物联网与无线传感器网络期末考试复习资料（教材--刘伟荣，何云--电子工业出版社）

无线传感器网络概述

无线传感器网络介绍

1.无线传感器网络是一种特殊的无线通信网络，它是由多个传感器节点通过无线自组织的方式构成的，应用在人么力所不能及的领域，如战场、环境等地方。

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2.WSN和Ad hoc的共有特征：

• 自组织：无线传感器网路和无线自组织网络一样，都是应用在地理条件比较恶劣或者人不能到达的地方，因此减少了人为的干扰，增加了许多自然地不稳定因素，节点可能随时时效，为了保证网络的所要求的可靠性，节点自身必须拥有自组织的能力。

• 分布式：对于随机散播的结点来说，每一个节点都具有相同的硬件条件，每一个节点的通信距离都是十分有限的，没有那个节点可以严格的控制网络的运行，每个节点的地位都是同等重要的。

• 节点平等：除了Sink节点，每个节点都是平等的，没有先后优先级的差别，每个节点都可以收发数据，具有相同的数据处理能力和通信范围。

• 安全性差：节点之间的通信范围有限，而且采用无线通信，数据的可靠性没有点对点通信的高，同时，信道容易受到干扰和窃听。

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3.WSN的特有特征

• 计算能力不高：为了能够更加精确地获得被检测区域内人们感兴趣的一些信息，无线传感器网络在应用中采用大量散播的形式来确定无线传感器网络，因此其分部十分密集。大两节点导致每个节点的成本不能太高，再次条件下，其处理速度较低，且只能处理简单数据。
• 能量供应不可替代：WSN的节点应用在复杂的自然环境中，加上节点的廉价限制，决定了WSN节点的电池不可替代，且每个节点都有自己的生命周期。
• 节点变化性强：WSN的特殊应用决定了其节点可能会因为各种因素发生改变，WSN必须根据这些改变来调整变化整个网络的工作状态，提高网络的工作效率。
• 大规模：WSN安全系数不高很可能导致数据的丢失，为了保证数据可靠，安全的传输，WSN通过大量拥有相同硬件设施的节点来采集数据，保证数据的冗余度，保证数据最终能够到达目的节点。

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无线传感器网络的体系结构

1.WSN各层协议的功能

• 物理层：WSN的传输介质可以是无线、红外或者光介质，大量的传感器网络节点基于射频电路，推荐使用免许可证频段ISM。在物理层技术选择方面，环境的信号传播性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。WSN的典型信道属于近地信道，其损耗因子较大，这是WSN设计的不利因素，然而WSN的某些内在特征也有利于设计的方面。
• 数据链路层：数据链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制，数据链路层保证了传感器网络内点到点的链接。
• 网络层：WSN节点高密度地分布于待测环境内或周围，在传感器网络节点和接收器节点之间需要特殊的多跳无线路由协议，为增加路由的可到达度，并考虑到WSN节点并非十分稳定，在传感器节点大多使用广播通信，路由算法也将基于广播通信进行优化。
• 传输层：由于早期WSN数据传输量并不是很大，而且TCP协议并不适合WSN的环境，因此WSN一般没有专门的传输层，而是把其功能分解到其下各层实现，WSN的传输层也在进一步研究在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据包端到端的传输质量。
• 应用层：应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件。与传输层类似的，应用层的研究也较少，应用层的传输管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议是WSN应用层需要解决的三个潜在问题。

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2.各管理平台的功能

• 能量管理平台：WSN的各节点使用电池供电，并长期在无人守备的情况下工作，因此必须对WSN节点的能量进行管理，采用更有效的节能策略降低节点的能耗，延长网络的生存期。
• 移动管理平台：在WSN中，某些节点因为能量耗尽、通信中断的因素暂时或者永久的推出网络，因此有必要增加新的节点，另外在一些特殊的应用中，要求有些节点能够自由移动的采集数据，对于节点的加入、退出和移动，需要一个平台来管理这些节点的通信。
• 任务管理平台：主要用来调度区域内的任务完成顺序，使网络达到最优。

