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无线传感器网络第8章

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无线传感器网络技术内容

无线传感器网络技术内容

第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。

无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。

典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。

无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。

第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。

无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。

无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。

作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。

IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。

有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。

无线传感器网络技术及应用(图文 (8)

无线传感器网络技术及应用(图文 (8)

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第8章 无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术
2) 功率控制对网络连通性和拓扑结构的影响 网络的连通性和拓扑结构均与发射功率的大小有关。节点的 发射功率过低，会使部分节点无法建立通信连接，造成网络的割 裂；而发送功率过大，虽然保证了网络的连通，但会导致网络的 竞争强度增大，从而使得网络不仅在节点发射功率上消耗过多的 能量，还会因为高竞争强度导致的数据丢包或重传造成网络整体 能耗增加及性能降低。网络中的节点可通过功率控制和骨干网络 节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发 的优化网络结构，或者在满足网络连通度的前提下，选择节点最 优的单跳可达邻居数目。通过功率控制技术来调控网络的拓扑特 性，主要就是通过寻求最优的传送功率及相应的控制策略，在保 证网络通信连通的同时优化拓扑结构，从而达到满足网络应用相 关性能的要求。
(4) 算法的分布式程度。在无线传感器网络中，一般情 况下是不设置认证中心的，传感器节点只能依据自身从网络 中收集的信息做出决策。另外，任何一种涉及节点间同步的 通信协议都有建立通信的开销。显然，若节点能够了解全局 拓扑和传感器网络中所有节点的能量，就能做出最优的决策； 若不计同步消息的开销，得到的就是最优的性能。但是，若 所有节点都要了解全局信息，则同步消息产生的开销要多于 数据消息，这将导致网络系统开销大大增加，从而使得网络 的生存期缩短。
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第8章 无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术
8.1.4 功率控制技术 目前，拓扑控制主要是功率控制和睡眠调度。所谓功率控制，
就是为传感器节点选择合适的发射功率；所谓睡眠调度，就是控 制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。
功率控制对无线自组织网络的性能影响主要表现在以下五个 方面：
1) 功率控制对网络能量有效性的影响 功率控制对网络能量有效性的影响包括降低节点发射功耗和 减少网络整体能量消耗。在节点分组传递过程中，功率控制可以 通过信道估计或反馈控制信息，在保证信道连通的条件下策略性 地降低发射功率的富余量，从而减少发射端节点的能量消耗。随 着发送端节点发射功率的降低，其所能影响到的邻居节点数量也 随之减少，节省了网络中与此次通信不相关节点的接收能量消耗， 达到了减少网络整体能量消耗的目的。
无线传感器网络数据存储结构_无线传感器网络技术及其应用_[共3页]

无线传感器网络数据存储结构_无线传感器网络技术及其应用_[共3页]

8第章无线传感器网络数据管理技术225①数据获取技术主要涉及传感器网络和感知数据模型技术、元数据管理技术、传感器数据处理策略、面向应用的感知数据管理技术等。

②数据存储技术主要涉及数据存储策略、存取方法和索引技术等。

③数据查询技术主要包括面向无线传感器网络的查询语言、数据融合方法、分布式查询优化处理技术等。

④数据分析挖掘技术主要包括OLAP分析处理技术、统计分析技术、相关规则等传统类型知识挖掘、与感知数据相关的新知识模型及其挖掘技术、数据分布式挖掘技术等。

⑤数据管理系统主要包括数据管理系统的体系结构和实现技术。

此外，对于传感器网络数据管理系统的可重用性、可扩展性、系统的动态部署等问题，都是无线传感器网络数据管理的应用难题，也是影响传感器网络技术快速推广和应用的关键问题。

8.2 无线传感器网络数据管理的关键技术8.2.1 无线传感器网络数据存储结构无线传感器网络的数据存储结构是决定数据管理系统的整体结构的重要因素。

根据数据存储的位置差异，可以将已经实现的无线传感器网络数据存储结构分为网外集中式存储方案、网内分层存储方案、网内本地存储方案、以数据为中心的网内存储方案4种类型，下面分别进行阐述。

