无线传感器网络知识点总结

第一章：无线传感器网络概述
1.什么是无线传感器网络？与无线局域网的区别？例举三个无线传感器网络的例子？
无线传感器网络：是一种由传感器结点构成的网络，能够实时监测，感知和采集结点部署区的环境或观察者感兴趣的感知对象的各种信息。
Ad hoc：无线自组织网络，不需要固定的通信设备作为支撑，各个终端节点能够自己构建自己的网络域，动态的实现网络互联。
应用：环境的预测与保护，医疗护理，军事领域，智能家居

2.画图描述无线传感器网络的体系结构？
三大部分：传感网络部分，汇聚节点，管理节点

3.OSI七层协议与无线传感器网络五层协议的异同点？按层对比说明？
物理层：大量的WSN网络节点基于射频电路
数据链路层：访问控制，差错控制
网络层：特殊的多跳无线路由协议，路由算法在设计时需要考虑能耗问题，WSN网络层的设计以数据为中心
传输层：互联网的TCP协议不适于WSN的传输层
应用层：传感器管理协议，任务分配和数据广播管理协议，传感器查询和数据传播管理协议

4.为何在无线传感器网络的每层协议都需要重点考虑功耗？
在WSN中，传感器节点大多由能量十分有限的电池供电，并长期在无人值守的状态下工作，节点个数多，分布区域光，环境复杂

5.设计无线传感器网络的物理层，主要考虑哪些关键问题？为什么？
传输介质，频率选择，调制技术
传输介质：物理层的传输介质包括光纤，无线电波，红外线，光波等。WSN主流传输方式是无线电波，无线电波易于产生，传播距离远，穿透性强。
频率选择：选用ISM频段，优点是无需注册公用频段，具有大范围的可选频段，没有特定的标准，可以灵活使用。
调制技术：设计以节能和成本为主要标准的调制技术。为了满足WSN最小化符号率和最大化数据传输率的指标，M－ary调制技术被用于WSN。

物理层需要考虑编码调制方式，通信速率，通信频段等问题。

6.简述B-ary和M-ary的各自特点，举例说明各自适应的应用场景。
M-ary：多进制调制利用多进制数字基带信号调制载波的振幅，频率，相位。
与二进制调制相比：
ａ．M-ary调制系统能够通过单个符号的发送多位数据来减少发送时间。
ｂ．M-ary调制的电路更为复杂
ｃ．M-ary调制需要更高的发射功率来发送多元信号
ｄ．在启动能量消耗较大的系统中，二进制调制机制更为有效，多进制调制机制仅仅对启动能量消耗较低的系统适用。
ｅ．M-ary调制的误码率通常大于二进制调制的误码率

1.概念，功能，特点
特点：自组织，分布式，节点平等，安全性差
特征：计算能力不高，能量供应不可替代，节点变化性强，大规模
节点功能：a.动态配置，以支持多种网络功能，b.节点可动态配置成网关，普通节点，c.远程可编程，以便增加新的功能，d.定位功能，e.支持低功耗的网络传输，f.支持长距离通信
WSN节点结构：

2.分布式特点
3.WSN时效性与实时性区别
无线传感器网络要求有较好的实时性

４.常见拓扑结构
５.分层，每层主要功能
６.自组织网，多跳传输的特点
多跳传输：由于通信范围和能量节省考虑，节点只能与固定范围内的节点交换数据，因此要访问邻居节点以外的节点或者要将数据传送到外部网络，必须采用多跳传输。

第二章物理层
１.主流传输方式，介质，特点
WSN物理层主流传输是无线电波，无线电波易于产生，传播距离远，穿透性强，通信无特殊限制
２.涉及的调制编码技术，区别于传统
M-ary多进制调制运用于WSN物理层调制。多进制调制通过单个符号发送多位数据得方法减少了发射时间，降低了发射功耗。

３.物理层主要功能，协议，解决问题
OSI物理层：物理层为建立，维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的，电气的，功能的和鬼城性的特性。
WSN物理层：向下直接与物理传输介质相连，主要负责数据的调制，发送与接收，是决定WSN节点体积，成本以及功耗的关键环节
主要功能：ａ．为数据终端设备提供传送数据的通路，ｂ．传输数据，ｃ．其他管理工作，如信道评估，能量检测。

４.无线电波使用频段的限制，原因
单信道无线传感器网络节点基本上都采用ISM波段

第三章：无线传感器网络数据链路层
1.无线传感器网络数据链路层的功能？
数据链路层就是利用物理层提供的数据传输功能，将物理层的物理连接链路转换成逻辑连接链路，保证链路的可靠性。同时数据链路层也向网络层提供透明可靠的数据传送服务，负责数据流多路复用，数据帧监测，媒体访问和差错控制，保证WSN内点到点以及点到多点的连接。
MAC层协议的分类：
按节点接入方式划分：侦听，唤醒，调度MAC协议
按信道占用数划分：单信道，双信道，多信道MAC协议
按分配信道方式划分：固定接入，随机接入。其中竞争MAC协议都属于随机接入协议