WSN所面临的挑战

1.低能耗
2.实时性：WSN的大多数应用要求有较好的实时性，需要在一个很短的时间内对某一事件作出反应，若其反应时间过长，则目标可能已经离开监测区域。
3.低成本
4.安全和抗干扰
5.协作：单个传感器节点的能力有限，往往不能单独完成对目标的测量、跟踪和识别工作，需要多个节点采用一定的算法交换信息，进行协作。

WSN数据链路层处理

WSN的MAC协议需要解决的问题

1.网路性能的优化：WSN的关键性能指标不是独立存在的，而是相互影响的，在提高一种性能的同时可能会降低其他性能。例如，提高网络实时性会增加能量消耗。
2.跨层优化：WSN区别于传统无线网络最重要的就是无线传感器网络各层之间能够实现合作和信息共享。传统的分层结构模型中，各层之间是相互独立的，上层对于下层来说是透明的，各层之间的信息也不共享，因此网络的性能很难得到进一步的提高。在WSN中采用跨层设计，各层之间通过一定的数据共享来提高网络的性能。

WSN网络数据链路层的关键问题

• 能量效率问题：由于WSN节点的电池难以更换，因此WSN的MAC协议首先要考虑能耗问题，降低能耗的主要方法是进行节点睡眠的调度，减少协议的复杂度。无线通信模块有四个状态：发送、接收、空闲和睡眠，为了减少能耗，要求大部分节点处于睡眠状态。
• 可扩展性：WSN与其他无线网络相比，具有规模大、分布密集等特点，有些节点的位置甚至可以移动，网络的节点分布结构会动态的变化，因此要求WSN的MAC协议必须具有可扩展性。
• 公平性：体现在1）每个结点都拥有相同的权利来访问信道；2）每个节点的能量消耗保持大概的平衡，从而延长整个网络的寿命。
• 信道共享问题：WSN采用多对多的共享方式，更准确的说是一种多跳共享方式，每个节点不受自己通信范围外节点的影响，也可以说是一种信道的空间复用方式。为此要解决两个问题1）信道数据冲突，多个信道同时发送信息时可能会互相干扰导致数据包发送失败，这会增加数据的时延，多实用CSMA/CD协议来解决；2）串扰，在一个共享的无线信道中，每个节点都能接收到信道中传输的信息，但其中有很多的数据是自己不需要的，接收之后在抛弃会造成能量的大量浪费。

WSN的MAC协议

基于竞争的MAC协议

• 基于竞争的S-MAC协议：
  1.周期性地侦听和睡眠
  2.使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免
  3.自适应侦听
  4.将长消息分成子段进行消息传递
• 基于竞争的T-MAC协议：
  为了改进S-MAC协议不能根据网络负载而调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。
  主要解决了早睡问题。

基于分配的MAC协议

• 基于分配的SMAC协议：
  该协议假设每个节点都能够在多个载波频点上进行切换，将每个双向信道定义为两个时间段。SMAC协议是一种分布式协议，允许一个节点集发现邻居并进行信道分配。SMAC协议可避免全局时间同步，从而减少复杂性。
• 基于分配的TRAMA协议：
  该协议采用了流量自适应的分布式选举算法，节点交换两跳内的邻居信息，传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点，然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点。TRAMA将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道。

混合型MAC协议

• 混合型MAC协议：ZMAC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协议引入了时间帧的概念，每个时间帧又分为若干时隙。在ZMAC协议中，网络部署每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法。
  ZMAC协议是一种混合型MAC协议，可以根据网络中的信道竞争情况来动态地调整MAC协议所采用的机制，在CSMA和TDMA机制之间进行切换。在网络数据量较小时工作在CSMA机制下；在网络数据量较大时，工作在TDMA机制下，使用拓扑信息和同步时钟信息来改善协议性能。