1．网外集中式存储方案网外集中式存储方案是将所有数据完全传送到基站端存储，其网内处理简单，将查询工作的重心放到了网外。

感知数据从数据普通节点通过无线多跳传送到网关节点，再通过网关传送到网外的基站节点，由基站保存到感知数据库中。

由于基站能源充足、存储和计算能力强，因此可在基站上对这些已存数据实现复杂的查询处理，并可利用传统的本地数据库查询技术。

无线传感器网络集中式存储方案结构如图8-2所示。

图8-2 无线传感器网络集中式存储方案。

无线传感器网络知识点归纳

无线传感器网络知识点归纳

一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。

4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件

无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件


2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
2020/12/11
7
安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
2020/12/11
25
网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
2020/12/11
26
应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件， 通过应用服务接口和网络管理接口来为终 端用户提供各种具体应用的支持： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
2020/12/11
27
无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
29
第八章容错技术详解

第八章容错技术详解


部件故障检测

比较策略



多数投票 均值 中值 ……
部件故障检测

决策判断实例
A1
`
B1
`
C1
`
A4
A0
A2
B4
B0
B2
C4
C0 C3
C2
A3
(a) 正常感应器 (b)
B3
` 故障传感器 (c)
O n log n
部件故障检测

加权中值判断结果
加权后的理论识别率（邻居数为4）
O n log n
内容提要
1. 2. 3. 4. 5.
概述
故障模型
故障检测
故障修复
可靠性协议
可靠性协议

物理层
链路层 网络层



传输层
可靠性协议

物理层 物理层是实现无线网络通信的基石， 其可靠性能的优劣直接影响到整个系统 的容错能力。物理层主要负责数据的编 码调制、解调解码、发送与接收。对于 无线传感器网络节点间的通信，为了使 得数据能够被可靠地传输或接收，必须 要做到高的接收机灵敏度、低的背景噪 声及较强的抗干扰能力。
可靠性协议

传输层
事件汇聚到Sink
可靠性协议

传输层 ---- 从汇聚节点到传感节点的传输 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为 无线传感器网络的重编程或重新指定任务提供 了可靠传输，并提供了到接收端延迟保证。源 节点低速向网络注入数据包以避免网络拥塞， 接收节点有足够的时间来检测这些数据包是否 丢失，假如发生丢失就请求重传。当节点收到 的包序号不等于上一个包序号加1，那么就认为 有包丢失。这个节点在收到正确的包之前停止 继续发送包。
第八章容错技术详解

第八章容错技术详解

节点n在三个可信节点的三角区域内
部件故障检测
? 比较策略
? 多数投票 ? 均值 ? 中值 ? ……
部件故障检测
? 决策判断实例
A1
B1
C1
`
`
`
A4
A0 A2 B4
B0 B2 C4
C0 C2
A3
(a)
正常感应器
B3
C3
(b)
` 故障传感器 (c)
O n log n
部件故障检测
? 加权中值判断结果
需要的软件方法。 ● 信息冗余：在实现正常功能所需要的信息外，在添加一些信息，以保证
运行结果正确性的方法。纠错码就是信息冗余例子。 ● 时间冗余：使用附加一定时间的方法来完成系统功能。这些附加的时间
主要用在故障检测、复执或故障屏蔽上。
概述
以往容错研究关注的领域: ? 大规模集成电路 ? 分布式系统 ? 数据库 ? 互联网 ? ……
故障级别 故障表征
故障检测
修复机制
部件 节点
故障节点能够正 常通信，但是测 量数据是错误的
检测出错误的测 量数据
舍弃或校正出错 的测量数据
故障节点不能与 其它节点进行通 信
通过询问或重新 路由等方法检测 故障节点
通过移动冗余节 点弥补形成的连 接和覆盖问题
故障模型
传感部件故障 ? 固定故障 ? 偏移故障 ? 倍数故障 ? 方差下降故障
O n log n
加权后的理论识别率（邻居数为4）
部件故障检测
? 加权中值判断结果
O n log n
加权后的理论误报率（邻居数为4）
部件故障检测
? 基于贝叶斯网络
贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对 应的概率表集合。有向图中的顶点表示变量， 边表示变量之间的影响关系。贝叶斯信任网络 的关键特征是能够模型化并推理出不确定因素。 模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实 现。
无线传感网知识点

无线传感网知识点

第一章无线传感网概述1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。

2.WSN的特点及优势1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络3.无线传感器网络架构：1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。

数据链路层：（1）媒体访问控制。

（2）差错控制。

网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。

传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。

应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。

这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、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。

2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台（1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。

