无线传感器复习

1无线传感器网络的标准定义是这样的：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WirelessSensorNetwork，简称WSN。2传感器节点的限制:1．电源能量有限2．通信能力有限3．计算和存储能力有限3传感器组网的特点:1.自组织性2.以数据为中心3．应用相关性4．动态性5．网络规模大6．可靠性4无线传感器网络的关键性能指标:1．网络的工作寿命2.网络覆盖范围3.网络搭建成本和难易程度4.网络响应时间5无线传感器网络发展的三个阶段:1．第一阶段：传统的传感器系统2．第二阶段：传感器网络结点集成化3．第三阶段：多跳自组网6网络结构无线传感器网络拓扑结构:平面网络结构2.分级网络结构3.混合网络结构4.Mesh网络结构7无线传感器网络协议的分层结构:从无线联网的角度来看，传感器网络节点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成(如图3-2所示)。8通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这四个特性的内容是指：(1)机械特性。(2)电气特性。(3)功能特性。(4)规程特性。9.无线通信物理层的主要技术:包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。(1)介质和频段选择目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。应用支撑平台应用服务接口网络管理接口时间同步定位应用层传输控制路由MAC声、光、电、磁传输层网络层数据链路层物理层网络通信协议拓扑控制服务质量安全/移动/能量网络管理网络管理平台图3-2无线传感器网络结点的体系组成10,Event-to-Sink传输无线传感网络传输层的Event-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报告/数据包进行基于数据包的可靠传递。与常规End-to-End可靠度传输层协议不同，事件到中心节点可靠传输(ESRT，Event-to-SinkReliableTransport)协议以Event-to-Sink可靠度概念为基础，提供了不需要任何中介存储的可靠事件探测。ESRT是一种新的数据解决方案，其目的是在无线传感网络中用最少的能量花费完成可靠事件探测。其中包括拥塞控制部分，可实现可靠和节能的双重目标。同时，ESRT不需要各个传感器的标识符，仅需要事件ID。11Sink-to-Sensors传输数据流在前向路径上携带了感知/探测到的相关事件特征，在返回路径上主要包括了Sink节点实现可操作性或特定应用而发送的数据。可能包括操作系统二进制码，编程/重新分配设置文件，以及特定应用的队列与命令。这类数据的分发几乎需要100%的可靠传递。因此，Event-to-sink可靠传输方式不能满足数据流在返回路径上更高可靠度的需要。可操作二进制码和特定应用的查询与命令的Sink-to-Sensors传输需要更高的可靠度，这种要求包含了一定等级的重新传送和确认机制。为了不消耗稀缺的节点资源，这些机制应慎重地结合到传输层中。另外，返回路径上的Sink-to-Sensors数据传输主要由Sink节点发起，因此具有足够能量和通信资源的sink节点可使用大功率无线广播数据。这有助于减少多跳无线传感网络基础设施传送的数据量，从而节省能量。12无线传感器网络的支撑技术1）时间同步机制2）定位技术3）数据融合4）能量管理5）容错技术6）数据管理7）服务质量保证13无线传感器网络MAC协议的分类1．信道数2．信道分配方式3．节点的工作方式4．控制方式14DCF与PCF机制的局限性DCF机制支持异步数据传输，在低负载环境下性能较好，由于DCF机制仅仅支持尽力而为的服务，没有基于数据流的区分和优先级的规定，因此对于如VoIP电话、视频会议等需要特定的带宽、延迟和抖动的实时业务不太适合，但无线网络中的一些关键技术，比如RTS/CTS，分段/重组等在一定程度上进行了性能的弥补。PCF机制通过轮询和应答机制提供无竞争的传输，在某种程度上这种方式类似于令牌网。控制器控制着令牌，使得这一机制适合特定延迟、抖动要求的传输。事件半径Sink节点图3-6用事件和汇节点表示的典型无线传感网络拓扑注：汇接点感兴趣的是事件半径范围内无线传感节点的集体信息而不是其个别数据15CSMA/CA的工作原理当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。