無線傳感器網絡 物理層:無線傳感器網絡概論第2章 無線傳感器網絡的物理層.ppt

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無線傳感器網絡物理層:無線傳感器網絡概論第2章無線傳感器網絡的物理層.ppt第2章無線傳感器網絡的物理層本章目錄2.1無線傳感器網絡物理層概述2.2無線傳感器網絡物理層關鍵技術2.3物理層調制解調方式與編碼方式2.1無線傳感器網絡物理層概述1.物理層傳輸介質和互聯設備傳輸介質是承載網絡上的各種設備數據收發業務的通道。無線傳感器網絡物理層的傳輸介質主要包括電磁

無線傳感器網絡 物理層:無線傳感器網絡概論第2章 無線傳感器網絡的物理層.ppt

第2章 無線傳感器網絡的物理層 本章目錄 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 2.2 無線傳感器網絡物理層關鍵技術 2.3 物理層調制解調方式與編碼方式 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 1. 物理層傳輸介質和互聯設備 傳輸介質是承載網絡上的各種設備數據收發業務的通道。無線傳感器網絡物理層的傳輸介質主要包括電磁波和聲波。電磁波在無線傳感器網絡通信中應用較為廣泛,而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同,電磁波分為無線電波、紅外線、光波等。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 1 無線電波 作為目前無線傳感器網絡的主流傳輸媒介,無線電波容易產生,傳播距離遠,且穿透性強,被廣泛應用于室內外無線通信領域。無線電波可以沿任意方向傳播,但是其傳播特性與頻率有關,采用較低頻率時,無線電波能輕易地通過障礙物,但是無線電波能量隨著與信號源距離的增大而急劇衰減;采用較高頻率時,無線電波趨于直線傳播,受周圍環境的影響,傳播特性變差。 另外,由于無線電波傳播距離遠且易受其它電子設備干擾,每個國家和國際上都對頻率使用授權進行了規定,以防止用戶間相互串擾的問題。在無線電波頻率選擇方面,一般選擇無需注冊的公用ISM頻段。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 2 紅外線傳輸 使用紅外線作為無線傳感器網絡的傳輸方式具有很多優點,不易被發現和攔截,保密性強;幾乎不會受到無線電、天氣、人為干擾,抗干擾性強,且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會的限制。但是,紅外線不易于穿透非透明物體,只能在一些特殊的無線傳感器網絡應用中使用,應用范圍比較狹窄。 3 光波傳輸 與無線電波傳輸相比,光波傳輸的調制、解調并不需要復雜的機制,接收器的電路簡單,傳輸單位數據消耗的能量較少,但是它極易受障礙物的遮擋而使通信過程中斷,只能在一些特殊的場合中使用。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 數據通信中所采用的互連設備是指數據終端設備(DTE)和數據電路終端設備(DCE)間的互連設備。 DTE是指具有發送、接收數據能力的設備,且具有一定的數據處理能力,如計算機、I/O終端等。 DCE是指介于DTE與傳輸介質之間的數據通信設備或電路連接設備,如調制解調器等。 物理層通信過程中,在DTE與DCE之間,急需要傳輸數據信息,也需要傳輸控制信息。DCE在DTE與傳輸介質之間提供信號變換和編碼功能,并負責建立、維護和釋放物理連接。一方面它要將DTE傳送的二進制比特流數據按順序通過傳輸介質發送出去,另一方面將接收到的二進制比特流數據按順序傳送給DTE。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 2. 物理層功能 物理層直接面向實際承擔傳輸數據的物理介質,它負責使在兩個網絡主機之間透明傳輸二進制比特流數據成為可能,為在物理介質上傳輸比特流建立規則,以及在傳輸介質上收發數據時定義需要何種傳送技術。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 3. 物理層接口標準 物理層接口標準實際上是各種傳輸介質和接口或其它通信設備之間的一組約定,主要解決信號傳輸過程中如何連接的問題。無線傳感器網絡物理層接口標準對物理接口具有的機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性進行了描述。 2.1.1 物理層的基本概念 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 作為一種無線網絡,無線傳感器網絡物理層協議涉及傳輸介質以及頻段的選擇、調制、擴頻技術方式等,同時實現低能耗也是無線傳感器網絡物理層的一個主要研究目標。 目前可以作為無線傳感器網絡物理層的標準主要有IEEE 802.15.4和IEEE 802.15.3a。 2.1.2 物理層協議 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 1. IEEE 802.15.4 該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為關鍵目標,旨在個人或者家庭范圍內不同設備之間建立統一的低速互連標準。IEEE 802.15.4標準的特性主要包括以下方面。 1 有16個信道工作于2.4GHz ISM頻段,2.4GHz頻段提供的數據傳輸速率為250kb/s,對于高數據吞吐量、低延時或低作業周期的場合更加適用。 2.1.2 物理層協議 2.1 無線傳感器網絡物理層概述 2 有1個信道工作于868MHz頻段以及10個信道工作于915MHz頻段。868MHz、915MHz頻段提供的數據傳輸速率分別為20kb/s、40kb/s,這兩個頻段的傳輸速率較低。目的是提高靈敏度和增大覆蓋面積。868MHz、915MHz頻帶的擴頻和調制方式是基于直接序列擴頻的方式,每個數據位被擴展為長度為15的序列,然后使用二進制相移鍵控調制技術。 3 保證低功耗的電源管理。IEEE 802.15.4標準考慮了無線傳感器網絡 物理層:無線傳感器網絡概論第2章 無線傳感器網絡的物理層.ppt  第1張