跨层MAC协议

MINA网络架构
在MINA架构中节点分为三种类型：大量静止的低容量传感器节点；少量手持移动节点；静止的大容量基站节点，MINA架构中网络节点是以层的形式来组织的，距离基站跳数相同的节点组成一层。第一层节点距离基站跳数为1，第二层节点距离基站跳数为2，依次类推，如图3.16所示，网络共有三层。根据距离基站的跳数，每个节点的邻居也可以分为三类，即内部邻居、同等邻居、外部邻居。距离基站跳数比本地更小的邻居为内部邻居，跳数相同的邻居为同等邻居，跳数更大的邻居为外部邻居。
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UNPF协议框架
UNPF协议框架定义了网络的组织方式、路由协议和MAC协议，WSN只要工作在两个交替的状态：
1.网络自组织状态：在此期间发现邻居，获得关于邻居的跳数，能量状态、可用缓存大小、本地网络的拓扑等信息。
2.数据传输状态：在此期间节点进行数据的发送或接收。需要路由协议来确定目的地址，MAC协议来完成信道访问。

WSN的网络层

WSN网络层的概述

1.相比于传统网络，WSN的特征有：

• 大规模分布式应用
  大量的节点数目导致其不能使用传统的基于IP地址路由协议为每一个节点分配一个ID号。
• 以数据为中心
  多个节点采集数据做简单处理后，发送给Sink节点，不要求节点间的通信，网络采用单一的数据通信模式，这给设计高效的WSN带来了可能。
• 基于外部拓扑信息
  硬件条件有限，节点无法存储复杂的路由信息，因此要求节点能够利用局部的拓扑信息来选择合适的路径。
• 基于应用
  没有一种通用的协议，不同的应用对于路由协议的要求不一样。
• 数据融合
  网络中存在大量的数据冗余，路由设计要考虑这一问题，尽可能的简化信息量，提高宽带的利用率。

无线传感网网络层关键问题

• 1）节能
• 2）高可扩展性
• 3）容错性（节点易失效）
• 4）数据融合技术（只要求有效数据到达即可，不要求完全可靠） ，数据在传输过程中，为了节能和降低网络开销，数据已经经过了修改，感知节点没有必要将完全可靠的信息发送给中心处理节点，只要将数据汇总到Sink节点就达到了目的。
• 5）通信量分布不均匀（距离sink节点越近，数据量越大，寿命越短）

无线传感器路由协议的分类

1）基于数据的路由协议：SPIN路由算法，DD路由算法

• SPIN协议：对泛洪路由协议的改进，假定所有的网络节点都是Sink节点，一个要发送数据的节点把数据传送给任何一个需要该数据的节点，并通过协商机制减少网络中的数据传输量，节点只广播其他节点没有的数据来减少能量消耗。
• DD路由算法：DD协议通过Sink节点在全网内广播自己需要的数据（兴趣扩散），同时在广播的过程中形成了一条由节点到汇聚节点的路径（梯度建立），节点采集到数据之后会沿着这条路径来传送数据，汇聚节点通过选择一条最优的路径来接收数据（加强路径）。

2）基于集群结构的路由协议 ：LEACH路由算法，TEEN协议

• LEACH路由协议：LEACH是基于簇的协议，协议随机挑选一些节点做为簇首，簇首节点负责收集和融合周围节点的数据，然后发送给Sink节点。LEACH协议的工作一轮一轮的进行，每一轮分为两个阶段。
  1.建立阶段：簇首以相等的能量进行广播，所有非簇首节点要侦听任何来自于簇首节点的信息，根据能量的强弱决定其归属于那个簇首节点，并通知该簇首节点，簇首节点根据加入的节点数量，为它们分配TDMA时隙。
  2.就绪阶段：非簇首节点负责采集数据，如果需要发送数据，就以最小的能耗发送给它的簇首节点，非簇首节点在不属于自己的TDMA时隙时可以进入睡眠状态，二簇首节点要始终处于收发状态，所有的TDMA时隙都轮过后，簇首节点对收集到的信息进行融合压缩，发送给Sink节点。
  理论上，所有节点都有机会成为簇首节点，这样一来便均匀分配了能量消耗，避免网络生命周期的过快结束。
• TEEN协议： 对LEACH协议的改进。将WSN分为主动型和响应型，主动型持续监测周围的物质现象，并以恒定的功率发送监测数据，响应型只有在被观测变量发生突变时才传送数据。TEEN属于响应型，而LEACH属于主动型。
  TEEN设定了两个门限：
  • 硬门限：节点收集到的数据高于这个值时，开始向簇首汇报；
  • 软门限：节点感应到的数据变化高于这个值时，开始向簇首汇报；

