无线传感器网络复习大纲
第一章
考點：
無線傳感器網絡組成部分，概念、特點（了解）
?????? 分布式特點（了解）
?????? 實時性、時效性（了解）
?????? 常見拓撲結構（了解）
?????? WSN幾個分層、分層的功能（了解）
?????? 自組織網絡多跳傳輸特點（了解）
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1、1無線傳感器網絡介紹
無線傳感器概念：無線傳感器網絡是一種特殊的無線通信網絡，它是由許多個傳感器節點通過無線自組織的方式構成的，應用在一些人們力不能及的領域。能夠實時地監測、感知和采集節點部署區的環境或觀察者感興趣的感知對象的各種信息，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去。
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無線傳感器組成：多個無線傳感器節點和少數幾個匯聚節點、外部網絡構成
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無線自組網：自組織：在節點位置確定之后，節點需要自己尋找其鄰居節點，實現相鄰節點之間的通信，通過多跳傳輸的方式搭建整個網絡，使網絡能夠穩定正常的運行。
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WSN和無線自組織網絡（Ad hoc）共有的特點：
?????? ①、自組織：在節點位置確定之后，節點能夠自己尋找其鄰居節點，實現相鄰節點之間的通信，通過多跳傳輸的方式搭建整個網絡，并且能夠根據節點的加入和退出來重新組織網絡，使網絡能夠穩定正常地運行。
?????? ②、分布式：網絡的感知能力由若干冗余節點共同完成，每一個節點具有相等的硬件資源和通信距離，沒有哪一個節點嚴格地控制網絡的運行，節點消亡之后網絡能夠重組，任意一個節點的加入或退出，都不會影響網絡的運行，抗擊毀能力強。
?????? ③、節點平等：除了SINK節點以外，無線傳感器節點的分布都是隨機的，在網絡中以自己為中心，只負責自己通信范圍內的數據交換；每個節點都是平等的，沒有先后優先級之間的差別，每個節點既可以發送數據也可以接收數據，具有相同的數據處理能力和通信范圍。
?????? ④、安全性差：對于自組織網絡來說，每一個節點的通信范圍是非常有限的，因此它只能跟自己通信范圍內的節點進行通信，采用的無線信道，非相鄰節點之間的通信需要通過多跳路由的形式來進行，因此數據的可靠性沒有點對點高。
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WSN獨有的特征：（最基本的特點：節點的可感知、微型化、自組織能力）
①、計算能力不高：無線傳感器節點分布非常密集，大量節點決定了每個節點的成本不高，在限定的成本下采用的處理器處理速度就比較低，只能處理相對簡單的數據，并且節點的隊列緩存存儲長度也非常有限，不適用于特別復雜的計算和存儲，在傳感器網絡就要考慮節點的擁塞控制。
②、能量供應不可替代：無線傳感器節點電池不可替代，每一個節點有自己的生命周期，因此，在能量節省與信息處理之間找到平衡點能夠最大限度地節省能量
③、節點變化性強：網絡的自組織和分布式等特點決定了網絡必須能夠快速重新構造網絡，能夠動態適應網絡變化。
④、大規模：為了保證數據的可靠、高效傳輸，無線傳感器網絡通過采用大量的具有相同硬件設施的節點來采集數據，有許多節點設置采集的數據都是一樣的，因此這樣就能夠實現數據的冗余，保證數據最終能傳輸到目的節點。
⑤、節點資源有限：如節點的電源能量、通信能力、計算存儲能力有限。而且難以維護，對節點運行的程序包括使用的存儲空間、算法時間開銷有較高的要求。
⑥、時效性：無線傳感器網絡采集的信息需要在一定時間內及時送達觀察者或是數據處理中心，對可能發生的事故和危險情況進行及時預告和提醒。
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?????? 無線傳感器網絡的系統結構———節點結構
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無線傳感器網絡的系統結構———網絡拓撲結構
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?????? ①、平面網絡結構：無線傳感器網絡中最簡單的一種拓撲結構，所有節點為對等結構，具有完全一致的功能特性
分及網絡結構：分級網絡結構分為上層和下層兩個部分：上層為中心骨干節點；下層為一般傳感器節點。這種網絡拓撲結構擴展性好，便于集中管理，可以降低系統建設成本，提高網絡覆蓋率和可靠性
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Mesh網絡結構：Mesh網絡結構是一種新型的無線傳感器網絡結構，該結構是規則分布的網絡結構，該結構中通常只允許節點和節點最近的鄰居通信
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無線傳感器網絡的系統結構———協議結構
?????? ①、物理層：負責載波頻率產生、信號的調制解調等工作，提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術。
?????? ②、數據鏈路層：差錯控制：媒體訪問控制；主要負責網絡結構的建立和為傳感器節點有效合理的分配資源。差錯控制；保證源節點發出的信息可以完整、無誤地到達目標節點。
?????? ③、網絡層：負責路由發現和維護，是無線傳感器網絡地重要因素。無線傳感器網絡中，大多數節點無法直接與網關通信，需要通過中間件進行多跳路由。（以數據為中心）
④、傳輸層：負責將傳感器網絡的數據提供給外部網絡，也就是負責網絡中節點間和節點與外部網絡之間的通信。
⑤、應用層：主要由一系列應用軟件構成，主要負責監測任務。這一層主要解決三個問題：傳感器管理協議、任務分配和數據廣播管理協議，以及傳感器查詢和數據傳播管理協議。
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無線傳感器網絡各平臺管理功能：
能量管理平臺：管理傳感器節點如何使用資源，在各個協議層都需要考慮節省能量
移動管理平臺：檢測傳感器節點的移動，維護到匯聚節點的路由，是的傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置。
任務管理平臺：在一個給定的區域內平衡和調度檢測任務。
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第二章、無線傳感器網絡物理層設計
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考點：
物理層的功能、協議、介質、特點（了解）
無線電波使用頻段限制以及原因（了解）
傳輸調制、特點（了解）
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2、1無線傳感器網絡物理層概述
?????? 物理層：位于最底層，向下直接與物理傳輸介質相連接，主要負責數據的調制、發送與接收，是決定WSN的節點體積、成本以及能耗的關鍵環節。
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?????? 主要功能：為數據終端設備提供傳送數據的通路；傳輸數據；其他管理工作，如信道狀態評估、能量檢測等。
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?????? 傳輸介質：主要包括無線電波、紅外線和光波。
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?????? 物理層特點：物理層研究集中在傳輸介質、頻率選擇、調制機制三個方面；在設計中需要考慮成本和功耗、通信速率、通信頻段、編碼調制方式的選擇、物理幀結構的問題
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2、2頻譜分配：
????????????? 頻率選擇：
????????????? 頻率的選擇影響無線傳感器網絡性能、體積、成本（當前頻段的選擇大都集中在433-464MHz、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM頻段）
???????????????????? ①、從節點功耗的角度考慮自身能耗、傳輸損耗與工作頻率的關系。在傳輸同樣的有效距離時，載波頻率越高則消耗能量越多，因為載波頻率越高對頻率合成器的要求也就越高。射頻前端收發機中頻率合成器可以說是其主要的工號模塊，波長越短傳播損耗越大。
???????????????????? ②、從節點的物理層集成化程度、成本的角度來考慮，雖然當前的CMOS工藝已經成為主流，但是對大電感的集成化還是一個非常大的挑戰，由于無線傳感器網絡是一種面向應用的網絡，FCC組織給出2.4GHz的一個全球ISM頻段。
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2、3 WSN物理層調制解調技術：
?????? 傳統的無線通信系統需要解決的問題：頻譜效率、誤碼率、環境適應性，以及難以實現的難度和成本。
?????? WSN需要解決：節能和成本
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?????? 常用調制方式：
????????????? 模擬調制、數字調制、擴頻通信、UWB通信技術
?????? B-ary數字調制（二進制數字調制）：
????????????? 應用于啟動時間較短、能量消耗大的的系統
?????? M-ary數字調制（多進制數字調制）
?????? ?????? 應用于WSN，啟動能量消耗低的系統
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?????? B-ary和M-ary的比較：M-ary傳輸的信息量是B-ary的log2M倍，節省了傳輸時間，但是實現復雜且抗干擾能力不如B-ary，M越大誤碼率越大，M-ary電路更加復雜，能耗大。
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第三章 無線傳感器網絡數據鏈路層設計
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考點：
區分WSN的MAC協議（了解）
WSN數據鏈路層協議模型（二維、跨層）（掌握）
基于競爭的MAC協議題、圖（掌握）
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?????? 3、1 無線傳感網絡數據鏈路層概述