無線傳感器網絡 物理層:無線傳感器網絡物理層

文章目錄
一、概述1、物理層主要功能2、傳輸介質3、頻率選擇
二、調制解調技術1、模擬調制2、數字調制(1)、B-ary調制(2)、M-ary調制
3、擴頻通信4、UWB通信技術
三、信道特性1、傳播特性2、自由空間3、多徑傳播4、噪聲
四、物理層設計要點

一、概述
物理層主要負責數據的調制、發送、接收,是決定WSN結點體積、功耗、成本的關鍵。

物理層負責傳輸比特流

1、物理層主要功能
物理層的主要功能是為數據終端設備提供傳輸數據的通路、傳輸數據、其他管理工作。包括以下方面:

信源編碼信道編碼:減少無線信道差錯對信源產生的影響交織與調制無線信道傳播信息處理
2、傳輸介質
傳輸層的無線介質主要包括無線電波、紅外線、光波,紅外線雖然不受無線電波干擾且使用不受限制,但其對非透明物體穿透性極差,WSN的主流傳輸方式是無線電波。

3、頻率選擇
在頻率選擇方面,一般選用ISM頻段,其無需注冊公用頻段??紤]到WSN結點小型化、低成本、低功耗的特點,在歐洲使用433MHz頻段,在美國使用915MHz頻段。

二、調制解調技術
相比于傳統無線通信系統,WSN要解決節能和成本問題。常用調制方式:

1、模擬調制
基于正弦波的調制技術主要是對其幅度、頻率、相位的調整,分別稱為:AM、FM、PM。由于模擬調制功耗較大、抗干擾能力弱、靈活性差,正逐步被數字調制替代。

2、數字調制
數字調制是把數字基帶信號以一定方式調制到模擬載波上進行傳輸,從對載波參數的改變上可以分為:ASK、FSK、PSK。

(1)、B-ary調制
ASK
結構簡單易于實現,對帶寬要求小,但抗干擾能力差。FSK
與ASK相比需要更大的帶寬。PSK
復雜但具有較好的抗干擾能力。
(2)、M-ary調制
多進制調制分為多進制振幅調制、多進制頻率調制、多進制相位調制。與二進制相比,多進制調制具有以下特點:

在相同的碼元傳輸速率條件下,M-ary調制的信息傳輸速率是B-ary調制的log2M倍。M-ary調制的電路更復雜,輸入端需要增加2-M轉換器,接收端需要增加M-2轉換器。M-ary調制需要更高的發射功率。在啟動能量消耗較大的系統中,B-ary調制更加有效。M-ary調制的誤碼率通常大于B-ary。
3、擴頻通信
待傳送的信息被偽隨機碼調制,實現頻譜擴展后再傳輸。接收端則采用相同的編碼進行解調,恢復原始指信息數據。用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬。

4、UWB通信技術
UWB通信技術是近年來發展較快的短距離無線通信技術之一。與普通二進制移相鍵控相比,UWB不利用余弦波進行載波調制而發送許多小于1ns的脈沖,其占用帶寬非常之寬。UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號,能在10m左右的范圍內實現數百Mbit/s到數Gbit/s的傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等優勢。

三、信道特性
1、傳播特性
無線信道效應包括:

