无线传感器网络

概述

WSN体系结构

WSN的标准定义⭐️

• 无线传感器网络是大量的静止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。它的英文是Wireless Sensor Network，简称WSN。

WSN的客观系统架构⭐️

传感器网络节点的功能模块组成⭐️

• 传感模块：由 传感器→数模转换 构成，负责探测目标的物理特征和现象
• 计算模块：负责处理数据和系统管理
• 存储模块：负责存放程序和数据
• 通信模块：负责网络管理信息和所感知信息的发送和接收
• 电源模块：负责结点供电
• 嵌入式软件系统：结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议

WSN节点的体系结构

由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三部分组成

网络通信协议

• 应用层：应用服务等
• 传输层：数据流的传输控制
• 网络层：路由发现和维护
• 数据链路层：数据成帧、帧检测、 介质访问、差错控制
• 物理层：信号调制、数据的收发
• IEEE 802.15.4协议：MAC层和物理层采用的网络通信协议，针对低速无线个域网，以低能耗、低成本、低速率传输作为重点目标

网络管理平台

• 对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理

应用支撑平台

• 基于监测任务的应用层软件，为用户提供具体应用的支持

传感器网络的结构⭐️

• 传感器网络由基站和大量节点组成

平面结构

分级结构

混合网络结构

• 从图中可看出，各个簇中的传感器节点之间也可通信

Mesh网络结构

• Mesh网络即”无线网格网络”，是“多跳（multi-hop）”网络，是由ad hoc网络发展而来，

传感器网络的特征

AD-Hoc与WSN的异同⭐️

Ad Hoc Network：无线自组网

• 相同点：自组织
• 不同点：移动性、目的性、代价

能量消耗与通信距离的关系⭐️

$$E=k\times d^n$$

• E：无线通信的能量消耗
• d：通信距离
• k：系数
• n：满足关系2<n<4，通常n取3，即假定通信能耗与距离的三次方成正比
  • 传感器节点部署贴近地面时，障碍物多、干扰大，n的取值就大
  • 天线质量对信号发射质量的影响也很大

WSN组网特点

• 自组织性： 自动配置管理，形成无线网络系统；
• 以数据为中心：关注数据；
• 应用相关性： 不同应用对传感器网络要求不同；
• 动态性： 环境，能量，损坏，新加入节点等；
• 网络规模大： 大规模部署；
• 可靠性： 节点自身安全，网络安全等

微型传感器的基本知识

传感器概述

传感器定义

• 能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置

传感器的组成

传感器与传感器节点的区别

能量控制型和能量转换型传感器区别⭐️

• 电X：能量控制型，有源传感器
• X电：能量转换型，无源传感器

传感器的一般特性和选型⭐️

自己会说5-6个，能结合实际解释

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2N168oJF-1656038801309)(https://s2.loli.net/2022/06/20/MY2BtoVIFQS9XK1.png)]

• 响应特征指：输出值真实再现变化着的输入量的能力反映

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-osUjJ8Gp-1656038801312)(https://s2.loli.net/2022/06/20/Oy7Ixneb5rQWGVp.png)]

WSN的通信与组网技术

物理层

物理层基本概念

物理层目的和功能

四个特性

ISM频段的优缺点⭐️

传感器节点的通信传输介质：无线电波(电磁波)、红外线和光波(微波)