（2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。

（3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作第二章无线传感网物理层设计1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。

ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。

欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段2.WSN结构采用的是无线射频通信第三章数据链路层1.MAC协议分类：1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中）2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点：（1）周期性的侦听和睡眠（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5.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。

第8章 无线传感器网络在军事上的应用

第8章 无线传感器网络在军事上的应用


第8章 无线传感器网络在军事上的应用
当代的军事侦察卫星,是一双真正的千里眼,其主要优势 包括以下几个方面。
(1)运行速度快。 (2)辐射范围广。 (3)限制条件少。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
2.军事通信卫星 军事通信卫星是配置在空间无线电通信站、担负各种通 信任务的人造地球卫星,具有通信距离远、容量大、质量好、 可靠性高、保密性强、生存能力强、灵活机动等特点。战术 卫星是军事通信卫星的典型代表,是指在战场或作战区域中, 直接用于军事行动指挥控制的卫星通信装备、服务和程序。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
(7)武器发射控制。 武器发射控制的目的是控制武器到达正确的射击位置, 并按照预定的方式进行射击。通常会采用液压式或机电式随 动系统控制武器的射角、方位角与引信分划等射击诸元,使 之与火控计算机的输出值一致。当武器与运载体完全或部分 固连时,某些大口径自行火炮的方位角则同车体保持一致,此 时火控计算机的输出信息应传送给自动控制机构,驱动运载 体按照能够使弹头命中目标的方向运动。
第8章 无线传感器网络在军事上的应用
全球定位系统(GPS)技术的成熟和广泛应用使得对网络 节点位置信息的感知成为可能。通常会设定一些条件和前提 来降低节点定位技术的研究难度,比如节点具有测量与相邻 节点间距离的能力,节点不具有自主移动能力;或者如果有一 定比例的节点,其位置已知或者具有 GPS定位功能,那么这些 节点就可以作为定位的参考点;等等。但需要说明的是,在无 线传感器网络中,并不需要为所有节点配备 GPS接收装置,这 是因为一方面节点一般是廉价的,而 GPS接收装置的成本较 高;另一方面 GPS对使用环境有一定的限制,在水下、建筑物 等环境中不能直接使用。
(1)直升机障碍物规避激光雷达。 (2)化学战剂探测激光雷达。 (3)机载海洋激光雷达。 (4)成像激光雷达。
无线传感器网络简明教程_第八章

无线传感器网络简明教程_第八章

Files\UCB\cygwin\opt\tinyos-1.x\apps目录下，键入make mica2 来编译MicaHWVerify程序。
在使用MICA2/MICA2DOT平台时，输入如下完整的命令： PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=<freq> make <mica2|mica2dot>
8.2 实验内容和步骤
1、安装TinyOS (1) 下载与安装 TinyOS操作系统有两种安装方式，一种是使用安装 向导自动安装，另一种是全手动安装。不管使用哪种 方式，都需要安装相同的RPM。 RPM就是Reliability Performance Measure，是 广泛使用的用于交付开源软件的工具，用户可以轻松 有效地安装或升级RPM打包的产品。
具体的实验目标包括： (1) 掌握安装TinyOS操作系统； (2) 事件驱动的传感器数据获取； (3) 发送与接受消息； (4) PC机显示数据。
4、实验所需软件 操作系统：安装有Cygwin的Windows 2000/XP操作系统，或 者安装有GCC编译器的Linux操作系统。 下载并安装以下软件： ① Cygwin (); ② WinAVR (); ③ nesC (); ④ Java JDK (); ⑤ TinyOS ().
MIB510编程接口板的典型输出如下： $ mib510 make reinstall mica2 installing mica2 binary uisp -dprog=mib510 -dserial=COM1 -dpart=ATmega128 -wr_fuse_e=ff --erase --upload if=build/mica2/main.srec Firmware Version: 2.1 Atmel AVR ATmega128 is found. Uploading: flash Fuse Extended Byte set to 0xff 这时可以知道编程接口板和计算机串口工作正常，然后验证传感器节点
无线网络技术导论(课后题答案)主编：汪涛