????????????? 數據鏈路層：就是利用物理層提供的數據傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。數據鏈路層也向它的上層——網路層提供透明的數據傳輸服務，主要負責數據流多路復用、數據幀監測、媒體介入和差錯控制，保證無線傳感器網絡內點到點以及多點到多點的連接。無線傳感網絡的數據鏈路層研究的主要內容就是MAC差錯控制。怎樣實現無線傳感器網絡中無線信道的共享，即介質控制協議（MAC）的實現是WSN中數據鏈路層研究的一個重點，MAC協議的好壞直接影響到網絡的性能優劣。
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?????? 3、2 WSN數據鏈路層關鍵問題
????????????? ①、網絡性能的優化：在MAC協議中，WSN的關鍵性能指標不是獨立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時可能會降低其他性能?，F在所提出的MAC協議往往只考慮一種或兩種性能指標，沒有綜合各種指標使之達到更好的性能；
????????????? ②、跨層優化：WSN區別于傳統無線網絡最重要的是WSN各層之間能夠實現合作與信息共享。在WSN中采用了跨層設計，各層之間能夠通過共享一些信息來共同調節網絡的性能。
????????????? ③、能效問題：WSN節點中，能量消耗主要用于無線信號的收發；無線通信模塊一般有四個狀態：發送、接收、空閑、休眠，四個狀態能量消耗逐級遞減，協議必須合理選擇節點偵聽和休眠的時間比例；還需考慮休眠期間節點的接收問題和緩刑期間節點收發的最大利用率問題，以最大限度地節省能量。
???????????????????? MAC的多余能量開耗主要體現在以下幾個方面：
碰撞：無線信道上兩個節點同時發送數據，這將發射失敗，造成大量的能量浪費。
持續監聽：在無線傳感器網絡中的接受節點無法預測數據何時到達，另外每個節點還需要偵聽各節點的擁塞狀況，因此節點必須始終保持監聽狀態，以防特殊情況的發生，這會浪費很多能量。
控制開銷：為了保證WSN的可靠性，MAC層協議需要使用一些控制分組來調節節點狀態，但這些控制分組中不存在有用的數據，因此也會消耗一部分能量。
????????????? ④、公平性：每個節點都有相同的權利來訪問信道，每個節點能量消耗保持大概的平衡，延長網絡壽命。
????????????? ⑤、可擴展性：WSN與其他無線網絡相比，具有規模大、分布密集等特點。網絡的節點分布結構會動態性地變化，因此必須要有可擴展性。
????????????? ⑥、信道共享問題：多跳共享、信道復用方式。
???????????????????? 兩個問題：數據沖突（碰撞）；串擾（在共享信道中每個節點都能接收到數據，但不都是有用的，這會造成浪費）
?????? 3、3 WSN MAC協議分類：
????????????? 按節點接入方式分類：
???????????????????? 偵聽MAC協議：采用間斷偵聽的方式
?????? 喚醒MAC協議：采用基于低功耗的喚醒接收機來實現，當然也有集合偵聽和喚醒兩種方式的MAC協議，如低功耗前導載波偵聽MAC協議。
調度MAC協議：使用于廣播中，廣播的數據信息包含了接收節點何時接入信道與何時控制接收節點開啟接收模塊。
????????????? 按信道占用數劃分：單信道（主要）、雙信道、多信道
????????????? 按分配信道方式劃分：競爭MAC協議隨機接入
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?????? 3、4 WSN的MAC協議：競爭型、分配型、混合型、跨層MAC協議
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?????? 基于競爭MAC協議：根據WSN負載量小、針對節點間的公平性以及通信延時要求不高等特點來設計的，其主要的設計目標是提供大規模分布式網絡所需的可擴展性。并同時降低能耗。
????????????? ①、S-MAC協議：
把時間分為多個時隙，每個時隙中又劃分為偵聽、睡眠兩個狀態
????????????? 周期性偵聽和睡眠
????????????? 沖突避免
????????????? 自適應偵聽
????????????? 分片傳遞消息，每個子段都會返回ACK應答
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????????????? ②、T-MAC協議：
????????????? 相對于S-MAC協議來說，保持了S-MAC的周期，根據網絡負載的流量自適應地調整激活的時間。
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T-MAC協議規定，當鄰居節點還沒有結束通信時，節點不能進入到睡眠狀態，因為該節點很有可能就是下一個數據的目的節點。假設節點檢測到串擾以后能夠觸發一個空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節點能夠監測到串擾的CTS
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未來請求發送：采用提前通知需要接收數據的節點的方法來實現早睡的避免：
如上頁中的a所示，當節點C接收到CTS后，除了觸發自己保持監聽狀態之外，還發送一個FRTS分組給節點D，FRTS分組中含有節點D需要等待的時間，在此空閑狀態中，節點D必須要保持偵聽狀態。
在節點C發送FRTS時看哪個節點會干擾節點A發送的數據，因此節點A需要延遲原數據的發送響應的時間，但是又必須保持對信道的占用，因此節點A在這段時間內發送一個與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數據，然后才接著發送有用數據信息。從而數據傳到節點C之后節點D還是處于喚醒狀態，保證數據的實時傳輸。
由于采用了未來請求發送機制，協議需要增加一個FRTS分組傳輸的時間，該方法提高了系統吞吐量和實時性，但是多了一些控制消息，相應地要消耗能量。
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滿緩沖區優先：當節點的緩沖區快滿時，節點對收到的RTS分組不回復CTS，而是立即向緩沖區內數據的接收節點發送RTS，建立連接之后發送數據，以減輕緩沖區負載。如前頁中的b所示，節點B向節點C發送RTS，而節點C因為緩沖區滿不回復一個CTS分組，而是向節點D發送RTS以求數據傳輸。
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③、Sift協議
對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原本就設定好的，采用非均勻概率來決定是否發送數據，它具有以下幾個特點：
WSN基于空間的競爭
基于事件的報告方式
感知事件的節點密度的自適應調整
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基于分配的MAC協議
?????? ①、SMACS：
關鍵技術：節點在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居，這一對節點就形成一個雙向信道，即一個通信鏈路。在兩個節點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿。每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網很快就能在初始化建立鏈路，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信
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????????????? 移動性管理-EAR算法
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EAR算法定義了一種新的信令機制，主要使用4種消息，建立移動節點和靜止節點之間通信鏈路的機制主要有以下步驟：
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（1）靜止節點會每間隔固定個超幀發送一次BI消息，移動節點在接收到靜止節點的BI消息后將開始連接過程。
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（2）靜止節點在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。
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（3）連接建立后，移動節點在移動過程中會接收到新的鄰近靜止節點發送的BI消息，移動節點會根據信道質量選擇淘汰鄰居節點記錄中連接質量較差的鄰居節點。
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②、TRAMA：
TRAMA協議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數據和控制信息提供信道。每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分
為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節點處于睡眠狀態，通過重用已經分配但未使用的時隙來提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時隙t中，任一節點的狀態是由該節點的兩跳鄰居信息和該節點的一跳鄰居發布的分配信息來確定的，有發送、接收、睡眠三種中的一個狀態。
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混合型MAC：
①、ZMAC：
ZMAC協議是一種混合型MAC協議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。
在網絡部署階段，節點啟動以后ZMAC協議將順序執行以下步驟：鄰居發現→時隙分配→本地時間幀交換→全局時間同步。在網絡的運行過程中，除非網絡拓撲結構發生重大變化，否則節點不會重復上述步驟，避免浪費能量。
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跨層MAC：
MINA：
MINA是一種基于跨層設計的大規模無線網絡協議架構，網絡通常由數百個低電量低運算能力的傳感器節點組成，同時網絡中還有一些基站節點，基站通常具有較強的運算能力，并具有充足的能量。
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在MINA架構中，節點分為三種類型：
大量靜止的低容量（內存、CPU、能量）傳感器節點；
少量手持移動節點；
靜止的大容量基站節點。
