Wireless_Sensor_Network

一、无线传感器网络概述1.无线传感器分为两种：（1）有基础设施网，需要固定基站（2）无基础设施网，称为无线AdHoc网络，节点为分布式A.移动AdHoc网络，终端是快速移动的B.无线传感器网络，节点是静止的或移动很慢2.WSN的标准定义：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内感知对象的监测信息，并报告给用户（数据采集[传感器技术]、处理[计算机技术]和传输功能[通信技术]）3.WSN的三个基本元素（1）传感器（2）感知对象（3）用户4.传感器节点的限制传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在一些限制和约束，这些约束把WSN和计算机网络区分开来。（1）电源能量有限（消耗能量的模块有传感器、处理器和无线通信模块[发送、接收、空闲、睡眠]）（2）通信能力有限（3）计算和存储能力有限5.传感器组网的特点（与其他网络的区别）(1)自组织性：自动进行配置和管理，通过图谱控制机制和网络协议，自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统(2)以数据为中心：根据任务采集数据，关心数据本身和数据产生位置(3)应用相关性：不同的应用对传感器网络的要求不同(4)动态性：结点故障失效、通信链路宽带变化、新节点加入、基本元素的移动而造成拓扑结构的改变(5)网络规模大：分布在很大的地理区域内，结点部署密集A.通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比B.分布式处理大量采集信息，提高检测的精确度C.大量冗余节点的存在，使系统具有很强的容错性能D.大量节点增大覆盖监测区域，减少探测遗落地点或盲区(6)可靠性：坚固，不易损坏，能适用恶劣环境条件6.WSN的关键性能指标（1）网络的工作寿命（能量供给）（2）网络覆盖范围（多跳通信技术可大大扩展网络覆盖范围）（3）网络搭建成本和难易程度（4）网络响应时间（发生安全异常事件时需立刻发送警报消息）7.WSN的应用（1）军事应用（战场实时监视）（2）环境科学（监视土壤空气情况）（3）空间探索（检测星球表面）（4）医疗健康（监护病人病情）（5）智能家居（自动除尘）（6）建筑物和大型设备安全状态的监控（房屋、桥梁的安全隐患和建筑缺陷）（7）紧急救援（在地震等紧急情况下进行通信）（8）其他商业应用（交互式博物馆）二、无线传感器网络结构、覆盖与连接1.无线传感器网络拓扑结构（1）平面网络结构A.简单，易维护，较好的健壮性B.没有中心管理节点，组网算法比较复杂（2）分级网络结构A.骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性B.一般传感器之间可能不能直接通信（3）混合网络结构A．功能强大，但硬件成本更高B．一般传感器节点之间可以直接通信，不需通过汇聚骨干节点来转发数据（4）Mesh网络结构A.由无线节点构成网络，网络内部节点一般都是相同的B.按照Mesh拓扑结构部署，网内每个节点至少可以和一个其他节点通信C.支持多跳路由D.功耗限制和移动性取决于节点类型及应用特点E.存在多种网络接入方式，通过星型、Mesh等节点方式和其他网络集成2.两个定理（r为传感器能够感应的距离，c为传感器的通信半径）（1）当传感器的密度及单位区域的传感器数目为有限时，c≤2r是覆盖包含连接性的充分必要条件（2）当c≥2r，一个凸区域的k阶覆盖必定包含了k阶连接性3.WSN的点覆盖WSN点覆盖问题的目标是实现对某一特定点集的覆盖（1）随机型点覆盖问题：节点覆盖优化后要求每个目标在任意时间内都能至少被一个无线传感器节点监测（2）确定性点覆盖问题：采用最少数量的无线传感器节点对确定的目标点集进行监测，同时保证无线传感器节点间的有效连通三、无线传感器网络通信1.网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中MAC层和物理层协议采用的是IEEE802.15.4协议（1）物理层：负责信号的调制和数据的收发（2）数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制（3）网络层：负责路由发现和维护（4）传输层：负责数据流的传输控制2.物理层主要功能（1）微数据终端设备（DTE）提供传送数据的通路（2）传输数据（3）其他管理工作：信道状态评估、能量检测3.数据链路层主要功能（1）媒体访问控制（2）误差控制：因为增加输出传送能量和使用合适的FEC方案都可保证链路可靠性，所以需要在额外处理能量与相关编码增益之间进行平衡，从而获得高效率、能量有效且低复杂度的FEC方案，以进行WSN误差控制。4.传输层协议（1）Event-to-Sink传输Event-to-Sink的可靠度是必要的，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。（2）Sink-to-Sensors传输包括了一定等级的重新传送和确认机制。为了不消耗稀缺资源的节点资源，这些机制应慎重的结合到传输层协议中。四、WSN的支撑技术1.时间同步的意义和作用(1)首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的结点采集的数据最终融合并形成一个有意义的结果。例：在车辆跟踪系统中，传感器节点记录车辆的位置和时间，并传送给网关汇聚节点，然后结合这些信息来估计车辆的位置和速度。如果传感器节点缺乏统一的时间同步，则对车辆的位置估计将会是不准确的。(2)其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。例：传感器可在适当的时候休眠，在需要的时候再次被唤醒。在应用这种节能模式时，网络节点应该在相同的时间休眠或被唤醒，也就是在数据到来时，节点的接收器并没有关闭。在这里，传感器网络时间同步机制的设计目的是为网络中所有节点的本地时钟提供共同的时间戳2.传感器网络时间同步协议(1)RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后在多个收到同步信号的节点之间进行同步。(2)Ting/Mini-Sync(3)TPSN(TimingsyncProtocolforSensorNetwork)目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步操作过程包括两个阶段：A.