MAC协议多余能量的消耗方面：碰撞，持续侦听，控制开销三方面浪费大量能量。

MAC层的关键性问题：
ａ．能量效率问题：降低能耗的主要方法是进行节点睡眠调度，减小协议的复杂度
ｂ．可扩展性：网络的节点分布结构会动态的变化，MAC层协议必须具备可扩展性
ｃ．公平性：每个节点有相同的访问信道的权利；每个节点的能量保持大概的平衡，从而延长整个网络的寿命
ｄ．信道共享问题：因为WSN采用多跳共享方式，所以信道上数据会产生冲突和串扰（节点接收了大量没用信息）

2.无线传感器网络数据链路层常见的协议有哪几种？各自的特点？各自适应的应用场景？
２.１基于竞争的协议：S－MAC协议，T-MAC协议
２.１.１Ｓ－ＭＡＣ协议机制：
ａ．节点工作模式分为侦听和睡眠状态
ｂ．通过协商的一致性睡眠调度机制让相邻节点在相同时间活动，相同时间睡眠，从而形成虚拟簇
ｃ．通过突发传递和消息分割机制来减少消息的传输时延和控制消息的开销
ｄ．通过流量自适应的侦听机制，减少网络延时在传输过程中的累加效应

２.２基于分配的协议：SMACS协议，TRAMA协议，
２.３混合型MAC协议：
２.４跨层MAC协议
１.面向冲突，面向竞争的协议
２.基于竞争的协议，有图的协议
３.WSN协议结构模型，画图

第四章：无线传感器网络的网络层
1.无线传感器网络的网络层的主要功能？与OSI七层协议的网络层的不同点。
功能:
a.路由的选择,寻找一条从源结点到目的节点的最优路径
b.路由的维护,保证数据能够沿着这条最优路径进行数据的转发
不同点:
传统无线路由协议主要目的是减小网络拥塞,保持网络的数据交换,提供高质量的网络服务
无线传感器的特征:
大规模分布式应用,以数据为中心,基于局部拓扑信息,基于应用,数据的融合

2.无线传感器网络的网络层协议面临的问题？
最优路径选择,安全性,Qos保证,能量高效利用和均衡
节能,高扩展性,容错性,数据融合技术,通信量分布不均匀

3.无线传感器网络的网络层协议可以分为哪几种？
基于数据的路由协议,基于集群的路由协议,基于地理位置的路由协议

基于数据的路由协议:能够对感知的数据按照属性命名,对相同属性的数据在传输过程中进行融合操作,减少网络中冗余数据的传输
基于集群的路由协议:考虑路由算法的可扩展性,分层的路由协议
基于地理位置的路由协议:利用节点的地理位置来改变以有的路由算法

4.对比WSN各种路由协议的特点和异同点。
5.泛洪协议的最主要优点和缺点？
优点:向节点广播,直至数据到达目的地才停止
缺点:内爆和重叠,浪费了大量能量

6.什么是基于数据的路由协议？举例有哪几种？
SPIN路由算法(基于协商的路由算法)
DD路由算法(定向扩散路由算法)

7.什么是基于集群的路由协议？举例有哪几种？
分层的路由协议
LEACH路由协议：
TEEN协议:

8.什么是基于地理位置的路由协议？举例有哪几种？
利用位置数据,确定自己的路由协议,提高网络性能
GAF路由算法：使用地理位置协助改进其余路由算法，以用来约束网络中的路由搜索区域，减少网络不必要的开销．
GEAR算法：利用地理位置来实现自己的路由策略

9.什么是“洞现象”，举例说明如何减少洞造成的节点死亡？
洞：某个节点的周围没有任何邻居节点比它到事件区域的路径所耗费的路径代价更大
解决方法：出现洞现象时，选取临界点中代价最小的节点作为下一跳节点

１.路由，路由维护，路由选择
２.路由协议有哪几类，区分

无线传感器网络路由协议的特点:
a.高效,均衡的利用好能量
b.协议精简,无复杂算法,无大容量冗余数据需要存储,控制开销小
c.网络的互连通过sink节点来完成,其余节点不提供网外通信
d.网络无中心节点,多采用基于数据或基于位置的路由算法机制
e.由于节点的移动或者失效,一般采用多路径备选

第五章：无线传感器网络的传输层
１.WSN的传输层协议特点
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.