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根據距離基站的跳數，每個節點的鄰居也可以分為三類，即內部鄰居、同等鄰居、外部鄰居。距離基站跳數比本地更小的鄰居為內部鄰居，跳數相同的鄰居為同等鄰居，跳數更大的鄰居為外部鄰居。
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第四章 無線傳感器網絡的網絡層
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考點：
?????? 什么是路由、路由維護、選擇？（了解）
?????? 區分WSN網絡層路由協議（了解）
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一、無線傳感器網絡網絡層概述
?????? 路由：路由是指分組從原到目的地時，決定端對端路徑的網絡范圍的進程
?????? WSN網絡層概述：在WSN中，路由協議主要用于確定網絡中的路由，實現節點間的通信。但是由于受節點能量和最大通信范圍的限制，兩個節點之間往往不能直接進行數據交換，而需要以多跳的形式進行數據的傳輸。無線傳感器的網絡層就主要負責多條路由的發現和維護，這一層的協議主要包括以下兩個方面：
?????? 路由的選擇：即尋找一條從源節點到目的節點的最優路徑；
?????? 路由的維護：保證數據能夠沿著這條最優路徑進行數據的轉發。
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?????? WSN網絡層與傳統網絡的區別特征：
????????????? 大規模分布式應用
????????????? 以數據為中心
????????????? 基于局部拓撲信息
????????????? 基于應用
????????????? 數據的融合
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?????? WSN網絡層發展：
????????????? 最優路徑選擇
????????????? 安全性
????????????? QoS保證
????????????? 能量高效利用和均衡
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?????? WSN路由協議特點：
????????????? 電池不可替換，高效、均衡利用能量
????????????? 協議應精簡，無復雜算法，無大容量冗余數據需要存儲，控制開銷少
????????????? 網絡互連通過SINK節點來完成，其余節點不提供網外通信
????????????? 網絡無中心節點，多基于數據或位置的路由算法機制
????????????? 由于節點的移動或失效，一般采用多路徑備選
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?????? 挑戰：
????????????? 節能、高擴展性、容錯性、數據融合技術、通信量分布不均勻
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二、無線傳感器網絡網絡層分類
?????? 根據節點在路由過程中是否有層次結構，作用是否有差異，可以分為平面路由協議和層次路由協議
?????? 根據路由建立時機與數據發送的關系，可分為主動路由協議、按需路由協議和混合路由協議。
?????? 根據傳輸過程中采用路徑的多少，可分為單路徑路由協議和多路徑路由協議
?????? 根據節點是否編址、是否以地址表示目的地，可分為基于地址的路由協議和非基于地址的路由協議
?????? 根據數據在傳輸過程中是否進行數據融合處理，可分為數據融合的路由協議和非數據融合的路由協議
?????? 根據是否以地理位置來表示目的地、路由計算中是否利用地理位置信息，可分為基于位置的路由協議和非基于位置的路由協議
?????? 根據是否以節點的可用能量或傳輸路徑上的能量需求作為選擇路由的根據，可分為能量感知路由協議和非能量感知路由協議
?????? 根據路由建立是否與查詢相關，可分為查詢驅動路由協議和非查詢驅動路由協議
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三、無線傳感器網絡層路由協議
?????? 較為常用的路由協議有：基于數據的路由協議、基于集群結構的路由協議、基于地理位置的路由協議。
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?????? 基于數據的路由協議
?????? ①、SPIN協議：
????????????? 概述：SPIN協議是一類基于協商，以數據為中心的路由協議。該協議假設所有的網絡節點都是潛在的SINK節點，某一個要發送數據的節點把數據傳送給任何需要該數據的節點，并通過協商機制減少網絡中數據傳輸的數據量。節點只廣播其他節點沒有的數據以減少冗余數據，從而有效地減少能量消耗。（ADV:廣播數據包；REQ：請求包；DATA：數據包）
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????????????? 當接受到ADV報文的節點發現已經擁有了ADV報文中描述的數據，那么它不發送REQ報文，能量較低的節點也不發送REQ報文（SPIN2）
????????????? 該協議解決的關鍵問題：Flooding協議（所有節點轉發數據）、Gossiping協議（隨機節點轉發數據）的內爆和重疊問題。
???????????????????? 內爆：節點向鄰居節點轉發數據包，不管其是否收到過相同數據；
???????????????????? 重疊：感知節點感知區域有重疊，導致數據冗余。節點多次受到來自同一區域的節點的同一事件的數據。
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????????????? 該協議的優點：
通過節點間的協商解決內爆和重疊問題；
???????????????????? 在路由選擇中使用了能量閾值，可以提高網絡生存時間
???????????????????? 不需要路由維護（沒有路由表）
???????????????????? 對數據進行融合
???????????????????? 對網絡拓撲結構變化不敏感，可用于移動WSN
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????????????? 該協議的缺點：
???????????????????? 本質上還是SPIN向全網擴散新信息，開銷較大
????????????????????
?????? ②、DD協議：
????????????? DD（定向擴散協議）：是一種以數據為中心的路由協議，采用的是基于查詢的方法。通過匯聚節點在全網廣播自己需要的數據，同時在廣播的過程中形成了一條由節點到匯聚節點的路徑，節點采集到數據后會沿著這條路徑來傳送數據，匯聚節點通過選擇一條最優的路徑來接收數據。
????????????? DD協議基本思想：
???????????????????? 三個不同的階段：
興趣擴散（匯聚節點向全網廣播一條被稱為興趣的數據包，告知自己需要的數據）
??????????????????????????? 梯度建立：興趣的數據包被中間節點逐步轉發到網絡中相關節點，逐步轉發建立多條從興趣的源節點到匯聚節點
??????????????????????????? 路徑加強：當網絡中的相關節點采集到興趣數據包中所要求的節點之后，采取的也是廣播的方式來向匯聚節點發送數據，通過多跳方式最終傳送到匯聚節點，匯聚節點就會從多條路徑接收到源節點傳過來的數據，之后，Sink節點根據最小代價原則從這些路徑中選擇一條最優的路徑來繼續接收數據，其余路徑將被放棄。
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????????????? DD協議優點：
???????????????????? 數據中心路由，定義不同任務類型/目標區域消息
???????????????????? 路徑加強機制可顯著提高數據傳輸的速率；
???????????????????? 周期性路由：能量的均衡消耗
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????????????? DD協議的缺點：
???????????????????? 周期性的泛洪機制——能量和時間開銷都比較大；
???????????????????? 節點需要維護一個興趣消息列表，代價較大；
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②、集群路由協議
集群結構路由協議是一種分層的路由協議，網絡被劃分成多個簇，每個簇都有一個簇頭和許多個簇成員組成。每個簇成員如需跟其余簇的成員通信首先與簇頭通信，通過簇頭來與其余簇進行通信；簇頭節點的職責就是管理好本簇內節點，完成本簇分布范圍內數據的搜集，并負責簇間的通信；在網絡規模比較大的情況下，簇頭又可以再次分簇，從而形成一個多層網絡；分層路由擴展性非常好，對于大規模的無線傳感器應用具有很高的使用價值；
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?????? LEACH協議：
????????????? 每個節點直接與SINK節點通信：
???????????????????? 節點能量消耗過大；節點密度較大時沖突過大，效率低
????????????? LEACH算法：
???????????????????? 簇頭節點作為一定區域所有節點的代理，負責和Sink的通信；
非簇頭節點可以使用小功率和簇頭節點通信；
簇頭節點可以對所轄區域節點數據進行融合，減少網絡中傳輸的數據；
簇頭選舉算法的設計，要求保證公平性
????????????? LEACH是第一個提出數據聚合的層次型路由協議，采用隨機選擇簇首的方式來避免簇首過度消耗能量；通過數據聚合有效地減少網絡的通信量。LEACH協議的工作過程是一輪一輪地進行的，每一輪分為建立階段和傳輸階段。最重要的簇頭選擇。
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????????????? 建立階段
???????????????????? 節點運行算法，確定本次自己是否成為簇頭；
簇頭節點廣播自己成為簇頭的事實；
其他非簇頭節點按照信號強弱選擇應該加入的簇頭，并通知該簇頭節點；
簇頭節點按照TDMA的調度，給依附于他的節點分配時間片；
????????????? 數據傳輸階段
非簇首節點負責采集數據，如果需要發送數據，就用最小的能耗發送給它的簇首節點。
非簇首節點節點在分配給他的時間片上發送數據，在不屬于自己時隙的期間可以進入睡眠狀態以節省能耗，
而簇首節點則必須始終處于接收狀態。
所有非簇首節點的TDMA時隙都輪過后，簇首節點對接收到的數據進行融合壓縮，然后直接發送給Sink節點。
?????????????
