无线传感网复习大纲灵魂画师版.docx

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无线传感网复习大纲灵魂画师版

复习大纲：

1、无线传感器网络的标准定义：

由大量的移动或者固定的传感器以自组织或者多跳的方式组织成的无线网络，用来对目标的探测，并作相应的处理，并将信息传递给用户

2、无线传感器网络的三个基本元素：

用户，传感网，对象

3节点的工作模式：

发送，接受，空闲，睡眠

4、传感器节点由传感器模块，无线通信模块，能量供应模块，处理器模块，四部分组成。

除了能量供应，其他都在消耗能量，传感器单元能耗比处理器与无线传输能耗低很多。

5、无线传感器网络拓扑结构

从组网形态与方式划分：

从节点功能和结构层次划分：

集中式，分布式，混合式

（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

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

6、WSN的四类基本实体对象，它们之间的关系是怎样的？

4类基本实体对象：

目标、传感器节点、汇聚节点和监测区域。

关系：

在网络中，大量传感器节点随机部署在目标的邻近区域，通过自组织方式构成网络，形成对目标的监测区域。

传感器节点对目标进行检测了，获取的数据经本地简单处理后，再通过邻近传感器节点采用无线多跳的方式传输到汇聚节点。

汇聚节点再通过有线或无线方式将信息传递到外部网络。

7.传感器节点设计的基本原则：

采用尽量灵敏的传感器

采用功耗尽可能低的器件

采用效率尽可能高的信号处理方法

采用持久力尽可能长的电源

8.传感器节点中消耗能量的模块有哪些？

无线通信模块有几种状态？

其能量消耗的大小关系如何？

传感器节点中消耗能量的模块：

传感器模块、处理器模块、无线通信模块（消耗绝大多数能量）。

无线通信模块4种状态：

发送、接收、空闲、和睡眠。

能耗大小：

发送＞接收≈空闲＞睡眠。

9.ISO7层参考模型有哪7层？

简述每层功能。

（1）应用层

作用：

为应用软件提供接口，从而使得应用程序能够使用网络服务。

（2）表示层

作用：

应用程序和网络之间的翻译官，将数据转换为网络能识别的格式

（3）会话层

作用：

在网络中不同用户、节点之间建立和维护通信通道，同步两个节点之间的会话，决定通信是否被中断以及中断时决定从何处重新发送。

（4）传输层

作用：

负责建立端到端的连接，对数据进行分段、重组

（5）网络层

作用：

路由选择和转发

（6）数据链路层

作用：

数据链路的建立、维持和释放（相邻节点，一跳范围）；流量控制；媒体访问和差错控制（MAC协议）。

（7）物理层

作用：

产生并检测电压发送和接收带有数据的电气信号

第一层，物理层  

OSI模型最低层的“劳苦大众”。

它透明地传输比特流，就是传输的信号。

该层上的设备包括集线器、发送器、接收器、电缆、连接器和中继器。

第二层，数据链路层 

这一层是和包结构和字段打交道的和事佬。

一方面接收来自网络层（第三层）的数据帧并为物理层封装这些帧；另一方面数据链路层把来自物理层的原始数据比特封装到网络层的帧中。

起着重要的中介作用。

数据链路层由IEEE802规划改进为包含两个子层：

介质访问控制（MAC）和逻辑链路控制（LLC）。

智能集线器、网桥和网络接口卡（NIC）等就驻扎在这一层。

但是网络接口卡它同样具有物理层的一些编码功能等。

第三层，网络层 

这一层干的事就比较多了。

它工作对象，概括的说就是：

电路、数据包和信息交换。

网络层确定把数据包传送到其目的地的路径。

就是把逻辑网络地址转换为物理地址。

如果数据包太大不能通过路径中的一条链路送到目的地，那么网络层的任务就是把这些包分成较小的包。

这些光荣的任务就派给了路由器、网桥路由器和网关。

以后几层属于较高层，通常驻留在跨网络相互通信的计算机中，而不象以上几层可以独自为阵。

设备中只有网关可跨越所有各层。

第四层，传输层。

确保按顺序无错的发送数据包。

传输层把来自会话层的大量消息分成易于管理的包以便向网络发送。

第五层，会话层。

在分开的计算机上的两种应用程序之间建立一种虚拟链接，这种虚拟链接称为会话（session）。

会话层通过在数据流中设置检查点而保持应用程序之间的同步。

允许应用程序进行通信的名称识别和安全性的工作就由会话层完成。

第六层，表示层。

定义由应用程序用来交换数据的格式。

在这种意义上，表示层也称为转换器（translator）。

该层负责协议转换、数据编码和数据压缩。

转发程序在该层进行服务操作。

第七层，应用层，该层是OSI模型的最高层。

应用层向应用进程展示所有的网络服务。

当一个应用进程访问网络时，通过该层执行所有的动作。

纵观七层，从低级到高级。

作一个形象的比喻就是从汇编到了BASIC，越到高层与硬件的关联就越弱。

所谓的网络七层协议就是OSI模型，具体分为：

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

7——应用层 

6——表示层 

5——会话层 

4——传输层 

3——网络层 

2——数据链路层 

1——物理层

物理介质 

七层模型在Windows程序下的体现：

物理层----就是我们看得见的网卡。

网卡的作用就是把线路发送过来的高频电流转化数据包，然后传给网卡驱动程序，同是也把网卡驱动程序传送过来的数据包转化成电信号传送出去。

定义通过网络设备发送数据的物理方式：

是网络媒介和设备间的接口。

数据链路层----是网卡驱动程序。

定义控制通信连接的程序；封包；监测和改正包传输错误。

网络层----即NDIS，NDIS提供网络接口。

决定网络设备间如何传输数据；根据唯一的网络设备地址选择包；提供流和拥塞控制，以阻止同时网络资源的损耗。

传输层----即TCP，TCP协议的封包处理是在这一层进行的。

管理网络中首尾连接的信息传送；提供通过错误恢复和流控制装置传送可靠且有序的包；提供无连接面向包的传送。

