【无线传感器网络简明教程】课堂笔记

文章目录：

来源：

一：无线传感器网络及传感器简介

1.无线传感器网络结构

1.1 传感与传感器

1.2 无线传感器网络组网结构

1.2.1WSN之间的通信： IEEE 820.11系列和820.15.4协议标准区别

1.2.2 WSN之间的拓扑结构：星形拓扑和网状拓扑的区别

1.3 无线传感器网络设计约束因素

1.4 与传统网络的对比

2.传感器节点架构

2.1 节点架构总述

2.2 处理器体系结构

2.2.1 冯诺依曼体系结构

2.2.2 哈佛体系结构

2.2.3 超级哈佛体系结构

2.3 原型机示例分析：IMote和XYZ传感器节点架构

3.传感器操作系统特征及TinyOS系统原理

3.1 无线传感网操作系统特性

 功能性因素和非功能性因素的区别

3.2 TinyOS系统原型

作业：

二：无线传感器网络物理层

1.无线传感器网络物理层

1.1 无线数字通信系统基本组成

1.2 信源编码概述

1.3 信源编码器效率

2.无线信道信号传播

2.1 WSN无线信道特点

2.2 WSN无线信道信号传播模型

作业：

三： 无线传感器网络媒质接入层：基础

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议概述

1.1 MAC协议特点与分类

1.2 无竞争介质访问

1.3 基于竞争的介质访问

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：CSMA技术基本原理

2.1 CSMA技术基本原理

2.2 CMSA：CSMA/CA协议

作业：

四：无线传感器网络媒质接入层：基础协议IEEE802.11及Zigbee

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议：IEEE802.11

1.1 IEEE 820.11概述

1.2 IEEE 820.11 DCF机制

1.3 IEEE 820.11 PCF机制

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：Zigbee

2.1 Zigbee技术概述

2.2 IEEE802.15.4协议机制

2.3 Zigbee网络层组网机制

作业：

五：无线传感器网络媒质接入层：MAC协议的设计目标及LEACH协议工作原理

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议：MAC协议的设计目标

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：LEAXH协议

2.1 LEACH协议概述

2.2  LEACH协议流程

2.3  LEACH协议基本思想

作业：

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来源：

无线传感网技术：https://www.icourse163.org/learn/WHUT-1207190801?tid=1207530203#/learn/content

无线传感网技术：https://www.icourse163.org/learn/WHUT-1207190801?tid=1458333469#/learn/content

 

传感器技术：https://www.icourse163.org/learn/SEU-1207556801?tid=1207888203#/learn/content

传感器原理及应用：https://www.icourse163.org/learn/UESTC-1449238161?tid=1449652441#/learn/content

物联网原理及应用：https://www.icourse163.org/learn/BUCT-1452689178?tid=1453063457#/learn/content

传感器原理与应用：https://www.icourse163.org/learn/ECNU-1003471010?tid=1455723441#/learn/content

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一：无线传感器网络及传感器简介

主要内容：

（1）无线传感器网络结构

包括：无线传感器网络的定义、产生的背景、设计挑战因素，并举例讲解无线传感器网络的应用范畴

如：无线传感器网络在结构安全监测、交通控制、医疗保健、精细农业、火山活动监测、地下采矿安全等领域中的应用；

（2）无线传感器网络的传感器节点架构

包括：无线传感器节点硬件设计架构、传感子系统、处理器子系统、通信接口、原型机示例；

（3）无线传感器网络的传感器节点所用软件操作系统特性

包括：操作系统的功能需求、分离关注点、系统开销、可移植性、动态重编程，并简要介绍典型的无线传感器网络操作系统TinyOS。

任务与要求：

（1）掌握无线传感网络的定义、挑战及设计约束因素；

（2）掌握无线传感网络传感器节点设计的3种常用架构；

（3）理解无线传感器网络操作系统需要具备的特性，并了解TinyOS操作系统的主要实现模块。 

重难点：

（1）面对多样化应用时无线传感网的设计因素考虑；

（2）传感器节点处理器子系统的选型；

（3）操作系统功能方面设计因素的综合理解。 

1.无线传感器网络结构

1.1 传感与传感器

1.2 无线传感器网络组网结构

1.2.1WSN之间的通信： IEEE 820.11系列和820.15.4协议标准区别

1.2.2 WSN之间的拓扑结构：星形拓扑和网状拓扑的区别

1.3 无线传感器网络设计约束因素

1.4 与传统网络的对比

2.传感器节点架构

2.1 节点架构总述

2.2 处理器体系结构

2.2.1 冯诺依曼体系结构

2.2.2 哈佛体系结构

2.2.3 超级哈佛体系结构

2.3 原型机示例分析：IMote和XYZ传感器节点架构

3.传感器操作系统特征及TinyOS系统原理

3.1 无线传感网操作系统特性

 功能性因素和非功能性因素的区别

3.2 TinyOS系统原型

作业：

1.请从多个维度比较传统网络与无线传感器网络的特点

2.一个振动传感器输出的模拟信号峰-峰电压为10v，频率为200Hz，则

（1）为了在数字化处理过程中信息不丢失，最小采样率是多少？

（2）假设监测一个事件所需的分辨率为0.05V，为了把模拟信号转换为数字信号，应选用多少分辨率的ADC ?