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????????????? LEACH協議優點：
???????????????????? 優化了傳輸數所需的能量
???????????????????? 優化了網絡中的數據量
????????????? LEACH協議的缺點：
???????????????????? 節點硬件需要支持射頻功率自適應調整
???????????????????? 隨機選擇簇頭，無法保證簇頭節點能遍及整個網絡
????????????? LEACH協議的改進LEACH-C：
???????????????????? 簇頭由SINK節點指定
????????????? ?????? 通過模擬退火算法選擇簇頭
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?????? TEEN協議：
????????????? 基本思想：
???????????????????? TEEN協議將無線傳感器網絡，分為主動型和響應型。
主動型無線傳感器網絡持續監測周圍的物質現象，并以恒定速率發送監測數據
響應型無線傳感器網絡只是在被觀測變量發生突變時才傳送數據。響應型無線傳感器網絡更適合對時間敏感的應用
TEEN和LEACH的實現機制非常相似，前者為響應型，后者屬于主動型，TEEN采用LEACH-c的集中式簇頭建立方法
在TEEN協議中定義了兩個門限的概念。
硬門限：當傳感器節點收集到的數據高于這個門限值時，節點開始向簇首節點匯報數據；
軟門限，當節點感應到的數據的變化值大于這個門限值時，節點開始向簇首匯節點報數據。
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根據閾值參數上報數據，提高重要數據的實時性?? 實時上報和周期性上報相結合
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?????? TEEN和APTEEN的優缺點：
????????????? TEEN相比LEACH更適用于實時應用系統，對突發事件可以快速反應，但不適用于應用在周期性采集的應用系統中；
????????????? APTEEN結合響應型和主動型兩種算法混合協議，通過計時器周期性發送數據，可以根據用戶需要和應用類型改變周期和相關閾值，也能周期性采集數據，又能對突發事件做出響應。
????????????? 他們兩個的主要缺點體現在構建多層簇以及設置門限值在實現上比較復雜，基于屬性命名的查詢機制也會帶來額外的開銷。
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③、基于地理位置信息的路由協議
?????? 地理位置信息路由協議要求每個節點知道自己在網絡中的位置，下列方法可確定節點位置
GPS(Global Positioning System)
超聲波三角定位系統
標定
基于地理位置的路由協議一般分為兩類：
一類是使用地理位置協助改進其余路由算法，以用來約束網絡中路由搜索的區域，減少網絡不必要的開銷，主要代表協議有LAR和GAF等
另外一類是基于地理位置的路由協議，這一類協議直接利用地理位置來實現自己的路由策略，代表協議有GPSR和GEAR等
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?????? GAF協議的基本思想——與路由相結合的節能策略：
????????????? 節點在空閑、接收數據和發送數據時消耗的能量之比為1∶1.2∶1.7
????????????? GAF算法考慮到無線傳感器網絡中節點的冗余性特點，在地理位置信息的幫助下在保證網絡正常流通的情況下，適當關閉一些節點來降低能量消耗，提高節點的生存時間，從而延長網絡的生命周期
?????? 在GAF路由算法主要機制包括：確定等價節點、輪換協商的算法和節點移動自適應算法。
a）確定等價節點：GAF路由算法中，協議將整個區域分成若干個虛擬網格，虛擬網格中的任意一個節點都可以與相鄰網格內的節點進行通信，因此對于每個網格中的節點來說都可以實現路由的連通，可以說是等價節點。
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?????? b）分布式輪轉協商算法
網絡節點有三種狀態：休眠狀態、發現狀態和激活狀態，各個狀態之間的切換主要由定時器觸發；
節點休眠醒來后處于發現狀態，通過發送發現報文讓其他地理上相鄰的等價節點進入休眠狀態；發送了發送報文的節點轉為激活狀態
只有處于激活狀態的節點才參與數據轉發，根據預期生存時間選擇激活狀態的節點做為路由節點
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?????? c）節點移動的自適應算法
處于激活狀態的節點可能移動出其所在的網格，導致先前所在的網格可能沒有一個激活節點，降低路由可靠性
GAF通過預測并報告節點運動規律來解決移動節點造成的路由斷裂問題
GAF的每個移動節點根據移動速度、節點位置和網格大小預測它離開所在網格的時間，并且將此信息放入發現信息中
其他等效節點的休眠時間由節點自身的缺省休眠時間和路由節點離開時間的最小值確定，確保在路由節點移出網格前有其他節點醒來，減少節點移動性帶來的副作用
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GPSR協議的基本思想：
?????? GPSR協議直接使用地理信息實現路由，使用貪婪算法建立路由，當節點需要發送數據時，選擇一個距離目標節點最近的節點作為轉發數據的下一跳節點。該過程一直重復直到數據達到目標節點
為避免局部優化問題，GPSR協議采用邊界轉發策略作為貪婪轉發的補充
優點
采用局部最優的貪婪算法，不需要維護網絡拓撲，路由開銷小；
可適用于靜態和移動的WSN網絡；
缺點
需要地理位置信息的支持；
需要維護鄰居節點位置信息；
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GEAR路由協議基本思想
?????? GEAR路由協議根據事件所在區域的地理信息，實現從Sink節點到事件所在地區節點的路徑，這樣就能實現Sink節點向某個特定區域發送數據，避免了泛洪似的全網廣播數據，同時借鑒了SPIN中查詢節點剩余能量值的方法，建立從Sink節點到目標區域的最優路徑。
?????? 前提
已知目標區域的位置信息
節點知道自己位置信息和剩余能量
節點間無線鏈路是對稱的
??????
??????
GEAR路由協議的關鍵技術
兩個關鍵性技術問題
向目標區域傳送查詢消息
查詢消息在事件區域內的傳播
選路依據
節點到查詢區域通信能量能耗
節點本身的剩余能量
最小代價節點為轉發節點
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?????? 路由空洞問題
鄰居節點傳輸代價都比本地節點大；
選擇鄰居節點中代價最小的作為轉發節點；
修改本地節點的轉發代價；
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?????? 迭代地理轉發：將目標區域分解為若干子區域、 向子區域的中心位置轉發）
????????????? ?
?????? 優點
利用了位置信息，避免了查詢消息的Flooding；
考慮了消耗的能量和節點剩余能量，均衡消息；
路徑選擇可達到局部最優；
迭代地理轉發對洪泛機制的補充；
缺點
可能出現路由空洞（局部信息）- 兩跳信息；
不適合在移動WSN使用
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四、移動SINK的無線傳感器網絡網絡層協議
?????? 基本思想
通過移動Sink點克服網絡中能耗和負載不平衡的現象
通常需要知道節點的地理位置，需要節點有定位功能作為輔助
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第五章 傳輸層
考點：
?????? 特點、能否把TCP/IP適用于WSN？（掌握）
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概述：
?????? 傳輸層是是最靠近用戶數據的一層，主要負責在源和目標之間提供可靠的、性價比合理的數據傳輸功能。為了實現傳輸層對上層透明，可靠的數據傳輸服務，傳輸層主要研究端到端的流量控制和擁塞的避免，保證數據能夠有效無差錯地傳輸到目的節點。
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***由于無線傳感器網絡自身的特點，TCP協議不能直接用于無線傳感器網絡，原因如下：
TCP協議提供的是端到端的可靠信息傳輸，而WSN中存在大量的冗余信息，要求節點能夠對接收到的數據包進行簡單的處理。
TCP協議采用的三次握手機制，而且WSN中節點的動態性強，TCP沒有相對應的處理機制。
TCP協議的可靠性要求很高，而WSN中只要求目的節點接收到源節點發送的事件，可以有一定的數據包丟失或者刪除。
TCP協議中采用的ACK反饋機制，這個過程中需要經歷所有的中間節點，時延非常高且能量消耗也特別大；而WSN中對時延的要求比較高，能量也非常有限。
對于擁塞控制的WSN協議來說，有時非擁塞丟包是比較正常的，但是在TCP協議中，非擁塞的丟包會引起源端進入擁塞控制階段，從而降低網絡的性能。
最后一點也最重要，在TCP協議中，每個節點都被要求有一個獨一無二的IP地址，而在大規模的無線傳感器網絡中基本上不可能實現的，也是沒有必要的。
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ESRT：自適應調整協議，包括系統可靠性的檢測以及是否擁塞和根據可靠性作出相應的調整；
?????? 局限：SINK節點通信范圍必須覆蓋全網，硬件要求高，沒有考慮節點優先級，可能會擁塞，不適用于大型網絡
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PSFQ：逐跳可靠性保證協議，或快取慢充協議?？烊〖垂濣c向它的鄰居節點快速索取數據，慢充即等到所有的數據接收完整后再發送給它的下一跳節點。
緩存機制：中間節點緩存接收到的數據；
NACK確認機制：接收到數據包后，檢查包序列號連不連續，找出丟失的包序號，廣播NACK報文，獲取丟包。
逐跳錯誤恢復機制：節點接收到所有的數據報文后才想嚇一跳發數據。
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PECR：是一種能夠自適應調整的擁塞控制機制
①節點根據最小跳數協議初始化自己的路由表信息，確定每個節點的下一跳節點。
②節點周期性地檢測緩存占用率并將其作為擁塞信息寫入反饋數據包中，并向其鄰居節點發送此報文。
③源節點收到下游節點反饋的擁塞信息后，立即將此擁塞信息寫入本地緩存的鄰居節點擁塞表內。
④進入分流過程，節點將檢測自己選擇的下一跳節點是否滿足擁塞度和剩余能量值的要求。
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CODE：基于逐跳的擁塞控制協議，采用信道監聽和緩存隊列檢測相結合的方式檢測擁塞，開環控制機制，閉環調節反應機制。
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RCTP：針對可靠性傳輸協議CTP（匯聚樹協議）進行的改進，跨層分簇，包括擁塞檢測和擁塞后的實施調度；緩存檢測：實時隊列和非實時隊列任意一個隊列緩存過半時，認為擁塞，發生擁塞后調用相應的實時調度方法緩解擁塞。
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第六章 通信標準
考點：
?????? 關系、概念（掌握）
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①、IEEE 802.15.4 標準（LR WPAN 低速無線個人局域網）
?????? 能量消耗少，結構簡單且容易實現的無線通信網絡協議，它主要致力于解決無線連接在能量值和網絡吞吐量低的網絡中應用。