3）基于地理位置信息的路由协议：GEAR路由算法，GAF路由算法

• GEAR路由协议：根据时间所在区域的地理信息，实现从Sink节点到事件所在地区节点的路径，这样便能实现Sink节点向某个特定区域发送数据，避免了泛洪似的全网广播，同时借鉴了SPIN中查询节点剩余能量值得方法，建立从Sink节点到目标区域的最优路径。
• GAF路由算法：GAF是一类使用地理位置信息来辅助进行路由选择的算法，该算法中，地理位置不仅可以帮助路由优化，还可以用来选择等价节点。由于节点只要处于启动转台就一定会消耗能量，GAF算法在地理位置信息的帮助下，关闭一定量的节点，以此来节省能量，提高网络的性能。

WSN网络传输层协议

传输层协议相对传统传输层协议：降低传输层协议的能耗，进行有效的拥塞控制，保证网络的可靠性。

WSN网络传输层关键问题

• 1）拥塞控制（收到包的速率大于能处理的速率） ，导致数据丢失或者延迟。
• 2）丢包恢复 ：① 端到端数据包恢复（不适合）；② 逐跳丢包恢复。
• 3）优先级策略（节点位置不同，监测到事件不同，数据不同故优先级不同，如火灾数据）

传输层协议分类

• 1）基于拥塞控制的传输层协议：PECR、CODE协议
  • PECR：自适应的拥塞控制协议，包括两个阶段：1）拥塞检测，采用节点缓存的方式进行用塞检测；2）分流调节。
  • CODE：中文为拥塞的检测与避免，包括一个拥塞检测机制（信道监听和缓存队列检测相结合的方式）和两个拥塞缓解机制（开环控制机制、闭环调节反应机制）。
• 2）基于可靠性传输层协议：PSFQ、ESRT协议
  • PSFQ：用户节点的数据将被分割为多个报文传输，通过三点来保证数据的可靠性：
    • 缓存机制
    • NACK确认机制
    • 逐跳错误恢复机制
  • ESRT：考虑到Sink节点为最强大的节点，其关注整个网络的整体情况，ESRT协议通过对网络发送节点的发送效率做调整来使系统达到所要求的的可靠值。
• 3）跨层传输层协议设计：RCTP协议
  采用分簇体系结构，协议的进行分为拥塞检测和拥塞实时调度两个阶段。

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MPAS平台设计：

• 五个基本组件：通信机制、解析器、驱动器、WSRF组件、数据库
• WSRF组件：作为MPAS平台的核心，有机的整合了解析器、驱动器、数据库和客户请求机制。
  • 工作原理：与MPAS其他组件交互来协调它们；使用web服务操作传感资源；通知机制

通信机制

IEEE802.15.4协议简介

IEEE 802.15.4是一种能量消耗少，结构简单且易实现的无线通信网络，它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用，与WLAN相比，它不需要基础设施的支持，其物理层和mac的协议的实现标准如下