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二：无线传感器网络物理层

主要内容：

（1）无线传感器网络物理层基本组成部分，包括：发射机、传输信道、接收机，并讲解数字通信系统的组成结构；

（2）信源编码，包括：信源编码的目的、基本方法、输入输出关系，并举例讲解信源编码器的效率的计算方法；

（3）信道编码，包括：信道容量公式、信道类型、信道的信息传输数学表达；

（4）调制，包括：常用调制类型的基本原理、调制效率；

（5）无线信道信号传播，包括：无线传感器网络常用的无线波段、加性高斯白噪声信道模型、发送端功率与接收端功率的关系及影响因素、传输损耗的计算。

任务与要求：

（1）掌握无线传感器网络物理层发射机和接收机的基本组成结构；

（2）掌握信源编码器效率的计算方法；

（3）掌握无线信道信号传播的特性及信息传输损耗的计算方法；

（4）了解信道编码和常见调制方法（深入的学习请复习专业必修课《通信原理》中的相关章节）

 重难点：

（1）信源编码器效率的计算方法；

（2）无线信道信号传播中信息传输损耗的计算方法。

1.无线传感器网络物理层

 

1.1 无线数字通信系统基本组成

1.2 信源编码概述

1.3 信源编码器效率

2.无线信道信号传播

2.1 WSN无线信道特点

2.2 WSN无线信道信号传播模型

作业：

给定一模拟信号，其值可被量化为6种不同的值S1, S2, S3, S4, S5,S6. 该6种不同的量化值出现的概率分别为: P(S1)=1/4,  P(S2)=1/4, P(S3)=1/8, P(S4)=1/8, P(S5)= 1/8, P(S6)= 1/8. 现给定两种码元集C1={0, 01, 011, 0111, 01111, 011111},  C2={0, 10, 1101, 1100, 1001, 1111}: （1）判断码元集C1和C2是否是唯一可译码？是否是即时码？为什么？(2) 计算码元集C1和C2的编码效率和冗余度

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三： 无线传感器网络媒质接入层：基础

主要内容：

（1）无线传感器网络媒质接入层基本概念，包括：OSI网络协议分层参考模型、媒质接入层功能、媒质接入协议分类；（2）无线传感器网络媒质接入协议分类，包括两大类：无竞争介质访问的媒质接入协议、基于竞争介质访问的媒质接入层协议；（3）载波监听多路访问（CSMA）技术原理。

任务与要求：

（1）理解无线传感器网络MAC协议的功能及分类；

（2）理解基于竞争访问的MAC协议中存在的隐藏终端与暴露终端问题；

（3）掌握CSMA协议的基本原理。

 重难点：

（1）隐藏终端与暴露终端问题的出现场景；

（2）CSMA协议的工作流程。

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议概述

1.1 MAC协议特点与分类

1.2 无竞争介质访问

1.3 基于竞争的介质访问

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：CSMA技术基本原理

2.1 CSMA技术基本原理

2.2 CMSA：CSMA/CA协议

作业：

请用英文回答如下问题：

(1) What are “hidden terminals” and, (2) how do they affect the performance of wireless sensor networks?

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四：无线传感器网络媒质接入层：基础协议IEEE802.11及Zigbee

主要内容：

（1）IEEE 802.11技术基本原理

包括：IEEE802.11无线局域网标准对应的OSI网络协议参考模型、IEEE802.11分布式协调机制（DCF）、IEEE802.11点协调机制（PCF）；

（2）Zigbee技术基本原理

包括：IEEE802.15.4标准、Zigbee协议模型、Zigbee协议工作流程。

任务与要求：

（1）理解IEEE802.11无线局域网标准中的OSI模型；

（2）掌握IEEE802.11技术的基本原理；

（3）掌握Zigbee技术的基本原理。  

重难点：

（1）IEEE802.11 DCF机制的交互流程；

（2）Zigbee组网的拓扑结构。

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议：IEEE802.11

1.1 IEEE 820.11概述

1.2 IEEE 820.11 DCF机制

1.3 IEEE 820.11 PCF机制

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：Zigbee

2.1 Zigbee技术概述

2.2 IEEE802.15.4协议机制

2.3 Zigbee网络层组网机制

作业：

请详细解释IEEE 802.11标准中使用3种不同的帧间间隔的原因

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五：无线传感器网络媒质接入层：MAC协议的设计目标及LEACH协议工作原理

主要内容：

（1）无线传感器网络MAC协议的特点及设计目标，包括：能量效率、可扩展性、适应性、低延时和可预测性、可靠性；（2）无竞争MAC协议的设计思想，包括：无竞争MAC协议的设计出发点、基本思想、特性；

（3）低能耗自适应分簇分层（LEACH）协议的基本原理，包括：LEACH分簇思想、LEACH协议的通信时隙结构、LEACH协议建立阶段、LEACH协议稳定阶段、LEACH协议的改进方案LEACH-C协议基本思想。

任务与要求：

（1）理解MAC协议的设计目标中的各项因素；

（2）掌握LEACH协议的基本原理。

重难点：

（1）LEACH协议的分簇思想及簇头选择算法；

（2）MAC协议的设计目标。

1.无线传感器网络媒质接入层通信协议：MAC协议的设计目标

 

2.无线传感器网络媒质接入层通信协议：LEAXH协议

2.1 LEACH协议概述

2.2  LEACH协议流程

2.3  LEACH协议基本思想

作业：

请给出课本6.4.5.1节中LEACH协议簇头计算公式的详细计算过程。

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