无线网络技术导论(课后题答案)主编：汪涛


3、SSID： SSID 是 Service Set Identifier 的缩写，意思是：服务集标识。SSID 技术可以
将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每一个子网络都需要独立的身份验
证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络；
4、BSS Basic Servic set 基本业务组；
3、 P6 答：从无线网络的应用角度看，可以划分出 ①无线传感器网络，例如能实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并通过无 线方式发送到用户终端； ②无线 Mesh 网络，例如 Internet 中发送 E-mail； ③无线穿戴网络，例如能穿戴在人体上并能智能收集人体和周围环境信息； ④无线体域网，例如远程健康监护中有效地收集信息。
第十章
名 词解析
第一章 1、无线穿戴网：P7 第三段第一句；
2、无线体域网：P7 第四段第二句； 3、TCP/IP:P12,即传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是 Internet 最基本 的协议、Internet 国际互联网络的基础，由网络层的 IP 协议和传输层的 TCP 协议组成； 4、OSI RM:即开放系统互连参考模型。
群众力量总结的答案，很不容易，但也不保证全正确！
（无线网络技术导论 主编：汪涛）
第一章 填空：
1. 局域网 城域网 广域网 2. LAN MAN WAN 3. ARPAnet 4. 数据链路层 网络层 5. ALOHANET 6. 可以让人们摆脱有线的束缚，跟便捷，更自由地进行沟通 7. 协议分层 8. 协议 9. 应用程序、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层 10. 应用层、传输层、网络互连层、主机至网络层 11. MAC 协议

无线传感器网络技术及应用(图文 (9)

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第9章 无线传感器网络的安全技术
2．WSN的安全需求 WSN的安全需求主要有以下几个方面： (1) 机密性。机密性要求对WSN节点间传输的信息进行 加密，让任何人在截获节点间的物理通信信号后不能直接获 得其所携带的消息内容。 (2) 完整性。WSN的无线通信环境为恶意节点实施破坏 提供了方便，完整性要求节点收到的数据在传输过程中未被 插入、删除或篡改，即保证接收到的消息与发送的消息是一 致的。
18
第9章 无线传感器网络的安全技术
很显然，目前通用的传感器节点具有很大的安全漏洞， 攻击者通过此漏洞，可方便地获取传感器节点中的机密信息、 修改传感器节点中的程序代码，如使得传感器节点具有多个 身份ID，从而以多个身份在传感器网络中进行通信。另外， 攻击还可以通过获取存储在传感器节点中的密钥、代码等信 息进行，从而伪造或伪装成合法节点加入到传感网络中。一 旦控制了传感器网络中的一部分节点后，攻击者就可以发动 很多种攻击，如监听传感器网络中传输的信息，向传感器网 络中发布假的路由信息或传送假的传感信息、进行拒绝服务 攻击等。
4
第9章 无线传感器网络的安全技术
(3) 存储能力有限：传感器节点一般包括三种形式的存 储器，即RAM、程序存储器和工作存储器。RAM用于存放 工作时的临时数据，一般不超过2 KB；程序存储器用于存 储操作系统、应用程序以及安全函数等，工作存储器用于存 放获取的传感信息，这两种存储器一般也只有几十千字节。
另外，大多数传感器网络在进行部署前，其网络拓扑是 无法预知的，同时部署后，整个网络拓扑、传感器节点在网 络中的角色也是经常变化的，因而不像有线网、大部分无线 网络那样对网络设备进行完全配置，对传感器节点进行预配 置的范围是有限的，很多网络参数、密钥等都是传感器节点 在部署后进行协商形成的。

无线网络技术_第8章 无线传感器网络

❖ 有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实 际发射功率大小和各种不同的应用模式而定
❖ 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧 洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的 频段
8.4 无线传感器网络的应用
❖ 最初源于军事上的需求 ❖ 后逐渐被被用于农业，医学等领域
安全/监控
闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的 空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能 量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多， 也会消耗较多的网络能量。
MAC协议分类标准
❖ 采用分布式控制还是集中控制 ❖ 使用单一共享信道还是多个信道 ❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
❖ 网络层(Network Layer)
网络层协议主要负责路由发现和维护
路由协议可以划分为平面路由协议和分级路由协 议
WSN 路由协议设计要遵从如下原则
❖ 能量利用率优先考虑 ❖ 数据为中心 ❖ 不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合 ❖ 理想的节点定位和目标追踪
❖ 传输层(Transport Layer)
❖链路层（Data Link Layer）
链路层协议用于建立可靠的点到点或点到多点通信链路, 主要由介质访问控制(Medium Access Control ,简称MAC) 组成,MAC协议的基本作用是避免点到点通讯时冲突的发 生。
传感器网络的MAC协议必须满足两项基本要求:首先是组 建网络底层基础设施,实现多跳并具备自组织特性的节点 无线通讯;其次是在节点通讯过程中实现平等高效的资源 共享
❖ 确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感 器网络最基本的功能之一，对无线传感器网络应用 的有效性起着关键的作用。