会话层----即SPI，SPI是服务提供者接口，管理用户间的会话和对话；控制用户间的连接和挂断连接；报告上层错误。

表示层----API，它为应用程序提供接口。

API负责SPI与应用程序之间的通信；定义不同体系间不同数据格式；具体说明独立结构的数据传输格式；编码和解码数据；加密和解密数据；压缩和解压缩数据。

应用层----EXE，就是大家常见的应用程序。

定义用于网络通信和数据传输的用户接口程序；提供标准服务，比如虚拟终端、文档以及任务的传输和操作。

七层协议与Windows结构的生产力映射如下：

7 应用层 7 应用程序（exe） 

6 表示层 6WinsockAPI （dll） 

5 会话层 5SPI（dll） 

4 传输层 4TDI（vxd、sys） 

3 网络层 3NDIS（vxd、sys） 

2 数据链路层 2 网卡驱动程序（vxd、sys） 

1 物理层 1 网卡

10.WSN与现有网络的区别？

传统无线网络：

节点通常高速移动，首要设计目标是为用户提供高性能的服务质量保证，最大化带宽利用率。

以传输数据为目的。

例如手机

无线传感器网络：

节点不具备很高移动性，核心问题是通过实现节点负载均衡及采取一系列节能措施以平衡节点能量消耗，延长网络生命周期。

以数据为中心，终端不关心单个节点的数据情况，只是关心区域融合之后的数据结果。

11.无线传感器网络的特点

1节点资源有限；

2网络节点拓扑变化频繁；

3寻址以数据为中心；

4多跳路由通信；

5网络的分布式特性；

6网络节点密度高。

12、传感器网络节点定位问题

1是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。

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：

（1）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

（2）根据部署场合的不同，分为室内定位和室外定位

（3）根据信息收集的方式，网络收集传感器数据用于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

13、基于测距的定位技术

含义：

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。

（基于测距的定位技术的方法与工作原理：

三边测量算法：

已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标

测距方法：

（1）接收信号强度指示（RSSI）

原理：

接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离

是无线信号的接受功率，

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

优点：

实现简单，广泛采用，缺点：

遮盖或折射现象使接收端误差大、精度较低

（2）到达时间/到达时间差（ToA/TDoA）

基本原理：

ToA：

根据已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间距离；

d=（T1-T0）*v需要时间同步

TDoA：

发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。

无线信号速度为

超声波速度为

，无线信号快

为无线信号到达的时间，

为超声波信号到达的时间

为两点之间的距离

精度高，但ToA需节点间保持精确的时间同步，TDoA有c1与c2的误差

书上解法：

增加了对发射射频信号与超声波的时间差的补偿

d=[（T3-T1）-（T2-T0）]*[（VR*VS）/（VR-VS）]

VR射频速度，光速

VS超声波速度，声速

（VR*VS）/（VR-VS）是

T3-T1是（超声波在接收节点认为的传播时间+发射射频信号与超声波的时间差）

T2-T0是发射射频信号与超声波的时间差，

[（T3-T1）-（T2-T0）]就是相对时间，这个不好理解

所以最后公式本质就是距离=相对时间*相对速度

14、无需测距的定位技术

（1）质心算法：

先定位到哪一块，然后取这一块的中心就是可能的定位

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

本质就是先计算一个比较长的一段，算这段的平均跳段距离，然后未知节点与目标结点的距离就是这个平均距离乘以跳数

15.路由协议的作用？

负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。

有两方面功能：

1，老大哥指路：

寻找源节点到目的节点间的优化路径；

2，老大哥维持秩序：

将数据分组沿着优化路径正确转发。

16.洪泛路由协议基本思想？

节点接收到消息之后，只要自己不是目的节点，就无条件的将消息广播出去（不包括发送该消息的节点，每个发1次，好马不吃回头草，否则就转圈了节点只转）。

17.洪泛路由的不足？

（要求画图说明）

（1）信息爆炸（Implosion）：

即将同一个数据包多次转发给同一个节点的现象，这极大浪费节点能量。

2，部分重叠（Overlap）：

这是无线传感器网络特有的，如图，节点A和C感知范围发生了重叠，重叠区域的事件被相邻的两个节点探测到，那么同一事件被传给它们共同的邻居节点B多次，这也浪费能量。

就是两兄弟看到同一个美女，然后都报到给了班长

（3）盲目使用资源，即洪泛法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选择。

18.闲聊路由基本思想？

当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的某一个节点，而不是所有节点。

想给就给，所以后面就出现了自私节点

19.SPIN协议定义？

SPIN是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制和资源自适应机制来解决Flooding协议中的内爆和重叠问题。

