无线传感网络
第一、二章
无线传感网络的定义：
无线传感网络是大量的静止节点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域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
传感器节点的组成
- 数据处理
- 数据采集模块（传感器、A\D转换器）
- 控制模块（微处理器、存储器）
- 供电模块（电池、DC\DC能量转换器）
- 通信模块（无线收发器）
传感器节点的限制：
- 电源能量有限
- 通信能力有限
- 计算和存储能力有限
无线传感网络特点：
- 自组织性
- 以数据为中心（重点）
- 应用相关性
- 动态性
- 网络规模大
- 可靠性
无线传感网络的系统性能指标：
- 工作寿命
- 覆盖范围
- 搭建成本以及难易程度
- 响应时间
传感器的组成：
- 敏感元件
- 转换元件
- 基本转换电路
传感器的分类：
- 按被测量与输出电量的转换原理划分，可分为能量转换型和能量控制型两大类：
- 能量转换型传感器：在进行信号转换时不需要另外提供能量，把输入信号能量变换成另一种形式能量而输出。
- 能量控制型传感器：在进行信号转换时，需要先供给能量，由输入信号控制供给的能量，并检测能量的变化作为输出信号。
- 传感器按测量原理分类，主要有物理型、化学型和生物传感器
- 电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式
- 物理型传感器：物理变化，未产生新的物质
- 化学传感器：产生了化学变化，有新物质产生
- 生物传感器：主要利用生物活性物质来进行传感
传感器节点的结构以及功能：
- 处理器模块：对整个节点进行数据处理运算、以及控制
- 储存模块：提供数据存储
- 无线通信模块：进行不同节点间的通信
- 传感器模块：采集模块
- 电源模块：为节点提供能量
传感器网络的常用无线通信技术
| 无线技术 | 频率 | 距离/m | 功耗 | 传输速率/(kb·s^(-1)) |
|---|---|---|---|---|
| Bluetooth | 2.4GHz | 10 | 低 | 10 000 |
| 802.11b | 2.4GHz | 100 | 高 | 11 000 |
| RFID | 50kHz~5.8GHz | <5 | 一 | 200 |
| ZigBee | 2.4GHz | 10~75 | 低 | 250 |
| IrDA | Infrared | 1 | 低 | 16 000 |
| UWB | 3.1~10.6GHz | 10 | 低 | 100 000 |
| RF | 300~1000MHz | 10^x ~ 100^x | 低 | 10^x |
CC2530的主要特点如下（部分）：
- 32KB / 64KB / 128KB 或 256KB的系统可编程 Flash
- 8KB在所有模式都带有记忆功能的RAM
- 2.4GHz IEEE 802.15.4兼容 RF 收发器
CC2530片上8051内核：
- 增强型8051内核：增强型8051内核使用8051指令集。指令运行比标准的8051更快。
- 存储空间：CC2530包含一个 DMA 控制器。8KB静态 RAM（ SRAM ）。32KB、64KB、128KB或256KB的片内提供在系统可编程的非易失性存储器（ Flash ）
- ①、CODE程序存储器空间：一块只读程序存储器空间，地址空间为64KB
- ②、DATA数据存储器空间：一块8位的可读/可写的数据存储器空间，地址空间为256B
- ③、XDATA数据存储器空间：一块16位可读/可写的数据存储空间，通常访问需要四五个指令周期，地址空间为64KB
- ④、SFR特殊功能寄存器：一块可通过CPU的单周期指令直接存取的可读/可写存储器空间，地址空间为64KB
- 特殊功能寄存器：特殊功能寄存器控制 CC2530 的8051内核以及外设的各种重要功能。
1.传感器节点构成图:
左边是感知模块，
右边是通信模块，涉及物理层，数据链基层和路由，能源消耗最多，传输，待收发时。
3.CC2530方框图
时钟的使用，计时器分了哪几种，
flash和SRAM存储部分有哪几个典型参数的值，对应的大小值是多少
存储空间 ：CC2530包含一个DMA控制器。8KB静态 RAM(SRAM).32KB、64KB、128KB或256KB的片内提供在系统可编程的非易失性存储器（Flash).
8051 CPU结构有4个不同的存储器空间。8051有独立的程序存储器和数据存储器空间。
(1)CODE程序存储器空间：一块只读程序存储器空间，地址空间为64KB.
(2)DATA数据存储器空间：一块8位的可读／可写的数据储器空间，可通过单周期的CPU指令直接或间接存取。地址空间为256B,低128B可通过直接或间接寻址访问，而高128B只能通过间接寻址访问。
(3)XDATA数据存储器空间：一块16位的可读／可写的数据存储空间，通常访问需要四五个指令周期，地址空间为64KB.