衰減
隨著信號波在空氣中傳播,信號強度隨之衰減。反射與折射
信號從一種介質進入另一種介質時,一部分彈回稱為反射,另一部分穿過交界面繼續傳播,稱為折射。衍射
當信號波在陡峭的邊緣傳播,陡峭邊緣形成一個波源。散射
信號波遇到粗糙表面時,它會被散射到各個方向。
2、自由空間
Friis公式表明接收功率和發射功率的關系:
接收天線接收功率:

收發天線之間總損耗:

Pt:發射功率
G1:發射天線增益
G2:接收天線增益
Lfs:自由空間傳播損耗
Ls:氣候帶來的損耗

3、多徑傳播
電波在傳輸過程中遇到障礙物,會產生反射、折射、衍射等。因此,到達接收天線的信號可能存在各種波。

4、噪聲
噪聲通俗來講就是干擾,會造成信號失真,嚴重的會使通信無法有效進行。對于噪聲通信信道,最簡單的數學模型是加性噪聲信道。

若果噪聲主要由電子元件和接收放大器引入的,則稱為熱噪聲,在統計學上表征為高斯噪聲,所以該數學模型稱為加性高斯白噪聲信道模型。由于該模型可以廣泛的應用于許多信道,且數學上易于處理,所以是目前通信系統分析和設計中主要應用的信道模型。信道衰減結合進這個模型,接收到的信號為:

a是衰減因子

四、物理層設計要點
物理層的設計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路能量,需要考慮的要點有:

結點的成本要求
結點最大限度的集成化設計,減少分立元件是降低成本的主要手段。結點的功耗要求
要求結點的功耗在幾個uW,主要從以下兩個方面入手:降低收發機電路自身的損耗、調制解調方式的選擇通信速率的要求通信頻段的選擇
當前頻段的選擇大都集中在433-464MHz、902-928MHz、2.4-2.5GHz的ISM頻段。編碼調制方式的選擇物理幀結構
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無線傳感器網絡 物理層:無線傳感器網絡知識點總結

第一章:無線傳感器網絡概述
1.什么是無線傳感器網絡?與無線局域網的區別?例舉三個無線傳感器網絡的例子?
無線傳感器網絡:是一種由傳感器結點構成的網絡,能夠實時監測,感知和采集結點部署區的環境或觀察者感興趣的感知對象的各種信息。
Ad hoc:無線自組織網絡,不需要固定的通信設備作為支撐,各個終端節點能夠自己構建自己的網絡域,動態的實現網絡互聯。
應用:環境的預測與保護,醫療護理,軍事領域,智能家居

2.畫圖描述無線傳感器網絡的體系結構?
三大部分:傳感網絡部分,匯聚節點,管理節點

3.OSI七層協議與無線傳感器網絡五層協議的異同點?按層對比說明?
物理層:大量的WSN網絡節點基于射頻電路
數據鏈路層:訪問控制,差錯控制
網絡層:特殊的多跳無線路由協議,路由算法在設計時需要考慮能耗問題,WSN網絡層的設計以數據為中心
傳輸層:互聯網的TCP協議不適于WSN的傳輸層
應用層:傳感器管理協議,任務分配和數據廣播管理協議,傳感器查詢和數據傳播管理協議

4.為何在無線傳感器網絡的每層協議都需要重點考慮功耗?
在WSN中,傳感器節點大多由能量十分有限的電池供電,并長期在無人值守的狀態下工作,節點個數多,分布區域光,環境復雜

5.設計無線傳感器網絡的物理層,主要考慮哪些關鍵問題?為什么?
傳輸介質,頻率選擇,調制技術
傳輸介質:物理層的傳輸介質包括光纖,無線電波,紅外線,光波等。WSN主流傳輸方式是無線電波,無線電波易于產生,傳播距離遠,穿透性強。
頻率選擇:選用ISM頻段,優點是無需注冊公用頻段,具有大范圍的可選頻段,沒有特定的標準,可以靈活使用。
調制技術:設計以節能和成本為主要標準的調制技術。為了滿足WSN最小化符號率和最大化數據傳輸率的指標,M-ary調制技術被用于WSN。

物理層需要考慮編碼調制方式,通信速率,通信頻段等問題。

6.簡述B-ary和M-ary的各自特點,舉例說明各自適應的應用場景。
M-ary:多進制調制利用多進制數字基帶信號調制載波的振幅,頻率,相位。
與二進制調制相比:
a.M-ary調制系統能夠通過單個符號的發送多位數據來減少發送時間。
b.M-ary調制的電路更為復雜
c.M-ary調制需要更高的發射功率來發送多元信號
d.在啟動能量消耗較大的系統中,二進制調制機制更為有效,多進制調制機制僅僅對啟動能量消耗較低的系統適用。
e.M-ary調制的誤碼率通常大于二進制調制的誤碼率