1）支持四种传输速率：20kbps，40kbps，100kbps，250kbps

2）支持星状和点状对点两种网络拓扑结构

3）网络中使用两种地址格式：16位和64位，16位地址由协调器分配，64位地址被用于全球唯一的拓展地址

4）采用可选的时隙保障（GTS）

5）采用冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA/CA）

6）支持ACK反馈机制，确保数据的可靠传输

IEEE802.15.4网络由被称为LR WPAN网络，在这个网络中，根据硬件条件，可以将它分为全功能设备（Full-Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD），如RFD相比，FFD功能强大许多，比如：RFD采用电池供电，FFD采用直接电源，在通信方面：FFD可以与其他所有的FFD和RFD设备进行通信，而RFD只能与其关联的FFD通信，一般我们称这个FFD设备为该RFD设备的协调器。在整个网络中由一个FFD谁设备充当协调器，它除了直接参与应用之外还需完成管理员身份管理，链路状态信息管理以及分组转发等任务。

IEEE 802.15.4协议栈

IEEE 802.15.4网络协议协议栈定义了：定义了物理层和mac层，物理层由射频收发器和底层控制模块组成，mac层为高层访问提供了访问物理信道的接口

1）物理层：三个载波频段（工业，科学，医疗），分别为：2400MHz，250kbps，采用QQPSK调制；868MHz，20kbps，采用BPSK调制；915MHz，40kbps，采用BPSK调制。

2）链路层：IEEE 802.15.4标准将链路层分为两个子层，逻辑链路子层和介质访问控制子层，MAC子层主要解决的共享信道问题

ZigBee概述

ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的价格低廉、能耗小的无线网络协议。
ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上拓展了网络层和应用层，ZigBee定义了三种设备：ZigBee协调器，ZigBee路由器和ZigBee终端设备
1）ZigBee协调器：负责建立并启动一个网络，包括选择合适的射频信道，唯一的网络标识符等一系列操作
2）ZigBee路由器：作为远程设备的中继器进行通信，能拓展网络的范围，负责搜索网络路径，并在任意连个设备之间建立端到端的传输
3）ZigBee终端设备：作为网络中的终端节点，负责数据的采集
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无线局域网概述

无线局域网是工作于2.5GHz和5GHz频段，以无线方式构成的局域网，它在不采用传统电缆的同时，提供有线局域网的所有功能，但还是回受到无线连接设备和电脑之间距离的远近限制而影响传输范围

1）拓扑：IEEE 802.11支持独立基本服务集网络（IBSS）和拓展服务集网络（ESS），网络基本构建块成为基本服务集（覆盖一个区域的网络服务），当BBS内所有终端都是移动终端并且和有限网络没有连接时，该BBS成为独立基本服务集。当BBS内包含无线接入点（AP）时，由AP和分布式系统互相连接就可以组成拓展服务集（由无线接入点AP连接多个BBS）

2）组成：由无线网卡，无线接入点AP，无线网桥，无线网管组成

3）协议栈：IEEE 802.11规定在MAC层采用两种介质控制方式：分布式控制方式和中心控制方式

蓝牙技术概述

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m以内）的无线电技术。采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段，其数据速率为1 Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。

优点：1）全球通用；2）设备支持；3）易于使用；4）抗干扰能力强；5）可以同时传输语音和数据

UWB技术概述

超宽带：（Ultra Wide Band，UWB）是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通信技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络（WPAN）、家庭网络连接和短距离雷达等领域。它不采用连续的正弦波（Sine Waves），而是利用脉冲信号来传送信息的。

UWB多跳网络链路层协议模型包含两大部分：MAC子层协议模型和LLC子层协议模型

时间同步技术

时间同步技术概述

使网络中所有节点的本地时间保持一致：

1）时间同步技术关键问题：传输延迟不可测，高效能，可扩展、健壮

2）传统时间同步技术：DMTS同步，RBS同步，TPSN同步，FTSP同步
P127

3）新型时间同步技术：协作同步，萤火虫同步

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WSN节点定位技术

节点定位技术关键问题（衡量节点定位技术好坏）

定位区域与精度、实时性、能耗

基于测距的定位技术

• 三边定位技术：在已知两点之间距离的情况下，采用单纯的数学公式计算出未知点的坐标。节点之间距离的测量才是三边定位技术的最难点：根据接受信号强度定位（Receive Signal Strength Indication，RSSI），根据信号传播时间测距（Time of Arrival,TOA），根据到达时间差测距（Time Difference of Arrival，TDOA）
• 角度定位：已知两个顶点和夹角的射线来确定一点；已知三点和三个夹角来确认一点。