《无线通信原理及应用》课后习题

《无线通信原理及应用》课后习题第1章无线传感器网络概述1、无线传感器网络的定义？2、传感器节点结构及其各部分功能？3、无线自主网的定义？4、传感网与无线自主网的主要区别？5、传感器网络的特点？6、传感器网络的应用主要包括那些方面？7、传感器网络的关键技术包括那些？第2章路由协议1、传统路由协议主要功能？2、无线传感器网络路由协议与传统路由协议有什么不同点？3、无线传感器网络的路由协议的特点？4、传感器网络路由机制的要求有哪些？5、根据传感器网络的不同应用敏感度不同，可将传感器网络的路由协议分为：6、能量路由策略主要有哪几种？7、能量多路径路由的基本思想？8、能量多路径路由的基本过程？9、定向扩散路由的基本思想？10、定向扩散路由机制的基本过程？11、谣传路由的基本思想？12、GEAR路由的基本过程？13、传感器网络有三种存储监测数据的主要方式？14、GEM路由的基本思想？15、虚拟极坐标建立过程的步骤？16、边界定位的地理路由的基本思想？17、一个信标节点确定边界节点的过程？18、目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑？19、基于不想交路径的多路径路由机制的基本思想？20、ReInForM路由的基本过程？21、SPEED协议的基本过程？22、SPEED协议主要由几部分组成？第3章MAC协议1、在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？2、在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？3、传感器网络的MAC协议分哪三类？4、基于竞争的MAC协议的基本思想？5、IEEE 802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？6、S-MAC协议工作机制？7、流量自适应侦听机制的基本思想？8、Sift协议的设计目的？9、Sift协议的核心思想？10、Sift协议的工作原理？第4章拓扑控制1、网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面？2、传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为哪两类？3、拓扑结构的常见算法有哪些？4、基于节点度算法的核心思想？5、基于邻近图的算法的作用？6、什么是LEACH算法？7、LEACH算法的实现过程？8、GAF算法的基本思想是什么？9、GAF算法的执行过程10、TopDisc算法的基本思想是什么？11、STEM-B (STEM-BEACON)算法的基本思想是什么？12、ASCENT算法执行分哪几个阶段？第5章IEEE 802.15.4标准1、IEEE 802. 15. 4标准的实现目标？2、IEEE 802. 15. 4标准定义的LR-WPAN网络具有哪些特点？3、IEEE 802. 15. 4网络根据应用的需要可以哪些网络结构。

无线传感器网络(山东联盟)智慧树知到答案章节测试2023年山东农业工程学院

第一章测试1.传感器的线性度是线性的。

（）A:错B:对答案:A2.温度会影响传感器的灵敏度。

（）A:对B:错答案:A3.无线通信模块存在发送、接收、空闲三种状态（）A:对B:错答案:B4.无线传感器网络的发展趋势呈现出以低功耗、异构互联、泛在协同为基本特征的全新形态。

随着时间的推移，它可在更多更新的领域得到应用。

A:错B:对答案:B5.压电式传感器主要用于测量（）A:压力B:电流C:电感D:电压答案:A第二章测试1.一个典型的无线传感器网络系统中负责数据采集的部件是（）A:传感器节点B:计算机C:网关D:路由节点答案:A2.存储速度较快，但断电后会丢失数据的存储器类型是（）A:PROMB:Flash MemoryC:EPROMD:RAM答案:D3.不属于无线低速网络的通信标准为（）A:Wi-FiB:IrLANC:BluetoothD:ZigBee答案:A4.在无线射频电路设计中，主要考虑天线设计、阻抗匹配、电磁兼容等因素。

