无线传感器网络

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RFID

组成结构

• 电子标签
• 读写器
• 数据库系统或数据控制与管理中心

分类

1. 供电方式
   
   • 有源电子标签
   • 无源电子标签
   • 半无源电子标签
2. 频率
   
   • 低频
   • 高频HF 13.56MHZ 身份证
   • 超高频UHF 900MHZ
   • 微波
3. 电力来源
   
   • 主动
   • 被动
   • 半主动
4. 封装方式

工作流程及原理

1. 由读写器发射特定频率的无线电波能量给电子标签用以驱动电子标签电路
2. 电子标签由读写器提供的能量将内部IDCODE送出
3. 读写器接收此IDCODE

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传感器

定义

能够感受规定的被测量，并按照一定规律转化成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成。

分类

能量转换和能量控制 ，开关型，模拟型，数字型。
力传感器（应变片的形变）加速度传感器（电容的变化），温度传感器（铂金属 热传导），超声波传感器（压电效应），位移传感器，压强传感器（单晶硅的压阻效应 电阻率发生变化），磁传感器（调节磁铁和霍尔元件之间的距离，输出相应的电压）等。

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第一章无线传感器网络概述

传感器网络结构

传感器节点，汇聚节点，管理节点。

传感器节点体系结构

传感器节点有传感器模块，处理器模块，无线通信模块，和能量供应模块组成。

传感器节点的限制

发送（最费），接收，空闲，睡眠（最省）。

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第二章路由协议

分类

能量感知路由协议

• 能量路由
• 能量多路径路由（路径建立，数据传播和路由维护）

基于查询的路由协议

• 定向扩散路由（兴趣扩散，数据传播，路径加强）DD路由
• 谣传路由（随机路径向外扩散）

地理位置路由协议

• GEAR路由
• GEM路由 （虚拟极坐标系统）
• 边界定位路由（利用信标节点确定全局坐标系以及确定其他节点在坐标系中的位置）

可靠的路由协议

• 基于不相交的多路径路由机制
  
  • 首先建立从数据源节点到汇聚节点的主路径，然后再建立多条备用路径；数据通过主路径进行传输，同时利用备用路径低俗传输数据来维护路径的有效性；当主路径失败时，从备用路径中选择次最优路径作为新的主路径。
• ReInForM路由 （数据包的多次拷贝）
• SPEED协议 （保证传输速率）
  

  GPSR(贪婪路由)： 每一步最优，整体不一定最优
  洪范路由： 小规模，共享信道，健壮性。
  SPIN协议： 以数据为中心

第三章MAC协议

分类方式

• 采用分布式控制还是集中式控制
• 使用单一共享信道还是多个信道
• 采用固定分配信道方式还是随机方法信道方式
  
  • 采用无线信道的时分复用方法
  • 采用无线信道的随机竞争方式
  • 其他MAC协议 如 频分复用，码分复用等。

IEEE 802.11 MAC层协议

CSMA/CA :带冲突避免的载波侦听多路访问。

RTS:请求帧 CTS：清除帧 NAV（网络分配适量）：需要的时间长度
三种帧间间隔： DIFS>PIFS>SIFS 来确定访问信道优先级
如果空闲时长大于DIFS（当信道空闲下来），节点采用二进制退避算法进入退避状态，（随机）
多节点进入退避是，最小退避时间的节点 最先竞争胜出。

S-MAC协议

• 周期性侦听和睡眠：
  周期性侦听/睡眠的低空占比工作方式，控制节点尽可能的处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。
  邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间；
• 流量自适应：
  通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；
• 串音避免：
  采用带内信来减少重传和避免监听不必要的数据；
• 消息传递：
  通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。

T-MAC协议

• 和S-MAC 的区别和联系：
  S-MAC协议通过采用周期性侦听/睡眠工作方式来减少空闲侦听。周期长度是固定不变的，节点的侦听活动也是固定的。T-MAC协议在保存周期长度不变的基础上，根据流量动态的调整活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。
• 早睡问题
  解决方式：
  
  1. 未来请求发送（FRTS）
     当节点C收到B发送给A的CTS分组后，立刻向下一跳的接收者D发送FRTS分组。
     FRTS方法可以提高吞吐率，但DS分组和FRTS分组代理了额外的通信开销
  2. 满缓存区优先
     减少了早睡问题发生的可能性，并起到一定的网络流量的控制作用，带来的问题是增加了冲突的可能性。

SIFT协议

思想： 在于如何在不同时槽为节点选择合适的发送概率分布，使得检测到同一事件的多个节点能够在竞争窗口前面的各个时槽内不断无冲突的发送消息。

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第四章拓扑控制

剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构，

分类

• 节点功率控制
  
  • 基于节点度的算法
    
    • 本地平均算法
      所有节点都有相同的发射功率 发送定期广播 节点接收到消息后发送应答消息，节点在下一次发送消息时统计邻居数。如果小于提高发射功率，大于减小发射功率。
    • 本地邻居平均算法
      每个节点发送LifeAckMsg消息时，将自己的邻居数放入消息中，发送LifeMsg消息的节点在收集完所有邻居的邻居数求平均值并作为自己的邻居数。
• 层次型拓扑结构组织
  
  • LEACH算法
    LEACH算法是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段，相邻节点动态的形成簇，随机产生簇头。

第五章IEEE 802.15.4标准

PAN： 个人区域网络
WPAN ：无线个人区域网络
LR-WPAN:IEE 802.15.4网络

IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点

1. 在不同的载波频率下实现了20kbps,40kbps，和250kbps三种不同的传输速率；
2. 支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
3. 有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
4. 支持冲突避免的载波多路侦听技术 csma-ca；
5. 支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

和IEEE 802.11的区别 联系

速率不同，范围不同

全功能设备和精简功能设备

物理层

帧结构

MAC子层

1 超帧

2mac层帧结构
信标帧，数据帧，命令帧，确认帧。

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第六章 定位技术

基本方法

• 三边测量法
  已知三点坐标 和到未知节点的距离
• 三角测量法
  已知三点坐标 和到未知节点的角度
• 极大似然估计法
  已知三点坐标 和到未知节点的距离

分类

• 基于距离的定位
  
  • 基于TOA的定位
  • 基于TDOA的定位
  • 基于AOA的定位（角度）
  • 基于RSSI的定位 （信号强度 转化成距离）
• 距离无关的定位
  
  • 质心算法
    （x,y）=(x1+x2+..+xn/n,y1+y2+…+yn/n);
  • DV-Hop算法
    
    1. 计算未知节于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
    3. 利用三边测量法或极大使然法计算自位置

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第七章 时间同步

主要性能参数

1. 最大误差
2. 同步期限
3. 同步范围
4. 可用性
5. 效率
6. 代价和体积

分类

内同步 外同步

网络时间同步机制

UTC：世界标准时间协调
NTP：采用层次型树型结构

传感器网络时间同步机制

• RBS同步机制
  发送节点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能够接收到这个分组。每个接收节点分别根据自己的本地时间记录接收到分组的时刻，然后交换他们记录的分组接收时间，两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值，其中一个接收节点可以根据这个时间差值更改本地时间。
• TPSN 类似与NTP