第一阶段：生成层次结构，每个节点都被赋予一个级别，根节点被赋予最高级别0级，第i级的结点至少能够与一个第i-1级的节点通信B.第二阶段（同步阶段）：实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第i-1级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步相邻级别节点间的同步机制节点S属于第i级节点；节点R属于第i-1级节点△表示两个节点之间的时间偏差，d表示消息的传播时延推到可得：节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R3.传感器网络节点定位问题是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。（1）这种自组织网络的定位可分为节点自身定位和目标定位A.节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程B.目标定位是确定网络覆盖范围内一个事件或一个目标的坐标位置（2）从不同的角度出发，无线传感器网络的定位方法可分为：A.根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需测距的定位B.根据部署场合的不同，分为室内定位和室外定位C.根据信息收集的方式，网络收集传感器数据用语节点定位被称为被动定位，节点主动发出信息用于定位被称为主动定位4.基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置的技术，常用方法是多变定位和角度定位。（1）测距方法定位计算通常需要预先拥有节点与其邻居之间的距离或者角度信息，因此测距是定位算法运行的基础。实现简单，被广泛采用A.接收信号强度指示（RSSI）/nRTPPrRP是无线信号的接受功率，TP是无线信号的发射功率，r是接收单元之间的距离，n是传播因子要注意遮盖或折射现象引起的接收端产生的严重测量误差，定位精度降低B.到达时间/到达时间差(ToA/TDoA)1212/()SccccDddT1T1,T2,T3T2T3RStRtS0T1T4SYNC_PKTACK_PKT2143()()2TTTT2143()()2TTTTd21()LTTS无线信号速度为1c超声波速度为2c，无线信号快1T为无线信号到达的时间，2T为超声波信号到达的时间L为两点之间的距离TDoA技术对结点硬件的要求高，测距误差小，精度高，且不需要时间同步5.无需测距的定位技术（1）质心算法1111(,)(,)nnnniiiixyXY质心算法虽然实现简单，通信开销小，但仅能实现粗粒度定位，并且需要信标锚点具有较高密度，各锚点部署的位置也对定位效果有影响（2）DV-Hop算法根据矢量路由协议的原理在全网范围内广播条数和位置。每个节点设置一个至哥锚点跳数最小的计数器，根据接收的信号更新计数器。锚点广播其坐标位置，当节点接收到新的广播消息时，如果跳数小于存储的数值，则更新并转播该条数6.数据融合数据融合也被称作信息融合，是一种多源信息处理技术。通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。(1)WSN中数据融合的作用：A.提高信息的准确性和全面性B.降低信息的不准确性C.提高系统的可靠性D.增加系统的实时性(2)数据融合技术的分类A.根据融合前后数据的信息含量分类Ⅰ无损失融合：所有细节信息均被保留，只去除冗余的部分信息Ⅱ有损失融合：省略一些细节信息或降低数据的质量，从而减少需要存储或传输的数据量，以达到节省存储资源或能量资源的目的B.根据融合操作的级别分类Ⅰ数据级融合：操作对象是传感器采集的数据Ⅱ特征级融合：通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性Ⅲ决策级融合：根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合C.根据数据融合与应用层数据语义之间的融合Ⅰ依赖于应用的数据融合Ⅱ独立于应用的数据融合Ⅲ结合以上两种技术的数据融合7.WSN的电源节能方法相对于计算所消耗的能量，无线通信消耗的能量更多（1）休眠机制通过休眠实现节能的策略主要体现在以下方面：A．硬件支持（能量消耗从高到低：发送、接收、空闲、休眠）B．采用休眠机制的网络协议C．专门的结点功率管理机制（2）数据融合通过本地计算和融合，原始数据可以在多跳数据传输过程中进行处理，进发送有用信息，有效的减少了通信量。节能效果主要体现在路由协议的实现上8.容错技术容错领域有几个基本概念，即失效（Failure），故障（Fault），差错（Error）（1）失效：某个设备中止了它完成所要求功能的能力（2）故障：某个设备、元件或组件不能按照所要求的方式工作（3）差错：一个不正确的步骤、过程或结果9.故障检测与诊断3种不需要地理位置信息的部件故障检测（1）多数投票策略通过与邻居节点的测量值进行比较，得到与自己测量值相同或差距在允许范围内的邻居测量值的个数，如果个数超过邻居数目的一半，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。（2）均值策略计算邻居测量值的平均值，然后比较这个均值和自己的测量值，如果它们差距在允许范围内，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。（3）中值策略利用邻居测量值的中值与自己的测量值比较，如果它们差距在允许范围内，则判定自己的测量值为正确的，否则错误。即使是在有很多邻居测量值都是错误时，仍能正确地判断出自己的测量值是否正确识别率误报率时间复杂度多数投票较高低O(n)均值较高较低O(n)中值高低O(nlogn)10.查询语句(1)TinyDB系统的查询语句TinyDB系统的查询语言是基于SQL的查询语言，称为TinySQL。该查询语言支持选择、投影、设定采样频率、分组聚集、用户自定义聚集函数、事件触发、生命周期查询、设定存储点和简单的连接操作。(2)Cougar系统的查询语句Cougar系统提供了一种类似于SQL的查询语言。在很多传感器网络应用中，对环境进行连续周期性地监测特别重要。因此，Cougar系统的查询语言提供了对连续周期性查询的支持。11.数据存储数据中心存储方法：（1）地理散列函数使用地理散列方法，一个数据的关键字被散