在不同的載波頻率下實現20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四種不同的傳輸速率；
支持星狀和點對點兩種網絡拓撲結構；
在網絡中使用兩種地址格式，16位和64位地址，16位地址由協調器分配，64位地址被用于全球唯一的擴展地址；
采用可選的時槽?保障（GTS）機制；
采用沖突避免的載波多路偵聽技術（CSMA/CA）；
支持ACK反饋機制，確保數據的可靠傳輸。
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根據設備所具有的通信能力和硬件條件分為全功能設備和精簡功能設備。
該網絡應用場景分為：
?????? 星狀網絡：整個網絡數據傳輸都要經過網絡協調器控制，其余各個終端設備只能與網絡協調器數據交換。
?????? 點對點網絡：只要通信設備在對方無限輻射范圍內就可以通信。
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該網絡協議存在于物理層和數據鏈路層之間，物理層是由射頻收發器和底層控制模塊組成，鏈路層為高層訪問提供了訪問物理信道的服務接口。
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②、ZIGBEE：
?????? 擴展了IEEE802.15.4 的網絡層和應用層
ZigBee協議中定義了三種設備：ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備：
ZigBee協調器，它負責建立并啟動一個網絡，包括選擇合適的射頻信道、唯一的網絡標識符等一系列操作。
ZigBee路由器作為遠程設備之間的中繼器來進行通信，能夠拓展網絡的范圍，負責搜尋網絡，并在任意兩個設備之間建立端到端的傳輸。
ZigBee終端設備作為網絡中的終端節點，負責數據的采集。
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ZigBee的應用層由三個部分組成：應用支持子層、應用層框架和ZigBee應用對象（ZDO）。
應用支持子層為網絡層和應用層通過ZigBee設備對象與制造商定義的應用對象使用的一組服務提供了接口，該接口提供了ZigBee設備對象和制造商定義的應用對象使用的一組服務，通過數據服務和管理服務兩個實體提供這些服務。
應用框架可為駐扎在ZigBee設備中的應用對象提供活動的環境。
設備對象描述了一個基本的功能函數，這個功能在應用對象、設備（Profile）和APS之間的提供了一個接口。 ZDO位于應用框架和應用支持子層之間，可滿足所有在ZigBee協議棧中應用操作的一般需要
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③、藍牙技術
藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，其數據速率為1 Mbps，采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。
藍牙優勢：
頻段免費、設備范圍廣、易于使用、抗干擾能力強、可以同時傳輸語音和數據
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第七章 時間同步技術考點
考點：
要解決的問題（了解）
?????? 區分傳統時間同步（了解）
?????? RBS、TPSN（掌握）
?????? 區分新型時間同步技術（了解）
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三種深度的同步：
時序確定、判斷事件發生的先后順序；
相對同步，每一個節點維護本地時鐘
絕對同步，所有節點同步
?????? 外同步：參考時間來自外部
?????? 內同步：參考時間來自內部某個節點
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無線傳感器網絡時間同步協議必須要解決三個方面的問題：
同步的誤差要盡可能地小，這樣才能保證整個網絡間節點應用的正常進行
因為無線傳感器網絡節點的電池不可替換，因此協議要盡可能地簡單，功耗要低，以盡可能地延長網絡的生命周期
具有可擴展性，隨著無線傳感器網絡規模的擴大，時間同步協議要同樣有效
穩定性
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時間同步的兩個重要的時間參數：
時鐘偏移：在真實時刻t時定義時鐘偏移為c(t)?t，即本地時間與真實時間的差值。
時鐘漂移：在真實時刻t時定義時鐘漂移為ρ(t)=r(t)?1，即本地時間變化速率與1的差值。
在節點的兩種時間計數方式：
硬件計數模式：即利用晶振來實現時間的計數
軟件時鐘模式：采用虛擬的軟件時鐘來實現時鐘的計數
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NTP:分層，每一層向上一層服務器同步時間
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DMTS:
接收者時間最后改為：t0+nΔt+t2?t1
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能耗小，但是沒有考慮傳播延遲、編/解碼的影響，對時鐘漂移也沒有考慮，同步的精度不是很高，還有待進一步的改進。
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RBS：假設有N個節點組成的單跳網絡，1個發送節點，N?1個接收節點，發送節點周期性地向接收節點發送參考報文，廣播域內的接收節點都將收到該參考報文，并各自記錄收到該報文的時刻。接收者們通過交換本地時間戳信息，這樣這一組節點就可以計算出它們之間的時鐘偏差。
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TPSN：
????????????? 兩個階段：
????????????? 層次發現階段：
級別發現分組包含發送節點的ID和級別。根節點是0級節點，在根節點廣播域內的節點收到根節點發送的分組后，將自己的級別設置為分組中的級別加1，即為第1級，然后將自己的級別和ID作為新的發現分組廣播出去。
當一個節點收到第i級節點的廣播分組后，記錄發送這個廣播分組的節點的ID，設置自己的級別為i+1。這個過程持續下去，直到網絡內的每個節點都具有一個級別為止。如果節點已經建立自己的級別，就忽略其他的級別發現分組。
?????? 時間同步階段：
建立層次之后，相鄰層次之間的節點通過雙向報文機制來進行時間同步，假設節點A是第i層的節點，節點B是第i－1層的節點，根據TPSN報文交換協議，我們規定T1和T4為節點A的時間，T2和T3為節點B的時間，節點A在T1向節點B發送一個同步報文，節點B在收到該報文后，記錄下接收到該報文的時刻T2，并立刻向節點A發回一個應答報文，將時刻T2和該報文的發送時刻T3嵌入到應答報文中。當節點A收到該應答報文后，記錄下此時刻T4。我們假設當節點A在T1時刻，A和B的時間偏移為Δ，因為T1到T4兩個報文發送的時間非常短，我們可以認為Δ沒有變化，假設報文的傳輸延遲都是相同且對稱的，均為d，那么有
???????????????????? T2=T1+Δ+d?? T4=T3?Δ+d，
這兩個方程聯立可解得：
?????? Δ=[(T2－T1)－(T4－T3)]/2，? d=[(T2－T1)+(T4－T3)]/2
在T4時刻，節點A在本地時間上面加上一個偏移量Δ，A和B就達到了同步。
從雙向同步協議的同步過程中可以看出，在TPSN協議中，當雙向報文的傳輸完全對稱時其精確度最高，即同步誤差最小。另外TPSN的同步誤差與雙向報文的傳輸延遲有關，延遲越短，同步誤差越小。
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FTSP：
FTSP（泛洪時間同步協議）也采用單個廣播消息實現發送節點與接收節點之間的時間同步，采用同步時間數據的線性回歸方法估計時鐘漂移和偏差。綜合考慮了能量感知、可擴展性、魯棒性、穩定性和收斂性等方面的要求。FTSP算法實現步驟如下：
（1）FTSP算法在完成SYNC字節發射后給時間同步消息標記時間戳并將其發射出去。
（2）接收節點記錄SYNC字節最后到達時間，并計算位偏移。在收到完整的消息后，接收節點計算位偏移產生的時間延遲，這可通過偏移位數與接收速率得出。
（3）接收節點計算與發送節點問的時鐘偏移量，然后調整本地時鐘和發送節點時間同步。
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比較：
1．精度方面
RBS協議：因為無線信道的廣播特性，使得發送節點發出的消息相對所有節點而言是同時發送到物理信道上的，相當于將消息傳遞過程中兩項最不確定的時延被去除了，所以能夠得到較高的同步精度。
TPSN協議：在網絡傳輸的時延中，訪問時延的不確定性是最高的。為了提高兩個節點之間的時間同步精度，TPSN協議直接在MAC層記錄時間信標，這樣可以有效地消除發送時延、訪問時延、接收處理時延所帶來的時間同步誤差。并利用雙向消息交換計算消息的平均延遲，提高了時間同步的精度。
FTSP協議：采用在MAC層記錄時間信標，細分消息傳輸中的時間延遲對這些延遲進行補償，利用線性回歸估計時間漂移等措施來降低時間同步誤差。
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2．收斂性方面
RBS協議：發送參考廣播的節點是預先選定的，其他節點接收到參考廣播消息后，就開始同步的過程?？紤]到通信沖突，在幾個同步周期后，全網就可以達到時間同步，收斂時間也比較短。
TPSN協議：這種同步方法的消息傳遞機制分為兩個過程，包括分層階段和同步階段，因此其收斂時間較長。
FTSP協議：該協議的根節點選擇過程是伴隨時間同步一起進行的，根節點的選擇不會對收斂性造成影響，在幾個同步周期后，全網就能達到時間同步，收斂時間也比較短。
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3．擴展性方面
RBS協議：在全網達到同步后，新節點的加入不會影響到參考廣播節點的地位，也就不會對全網的結構造成影響。但是，加入新的參考廣播節點會使得情況變得復雜，必須考慮處于不同廣播域內的節點達到同步的問題。對于多跳網絡的RBS協議需要依賴有效的分簇方法，保證簇之間具有共同的節點，以便簇間進行時間同步。
TPSN協議：從分層過程可以看出，新節點加入后會對網絡的拓撲結構造成很大的影響，應此，該協議的擴展性很差，這也是這個協議最大的缺點之一。
FTSP協議：如果加入的是ID號最小的節點，該節點首先使自己與網絡達到同步，然后再進行根節點選擇，不會影響網絡時間同步。如果不是ID號最小的節點，該節點只需要進行時間同步并廣播時間同步消息。
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4．魯棒性方面（健壯性）
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RBS協議：由RBS協議的同步原理可以看出，節點失效或網絡通信故障不會破壞整個拓撲結構，每個節點都有大量的冗余消息來保證時間同步。但是參考節點失效就會影響到該節點廣播域內所有節點的同步。該協議具有較好的魯棒性。
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TPSN協議：當某個節點失效，該節點以下的節點就有可能接收不到時間同步消息，這樣就會造成連鎖反應，影響到該節點所有的后續節點的時間同步。全網的時間同步會受到個別節點的影響，魯棒性很差。
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FTSP協議：如果是根節點失效，那么其他節點就會開始根節點選擇的過程，重新選出一個根節點，這在段時期內會破壞時間同步，但全網很快就能重新達到同步。如果是其他節點失效，由于大量冗余消息的存在，個別節點不會影響全網時間同步。FTSP協議也具有良好的魯棒性。
?