２.能否把TCP协议用于WSN，他们之间的关系
不能
ａ.TCP协议提供端到端的可靠信息传输,中间转发节点没有数据处理能力.而WSN要求节点能处理数据
b.TCP三次握手机制,时间长过程复杂.而WSN动态性强,实时性要求高,TCP没有相应的处理机制
c.TCP可靠性要求高,而WSN有一定的数据包丢失或删除
d.TCP协议中的ACK反馈机制时延高,能量消耗大,不适合WSN
e.TCP每个节点都有IP，在WSN中不现实

第六章：通信标准
１.Zigbee,IEEE802.15.4,蓝牙之间的联系，概念，特点
IEEE 802.15.4标准是一种低速率、近距离无线通信标准

 IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层，介质访问控制层

 IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议，其定义的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,100kbps和250kbps四种不同的传输频率；
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位地址是全球唯一的扩展地址；
4)支持冲突避免的载波多路侦听技术；
5)支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

LR-WPAN网络中，根据设备所具有的通信能力分为：全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD）

IEEE802.15.4物理层数据服务包括以下五方面的功能：
（1）激活和休眠射频收发器
（2）物理信道能量检测
（3）检测接收数据包的链路质量指示
（4）空闲信道评估
（5）收发数据
(6) 物理层属性参数的获取与设置

MAC层功能
1)协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；
2)支持PAN（个人域网）网络的关联和取消关联的操作；
3)支持无线信道的通信安全；
4)使用CSMA/CA机制访问信道；
5)支持时隙保障（GTS）机制；
6)支持不同设备的MAC层间可靠传输。

Zigbee协议简介
相对常见的无线通信标准，比较紧凑、简单。可分为3个层次：物理层/数据链路层，Zigbee堆栈层和应用层。

ZigBee协议主要特征
省电 可靠 廉价 短时延 大网络容量 安全

Zigbee网络层功能
网络层在MAC层与应用层之间提供合适的接口，通过激发MAC层动作执行寻址和路由功能。主要任务包括：
a.网络的建立
b.设备的加入
c.设备段地址的分配
d.设备的离开
e.邻居列表的维护

Zigbee网络层包括网络层数据实体和网络层管理实体

Zigbee应用层：由应用支持子层（APS）、应用框架（AF）、Zigbee设备对象（ZDO）
Zigbee设备：协调器、路由器、终端设备

蓝牙:
短距离通信,10m内
蓝牙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,采用时分双工传输方案

第七章：时间同步技术
1.什么是无线传感器网络的时间同步？与传统计算机网络的时间同步有何不同？
时间同步：使网络中所有节点的本地时间保持一致
时间同步的三种情况：判断事件发生的先后顺序，相对同步，绝对同步
时间同步的参考时间来源分：外同步和内同步
计数方式：硬件计数（晶振），软件计数
时钟偏移：本地时间与真实时间的差值，用来描述计数的准确度
时钟漂移：本地时间变化率与1的差值，反映时钟计数的稳定性

不同点：
现有传统网络的时间同步机制关心的是怎样使同步误差更小，不关心节点的计算复杂程度，通信的安全保障和能耗问题，NTP和GPS时间同步技术不适用于无线传感器网络。

2.时间同步的方法有哪些？哪些适合无线传感器网络？为什么？
DMTS同步：考虑报文的传输延迟，在设置本地时间时，报文中嵌入的时间加上传输延迟即节点的本地时间。算法简单灵活，网络流量小，能耗小，但没考虑传播延迟，编解码影响，同步精度不高。

RBS同步：消除发送时间和访问时间所造成的传输时间误差，从而提高同步精度。接收节点只需要比较接收节点接收报文的时间误差。但网络开销大。

TPSN同步：双向报文交换协议，层次型网络结构。分为层次发现阶段和时间同步两个阶段。消除了访问时间带来的时间同步时延，提高了时间同步的精度，协议的同步开销比较大。

FTSP算法：使用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步，采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差。

3.无线传感器网络时间同步的关键技术问题有哪些？
传输延迟不可预测，高能效，可扩展，健壮

4.列表比较时间同步技术的特点及优缺点？
精度：FTSP＞RBS＞TPSN
收敛性：TPSN收敛时间较长，RBS和FTSP收敛时间较短
扩展性：TPSN扩展性最差
鲁棒性：RBS>FTSP>TPSN
能耗方面：RBS能耗较大，TPSN相对较小，FTSP最小

5.新型时间同步技术：
协作同步：远方节点直接接收到时间基准节点的同步脉冲，中间节点只是起协调作用
萤火虫同步：Pekin模型和Ｍ&S模型。优点
a.同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现
b.对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此扩展性强
c.机制简单，不需要对其他节点的时间信息进行存储

