无线传感器期末总复习

一、无线传感器网络概述

1. 无线传感器分为两种：

（1）有基础设施网，需要固定基站

（2）无基础设施网，称为无线Ad Hoc网络，节点为分布式

A. 移动Ad Hoc网络，终端是快速移动的

B. 无线传感器网络，节点是静止的或移动很慢

2. 无线传感器网络的标准定义：

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，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区内感知对象的监测信息，并报告给用户（数据采集[传感器技术]、处理[计算机技术]和传输功能[通信技术]）

3. 无线传感器网络的三个基本元素

（1）传感器（2）感知对象（3）用户

4. 节点的工作模式：发送、接收、空闲、睡眠

5. 传感器节点由4个部分组成：传感器单元、处理器单元、无线通信单元、电源单元。

除了电源单元，其他都在消耗能量，传感器单元能耗比处理器与无线传输能耗低很多。

6. 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成

7. 能量消耗的两种类型：通讯相关、计算相关。

8. 传感器节点的限制

传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束，这些约束把无线传感器网络和计算机网络区分开来。

（1）电源能量有限（消耗能量的模块有传感器、处理器和无线通信模块[发送、接收、空闲、睡眠]）（2）通信能力有限（3）计算和存储能力有限

9. 传感器组网的特点（与其他网络的区别）

(1) 自组织性：自动进行配置和管理，通过图谱控制机制和网络协议，自动形成转

发监测数据的多跳无线网络系统

(2) 以数据为中心：根据任务采集数据，关心数据本身和数据产生位置

(3) 应用相关性：不同的应用对传感器网络的要求不同

(4) 动态性：结点故障失效、通信链路宽带变化、新节点加入、基本元素的移动而造成拓扑结构的改变

(5) 网络规模大：分布在很大的地理区域内，结点部署密集

A. 通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比

B. 分布式处理大量采集信息，提高检测的精确度

C. 大量冗余节点的存在，使系统具有很强的容错性能

D. 大量节点增大覆盖监测区域，减少探测遗落地点或盲区

(6) 可靠性：坚固，不易损坏，能适用恶劣环境条件

10. 无线传感器网络的关键性能指标

（1）网络的工作寿命（能量供给）

（2）网络覆盖范围（多跳通信技术可大大扩展网络覆盖范围）

（3）网络搭建成本和难易程度

（4）网络响应时间（发生安全异常事件时需立刻发送警报消息）

11. 无线传感器网络的应用

（1）军事应用（战场实时监视）（2）环境科学（监视土壤空气情况）（3）空间探索（检测星球表面）（4）医疗健康（监护病人病情）（5）智能家居（自动除尘）（6）建筑物和大型设备安全状态的监控（房屋、桥梁的安全隐患和建筑缺陷）（7）紧急救援（在地震

等紧急情况下进行通信）（8）其他商业应用（交互式博物馆）

二、无线传感器网络结构、覆盖与连接

1. 无线传感器网络拓扑结构

从组网形态与方式划分：集中式、分布式、混合式从节点功能和结构层次划分：

（1）平面网络结构

A. 简单，易维护，较好的健壮性

B. 没有中心管理节点，组网算法比较复杂

（2）分级网络结构

A. 骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性

B. 一般传感器之间可能不能直接通信（3）混合网络结构

A．功能强大，但硬件成本更高

B．一般传感器节点之间可以直接通信，不需通过汇聚骨干节点来转发数据

（4） Mesh网络结构

A. 由无线节点构成网络，网络内部节点一般都是相同的

B. 按照Mesh拓扑结构部署，网内每个节点至少可以和一个其他节点通信

C. 支持多跳路由

D. 功耗限制和移动性取决于节点类型及应用特点

E. 存在多种网络接入方式，通过星型、Mesh等节点方式和其他网络集成

2. 两个定理（r为传感器能够感应的距离，c为传感器的通信半径）

（1）当传感器的密度及单位区域的传感器数目为有限时，c≤2r是覆盖包含连接

性的充分必要条件

（2）当c≥2r，一个凸区域的k阶覆盖必定包含了k阶连接性

3. 无线传感器网络的点覆盖的目标

节点覆盖优化后要求每个目标在任意时间内都能至少被一个无线传感器节点监测

三、无线传感器网络通信

1. 网络通信协议

由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中MAC层和物理层协议采用的是IEEE 802.15.4协议

（1）物理层：负责信号的调制和数据的收发

（2）数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制

（3）网络层：负责路由发现和维护

（4）传输层：负责数据流的传输控制

2. 物理层主要功能

（1）微数据终端设备（DTE）提供传送数据的通路（2）传输数据

（3）其他管理工作：信道状态评估、能量检测

3. 数据链路层误差控制方法:

增加输出传送能量或使用合适的FEC方案都可保证链路可靠性。增大发送能量可使误码率降低，但节点能量有限，不可随意增大；FEC编码和解码消耗额外处理能量，额外计算和额外传输消耗能量，但可纠正错误使不至于整个数据重传，若浪费能量<节约能量，则使用FEC 有意义。

4. 传输层协议

（1） Event-to-Sink传输

Event-to-Sink的可靠度是必要的，包括了事件特征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。

（2） Sink-to-Sensors传输

包括了一定等级的重新传送和确认机制。为了不消耗稀缺资源的节点资源，这些机制应慎重的结合到传输层协议中。

四、无线传感器网络的支撑技术(重点)

1. 时间同步的意义和作用

(1) 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，不同的结点采集的数据最终融合并形成一个有意义的结果。例：在车辆跟踪系统中，传感器节点记录车辆的位置和时间，并传送给网关汇聚节点，然后结合这些信息来估计车辆的位置和速度。如果传感器节点缺乏统一的时间同步，则对车辆的位置估计将会是不准确的。

(2) 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。例：传感器可在

适当的时候休眠，在需要的时候再次被唤醒。在应用这种节能模式时，网络节点应该在相同的时间休眠或被唤醒，也就是在数据到来时，节点的接收器并没有关闭。在这里，传感器网络时间同步机制的设计目的是为网络中所有节点的本地时钟提供共同的时间戳

2. 传感器网络时间同步协议

(1) RBS(Reference Broadcast Synchronization)

RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后在多个收到同步信号的节点之间进行同步。 (2) Ting/Mini-Sync

(3) TPSN(Timing sync Protocol for Sensor Network)

目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步操作过程包括两个阶段：

A. 第一阶段：生成层次结构，每个节点都被赋予一个级别，根节点被赋予最

高级别0级，第i级的结点至少能够与一个第i-1级的节点通信

B. 第二阶段（同步阶段）：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相邻级别节点间的同步机制