5．能耗方面
可以利用網絡中的節點在一次時間同步中平均接收和發送消息的次數來簡單的估計時間同步協議的能耗。
RBS協議：要實現兩個節點之間的時間同步，節點需要接收一次廣播消息，然后再交換一次時間同步消息，平均需要2次消息發送和3次消息接收。協議的能量消耗較大。
TPSN協議：由于這個方法采用的是類客戶/服務器模式，所以實現一次時間同步，節點平均需要2次消息發送和2次消息接收，協議的能量消耗相對較小。
FTSP協議：在該協議中，節點接收到時間同步消息后，使得節點本地時間與全局時間達到同步，然后形成新的時間同步消息并發送出去。每次同步，節點平均需要1次消息發送和1次消息接收，協議的能量消耗是最小的。
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兩個新的時間同步技術試圖解決傳統時間同步技術中的同步積累誤差和可擴展性問題：
協作同步技術
螢火蟲同步技術
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Peskin模型和M&S模型模擬了螢火蟲自同步（Self-Synchronization）方式，在理論上證明了振蕩器節點能夠達到同步，然而，由理論所引導而做出的一些假設，應用于無線傳感器網絡，在實現上卻存在五點局限性：
當一個節點激發時，它的鄰居節點不能即時地獲取這個時間
節點不能即時地對激發事件做出反應
節點不能精確地并且即時地計算出f和f?1
所有的節點沒有相同的時間周期T
節點不能從它的鄰居節點觀察到所有的事件（具有信息損耗）
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與其他協議相比，螢火蟲同步算法具有獨特的優點：
?同步可直接在物理層而不需要以報文的方式實現；
?由于對任何同步信號的處理方式均相同，與同步信號的來源無關，因此可擴展性以及適應網絡動態變化的能力很強；
?機制簡單，不需要對其他節點的時間信息進行存儲。
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第八章 WSN節點定位技術
考點：
定位技術原理和區分（了解）
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8、1 節點定位技術概述
?????? WSN節點定位：依靠網絡中少量位置已知的節點，通過鄰居節點間有限的通信和某種定位機制確定網絡中所有未知節點的位置。
?????? 節點定位在實際中包含：
????????????? 自定位：確定節點自身在系統中的位置
????????????? 目標定位：確定目標節點在系統中的位置
??????
????????????? 一些概念：
????????????? 信標節點：已知自身位置信息的節點，可通過GPS定位設備或手工配置、確定部署等方式預先獲取位置信息，為其他節點提供參考坐標。
未知節點：信標節點以外的節點統稱為未知節點，也有文獻稱為盲節點。
鄰居節點：一個節點通信距離范圍內的所有節點的集合。
跳數：兩個節點之間跳段的總數。
跳距：兩個節點之間各跳段的距離之和。
節點連接度：節點可以探測發現到的鄰居節點個數。
網絡連接度：所有節點的鄰居個數取平均值，可反映傳感器配置的密集程度
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節點定位要求：
????????????? 傳感器網絡的定位算法通常需要具備以下特點：
自組織性：傳感器網絡的節點隨機部署，不依賴于全局基礎設施協助定位；
健壯性：傳感器節點的硬件配置低，能量有限，可靠性較差，定位算法必須能夠容忍節點失效和測距誤差；
節能性：盡可能地減少算法中計算的算法復雜度，減少節點間的通信開銷，以盡量延長網絡的生存周期；
分布式：無線傳感器網絡通常是大規模部署網絡，節點數目多，定位任務將不會是單個節點所能承擔的，這就需要定位算法具有一定的分布式，把任務分派到各個節點；
可擴展性：無線傳感器網絡中的節點數目可能是成千上萬甚至更多，為了滿足對不同規模的網絡的適用性，定位算法必須具有較強的可擴展性。
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8、2 節點定位技術研究狀況和發展
?????? 作為一種全新的技術，無線傳感器網絡具有許多挑戰性的研究課題，而定位就是其中之一，定位也是大多數應用的基礎和前提
傳感器節點的微型化和有限的電池供電能力使其在節點硬件的選擇上受到很大的限制，低功耗是其最主要的設計目標。必須針對密集性，節點的計算、存儲和通信等能力都有限的特定場合設計有效的低功耗定位算法
近十年來，無線傳感器網絡自身定位問題研究有了許多新穎的解決方案和思想，但是每種系統和算法都是用來解決不同的問題或支持不同的應用的，它們用于定位的物理現象、傳感器設備的組成、能量需求、基礎設施和時空的復雜性等許多方面有所不同。
對現有的WSN定位研究成果研究比較發現，沒有一種定位方案能在有效減少通信開銷、降低功耗、節省網絡帶寬的同時獲得較高的定位精度。而且大部分停留在仿真和實驗階段。因此，該領域還有待更多的人提出更好的方法，以求更好地解決定位問題，使得無線傳感器網絡能夠真正在實際生活中得到廣泛的應用。
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8、3 節點定位技術關鍵問題
?????? 1．定位區域與精確度
定位區域與精確度是傳統定位方法和無線傳感器網絡定位都具有的衡量指標，而且定位區域和精度一般都是互補存在的，定位區域越大，意味著精度越小。
2．實時性
實時性是定位技術的另外一個關鍵指標，實時性與位置信息的更新頻率密切相關，位置信息更新頻率越高，實時性越強
3．能耗
能耗是無線傳感器網絡獨有的一個衡量指標。在無線傳感器網絡中，節點的電能靠電池來供應，電池是不可替換的，因此節省能量就成了無線傳感器網絡中一個重要的問題。
另外，還有一些小的方面來衡量無線傳感器網絡定位技術的好壞，如定位技術的擴展性、魯棒性和節點帶寬的占用等。
?
8、4 基于測距的定位技術
?
????????????? 已知幾個節點的位置，求另外節點的位置：
???????????????????? 三邊定位法；角度定位法；
????????????? 一般有三種算法可以測量兩個節點之間的距離：
???????????????????? 根據接收信號的強度來計算距離；RSSI
根據信號傳播時間或者時間差來計算距離；TOA
根據接收信號相位差定位。TDOA
????????????? ?
?????????????