（）A:对B:错答案:A5.IAR嵌入式集成开发环境内嵌编辑器、编译器、汇编器、调试器、连接器等工具，可完成程序编辑、编译、连接、调试等功能。

A:错B:对答案:B6.无线传感器网络系统中的网关就是路由节点。

A:错B:对答案:A7.IAR开发环境可适用于cc2530芯片应用开发。

A:错B:对答案:B2530芯片在家庭、楼宇数字化、照明系统、工业控制和监控、消费型电子产品、智能医疗设备等领域有广泛应用。

（）A:对B:错答案:A第三章测试1.无线传感器网络中结构简单、易维护的拓扑结构是（）A:Mesh网络结构B:分级网络结构C:平面网络结构D:混合网络结构答案:C2.分级网络结构中骨干节点的功能不包括（）。

A:数据处理B:数据汇聚C:节点路由D:节点管理答案:A3.LEACH算法的优点不包括（）A:路由算法简单B:网络可扩展性强C:降低数据冗余量D:减少节点平均负载能量消耗答案:B4.无线传感器网络拓扑控制的意义包括（）A:减少节点通信负载B:节点冗余C:数据融合策略D:延长网络寿命答案:ABCD5.Mesh网络中簇首节点一旦失效，其它节点可以立即补充并发挥作用。

