出发，建立一个最高精度的全开放型的新一代GNSS系统；与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和兼容性；建设资金（36亿欧元）由欧洲各国和私营企业共同投资。但是，政治斗争可能会破坏Galileo系统的建设，由欧盟挑选的八家欧洲公司组成的产业联盟，由于职权斗争，严重影响了Galileo系统的建设。据一位技术分析专家称，Galileo有可能在2014或更晚时间才能够建设完成。（3）北斗北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem），是中国研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗一号由三颗北斗定位卫星（两颗工作卫星、一颗备份卫星，、地面控制中心为主的地面部分、与北斗用户终端三部分组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度号称GPS相当，唯缺乏原子钟等关键零组件，以现有用户端显示，校准精度为20米，未校准精度100米，较民用GPS精度为低。北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功法射了七颗北斗导航卫星。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗二号是中国开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于，GPS全球定位系统和伽利略。正在建设的北斗二号卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为10纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。基于行为检测的IDS的分类及区别。基于行为检测的IDS分为：异常检测、滥用检测、混合检测。在异常检测中，观察到的不是已知的入侵行为，而是所研究的通信过程中的异常现象，它通过检测系统的行为或使用情况的变化来完成。在建立该模型之前，首先必须建立统计概率模型，明确所观察对象的正常情况，然后决定在何种程度上将一个行为标为“异常”，并如何做出具体决策。在滥用检测中，入侵过程模型及它在被观察系统中留下的踪迹是决策的基础。滥用检测基于已知的系统缺陷和入侵模式，故又称特征检测。它能够准确地检测到某些特征的攻击，但却过度依赖事先定义好的安全策略，滥用检测通过对确知决策规则编程实现。在混合检测中，作为一个完整的系统，IDS将以下一些重要特征作为分类的考虑因素。检测时间：有些系统以实时或近乎实时的方式检测入侵活动，而另一些系统在处理审计数据时则存在一定的延时。一般的实时系统可以对历史审计数据进行离线操作，系统就能够根据以前保存的数据重建过去发生的重要安全事件。数据处理的粒度：有些系统采用了连续处理的方式，而另一些系统则在特定的时间间隔内对数据进行批处理操作，这就涉及到处理粒度的问题。它跟检测时间有一定关系，但二者并不完全一样，一个系统可能在相当长的时延内进行连续数据处理，也可以实时地处理少量的批处理数据。审计数据来源：主要有两种来源：网络数据和基于主机的安全日志文件。后者包括操作系统的内核同志、应用程序日志、网络设备(如路由器和防火墙)日志等。入侵检测响应方式：分为主动响应和被动响应。被动响应型系统只会发出告警通知，将发生的不正常情况报告给管理员，本身并不试图降低所造成的破坏，更不会主动地对攻击者采取反击行动。无线传感器网络的容错设计中故障的三个层次。从整体上考虑，无线传感器网络中的故障可以分为三个层面，即部件级、节点级和网络级。由于网络、节点、部件间的包含关系，所以高层故障本质也是由低层故障所造成。部件故障：节点能够通信，但是测量数据是错误的。节点故障：发生故障的节点与其它节点不再联通。网络故障：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。节点故障只有能连通域不能连通两种状态，所以可以简单地用二进制描述节点故障模型，例如0表示节点发生故障，不再与其他节点连通，1表示节点能与其它节点正常连通。部件故障模型要复杂一些，设节点所在地的真实值为Y(t)，记测量误差符合正态分布N(0,b2)，b为噪声标准差。传感器发生故障时，测量值可以形式化为f(t)=B(t)+P(t)Y(t)+E(t)，其中0是偏移值，0是缩放倍数，8是测量噪声，0101由此可以得到下面几种故障模型：故障模型：固定故障是指感应器的读数一直为某个固定值，形式化为f(t)=0(t)。0偏移故障：偏移故障是指在真实值的基础上附加一个常量，形式化为f(t)=0(t)+Y(t)+8(t)。0倍数故障：倍数故障是指真实值被放大或缩小某个倍数，形式化为f(t)=0(t)Y(t)+8(t)。如果没有对测量值的先验知识，仅从结果不能分辨出偏移故障和倍数故障。方差下降故障：设测量方差为b2，故障方差为b2，当b2>b2，则误差演mffm变为故障8〜N(Y,b2)，包含故障的测量值为f(t)=Y(t)+8(t)。这类故障通常是由于使用时间过长，感应器老化后变得越来越不精确而产生。无线传感器网络消息通信主要受到的攻击方式。物理层的攻击与防御拥塞攻击。无线环境是一个开放的环境，所有无线设备共享一个开放空间，若两个节点发射的信号在一个频段上，或者是频点很接近，则会因为彼此干扰而不能正常通信。攻击节点通过在传感器网络工作频段上不断发送无用信号，可以使在攻击节点通信半径内的传感器网络节点都不能正常工作。这种攻击节点达到一定密度，整个无线网络将面临瘫痪。拥塞攻击对但单频点无线通信网络非常有效。攻击者只要获得或者检测到目标网络的通信频率的中心频率，就可以通过在这个频点附近发射无线电波进行干扰。要抵御单频点的拥塞攻击，使用宽频和跳频的方法是比较有效的。在检测到所在空间遭受攻击以后，网络节点将通过统一的策略跳转到另外一个频率进行通信。对于全频长期持续拥塞攻击，转换通信模式是唯一能够使用的方法。光通信和红外线等无线通信方式都是有效备选方法。全频持续拥塞攻击虽然非常有效，但是它有很多实施方面的困难，所以一般不会被攻击者采纳。2）物理破坏。因为传感器网络节点往往分布在一个很大的区域内，所以保证每个节点都是物理安全是不可能的。敌方人员很可能俘获一些节点，对其进行物理上的分析和修改，并利用它干扰网络正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制，破解网络的安全外壳。（2）链路层的攻击1）碰撞攻击。任何数据包，只要有一个字节的数据在传输过程中发生了冲突，那么整个包都会被丢弃。这种冲突在链路层协议中称为碰撞。2）耗尽攻击。耗尽攻击就是利用协议漏洞，通过持续通信的方式使节点能量资源耗尽。如利用链路层的错包重传机制，使节点不断重复发送上一包数据，最终耗尽节点资源。在802.11的MAC协议中使用RTS（RequestToSend）、CTS（ClearToSend）和ACK（dataACKnowledge）机制，如果恶意节点向某节点持续发送RTS数据包，该节点就要不断发送CTS回应，最终导致节点资源被耗尽。3）非公平竞争。如果网络数据包在通信机制中存在优先级控制，恶意节点或者被俘节点可能被用来不断在网络上发送高优先级