(4)SFR特殊功能寄存器：一块可通过CPU的单周期指令直接存取的可读／可写寄存器空间。地址空间为128B,特殊功能寄存器可进行位寻址。
以上4块不同的存储空间构成了CC2530的存储器空间，可通过存储管理器来进行统一管理。
第三章
无线传感网络的拓扑结构：
- 平面网络结构：
- 平面网络结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。
- 分级网络结构：
- 分级网络结构（也叫层次网络结构）是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑结构，网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点，下层为一般传感器节点。通常网络可能存在一个或多个骨干节点，骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构。
- 混合网络结构：
- 混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构。
- Mesh网络结构：
- Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，较前面的传统无线网络拓扑结构具有一些结构和技术上的不同
拓扑结构的意义以及主要设计目标：
意义：
- 提高网络寿命
- 减少节点的通信负载
- 辅助路由协议
- 数据融合策略选择
- 节点冗余
主要设计目标：
- 覆盖
- 连通
- 网络生命周期吞吐能力
- 干扰和竞争
- 网络延时
- 拓扑性质
LEACH协议的概念及其特点
LEACH：是一种面向微传感器网络的低能耗自适应分簇的分层式MAC协议。
簇内有竞争，簇间无竞争
- 自适应、自动分簇
- 数据传输局部控制
- 低能耗媒质接入
- 可根据特定应用进行数据融合
LEACH协议概述
- 属于无竞争的MAC协议
- 主要用于WSN
- 主要目标为：低能耗
- 主要思想为：动态成簇、网络分层
LEACH协议的流程
- 簇的建立阶段：相邻节点动态形成簇，随机产生簇头
- 稳定的数据通信阶段：簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点
LEACH-C基本思想
- 借助基站进行分局分簇控制
覆盖的定义以及覆盖感知模型的概念
定义：覆盖能反映一个无线传感网络某区域被检测和跟踪的状态
覆盖感知模型
- 布尔感知模型：以节点为圆心，以感知距离为半径的圆形区域，只有落在该区域的点才能被节点覆盖（在节点内就是1，不在就是0）
- 概率感知模型：在圆形感知范围内，目标被感知到的概率不是常量，而是由目标节点间距离，节点物理特性等诸多因素决定的变量。
覆盖算法分类
- 节点部署方式分类：
- 确定性覆盖
- 随即覆盖
典型的覆盖算法原理以及计算
- 网络（有手就行）
- 圆周（有手就行）
最坏与最佳情况覆盖
最坏与最佳情况覆盖算法同时属于确定性网络路径 / 目标覆盖和栅栏覆盖类型。
- 实 — 最佳
- 虚 — 最差
四、覆盖
- 1.覆盖原理： 当传感器的密度(即单位区域的传感器数目)有限时，c≥r是覆盖包含连接性的充分必要条件。 当c≥2r时，一个凸区域的k阶覆盖必定包含了k阶连接性。
- 2.覆盖感知模型：布尔感知模型（网格覆盖）和概率感知模型（圆周覆盖）kj覆盖特性
目标区域中配置一组传感器节点,看看该区域能否满足k覆盖,即目标区域中每个点都至少被k个节点覆盖。考虑每个 传感器节点覆盖区域的圆周重叠情况,进而根据邻居节点信 息来确定是否一个给定传感器的圆周被完全覆盖。 - 3.最坏最佳情况 “最大突破路径”和“最大支撑路径”,分别使得路径上的 点到周围最近传感器的最小距离最大化及最大距离最小化 这两种路径分别代表了无线传感器网络最坏(不被检测的概 率最小)和最佳(被发现的概率最大)的覆盖情况。
第四章
一、网络通信协议
二、表中zigbee，蓝牙，WIFI典型频段是哪个，NB-iot，LoRa所用的典型频段是哪个
哪些是属于ism定义的，哪些不属于ism定义的。
NB-iot工作在哪个频段：授权的ism频段，原本的基带信息
LoRa工作在哪个频段：非授权的，单独的
1
三、MAC协议（介质访问控制） 数据链路层
- 物理层：信道的划分
- MAC层：信道的选择和应用
- 分类：竞争模式和非竞争模式
- 竞争：CSMA，802.11，工作方式——DCF和PCF
- 非竞争：TDMA，FDMA，CDMA，轮循的访问模式
1.IEEE802.11 ：采用了带冲突检测的载波监听 (CSMA/CA)技术。
- CSMA：载波监听多点接入，是从ALOHA演变出的一种改进协议
- 工作方式：当信道中有帧存在时，称信道是忙碌的，否则称为空闲的。每站发送前先检测信道状态，是否发送数据根据信道状态来决定。
2.基于等待方式不同的五个划分
- (1)1-坚持CSMA:终端持续监听信道并等待发送，直到它发现信道空闲。信道一旦空闲，终端就以概率1来发送它的信息。
- (2)非坚持CSMA:在这种CSMA类型中，用户如果发现信道忙，就等待一随机时间后再次监听信道，而不持续监听信道，这在无线局域网中是很常见的。
- (3)P-坚持CSMA:P-坚持CSMA应用于分时隙的信道。当信道被终端发现是空闲时，该终端就以概率P在该时隙发送，而以概率（1-P)把这次发送推迟到下一时隙再做判断。
- (4)CSMA/CD(CSMA/Collision
Detect):在具有碰撞检测（CD)的CSMA中，如果两个或多个终端同时开始发送，那么就会检测到冲突并且立即停止发送，这种情况要求用户支持同时进行发射和接收操作。 - (5)CSMA/CA(CSMA/Collision
Avoidance):在CSMA的基础上再增设某种机制，可以使碰撞发生的概率进一步减小，从而提高吞吐性能与延迟性能，这样的协议可称作CSMA/CA.