????????????? 常用的角度定位方法有：已知兩個頂點和夾角的射線確定一點，以及已知三點和三個夾角確定一點。
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8、5 無需測距的定位技術
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?????? ①、基于連通性的定位
????????????? 連通性（Connectivity）是指兩個節點是否連通?；谶B通性的定位可以根據一個節點能否成功解調其他節點傳來的數據包作為依據。
?????? ②、基于跳數的定位
????????????? 跳數原理就是對信標節點信息洪泛的過程進行跳數統計，通過統計未知節點與信標節點之間的跳數，然后根據信標節點之間的距離和跳數估算出全網每一跳的平均距離，二者相乘，即可得到兩個節點之間的距離。
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質心定位算法：
APTI定位算法
DV-Hop定位算法
?????? 凸優化方法
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8、6 協作定位技術
鋼性理論概述：
?????? 剛性，即在不考慮物質特性的理想條件下任何兩個連接點之間的歐氏距離不隨其運動狀態改變的特性。
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協作定義原理：根據網絡局部拓撲結構采用模式匹配的方法自組的進行節點間通信連接，根據與未知節點連通的導標節點個數和形式，通過幾何約束條件判斷該未知節點是否可以與鄰居節點導標構建最簡單元定位協作體或準定位協作體，然后在最簡單元定位協作體的基礎上，擴展成更多節點的定位協作體。
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第九章 容錯設計技術
考點：
?????? 概念（了解）
?????? 失效、故障、容錯、差錯（區分了解）
?????? 精度?上行、下行模式（了解）
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9、1 容錯技術概述
?????? 容錯就是指當由于種種原因在系統中出現了數據、文件損壞或丟失時，系統能夠自動將這些損壞或丟失的文件和數據恢復到發生事故以前的狀態，使系統能夠連續正常運行的一種技術。
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失效：失效就是某個設備停止工作，不能夠完成所要求的功能。
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故障：故障是指某個設備能夠工作，但是并不能按照系統的要求工作，得不到應有的功能，它與失效的主要區別就是設備還在工作，但是不正常。
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差錯：差錯是指設備出現了的不正常的操作步驟或結果。
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故障->差錯->失效
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容錯技術分類：
?????? ①、故障避免：避免或預防故障的發生
?????? ②、故障檢測：用不同的策略來檢測網絡中的異常行為
?????? ③、故障隔離：對故障節點進行隔離，以免影響現有網絡
?????? ④、故障修復：網絡故障后的一項補救措施
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9、2 容錯設計模型
WSN故障三個層級：（部件級、節點級、網絡級）
部件級故障是指此類故障節點能夠正常通信，但其測量值是錯誤的，會影響網絡分析處理數據的結果；
節點級故障是指故障節點不能與其他節點進行正常的通信，會影響網絡連通性和覆蓋性；
網絡級故障是指網絡通信協議或協作管理方面的問題或其他原因造成的較大規模的故障，導致整個網絡不能正常工作。
??????
容錯設計模型標準：
（1）能效性：這里主要考慮傳感器節點在數據采集、數據處理、通信三方面的能耗。
（2）故障診斷精度：一般地，故障診斷精度是指一次故障診斷過程完成后，診斷狀態與實際狀態相同的節點占總節點數的百分比。有時候，故障診斷精度也被細分為故障識別率和誤報率兩個指標。
（3）故障診斷執行時間：在執行故障診斷過程中節點之間要進行協作判斷，也就是處于激活狀態的節點數目會比較大，如果故障診斷過程持續比較久會給網絡帶來較大的能耗負擔。
（4）惡劣環境中的故障診斷精度：在一些特殊的應用中，由于環境、自然災害或人為因素的影響，網絡中的故障節點分布不均勻，可能在局部區域出現故障節點聚集的現象，這種現象會影響故障診斷機制的性能表現，一個好的故障診斷機制應該能有效地應對這樣的情況。
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9、3 WSN可靠性分析
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?????? 物理層是無線傳感器網絡的最底層，主要負責信息的發送、編/解碼功能，其主要可靠性都是來自于系統硬件.
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數據鏈路層主要負責對物理層發送的數據進行錯誤檢測，將物理層的數據錯誤率降低到閾值以下，采用反饋機制來保證它的可靠性
。
網絡層的主要功能是負責節點間路由的選擇及維護。可分為兩種模式：
任由節點泛洪式地選擇自己的路由，不加任何干涉，泛洪就是這種模式的典型協議，這種模式的好處就是基本上不涉及算法，節點接收到信息之后不用維護本地路由表，直接廣播數據包即可，因為多路徑傳輸數據包到匯聚節點，所以具有很高的容錯性，但由此帶來了大量冗余信息傳輸，容易造成網絡擁塞，耗費大量能量，因此不適宜用在無線傳感器網絡中。
另外一種模式就是局部多路徑傳輸協議，當網絡正常時，網絡以一跳最優路徑進行數據的傳輸，這樣能最大限度地節省能量，如最小跳數協議。當網絡發現某節點發生擁塞時，調控節點進行多徑分流，以此來降低節點的通信負載，保證系統的可靠性
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傳輸層可靠性
???? 在無線傳感器網絡中，理想的傳輸層能支持可靠的信息傳遞和提供有效的擁塞控制，以此來延長無線傳感器網絡的生命周期。可靠性保證分為兩種，一種是事件的可靠性，另一種是數據包的可靠性，無線傳感器網絡中一般采用基于事件的可靠性，因此只需要數據傳輸的可靠性達到一個保證事件傳輸的閾值即可。
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無線傳感器網絡中數據傳輸分為兩種形式：
上行模式，即從傳感器節點到匯聚節點，這是感應源節點到匯聚節點而形成的一股數據流，目的是保證匯聚節點能夠監測到感興趣區域的事件情況。
下行模式，即從匯聚節點到傳感器節點的數據傳輸，在這種模式中傳輸的不再是節點采集的信息，而是匯聚節點給予感應區域內的控制或者查詢消息，它可能用于調整整個網絡的路由，避免網絡的擁塞；也可能用于反饋消息的正確接收或者查詢某個特定區域的信息，規定其優先級等。
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9、4 WSN故障檢測和診斷
基于空間相關的故障檢測：
?????? 空間相關性：是指無線傳感器網絡中相鄰節點的同類傳感器之間所測量的值通常有很相近的特性。
（1）需要地理位置信息。在地理位置信息已知的情況下，利用三個可信節點實現三角法檢測感應器故障。
????????????? （2）無須地理位置信息。這類檢測通常是通過偵聽鄰居數據來判斷自己測量值是否正確的，判斷策略可分為多數投票策略、均值策略和中值策略。
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????????????? 多數投票策略是通過與鄰居節點測量值進行比較，得到與自己的測量值相同或差距在允許范圍內的鄰居測量值個數，如果個數超過鄰居數目的一半，則判定自己的測量值為正確的，否則就是錯誤的。
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均值策略首先計算鄰居測量值的平均值，然后比較這個均值和自己的測量值，如果它們差距在允許的范圍內，則認為自己的測量值為正確的。
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中值策略是利用鄰居測量值的中值與自己的測量值比較，在很大程度上避免了錯誤的鄰居節點測量值對測量精度的影響，在有很多鄰居節點測量值錯誤的情況下，節點仍然能正確地判斷出自己的測量值是否正確。
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基于貝葉斯信任網絡：
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9、5 WSN自恢復策略
容錯節點是一種可以替換失效活動節點的睡眠節點或冗余節點?；顒庸濣c失效會造成某些鄰居節點的連接斷開，在它失效時，其鄰居節點可以通過指定的容錯節點來通信。
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節點失效會造成某些區域不被覆蓋，這時需要采取措施來彌補覆蓋空洞。節點覆蓋區域定義為它的整個感知區域除去與其他節點重疊的部分。失效節點的覆蓋區域需要其他節點來彌補。假設網絡中的節點具有移動能力，它把覆蓋修復過程分為四個階段
（1）初始化階段：節點計算自己的覆蓋區域、每個覆蓋區域對應的移動區域。
（2）恐慌請求階段：垂死節點廣播求助消息。
（3）恐慌回應階段：垂死節點的鄰居節點收到求助消息后計算如果自己移動到垂死節點的移動區域，是否會影響到自身的覆蓋區域，如果不影響則給求助節點返回消息。
（4）決策階段：垂死節點根據收到的回應信息，決定讓哪個節點移動。
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第十章 服務質量保證
考點：
?????? QoS含義、功能（了解）
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10、1 QOS概述
?????? 含義：
????????????? 從應用的角度看，QoS代表用戶對于網絡所提供服務的滿意程度；
從網絡的角度看，QoS代表網絡向用戶所提供的業務參數指標。
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?????? 質量標準：
（1）可用性：指綜合考慮網絡設備的可靠性與網絡生存性等網絡失效因素，當用戶需要時即能開始工作的時間百分比。
（2）吞吐量：又稱為帶寬，是在一定時間段內對網絡流量的度量。一般來說，吞吐量越大越好。
（3）時延：指一項服務從網絡入口到出口的平均經過時間。許多實時應用，如語音和視頻等服務對時延的要求很高。
（4）時延變化：指同一業務流中所呈現的時延不同。高頻率的時延變化稱為抖動，而低頻率的時延變化稱為漂移。
（5）丟包率：指網絡在傳輸過程中數據包丟失的比率。造成數據包丟失的主要原因有網絡鏈路質量較差、網絡發生擁塞等。
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10、2 發展現狀
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①、應用層QoS保障技術
應用層QoS需求是由應用設計者和用戶提出的。QoS可定義為系統生命期、查詢響應時間、事件檢測成功率、查詢結果數據的時間空間分辨率、數據可靠性和數據新穎度。