1.概念,功能,特點
特點:自組織,分布式,節點平等,安全性差
特征:計算能力不高,能量供應不可替代,節點變化性強,大規模
節點功能:a.動態配置,以支持多種網絡功能,b.節點可動態配置成網關,普通節點,c.遠程可編程,以便增加新的功能,d.定位功能,e.支持低功耗的網絡傳輸,f.支持長距離通信
WSN節點結構:

2.分布式特點
3.WSN時效性與實時性區別
無線傳感器網絡要求有較好的實時性

4.常見拓撲結構
5.分層,每層主要功能
6.自組織網,多跳傳輸的特點
多跳傳輸:由于通信范圍和能量節省考慮,節點只能與固定范圍內的節點交換數據,因此要訪問鄰居節點以外的節點或者要將數據傳送到外部網絡,必須采用多跳傳輸。

第二章物理層
1.主流傳輸方式,介質,特點
WSN物理層主流傳輸是無線電波,無線電波易于產生,傳播距離遠,穿透性強,通信無特殊限制
2.涉及的調制編碼技術,區別于傳統
M-ary多進制調制運用于WSN物理層調制。多進制調制通過單個符號發送多位數據得方法減少了發射時間,降低了發射功耗。

3.物理層主要功能,協議,解決問題
OSI物理層:物理層為建立,維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接,提供機械的,電氣的,功能的和鬼城性的特性。
WSN物理層:向下直接與物理傳輸介質相連,主要負責數據的調制,發送與接收,是決定WSN節點體積,成本以及功耗的關鍵環節
主要功能:a.為數據終端設備提供傳送數據的通路,b.傳輸數據,c.其他管理工作,如信道評估,能量檢測。

4.無線電波使用頻段的限制,原因
單信道無線傳感器網絡節點基本上都采用ISM波段

第三章:無線傳感器網絡數據鏈路層
1.無線傳感器網絡數據鏈路層的功能?
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,保證鏈路的可靠性。同時數據鏈路層也向網絡層提供透明可靠的數據傳送服務,負責數據流多路復用,數據幀監測,媒體訪問和差錯控制,保證WSN內點到點以及點到多點的連接。
MAC層協議的分類:
按節點接入方式劃分:偵聽,喚醒,調度MAC協議
按信道占用數劃分:單信道,雙信道,多信道MAC協議
按分配信道方式劃分:固定接入,隨機接入。其中競爭MAC協議都屬于隨機接入協議

MAC協議多余能量的消耗方面:碰撞,持續偵聽,控制開銷三方面浪費大量能量。

MAC層的關鍵性問題:
a.能量效率問題:降低能耗的主要方法是進行節點睡眠調度,減小協議的復雜度
b.可擴展性:網絡的節點分布結構會動態的變化,MAC層協議必須具備可擴展性
c.公平性:每個節點有相同的訪問信道的權利;每個節點的能量保持大概的平衡,從而延長整個網絡的壽命
d.信道共享問題:因為WSN采用多跳共享方式,所以信道上數據會產生沖突和串擾(節點接收了大量沒用信息)

2.無線傳感器網絡數據鏈路層常見的協議有哪幾種?各自的特點?各自適應的應用場景?
2.1基于競爭的協議:S-MAC協議,T-MAC協議
2.1.1S-MAC協議機制:
a.節點工作模式分為偵聽和睡眠狀態
b.通過協商的一致性睡眠調度機制讓相鄰節點在相同時間活動,相同時間睡眠,從而形成虛擬簇
c.通過突發傳遞和消息分割機制來減少消息的傳輸時延和控制消息的開銷
d.通過流量自適應的偵聽機制,減少網絡延時在傳輸過程中的累加效應

2.2基于分配的協議:SMACS協議,TRAMA協議,
2.3混合型MAC協議:
2.4跨層MAC協議
1.面向沖突,面向競爭的協議
2.基于競爭的協議,有圖的協議
3.WSN協議結構模型,畫圖

第四章:無線傳感器網絡的網絡層
1.無線傳感器網絡的網絡層的主要功能?與OSI七層協議的網絡層的不同點。
功能:
a.路由的選擇,尋找一條從源結點到目的節點的最優路徑
b.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
不同點:
傳統無線路由協議主要目的是減小網絡擁塞,保持網絡的數據交換,提供高質量的網絡服務
無線傳感器的特征:
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