3.RTS和CTS 隐藏终端和暴露终端
4.网络分配矢量NAV (在哪里用，怎么用，长度决定于什么方式)
NAV可理解为一个计数器，其中的计数值是根据各种帧MAC头中的duration字段设置的，该值表示信道被预留的时间长度
5.四种帧间间隔 优先级和时间不一样
- 短帧间间隔SIFS 最短的帧间间隔，优先级最高
- PCF帧间间隔PIFS
- DCF帧间间隔DIFS
- 扩展的帧间间隔EIFS
6.DCF下的三种典型的访问模式
-
基本访问
-
RTS/CTS访问机制
-
退避算法
二、网络层 路由
1.自组织，多跳
2.路由过程
- 某一设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程
- 对应接收设备收到该命令后，回复应答命令帧
- 对潜在的各条路径开销（跳转次数、延迟时间）进 行评估比较
- 将评估确定后的最佳路由记录添加到此路径上各个 节点设备的路由表中
3.路由的分类 - 从网络组织结构角度划分：
反应式路由，按需发现路径（DSDV）：特点： • 无事件或活动发生时，可节省能量和带宽，适用于轻量级负载场景。• 在高强度活动期间，可能出现拥塞问题 • 路由发现过程可能带来较大时延
先应式路由，预先建立路径（AODV）：路由维持信息独立于通信需求 路由更新信息：周期性发送至整个网络，当网络拓 扑变化时，发送至整个网络
特点： • 低时延；适用于实时流量 • 由于周期性更新，会浪费带宽
混合式路由：综合了反应式和先应式路由的特征 • 近邻采用先应式，远邻采用反应式；或反之 • 在先应式和反应式之间获得平衡 - 从路由发现角度划分：
基于平面的路由 基于分层的路由 基于位置的路由 - 从协议操作角度划分：基于协商的路由 ，基于多路径的路由 ，基于查询的路由，基于服务质量的路由 ，基于相干式的路由
4.洪泛（Flooding）：一种简单的全网信息传播方法
- 特点：简单、可靠，信息会传递至整个网络
- 面临的问题：内爆、重叠、资源盲区（无法识别各节点的资源限制）
5.SPIN基于协商、以数据为中心和事件驱动的洪泛协议
- ADV：新的数据广播消息，内含元数据
- REQ：数据请示消息，当节点想要接收数据时发送
- DATA：传感数据消息，含实际的传感数据
6.能量路由：根据节点的可用能量或传输路径上链路的能量需求，选择数据的转发路径。
7.能量路由选择策略：最大可用能量路由，最小能量消耗路由，最小跳数路由，最大最小PA节点路由。
第五章 时间同步，定位，数据融合
一、时间同步
1.时间同步通常是基于传感器节点之间的某种形式的信息交换，依赖于同步消息
1.单向信息交换 ：
单个消息：包含时间戳
时钟差可以计算得到： (t2-t1)=D+δ
2.双向信息交换 ：
两个同步消息： 在单向同步消息交换的基础上，接收节点再回应一个消息，包含3个时间戳
前提假设：双向传播时延是一致的；在两次测量过程中，时钟漂移不变
3.接收端-接收端同步：
单向或双向消息交换属于发送-接收端同步方法
接收端-接收端同步：广播消息的多个接收端之间交换它们各自的接收时间， 以此计算它们之间偏移
广播消息并不包含时间戳，而是利用广播消息到达接收节点的时间不同来使节点相互同步 。如：2个接收，使用3个消息即可完成两个接收端的同步
二、节点定位典型的测距方法
- 1.基于到达时间（Time of Arrival （ToA）） 通过测量信号的传播时间，以及已知的信号速率，估算发送端与接收端之间的距离
如：声波速率343m/s(20度时)，即：30ms大约传播10m； 射频信号速率300km/s，即：30ns大约传播10ms。 单向ToA
One-way ToA ➢ 单程信号传播，接收端计算 ➢ 前提条件：需要发送端与接收端的时钟高精度同步 双向ToA Two-way ToA
➢ 双程信号传播，在发送端计算距离 ➢ 如果接收端想要知道距离，需要依赖第三个消息 到达时间差Time Difference of
Arrival (TDoA) ➢ 使用两个不同速率的信号到达时间差，进行测距 - 2.基于到达角度（Angle of Arrival (AoA)） 通过天线阵列或麦克风阵列作为收发前端，利用信号传 播的方向来测量到达到达角：信号传播方向与参考方向之间的夹角 。 ➢