数字调制的三种技术

物理层帧结构

Mac协议

数据链路层目的⭐️

主要解决：信道共享冲突

传统网络与WSN的MAC考虑问题的差别

基于信道分配方式的三类MAC协议⭐️

CSMA/CA的概念及原则⭐️

RTS/CTS概念及机制场景

• 主要的冲突避免机制
• 应答与预留机制

访问信道优先级依据——IFS⭐️

• ACK、CTS控制
• 无竞争消息帧
• 数据帧、管理帧

CSMA/CA基本访问机制⭐️

要会看图解释

多节点申请信道竞争机制⭐️

要会看图解释

S-MAC的概念

• 低占空比的工作方式：周期性侦听/睡眠，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能耗

WSN无效能耗来源

S-MAC主要机制⭐️

周期性侦听和睡眠机制

流量自适应侦听机制

冲突和串音避免机制

消息传递机制

S-MAC与IEEE802.11MAC协议发送长消息的差异

看图解释

路由协议

WSN路由协议功能

洪泛协议及其优缺点

内爆现象和重叠现象

闲聊协议及其优缺点

基本能量路由路径选择、存在问题及解决方法⭐️

看图理解

Spins四种机制理解⭐️

要会看图解释

PP

EC

BC

RL

定向扩散的三个阶段⭐️

兴趣扩散

梯度建立

路径加强

LEACH协议簇头选举方法⭐️

选簇头

建簇

TDMA时间表

稳定

传感器网络的支撑技术

时间同步协议

NTP概念及全称

• 网络时间协议，英文名称：Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议。

NTP协议核心算法

同步过程

传输延迟的不确定性⭐️

要会看图解释

根据同步的级别的同步协议分类

RBS全称及基本思想和优缺点⭐️

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6Ihf3VOK-1656038801333)(https://s2.loli.net/2022/06/20/QRlGTsYec36xvub.png)]

TPSN全称及基本思想

相邻级别节点间的同步过程和算法

看图解释

TPSN减少同步误差的方式

定位技术

TOA、TDOA、RSSI、AOA、LoS、NLoS

• LoS：(Line of Sight，视线关系)，节点间无障碍物，可实现直接通信
• NLoS：(No Line of Sight，非视线关系)，节点间存在障碍物，影响了直接的无线通信
• 常用的测距技术：RSSI、TOA、TDOA、AOA

会计算RSSI，看课本

• RSSI：Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示

TDoA测距过程，要会看图识别

定位性能的评价指标

Min-Max定位基本思想和过程⭐️

DV-hop定位思想和算法的实现⭐️

APIT概念及定位过程

数据融合

WSN中数据融合主要作用⭐️

三类数据融合

根据融合前后数据的信息含量分类

根据应用层数据语义之间关系分类

根据融合操作的级别分类

数据融合三种结构

• 串联、并联、混联

安全机制

WSN消息面临的一般攻击

WSN的安全性需求的两个方面⭐️

信息安全需求的四方面内容

网络协议安全问题的层次侧重点

• 密钥管理和交换
• 数据帧和路由信息的加解密
• 安全编码

链路层主要面临的三种攻击

网络层⭐️

选择性的转发及对策

污水池(Sinkhole)攻击及对策

女巫(Sybil)攻击及对策

虫洞(Wormhole)攻击及对策

SPINS安全协议族

• SNEP和μTESLA提供的安全服务

SNEP⭐️

• 安全中MAC全称
• 强新鲜性的实现

• MAC：Message Authentication Code，消息认证码

μTESLA协议⭐️

• 基本思想
• 节点认证广播过程：看图解释

基于RC5的CBC-MAC认证算法的实现过程⭐️

传感器网络的应用开发基础

操作系统和软件开发

TinyOS的特点⭐️

• 基于组件的体系结构
• 事件驱动机制
• 轻量级线程技术和先进先出的任务队列调度
• 主动消息通信

基于组件的程序模型⭐️

应用程序总体架构

后台管理软件四个组成部分

传感器网络协议的技术标准

IEEE1451系列标准

IEEE1451标准的目的⭐️

• 变送器到网络的互换性和互操作性

传感器两层模块结构

IEEE802.15.4标准

标准应用的层次

• 物理层和MAC子层协议

两种逻辑设备类型⭐️

三种物理设备角色⭐️

物理层提供两种服务及示意图

• 数据服务
• 管理实体服务

MAC层提供两种服务及示意图

原语

ZigBee协议标准

完整的ZigBee协议栈⭐️

从物理层-应用层

ZigBee的拓扑结构

• 星型、簇型、网状

ZigBee、LoRa、NB-IOT、蓝牙的对比⭐️

ZigBee网络系统的软件设计过程