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=Βιβλιοθήκη Mote：• 微处理器
• RF传输和接受设备 • 电池和太阳能供电
3. 无线传感器网络的组成结构
(1) 网络结构 • 无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚 节点和管理节点。 • 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近， 能够通过自组织方式构成网络。 • 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳 地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个 节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通 过互联网或卫星到达管理节点。 • 用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理， 发布监测任务以及收集监测数据。
设计无线传感器网络MAC协议需要着重考虑 的问题： (1)节省能量，首要问题。传统网络MAC重 点考虑带宽使用的公平性，带宽利用率， 网络的实时性等，与传感器网络相反，因 此必须有新的MAC协议适应传感器网络。 (2)可扩展性 (3)网络效率
可能造成网络能量浪费的主要原因
(1)如果MAC协议采用竞争方式使用共享无线信道，可能会 引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，导致重传消耗节 点更多的能量。 (2)节点接收并处理不必要的数据。 (3)节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦 听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的空闲侦听或 者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。 (4)在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也 会消耗较多的网络能量。
定位算法分类：
• 基于距离的定位机制：如，基于TOA的定位、 基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于 RSSI的定位等。 • 距离无关的定位机制：如，质心算法、DV Hop算法、Amorphous算法、APIT算法等。
V. 无线传感器网络的时间同步机制
• 时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统 的一个关键机制。 • NTP协议是Internet上广泛使用的网络时间协议， 但只适用于结构相对稳定、链路很少失败的有线 网络系统 • GPS系统能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC 保持同步，但需要配置固定的高成本接收机，同 时在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使 用GPS系统。 • NTP、GPS都不适合应用在无线传感器网络中。
WSN拓扑控制的分类：
– 节点功率控制：调节网络中每个节点的发射功率，均衡节 点的单跳可达邻居数目。 – 层次型拓扑控制：利用分簇机制，让一些节点作为簇头 节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其 他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以 节省能量。
– 启发式的节点唤醒和休眠机制：使节点在没有事件发生时 设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒 来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。（需要于 其他拓扑控制算法结合使用）
三个基本的同步机制：
• RBS机制：是基于接收者-接收者的时钟同步。一个节点广 播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记 录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间 的时钟同步。 • TINY/MINI-SYNC：是简单的轻量级的同步机制。假设节 点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移 也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的最优 匹配偏移量。 • TPSN：采用层次结构实现整个网络节点的时间同步。所有 节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者 的节点对方式，每个节点能够与上一级的某个节点进行同步， 从而实现所有节点都与根节点的时间同步。
4.无线传感器网络数据管理 5.无线传感器网络数据融合 6.无线传感器网络常用操作系统
1. 什么是无线传感器网络
无线传感器网络(wireless sensor network，WSN) 是由部署在监测区域内 大量的廉价微型传感器节点组成，通过无 线通信方式形成的一个多跳的自组织的网 络系统，其目的是协作地感知、采集和处 理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发 送给观察者。 WSN可以看为是前面讲的短距离无线 网络的应用。
III 无线传感器网络的拓扑控制
良好的拓扑结构能提高路由协议、mac协议效率，为数 据融合、时间同步、目标定位提供基础，延长网络生 存时间。
WSN拓扑控制主要研究的问题：
在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率 控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的通信链 路，形成一个数据转发的优化网络结构。
拓扑控制的算法举例:
– – – – 统一功率分配算法，如COMPOW 基于节点度数的算法，如LINT/LILT,LMN/LMA 基于邻近图的近似算法，如CBTC,LMST,RNG等 成簇算法，如TopDisc 成簇算法，改进的GAF虚 拟地理网格分簇算法，LEACH和HEED等自组织成 簇算法，等 – ……
以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络
普通节点和Sink节点：完成数据采集和多跳中继传输。 网关节点G：完成无线和有线信号转换，实现CERNET2的接 入。监控中心CC：完成区域数据的综合处理。
无线传感器网络的特点
节点硬件资源有限 能量效率要求高 无中心 自组织 多跳路由 动态拓扑 节点数量众多，分布密集
智能尘埃Smart Dust：大小比较
2.2 产品之二： Mote
• 无线电波传输， 元件齐全，选择性高， 功能较完善
Mote
基于Mote无线传感器网络硬件平台
基站
网关：
传感器节点
传感器板：
• 气体传感器 • 温度传感器 • 湿度传感器
• 把接收数据传输给 其它媒介如：手机、 Internet、卫星等
2.1 产品之一：智能尘埃Smart Dust
• • • • • 光信号传输 很微小，微米级的包含传感和通信的平台 具有计算能力，双向无线通信能力，自带电源 成本比较低，适合大规模生产和部署 有特定的用途与功能： 空间探测 远距离交通流量探测 建筑物情况监控 战场，自然资源监视
智能尘埃Smart Dust
2. 国内外研究现状
引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注 • 美国军方：C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络 通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器 系统CEC 等。 • Intel公司：2002年基于微型传感器网络的新型计算发展规划。 • 美国NSF：2003年制定了传感器网络研究计划。 • 美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司： “智 能尘埃、Mote”已进入应用测试。 • 英国、日本、意大利等国：开展该领域的研究工作。 • 我国也开展了这一领域的研究工作：无线传感器结点的硬件设 计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。 正处于研究和开发阶段。是一个从理论到实践都需要大量研究的 课题。
3.无线传感器网络的协议体系
• 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议 栈对应 • 图b是细化后的协议栈模型
– 时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道 进行协作定位和时间同步协商，又要为其他各 层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议， 基于地理位置的路由协议等。 – b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部 分独立于协议外，通过各种收集和配置接口对 相应机制进行配置和监控。
II 无线传感器网络的路由协议
无线传感器网络的路由协议的特点：
– 能量优先 ：传统路由协议考虑的是通信延迟小 的路径，提高网络的利用率，避免拥塞，均衡网 络流量等。传感网以能量消耗为主要考虑问题。 – 基于局部拓扑信息：传感节点只能存储有限资 源 – 以数据为中心：传统路由协议以地址为路由依 据，而传感网是多个传感器节点到汇聚节点的数 据流，以数据为中心 – 应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网 路由机制由应用确定
设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分 组发送到新的接口所用的时间。
路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型： (1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。 (2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。 (3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。 (4)可靠的路由协议。对通信质量有较高要求的应用，一般 传感网络通信质量低，稳定性难以保证，需要设计相应 可靠路由协议，如基于不相交路径的多路径路由协议、 ReInForM协议。
新兴的第四代传感器网络 • 第一代传感器网络：20世纪70年代。点对点传输，具 有简单信息获取能力。 • 第二代传感器网络：获取多种信息的综合能力，采用 串/并接口与传感控制器相联。 • 第三代传感器网络：20世纪90年代后期。智能传感器 采用现场总线连接传感控制器构成局域网络。 • 第四代传感器网络：以无线传感器网络为标志，正处 于研究和开发阶段。
传感器网络组成结构
• 传感器节点结构：
传感器节点结构
• 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转 换； • 处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存 储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数 据； • 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通 信，交换控制消息和收发采集数据； • 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量， 通常采用微型电池。
MAC协议分类标准:
• 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： – 采用分布式控制还是集中控制 – 使用单一共享信道还是多个信道 – 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配 固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。 (2)采用无线信道的随机竞争方式，节点在需要发送数据时随 机使用无线信道，重点考虑尽量减少节点间的干扰。包括 IEEE802.11MAC、S-MAC、T-MAC、SIFT协议等。 (3)其他MAC协议，如通过采用频分复用或者码分复用等方式， 实现节点间无冲突的无线信道的分配。