16RTS/CTS访问机制17无线接入过程(1)扫描(2)认证(3)关联18技术标准的分类IEEE1451、ZigBee、802.15.4、蓝牙、超宽带19IEEE802.15.4标准定义的LRWPAN网络具有如下特点：(1)在不同的载波频率下实现20kb/s、40kb/s和250kb/s三种不同的传输速率；(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)支持确认机制，保证传输可靠性。20IEEE802.15.4标准规定物理层负责如下任务①激活和取消无线收发器；②当前信道的能量检测；③发送链路质量指示；④CSMA/CA的空闲信道评估；⑤信道频率的选择；⑥数据发送与接收。IEEE802.15.4标准定义了27个信道，编号为0～26；跨越3个频段，具体包括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。21ZigBee技术优势数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段22蓝牙网络一个微微网内寻址8个设备，其中1个为主设备，7个为从设备23SPIN协议优缺点优点是：小ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题。与Flooding和Gossiping协议相比，有效地节约了能量。其缺点是：当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据，当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重，但当sink点较少时，则是一个很严重的问题；且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽；虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，ADV内爆仍然存在。24三步握手协议节点A有新数据，通过ADV发布新数据信息，使用元数据B节点收到ADV后，发现自己没有该数据，通过REQ向A请求新数据A节点向B节点传送源数据B节点融合新数据，并通过ADV发布新数据消息如果节点ADV中描述的数据的副本就忽略该消息25谣传路由工作过程（图上）1)每个传感器节点维护一个邻居列表和一个事件列表。2)事件列表的每个表项都记录事件相关的信息，包括事件名称、到事件区域的跳数和到事件区域的下一跳邻居等信息。3)当传感器节点在本地监测到一个事件发生时，在事件列表中增加一个表项，设置事件名称、跳数（为零）等，同时根据一定的概率产生一个代理消息。4)代理消息是一个包含生命期等事件相关信息的分组，用来将携带的事件信息通告给它传输经过的每一个传感器节点。5)对于收到代理消息的节点，首先检查事件列表中是否有该事件相关的表项，列表中存在相关表项就比较代理消息和表项中的跳数值，如果代理中的跳数小，就更新表项中的跳数值，否则更新代理消息中的跳数值。6)如果事件列表中没有该事件相关的表项，就增加一个表项来记录代理消息携带的事件信息。然后，节点将代理消息中的生存值减1，在网络中随机选择邻居节点转发代理消息，直到其生存值减少为零。7)通过代理消息在其有限生存期的传输过程，形成一段到达事件区域的路径。9)网络中的任何节点都可能生成一个对特定事件的查询消息。10)如果节点的事件列表中保存有该事件的相关表项，说明该节点在到达事件区域的路径上，它沿着这条路径转发查询消息。否则，节点随机选择邻居节点转发查询消息。11)查询消息经过的节点按照同样方式转发，并记录查询消息中的相关信息，形成查询消息的路径。12)查询消息也具有一定的生存期，以解决环路问题。26DirectedDiffusion三个阶段（兴趣扩散梯度建立强化路径）27传感器网络的攻击分成以下几类①部攻击与内部攻击；②被动攻击与主动攻击；③传感器类攻击与微型计算机类攻击28WSN约束条件（障碍）1WSN资源极其有限2不可靠通信3WSN网络操作无人照看29无线传感器网络三类硬件平台1传感器节点2汇聚节点3管理节点30通用网络仿真平台1．NS-22．OPNET3．OMNet++4.GIoMoSim5．QualNel6．Matlab7．J-Sim31RFID的类型标签基于能源来源，RFID标签分为三个主要的种类：有源标签、无源标签、半无源－无源(半－有源)标签。基于存储模式，RFID标签可以分为两类：可读/写的标签和只读RFID标签与无线传感网络的整合。322.RFID标签和无线传感网技术之间的不同