无线传感器网络

第一章无线传感器网络概述

1.无线传感器网络的基本概念

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户。

2.典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？

传感节点、汇聚节点以及互联网或通信卫星和管理节点。

3.无线传感器网络的体系结构（协议栈）

描述无线传感器网络的协议栈，并简述各层的功能。

无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议的五层相对应。另外还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

各层的功能：

物理层：负责数据传输的介质规范，如规定了传感器工作频率、工作温度、数据调制、信道编码、定时、同步等标准。研究目标是设计低成本、低功耗和小体积，简单但健壮的传感器节点。

数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。

网络层：主要实现数据融合，负责路由生成和路由选择；主要功能包括分组路由、路由互联、阻塞控制。

传输层：负责数据流的传输控制。

应用层：获取数据并进行初步处理，包括一系列用于检测任务的应用层软件。

4.无线传感器网络的基本特点

传感器节点体积小，能量有限传感器节点计算和存储能力有限通信半径小，带宽低

传感器节点数量大且具有自适应性无中心和自组织网络动态性强以数据为中心

第二章物理层及信道介入技术

1.频率分配：1W以下

无线电波是目前WSN的主流传输方式。

对于无线传感器网络来说，频段的选择必须根据应用场合来选择。因为频率的选择直接决定无线传感器网络节点的无线尺寸、电感的集成度以及节点功耗。ISM波段是首要的选择。

频率的选择是影响无线传感器网络性能、成本的重要参数。

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地使用无线信道，

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，这样以来就避免了冲突，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来决定其占用信道的时间。

4.IEEE802.11 MAC协议（基于竞争）

IEEE802.11 MAC协议有分布式协调（DCF）和点协调（PCF）两种控制方式。

适用范围：PCF通过接入点来协调节点的数据收发，通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求DCF 是通过物理载波帧听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态，其中物理载波帧听由物理层提供，而虚拟载波侦听由MAC层提供。

1.TDMA技术（时分复用）（基于固定分配）

时分复用机制就是为每个无线传感器节点分配独立的用于数据收发的时隙，而节点在其他空闲时隙内转入睡眠节能状态。

2.IEEE802.15.4标准

体系结构包括：物理层、介质访问层（MAC）、业务特定汇聚子层（SSCS）、逻辑链路控制字层(LLC)、高层。

物理层的功能:

1、激活和休眠无线电收发器。

2、当前信道能量监测:测量目标信道中接收信号的功率强度，检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

4、空闲信道评估:判断信道是否空闲

5、数据的发送与接收

MAC指介质访问控制子层。

MAC子层

1、MAC子层提供两种服务: MAC通用部分子层提供MAC层数据服务; MAC子层管理实体提供MAC层管理服务。

2、业务

特定汇聚子层SSCS:为MAC层接入LLC子层提供聚合服务。LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE802. 15.4网络，为应用层提供链路层服务。3、IEEE802.15. 4对高层没有具体定义。

3.ZigBee网络结构

第三章路由、覆盖与拓扑技术

Flooding：

1）基本思想：节点在收到信息后以广播的方式向邻居节点转发数据包，邻居节点重复执行上述过程，直到数据包到达目的地或者该数据包的生命周期结束。

2）主要缺点：信息内爆,部分重迭现象,网络资源利用不合理。

Gossiping

该方法在每次进行数据包转发时，只向一个邻居节点转发，因此可以避免信息内爆的现象，但不能解决重迭现象和网络资源利用不合理的问题。

3.定向扩散（DD）路由协议（以数据为中心，基于查询）

汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣请求消息，并通过洪泛的方式将兴趣请求消息数据包发送至全网或者局部网络的传感器节点。

该过程主要分为三个阶段：兴趣消息扩散、数据传输梯度建立、路径加强。

4.LEACH

是第一个低功耗自适应分簇路由协议，基本思想是将节点组织成簇结构形式，每个簇有一个簇头节点，其他节点为非簇头节点。所有的非簇头节点只与本簇的簇头节点通信，而簇头节点收集簇内非簇头节点的数据，进行融合后传输到汇聚节点。LEACH 协议轮转选取簇头节点。

执行过程分为：选举簇头阶段、成簇阶段、稳定状态阶段。

5.拓扑控制技术基本概念

拓扑控制技术：在保证网络的连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干节点的选择算法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结构

第四章无线传感器网络定位、跟踪与时间同步技术

2.定位机制

信标节点：已知节点坐标或者位置信息的节点。

未知节点：坐标或者位置信息未知的节点。

定位方法：三边定位法、多边极大似然估计法、角度测量法。

3.DV-HOP定位方法

过程：

1）计算未知节点与每个信标节点的最小跳数

2）计算未知节点与信标节点间的距离：估算平均每跳距离，用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点的估计距离。

3）根据三边定位或多边定位算法计算未知节点的坐标。

4.无线传感器网络时间同步技术

时间同步模型：时钟模型和通信模型

通信模型：单向报文传递、双向报文交换、广播参考报文、参数拟合技术

第五章无线传感器网络安全

2.密钥管理分类

按照所依托的密码管理基础分类：对称密钥体制的密钥管理方案、非对称密钥体制的密钥管理方案

按照网络的逻辑结构分类：分布式的密钥管理方案（节点分布对等）、层簇式的密钥管理方案（分层分组）

按照网络运行后密钥是否更新分类：静态密钥管理、动态密钥管理

按照网络密钥链接性程度分类：随机分配的密钥管理方案、确定分配的密钥管理方案

3.对称和非对称密钥管理方案

在对称密钥管理方面，通信双发使用相同的密钥对数据进行加密、解密，具有密钥长度较短，计算、通信和存储开销较小等特点，但是安全性不高，比较适用于无线传感器网络。

在非对称密钥管理方面，节点拥有不同的加密和解密密钥，同时非对称密钥管理对节点的计算、存储和通信等要求比较高。

第六章无线传感器网络中间件

1.中间件概念

中间件：中间件是介于操作系统和各种分布式应用程序之间的一个软件层。主要作用是建立分布式软件模块之间互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为处于上层的应用软件提供运行与开发环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。

为什么要在无线传感器网络中引入中间件技术

概念层面讲，中间件为开发人员提供一个熟悉的编程范式；从功能层面讲，中间件解决节点的嵌入式本质和分布式问题。

2.无线多媒体传感器网络的基本概念

无线多媒体传感器网络通常是具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点，通过自组织方式形成的分布式感知网络，具备协作感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内音频、视频、静态图像、数值数据等多媒体信息的能力。