2.無線傳感器網絡的網絡層協議面臨的問題?
最優路徑選擇,安全性,Qos保證,能量高效利用和均衡
節能,高擴展性,容錯性,數據融合技術,通信量分布不均勻

3.無線傳感器網絡的網絡層協議可以分為哪幾種?
基于數據的路由協議,基于集群的路由協議,基于地理位置的路由協議

基于數據的路由協議:能夠對感知的數據按照屬性命名,對相同屬性的數據在傳輸過程中進行融合操作,減少網絡中冗余數據的傳輸
基于集群的路由協議:考慮路由算法的可擴展性,分層的路由協議
基于地理位置的路由協議:利用節點的地理位置來改變以有的路由算法

4.對比WSN各種路由協議的特點和異同點。
5.泛洪協議的最主要優點和缺點?
優點:向節點廣播,直至數據到達目的地才停止
缺點:內爆和重疊,浪費了大量能量

6.什么是基于數據的路由協議?舉例有哪幾種?
SPIN路由算法(基于協商的路由算法)
DD路由算法(定向擴散路由算法)

7.什么是基于集群的路由協議?舉例有哪幾種?
分層的路由協議
LEACH路由協議:
TEEN協議:

8.什么是基于地理位置的路由協議?舉例有哪幾種?
利用位置數據,確定自己的路由協議,提高網絡性能
GAF路由算法:使用地理位置協助改進其余路由算法,以用來約束網絡中的路由搜索區域,減少網絡不必要的開銷.
GEAR算法:利用地理位置來實現自己的路由策略

9.什么是“洞現象”,舉例說明如何減少洞造成的節點死亡?
洞:某個節點的周圍沒有任何鄰居節點比它到事件區域的路徑所耗費的路徑代價更大
解決方法:出現洞現象時,選取臨界點中代價最小的節點作為下一跳節點

1.路由,路由維護,路由選擇
2.路由協議有哪幾類,區分

無線傳感器網絡路由協議的特點:
a.高效,均衡的利用好能量
b.協議精簡,無復雜算法,無大容量冗余數據需要存儲,控制開銷小
c.網絡的互連通過sink節點來完成,其余節點不提供網外通信
d.網絡無中心節點,多采用基于數據或基于位置的路由算法機制
e.由于節點的移動或者失效,一般采用多路徑備選

第五章:無線傳感器網絡的傳輸層
1.WSN的傳輸層協議特點
降低傳輸層協議的能耗,進行有效的擁塞控制,保證網絡的可靠性.

2.能否把TCP協議用于WSN,他們之間的關系
不能
a.TCP協議提供端到端的可靠信息傳輸,中間轉發節點沒有數據處理能力.而WSN要求節點能處理數據
b.TCP三次握手機制,時間長過程復雜.而WSN動態性強,實時性要求高,TCP沒有相應的處理機制
c.TCP可靠性要求高,而WSN有一定的數據包丟失或刪除
d.TCP協議中的ACK反饋機制時延高,能量消耗大,不適合WSN
e.TCP每個節點都有IP,在WSN中不現實

第六章:通信標準
1.Zigbee,IEEE802.15.4,藍牙之間的聯系,概念,特點
IEEE 802.15.4標準是一種低速率、近距離無線通信標準

1)在不同的載波頻率下實現了20Kbps、40kbps,100kbps和250kbps四種不同的傳輸頻率;
2支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構;
3)有16位和64位兩種地址格式,其中64位地址是全球唯一的擴展地址;
4)支持沖突避免的載波多路偵聽技術;
5)支持確認(ACK)機制,保證傳輸可靠性。

LR-WPAN網絡中,根據設備所具有的通信能力分為:全功能設備(FFD)、精簡功能設備(RFD)

IEEE802.15.4物理層數據服務包括以下五方面的功能:
(1)激活和休眠射頻收發器
(2)物理信道能量檢測
(3)檢測接收數據包的鏈路質量指示
(4)空閑信道評估
(5)收發數據
(6) 物理層屬性參數的獲取與設置

MAC層功能
1)協調器產生并發送信標幀,普通設備根據協調器的信標幀與協調器同步;
2)支持PAN(個人域網)網絡的關聯和取消關聯的操作;
3)支持無線信道的通信安全;
4)使用CSMA/CA機制訪問信道;
5)支持時隙保障(GTS)機制;
6)支持不同設備的MAC層間可靠傳輸。