1.时间同步类型
2.解决的主要问题
3.TPSN，RBS协议，有图的协议

第八章：无线传感器网络结点定位技术
1.什么是无线传感器网络的定位技术？与传统定位技术有何不同点？
无线传感器网络定位：依靠网络中少量的位置已知的节点，通过邻居节点间有限的通信和某种定位机制确定网络中所有未知节点的位置。

自定位：确定节点自身在系统中的位置
目标定位：确定目标节点在系统中的位置

2.定位的方法有哪些？哪些适合无线传感器网络？为什么？
三边定位法：
角度定位法：
3.无线传感器网络定位的关键技术有哪些？
4.列表比较定位技术的特点和优缺点？

1.类型区分
2.定位的基本原理

测量两点之间的距离：
a.根据接收信号的强度来计算距离
b.根据信号传播时间（TOA）或者时间差来计算距离（TDOA）
c.根据接收信号相位差定位
传感器网络定位算法特点：
自组织性，健壮性，节能性，分布式，可扩展性

第九章：容错设计技术
1.什么是容错？无线传感器网络容错的重要性？
容错：当由于种种原因在系统中出现了数据，文件损坏或丢失时，系统能够将这些文件恢复到发生事故以前的状态，使系统能够连续正常运行的一种技术。

2.什么是失效，故障，差错？
失效：设备停止工作，不能够完成所要求的功能
故障：设备还能工作，但不能够按照系统要求工作，得不到应有功能
差错：设备出现了不正常的操作步骤或结果

3.故障模型有哪几种？
故障避免，故障检测，故障隔离，故障修复

4.无线传感器网络的可靠性主要体现在哪几方面？分别如何实现可靠性？
事件的可靠性，数据包的可靠性

5.基于空间相关性的故障诊断有哪三种策略？各自特征是什么？
空间相关性：无线传感器网络中相邻节点的同类传感器之间所测量的值通常有很相近的特性
a.多数投票策略：通过与邻居节点测量值进行比较，根据邻居节点在误差范围内的个数。
b.均值策略：计算邻居测量值的平均值，判断自己是否正确。
c.中值策略：利用邻居测量值的中值与自己的测量值进行比较

WSN故障层级：部件级，节点级，网络级

第十章服务质量QOS
6.什么是QOS？无线传感器网络的QOS需求有哪些？
含义：
应用角度：QOS代表用户对于网络所提供服务的满意程度
网络角度：QOS代表网络向用户所提供的业务参数指标
需求：可用性，吞吐量，时延，时延变化，丢包率

7.举例说明WSN的QOS在各个协议层是如何实现的？
应用层QOS：系统生命周期，查询响应时间，事件检测成功率，查询结果数据的事件空间分辨率，数据可靠性，数据新颖度。
数据管理层QOS：传感器节点相互合作，实现高效的信息采集和分发策略。资源自适应信息采集算法RAIG
数据传输层QOS：PSFQ（快吸慢取得方式，可靠得数据传输协议价），ESRT协议（新颖的数据传输方法）
网络层QOS：路由协议通过将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点
连通层QOS：保证网络的感知覆盖度和连通度
MAC层QOS：提出基于冲突和载波监听的MAC协议，目标是最大化系统量，并未提供实时性保证。
交叉层QOS：保障实时性和容错性的传感器网络中间件

8.什么是感知QOS？
感知QOS：WSN中传感器节点对检测区域的感应，监控的效果

9.简述比较典型的WSN中使用的感知QOS算法与协议的特点和区别？
a.基于网格的覆盖定位传感器配置算法：
b.轮换活跃/休眠节点的覆盖协议：
c.最坏与最佳情况覆盖：
d.暴露穿越
e.圆周覆盖
f.连通传感器覆盖

10.传输QOS主要解决的问题是什么？
可靠数据传输和拥赛控制

1.失效，故障，差错概念区分
2.QOS含义和功能

第十一章：网络管理
网络管理：对网络的运行状态进行监测和控制
1.哪几种，怎么区分
集中式网络管理：依赖于少量的中心控制管理站
层次式网络管理：设置若干个中间控制管理站点
分布式网络管理：网络具有多个控制管理站点，每个管理站点都管理各自的子网

网络管理技术：
a.基于web的网络管理技术
b.基于策略的网络管理
c.基于智能agent技术的网络管理
d.基于XML的网络管理
e.基于web service的网络管理

网络管理的关键问题：
a.高效的通信机制
b.轻量型的结构
c.智能自组织的机制
d.安全稳定的环境

大学生一个，微信公众号：飞享
交有想法，一起做事的朋友，公众号上有简介