比较

评价标准	GPS	RSSI	TOA	TDOA
定位精度	较大	大	较小	很小
覆盖范围	不限	较长	较短	很短
抗干扰能力	强，但不适合室内	受电磁干扰	受混响效应影响	受混响效应影响
实现成本	最大	无额外设备	声波收发装置	超声波收发装置

基于非测距的定位技术

• 1）基于连通性定位：如果节点i，j联通，则表示j在i周围的一定范围之内

• 2）基于跳数定位：采用两个节点之间的跳数来确定节点之间的距离（跳数*全网每一跳得平均距离，平均距离由信标节点之间跳数和距离得到）

典型算法：

1）质心定位算法：连通性定位

2）APIT定位算法：连通性定位

3）DV-Hop算法：基于跳数定位

4）凸规划定位算法：连通性定位

容错设计技术 （not high-lighting）

容错技术概述

• 1）失效（设备完全停止工作）
• 2）故障（设备能工作，但不正常）
• 3）差错（设备出现了不正常的操作步骤或结果）

容错技术分类

1）故障避免 2）故障检查 3）故障隔离 4）故障修复

WSN的仿真技术

网络仿真概述

WSN仿真方法必须具备以下关键特性：可伸缩性，完整性，可信性，桥梁作用，具有能量模型。

无线传感器网络仿真软件：研究现状和发展

1）完整性 2）能耗模拟  3）大规模节点网络 3）高可扩展性 4）高效性 5）异构行

仿真模拟工具主要有：NS2、OPNET、TOSSIM。

仿真软件比较

1）OPNET可以对分组的到达时间分布、分组长度分布、网络节点类型和链路类型等进行详细的设置，通过不同厂家提供的网络设备和应用场景来设计自己的仿真环境，用户也可以方便地选择库中已有的网络拓扑结构；

2）NS2在这方面的选择不如OPNET丰富，只能根据实际仿真的环境通过脚本建立逻辑的网络结构，而查看结果则需要其他软件的辅助。在操作易用性方面，OPNET的优越性是毋庸置疑的，它可以使用比较少的操作得到较详尽和真实的仿真结果；而NS2则要通过编写脚本和C++代码来实现网络仿真，而且用这种方式建立复杂的网络则变得非常困难。

3）NS2与TOSSIM相比较而言，NS2工作在网络数据包级，允许一定范围内的异构网络仿真，决定误包率的复杂模型用OTCL和C语言编写，和协议实现了分离；而TOSSIM则提供了网络模型的TinyOS仿真器。

WSN硬件开发

无线传感网络硬件开发概述：

传感器节点(微型嵌入式结构)体系结构：由传感器模块(信息采集，数据转换)，处理器模块(控制，存储，处理)，无线通信模块(无线通信)，能量供应模块组成
[外链图片转存失败(img-AWBXwwIy-1562056489669)(en-resource://database/468:0)]

硬件平台设计需要考虑的因素：

• 微型化：体积足够小，不影响目标系统，或是影响可忽略不计。

• 低功耗：体积有限，携带电池能量有限，部署区域复杂不易更换。

• 扩展性和灵活性：需要定义统一、完整的外部接口，并且可按照功能拆分成多个组件，组件之间通过标准接口自由组合。

• 稳定性和安全性：要求节点的各个部件都能在给定的外部环境变化下工作。

• 低成本：基本要求，WSN需要大量的布置在目标区域内。

WSN操作系统

WSN操作系统的对比

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WSN的软件开发

软件开发特点和设计要求

1）软件的实时性 2）能量优化 3）模块化 4）面向具体应用 5）可管理

软件开发的内容

1）传感器应用 2）节点应用 3）网络应用

软件开发的主要技术挑战

1）安全问题 2）可控的QoS操作 3）中间件系统