Zigbee協議簡介
相對常見的無線通信標準,比較緊湊、簡單??煞譃?個層次:物理層/數據鏈路層,Zigbee堆棧層和應用層。

ZigBee協議主要特征
省電 可靠 廉價 短時延 大網絡容量 安全

Zigbee網絡層功能
網絡層在MAC層與應用層之間提供合適的接口,通過激發MAC層動作執行尋址和路由功能。主要任務包括:
a.網絡的建立
b.設備的加入
c.設備段地址的分配
d.設備的離開
e.鄰居列表的維護

Zigbee網絡層包括網絡層數據實體和網絡層管理實體

Zigbee應用層:由應用支持子層(APS)、應用框架(AF)、Zigbee設備對象(ZDO)
Zigbee設備:協調器、路由器、終端設備

藍牙:
短距離通信,10m內
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,采用時分雙工傳輸方案

第七章:時間同步技術
1.什么是無線傳感器網絡的時間同步?與傳統計算機網絡的時間同步有何不同?
時間同步:使網絡中所有節點的本地時間保持一致
時間同步的三種情況:判斷事件發生的先后順序,相對同步,絕對同步
時間同步的參考時間來源分:外同步和內同步
計數方式:硬件計數(晶振),軟件計數
時鐘偏移:本地時間與真實時間的差值,用來描述計數的準確度
時鐘漂移:本地時間變化率與1的差值,反映時鐘計數的穩定性

不同點:
現有傳統網絡的時間同步機制關心的是怎樣使同步誤差更小,不關心節點的計算復雜程度,通信的安全保障和能耗問題,NTP和GPS時間同步技術不適用于無線傳感器網絡。

2.時間同步的方法有哪些?哪些適合無線傳感器網絡?為什么?
DMTS同步:考慮報文的傳輸延遲,在設置本地時間時,報文中嵌入的時間加上傳輸延遲即節點的本地時間。算法簡單靈活,網絡流量小,能耗小,但沒考慮傳播延遲,編解碼影響,同步精度不高。

RBS同步:消除發送時間和訪問時間所造成的傳輸時間誤差,從而提高同步精度。接收節點只需要比較接收節點接收報文的時間誤差。但網絡開銷大。

TPSN同步:雙向報文交換協議,層次型網絡結構。分為層次發現階段和時間同步兩個階段。消除了訪問時間帶來的時間同步時延,提高了時間同步的精度,協議的同步開銷比較大。

FTSP算法:使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。

3.無線傳感器網絡時間同步的關鍵技術問題有哪些?
傳輸延遲不可預測,高能效,可擴展,健壯

4.列表比較時間同步技術的特點及優缺點?
精度:FTSP>RBS>TPSN
收斂性:TPSN收斂時間較長,RBS和FTSP收斂時間較短
擴展性:TPSN擴展性最差
魯棒性:RBS>FTSP>TPSN
能耗方面:RBS能耗較大,TPSN相對較小,FTSP最小

5.新型時間同步技術:
協作同步:遠方節點直接接收到時間基準節點的同步脈沖,中間節點只是起協調作用
螢火蟲同步:Pekin模型和M&S模型。優點
a.同步可直接在物理層而不需要以報文的方式實現
b.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,因此擴展性強
c.機制簡單,不需要對其他節點的時間信息進行存儲

1.時間同步類型
2.解決的主要問題
3.TPSN,RBS協議,有圖的協議

第八章:無線傳感器網絡結點定位技術
1.什么是無線傳感器網絡的定位技術?與傳統定位技術有何不同點?
無線傳感器網絡定位:依靠網絡中少量的位置已知的節點,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。

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

2.定位的方法有哪些?哪些適合無線傳感器網絡?為什么?
三邊定位法:
角度定位法:
3.無線傳感器網絡定位的關鍵技術有哪些?
4.列表比較定位技術的特點和優缺點?