如：用不同地点的麦克风接收某一信号，通过信号到达时间、振幅或相位的差异可以估计到达角，进而计算出传感器节点的位置 ➢
精度可以非常高，但额外的硬件会增大节点的体积和成本 - 3.基于接收信号强度 （Received Signal Strength (RSS)） 基于接收信号强度 （Received Signal Strength (RSS)）或基于接收信号强度指示 (Indicator) •
利用接收信号强度随着距离而衰减的特性，根据接收信号强度换算出 • 许多网卡驱动程序可以输出RSSI值 •
在自由空间中，RSS值会随着距离平方而衰减 （Friis传输公式) ➢ 在实际环境中，信号会因多种因素产生波动，如
：多径传播效应、回声、噪声等 ➢ 实际的衰减模型较为复杂，并且可能不是平方衰 减，而是n, n通常在3~5之间 - 4.基于到达时间差的定位机制（TDOA）
三、数据融合
1.根据信息的抽象程度来分，数据融合可分为数据级融合、特征级融合和决策级融合三种。
- ①数据级融合:直接在采集到的原始数据层上进行的融合，在传感器采集的原始数据未经处理之前就对数据进行分 析和综合。这是最低层次的数据融合。
优点：保持尽可能多的现场数据，细节信息； 缺点：要求传感器之间具有精确到数据的校准精度。
场景：多源图像复合，图像分析和理解，同类（质）雷达 波型的直接合成、多传感器遥感信息融合等。 - ②特征级融合:属于中间层次，它先对来自传感器的原始数
据提取特征信息。然后按特征信息对多传感器数据进行分类、汇集和综合。优点：实现了信息压缩，有利于实时处理；场景：目标状态数据融合-目标跟踪；目标特征融合-目标识别。 - ③决策级融合:在最高级层进行的融合。决策级融合是一种高层次融合，融合之前，每种传感器的信号处理装置已完成决策或分类任务。决策级融合的结果是为决策提供依据。直接针对具体决策目标，融合结果对决策的水平有直接
影响。- 决策级融合的主要优点:
- ①具有很高的灵活性；
- ②系统对信息传送的带宽要求较低；
- ③能有效反映环境或目标各个侧面的不同类型信息；
- ④当一个或几个传感器出现错误时，通过适当融合，系统还能获得正确的结果，所以具有容错性；
- ⑤通信量小，抗干扰能力强；
- ⑥对传感器的依赖性小，传感器可以是同质的，也可以是异质的；
- ⑦融合中心处理代价低。
- 决策级融合的主要优点:
第六章
1.IEEE802.15.4标准规定物理层负责的任务：
- 激活和取消无线收发器
- 当前信道的能量检测
- 发送链路质量指示
- CSMA/CA的空闲信道评估
- 信道频率的选择
- 数据发送与接受收
2.IEEE 802.15.4标准定义了27个信道，编号为0～26 ，跨越3个频段 。
- 2.4GHz频段的16个信道 ；
- 915MHz频段的10个信道 ；
- 868MHz频段的1个信道；
3.MAC子层：处理所有对物理层的访问，并完成以下任务：
- 如果设备是协调器，则需要产生网络信标
- 信标的同步
- 支持个域网络的关联和去关联
- 执行信道接入的CSMA-CA机制
- 提供MAC实体间的可靠连接
4.MAC层的帧结构
- 帧头(MHR)，包含帧控制、序列号、地址信息
- 可变长的MAC负载，包括对应帧类型的信息，确认帧不包含负载
- 帧尾(MFR)，包括帧检验序列(FCS)
四种类型帧结构：
5.ZigBee协议栈 设备类型
在 ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型： 协调器，路由器，终端设备。
ZigBee 网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成
- 协调器：负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。可用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。一旦这些都完成后,协调器的工作就像一个路由器。
- 路由器：允许其他设备加入网络，多跳路由，协助自己的由电池供电的子终端设备的通信
- 终端设备：终端设备没有特定的维持网络结构的责任,可以睡眠或者唤醒在 Z-Stack中一个设备的类型通常在编译的时 候通过编译选项ZDO
COORDINATOR 和 RTR_NWK确定