②、數據管理層QoS保障技術
分布式傳感器網絡是由大量廉價的傳感器節點組成的一個自組織系統，為了獲得期望的服務質量，實現響應時間和資源需求，傳感器節點必須互相協作，實現高效的信息采集和分發策略。
③、數據傳輸層QoS保障技術
PSFQ采取快吸慢取的方式，能夠為具有不同可靠性需求的應用提供簡單、健壯和可擴展的傳輸協議。
ESRT[6]是一個新穎的數據傳輸方法，用最少的能量獲得可靠的事件檢測結果，包含一個阻塞控制部件，既保證可靠性又節省能量。
上述文獻主要研究的是數據傳輸層的QoS保障機制，QoS往往定義為數據傳輸的可靠性和實時性，同時要考慮能源高效性。
④、網絡層QoS保障技術
?????? 在WSN的體系結構中，網絡層是提供QoS支持的主要部分。作為在網絡層支持QoS的載體，QoS路由協議的好壞對無線傳感器網絡的性能有著重要的影響。路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點。
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????????????? 路由協議挑戰：
???????????????????? 網絡動態變化、資源嚴重受損、對多種業務QOS支持、能量和QOS平衡、可擴展性
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⑤、連通覆蓋層的QoS保障技術
?????? 保證網絡的感知覆蓋度和連通度是傳感器網絡特殊的QoS需求，目前已有許多相關的研究工作。
⑥、MAC層的QoS保障技術
?????? 在WSN中，MAC協議決定無線信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的通信資源，對WSN的性能有較大的影響。目前，研究人員為無線網絡提出一些基于沖突和載波監聽的MAC協議，目標是最大化系統吞吐量，并未提供實時性保證。
⑦、交叉層支持QoS的中間件
??????? ?；诜盏闹虚g件用于接收用戶的QoS需求，以高效的可擴展的方式保障應用的實時性要求，利用節點的冗余保證容錯，并且支持多Sink節點的多種QoS需求。
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10、3 關鍵問題
資源嚴重受損、以數據為中心，非端到端的通信模式、數據高度冗余、流量非均勻分布、節點密集分布無線多跳傳輸、多用戶、多任務并發操作，多類別數據流量、可擴展性
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10、4 感知QOS保證
無線傳感器網絡感知QoS，即無線傳感器網絡中傳感器節點對監測區域的感應，監控的效果。
無線傳感器網絡的可能應用多種多樣，根據監控目標的幾何性質可將覆蓋控制問題分為點（目標）覆蓋、區域覆蓋及線覆蓋三類
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●為區域中存在的監控目標，○為休眠節點，●為工作節點。
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感知模型
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感知原型：節點的傳感及通信范圍難以保證為某一固定半徑的圓，傳感與通信具有方向性，且隨著距離的增大，監控準確度和概率都相應減小。
0-1感知模型：通過研究區域內圓盤覆蓋來獲取WSN覆蓋控制策略，具有感知的階躍性。
概率感知模型：去除方向性的同時，保留了距離對感知精度的影響，隨著傳感器與監控目標間距離的增大，傳感器對目標的感知概率也逐漸減小直至無法感知。
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雖然WSN覆蓋控制研究已經取得了一定的成果，但是仍有很多問題需要解決，集中體現在以下幾點：
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感知模型種類的完善。
三維空間的覆蓋控制。
提供移動性的支持。
符合WSN與Internet交互的相應WSN覆蓋控制方案。
開發和設計更多結合WSN覆蓋控制的應用。
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10、5 傳輸QOS保證
在無線傳感器網絡中評價傳輸服務質量的關鍵指標如下。
傳輸成功率。
時延。
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傳感數據包能否實現端到端的可靠傳輸是網絡能否成功實施并應用的一個重要條件。在網絡中，造成數據包丟失的原因主要有三個方面。
（1）無線傳感器網絡所使用的無線信道與有線鏈路相比有更大的不穩定性以及更高的誤碼率，很容易受到周圍環境噪聲的影響造成數據包的丟失。另外在無線傳感器網絡中，傳感器節點的分布密度非常高，不同節點在發送數據時極易發生信道競爭沖突以及碰撞造成數據包丟失。
（2）當無線傳感器網絡中發生擁塞時，擁塞節點緩存溢出造成數據包丟失。
（3）接收節點因為數據包到達過快來不及處理造成數據包丟失。
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目前來說，無線傳感器網絡為了保證穩定傳輸提出了幾種可靠性機制：
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反饋確認機制。
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冗余數據保證機制。
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多路徑傳輸機制。
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FEC前向糾錯碼機制。
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第十一章 網絡管理
考點：
?????? 區分幾種管理系統（了解）
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11、1 網絡管理概述
?????? 網絡管理是指對網絡的運行狀態進行檢測和控制，使其有效可靠安全經濟的提供服務；
?????? 兩個任務：
????????????? 對網絡的運行狀態進行監測；
????????????? 對網絡的運行狀態進行控制
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?????? 簡單來說，網絡管理是對網絡中的資源進行合理的分配和控制，或者當網絡運行出現異常時能及時響應和排除異常等各種活動的總稱，以滿足業務提供方和網絡用戶的需要，使得網絡有效資源可以得到最有效的利用，使得整個網絡的運行更加高效，能夠連續、穩定和可靠地提供網絡服務。
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運行：針對向用戶提供的服務進行，面向網絡整體進行管理，
控制：網絡的控制管理針對向用戶提供有效的服務和為滿足提供服務的質量要求進行的管理活動
維護：為了保障網絡及其設備的正?？煽窟B續運行而進行的一系列管理活動，包括故障檢測、定位和恢復，對設備單元的測試
提供：針對電信資源的服務裝備進行的一系列網絡管理活動，為實現某些服務提供某些資源和給用戶提供某些服務
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11、2 發展現狀
挑戰：
?????? 無線傳感器網絡的管理模型必須能適應不同的應用，并且在不同的應用間進行移植時修改的代價最小，即具有一定的通用性。
?????? 無線傳感器網絡大多按照無人看管的原則部署。
?????? 無線傳感器網絡資源受限。
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11、3 關鍵問題
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網絡管理原則：
?????? 高效的通信機制
?????? 輕量型的結構
?????? 智能自組織的機制
?????? 安全、穩定的環境
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11、4 典型網絡管理系統
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集中式網絡管理系統：
BOSS：
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?????? Tiny—DB：
????????????? 基于查詢的WSN數據管理系統，它從節點收集相關數據，調度各個節點對查詢進行分布式處理，將查詢結果通過基站返回給用戶。
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層次式網絡管理系統：
?????? RRP：按照供應鏈策略，RRP將無線傳感器網絡分為幾個功能區，針對功能區各自的特點采用不同的路由模式，各個功能區之間相互協作以達到最佳的網絡性能，并盡量降低能量消耗。RRP中游三個功能區：生產區、運輸區以及倉儲和服務區，各個區之間的節點的角色和任務各不相同。
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?????? SNMP：定義描述網絡當前狀態的網絡模型和一些列的網絡管理功能；設計提取網絡狀態和維護網絡性能的一系列算法和工具
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分布式網絡管理系統：
?????? 基于移動AGENT的數據管理：基于移動Agent技術的無線傳感器網絡管理模型，該模型采用數據本地存儲的方式，讓每個傳感器器節點把自身的特征數據和感知數據存儲在自身節點上，使數據傳輸的開銷降低到最小；再使用移動數據查詢代理在合理的節點上采集數據，便可以有效地滿足查詢的需要。
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????????????? TinyCubus：一種自適應的傳感器網絡跨層管理框架，TinyCubus包含三個部分：跨層結構、配置引擎、數據管理結構。
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?????? ?????? 跨層結構為要進行跨層交互（如優化時需要其他模塊的信息，通過對高層組件的回調執行特定應用的代碼等）的模塊提供了一個通用的參數化接口。
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配置引擎基于傳感器節點的角色進行代碼分發，并支持動態安裝程序代碼，其目的是支持系統和應用組件的配置，包括拓撲管理器和代碼分發程序。
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數據管理結構提供了一組標準數據管理組件和系統組件，并根據當前系統中的信息選擇最恰當的一些組件用于管理。數據管理結構用一個立方體定義，包含三個維度：
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優化參數，如能量、通信延遲和帶寬；
應用需求，如可靠性；
系統參數，如節點移動性和網絡密度。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的无线传感器网络复习大纲的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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