1.類型區分
2.定位的基本原理

測量兩點之間的距離:
a.根據接收信號的強度來計算距離
b.根據信號傳播時間(TOA)或者時間差來計算距離(TDOA)
c.根據接收信號相位差定位
傳感器網絡定位算法特點:
自組織性,健壯性,節能性,分布式,可擴展性

第九章:容錯設計技術
1.什么是容錯?無線傳感器網絡容錯的重要性?
容錯:當由于種種原因在系統中出現了數據,文件損壞或丟失時,系統能夠將這些文件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。

2.什么是失效,故障,差錯?
失效:設備停止工作,不能夠完成所要求的功能
故障:設備還能工作,但不能夠按照系統要求工作,得不到應有功能
差錯:設備出現了不正常的操作步驟或結果

3.故障模型有哪幾種?
故障避免,故障檢測,故障隔離,故障修復

4.無線傳感器網絡的可靠性主要體現在哪幾方面?分別如何實現可靠性?
事件的可靠性,數據包的可靠性

5.基于空間相關性的故障診斷有哪三種策略?各自特征是什么?
空間相關性: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
a.多數投票策略:通過與鄰居節點測量值進行比較,根據鄰居節點在誤差范圍內的個數。
b.均值策略:計算鄰居測量值的平均值,判斷自己是否正確。
c.中值策略:利用鄰居測量值的中值與自己的測量值進行比較

WSN故障層級:部件級,節點級,網絡級

第十章服務質量QOS
6.什么是QOS?無線傳感器網絡的QOS需求有哪些?
含義:
應用角度:QOS代表用戶對于網絡所提供服務的滿意程度
網絡角度:QOS代表網絡向用戶所提供的業務參數指標
需求:可用性,吞吐量,時延,時延變化,丟包率

7.舉例說明WSN的QOS在各個協議層是如何實現的?
應用層QOS:系統生命周期,查詢響應時間,事件檢測成功率,查詢結果數據的事件空間分辨率,數據可靠性,數據新穎度。
數據管理層QOS:傳感器節點相互合作,實現高效的信息采集和分發策略。資源自適應信息采集算法RAIG
數據傳輸層QOS:PSFQ(快吸慢取得方式,可靠得數據傳輸協議價),ESRT協議(新穎的數據傳輸方法)
網絡層QOS:路由協議通過將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點
連通層QOS:保證網絡的感知覆蓋度和連通度
MAC層QOS:提出基于沖突和載波監聽的MAC協議,目標是最大化系統量,并未提供實時性保證。
交叉層QOS:保障實時性和容錯性的傳感器網絡中間件

8.什么是感知QOS?
感知QOS:WSN中傳感器節點對檢測區域的感應,監控的效果

9.簡述比較典型的WSN中使用的感知QOS算法與協議的特點和區別?
a.基于網格的覆蓋定位傳感器配置算法:
b.輪換活躍/休眠節點的覆蓋協議:
c.最壞與最佳情況覆蓋:
d.暴露穿越
e.圓周覆蓋
f.連通傳感器覆蓋

10.傳輸QOS主要解決的問題是什么?
可靠數據傳輸和擁賽控制

1.失效,故障,差錯概念區分
2.QOS含義和功能

第十一章:網絡管理
網絡管理:對網絡的運行狀態進行監測和控制
1.哪幾種,怎么區分
集中式網絡管理:依賴于少量的中心控制管理站
層次式網絡管理:設置若干個中間控制管理站點
分布式網絡管理:網絡具有多個控制管理站點,每個管理站點都管理各自的子網

網絡管理技術:
a.基于web的網絡管理技術
b.基于策略的網絡管理
c.基于智能agent技術的網絡管理
d.基于XML的網絡管理
e.基于web service的網絡管理