发送数据前，先协商对面要不要，协商采用3次握手

21.SPIN的3种协议消息？

ADV：

（Advertise，消息广播包）：

当一个节点要传输数据DATA时，先对外广播ADV（包含DATA的元数据，比DATA小得多）

REQ：

（Request，数据请求包）：

节点收到ADV时，若对此ADV描述的DATA感兴趣，则发送REQ

DATA：

（Datatransfer，数据包）：

传感器节点采集的原始感知数据

22.SPIN协议工作过程？

（1）在发送DATA数据包之前，传感器节点首先向邻居节点广播ADV数据包；

（2）如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，节点收到REQ包之后，向该邻居节点发送DATA数据包

23.LEACH协议基本思想？

通过随机循环地选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。

先选老大，老大肾虚了就再选新的老大

24.LEACH协议中“轮”的思想？

每一轮有哪几个阶段？

每一轮按要求的比例选择一批簇头，下一轮再重新换一批，使节点轮流担当簇头。

两个阶段：

初始化：

簇头的选择和簇的形成；稳定阶段：

发送数据。

25.LEACH协议簇头选择？

设网络中簇头所占百分比为p（事先设定好的），节点总数为N，则每一轮都随机选择不同的N*p个节点作为簇头，经过1/p轮后，所有节点都担任过一次簇头。

再重新开始选择簇头。

26.PEGASIS协议基本思想？

将网内所有节点构成一条链路；每个节点只需和其链路上的邻居节点进行通信；每个节点轮流担当leader，直接和sink节点通信。

27.简述PEGASIS协议的成链阶段和数据传输阶段。

（1）成链阶段

从离基站最远的节点开始，各节点依次找到与其最近的节点，该节点就作为链上的下一节点（已经在链上的节点不再继续参与后续的成链过程），依次最终遍历全网形成链。

数据传输只在链上相邻的两个节点之间进行。

（2）数据传输阶段（控制令牌（token）方式）

由leader控制token，每轮开始时，由leader将token传到端节点；由端节点开始，各节点沿链传输数据和token，得到token的节点才能将数据传到下一邻节点；当数据收集完毕，token回到leader时，由leader最后将数据传向基站，到此完成此轮的数据收集。

28.TEEN协议中硬门限和软门限的含义？

硬门限：

根据用户对感兴趣数据的范围设定，达不到该门限的数据无效，不发送。

软门限：

表示感应到的有效数据与之前数据的变化大小，如果低于软门限，表示变化不大，数据不发送。

硬门限：

就是要先到这个值才考虑开不开门，第一次达到，一定发送，后面达到的要看软门限、

软门限：

就是对达到硬门限了的值，判断与上次发送的值的变化，如果差距达到了软门限，就再次发送

29.定向扩散路由基本思想？

DD路由

Sink节点周期性地广播一种称为“兴趣”（interest）的分组，告诉其他节点，我所感兴趣的消息/事件是什么。

兴趣在扩散的过程中也反向建立了路由路径，与“兴趣”匹配节点通过建立的路径传送相应数据到Sink节点。

一直告诉别人，我对什么感兴趣就行，时间久了，别人都知道我的癖好

30.谣传路由核心思想？

Rumor路由

欧式平面图上任意两条曲线交叉几率很大，路由建立由sink节点和源节点共同发起并完成。

31.GEAR路由基本思想？

采用基于查询的数据传送模式，根据事件区域的地理位置信息，建立Sink节点到事件区域的优化路径，避免泛洪查询消息，从而减少路由建立的开销。

32.GEAR路由通过查询消息的传播建立路由的过程？

阶段一：

查询命令传输到目标区域内距sink节点最近的节点（最重要的过程）

阶段二：

查询命令传播到目标区域内所有其他节点

33.GEAR路由路由空洞的含义？

解决办法？

定义：

邻居节点到事件节点传输代价都比自身节点大，

解决办法：

选择邻居节点中代价最小的Nmin作为转发节点，修改本地节点的转发代价为

C（N,R）=C（Nmin,R）+C（N,Nmin）

C（N,Nmin）表示将数据包从N传送到Nmin的代价

34.GAF路由基本思想？

将网络划分为若干固定区域，形成虚拟网格。

节点通过GPS得知自身在网格中的位置，处于同一网格的节点是等价的，等价节点只需一个处于工作状态，其余节点可进入睡眠状态，从而节约网络能量。

分为多个区域，然后选一个簇头，这个相当于班长，班上人都在睡觉，有事时他来叫醒同学，

35.GPSR协议有哪几种转发方式？

贪婪转发和周界转发。

理解贪婪转发下一跳节点选择；周界转发的右手规则。

给出图要能确定下一跳节点。