南邮无线传感器网络复习提纲

无线传感器网络复习

考试题型：填空15*2分；简答30分左右；论述题20分左右；综合题13分。（不考计算题）

第一章Introduction

1.无线传感器网络的概念。

WSN：由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络区域中感知的对象信息，并发送给观察者。

2.构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。

3.WSN的两种结构：平面结构、分级结构。

（平面结构中所有节点的地位等同；分级结构是将网络划分成多个簇，簇内的节点将所采集到的数据发送给簇头，簇头将接收到的数据进行融合处理后，再将数据直接发送给汇聚节点。）

4.OSI参考模型（7层）

（了解：

物理层：利用传输介质为通信的网络节点之间建立、维护和释放物理连接，实现比特流的透明传输，进而为数据链路层提供数据传输服务。

数据链路层：在物理层提供服务的基础上，在通信的实体间建立数据链路连接，传输以帧(frame)为单位的数据包，并采取差错控制和流量控制的方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。

网络层：为分组交换网络上的不同主机提供通信服务，为以分组为单位的数据报通过通信子网选择适当的路由，并实现拥塞控制、网络互连等功能。

传输层：向用户提供端到端（end-to-end）的数据传输服务，实现为上层屏蔽低层的数据传输问题。）

重要概念：

（1）无线传感器网络是以数据为中心的网络。

（2）了解协议分层概念，例如调制和解调属于协议层次结构中的物理层，信道接入属于协议层次结构中的MAC层，路由属于协议层次结构中的网络层。

（3）在网络分层结构中，下层向上层提供服务。

（4）无线传感器网络是分布式结构。（两种结构）

第二章传感器节点结构

1.无线传感器网络的组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块和内存模块。

2.传感器节点的能耗主要集中在无线通信模块。

第三章通信协议标准

1.无线传感器网络的协议标准：IEEE 80

2.15.4标准，ZigBee标准，（6LowPan标准）

2.IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC层。

3.ZigBee标准定义了网络层、安全层、应用层。

！以上三章不会考大题

第五章媒体接入控制（MAC）

1.无线网中使用有线网的MAC协议存在的问题？产生这些问题的原因？最简单的解决方案是什么？（大题）

（1）存在的两个问题：隐藏终端和暴露终端问题。

（a）隐藏终端就是在接收节点的覆盖范围内发送节点覆盖范围以外的节点。如下图所示，节点A、B、C都工作在同一个信道上，当节点A向节点B发送分组时，载波侦听机制无法阻止节点C发送数据，造成信号在节点B处冲突。由隐藏终端造成的冲突即隐藏终端问题。

（b）暴露终端在发送节点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。如下图所示，当节点B向节点A发送分组时，节点C侦听到节点B在发送分组，所以推迟发送分组。这种推迟是毫无必要的，因为节点C向节点D发送分组和节点B向节点A发送分组并不冲突，此时节点C是节点B的暴露终端。由暴露终端造成的发送延迟即暴露终端问题。

（2）产生原因：（a）无线信号受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，因此节点的通信距离受到限制，一个节点发出的信号，网络中的其他节点不一定都能收到；（b）载波

侦听得到的结果是发射机信号是否存在，但是冲突是发生在接收机，从而会出现隐藏终端和暴露终端问题。

（3）解决方案：发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即发送端发送RTS（Request to send）消息，接收端回复CTS（Clear to send）消息，发送端收到CTS消息后开始数据传输。如果邻居节点收到RTS消息，该邻居节点需保持静默直达CTS被发送端成功接收，如果邻居节点收到CTS 消息，该邻居节点需保持静默直到整个数据发送完毕。

第六章路由技术

1.Directed Diffusion路由协议的实现过程。

（Directed Diffusion基本概念：DF协议是一种以数据为中心、基于查询的路由协议）

实现过程分为三个阶段：兴趣扩散阶段、数据传输阶段和路径加强阶段。

（1）兴趣扩散：汇聚节点以泛洪的方式向相邻节点周期性地广播兴趣消息；每个节点使用兴趣列表来缓存所接收到的兴趣消息，记录发送兴趣消息的相邻节点、数据发送速率和时间戳等相关消息，以建立该节点向汇聚节点传送数据的梯度关系。（广播兴趣+建立梯度）（2）数据传输：当节点采集到与兴趣相匹配的数据时，将沿着兴趣所建立的梯度路径把数据发送到相邻节点，最终到达观察者。

（3）路径加强：在最初的数据传输中，源节点以较低的速率将数据沿着所建立的多条路径传送给汇聚节点，汇聚节点收到数据后，将向数据传送速率最大的相邻节点发送路径加强消息，要求该节点以较高的速率上传数据；相应的邻节点按照同样的方式依次将路径加强消息传送给其相邻节点，直至到达源节点。此后，数据将沿着这条主路径传送给汇聚节点。（加强某一条路径的传输速率）

2.Dijkstra算法

记录最短路径（在目的节点处标注到源节点所需经过的下一跳节点）

第七章定位技术

1.为什么传感器网络需要节点定位？简述基于距离的定位算法（节点位置的计算方法）：三边测量算法、三角测量算法的工作原理。

（1）传感器节点的自身定位是传感器网络应用的基础。许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置，并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。若没有位置信息，传感器节点所采集的数据几乎是没有应用价值的。所以，在无线传感器网络的应用中，节点的定位成为关键问题。

（2）三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标。

（3）三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标。

2.常用的测距方法（技术）

基于信号传播时间的定位（TOA）；基于信号传播时间差定位（TDOA）；基于接收信号强度定位（RSSI）；基于信号角度定位（AOA）。

3.基于信号传播时间差定位技术原理

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，如何利用三边测量法或极大似然估计法计算出节点的位置。

4.质心定位算法的原理

多边形的几何中心，称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。把网络中的信标节点作为多边形的顶点，用来计算其他未知节点的位置，一个未知节点通信范围内的信标节点的几何质心被作为该节点的位置坐标。如下图所示：

5.近似三角形内点测试法（APIT）进行定位的过程和原理。

（1）过程：

（a）信标交换（收集信息）：未知节点收集邻近信标节点的信息，邻居节点之间交换各自接收到的信标节点的信息。

（b）三角形内点测试（PIT）：测试未知节点是否在不同信标节点组合成三角形内部。（c）交集运算计算三角形的重合区域：统计包含未知节点三角形，计算所有三角形的重叠区域。