網絡管理的關鍵問題:
a.高效的通信機制
b.輕量型的結構
c.智能自組織的機制
d.安全穩定的環境

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無線傳感器網絡 物理層:智能網絡傳感器與無線傳感器網絡

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智能網絡傳感器與無線傳感器網絡
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《智能網絡傳感器與無線傳感器網絡》是2011年1月由國防工業出版社出版的圖書,作者是景博。
書 名
智能網絡傳感器與無線傳感器網絡
作 者
景博
出版社
國防工業出版社
出版時間
2011年1月1日
目錄
1
圖書信息
2
內容簡介
3
圖書目錄
智能網絡傳感器與無線傳感器網絡圖書信息
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書 名:智能網絡傳感器與無線傳感器網絡作 者:頁 數:415字 數:印刷時間:2011-1-1開 本:16開I S B N:
智能網絡傳感器與無線傳感器網絡內容簡介
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本書全面、系統地介紹了網絡傳感器與無線傳感器網絡,包括:基于以太網的智能網絡傳感器系統、無線智能網絡傳感器、無線傳感器網絡拓撲結構、組網協議,應用支撐關鍵技術,原型系統與應用實例。本書內容豐富、條理清晰。既注重對基礎知識的介紹,又緊密結合領域現狀與發展趨勢的講解。
智能網絡傳感器與無線傳感器網絡圖書目錄
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第1篇 智能網絡傳感器技術第1章 智能網絡傳感器系統……21.1 傳感器技術發展概述……21.2 智能網絡傳感器概述……31.2.1 智能網絡傳感器概念與原理……31.2.2 智能網絡傳感器實現途徑……41.2.3 有線智能網絡傳感器……61.2.4 無線智能網絡傳感器……81.3 智能網絡傳感器系統體系結構……141.3.1 基于IEEE1451.2標準的智能網絡傳感器體系結構……141.3.2 基于TCP/IP協議的智能網絡傳感器體系結構……151.4 智能網絡傳感器系統發展趨勢……17第2章 基于以太網的智能網絡傳感器系統……182.1 基于以太網的智能網絡傳感器系統概述……182.2 以太網協議標準與TCP/IP協議?!?92.2.1 工業以太網協議……192.2.2 以太網協議……212.2.3 以太網協議與TCP/IP協議棧的關系……222.2.4 嵌入式以太網技術的優勢……252.3 基于以太網的智能網絡傳感器硬件結構……252.3.1 硬件平臺通用總體結構……252.3.2 存儲設備……262.4 基于以太網的智能網絡傳感器軟件結構……292.4.1 硬件模塊驅動程序設計……302.4.2 嵌入式操作系統……322.4.3 嵌入式TCP/IP協議?!?3參考文獻……35第3章 無線智能網絡傳感器……363.1 無線智能網絡傳感器構成……363.1.1 微處理器與存儲模塊……363.1.2 電源模塊……393.1.3 傳感器模塊……393.1.4 無線通信模塊……403.2 無線智能網絡傳感器實例……423.2.1 智能灰塵……423.2.2 Mica系列節點……453.2.3 GAINS節點……463.2.4 SIA-MS-1.0節點……483.2.5 WMNMCS ……493.3 無線智能網絡傳感器天線設計……513.3.1 天線類型選擇……513.3.2 天線特性……533.3.3 鞭狀天線……543.3.4 PCB微帶環形天線……553.4 無線智能網絡傳感器研究中的若干問題……57參考文獻……58第2篇 無線傳感器網絡體系結構與拓撲結構第4章 無線傳感器網絡概述……604.1 無線傳感器網絡的概念、特點及應用……604.1.1 無線傳感器網絡的概念……604.1.2 無線傳感器網絡的特點……624.1.3 無線傳感器網絡的應用……644.2 無線傳感器網絡與現有網絡比較……684.2.1 無線傳感器網絡與現場總線的區別……694.2.2 無線傳感器網絡與無線自組織網絡的區別……694.2.3 無線傳感器網絡與無線自組織網絡的共性……704.3 無線傳感器網絡關鍵技術及研究進展……714.3.1 無線傳感器網絡關鍵技術……714.3.2 無線傳感器網絡國外研究進展……734.3.3 無線傳感器網絡國內研究進展……774.4 無線傳感器網絡研究新動態及發展趨勢……79參考文獻……81第5章 無線傳感器網絡體系結構與拓撲結構……825.1 無線傳感器網絡體系結構……825.1.1 應用需求與應用模式……825.1.2 無線傳感器網絡功能結構、邏輯結構及典型體系結構……845.1.3 網絡節點體系結構……875.1.4 層次化網絡結構……905.2 無線傳感器網絡拓撲結構及控制……985.2.1 拓撲結構分類及拓撲發現……985.2.2 無線傳感器網絡拓撲控制……1035.2.3 無線傳感器網絡拓撲控制算法……104參考文獻……115第6章 無線傳感器網絡覆蓋與連通……1176.1 無線傳感器網絡覆蓋與連通問題概述……1176.1.1 網絡覆蓋問題概述……1186.1.2 網絡連通問題概述……1206.1.3 覆蓋與連通基本理論……1206.1.4 網絡連通可靠性……1226.2 無線傳感器網絡覆蓋與連通模型……1256.2.1 覆蓋與連通模型……1256.2.2 網絡節點數目計算……1286.2.3 覆蓋率計算……1296.3 最優分簇數目……1306.3.1 節點能耗模型與基本假設……1306.3.2 簇頭聚集能力不受限時的最優分簇數目……1316.3.3 簇頭聚集能力受限時的最優分簇數目……133參考文獻……134
[1]
第3篇 無線傳感器網絡組網協議第7章 無線傳感器網絡物理層協議……1387.1 物理層概述……1387.2 物理層主要技術……1397.2.1 通信介質及頻段……1407.2.2 調制與解調技術……1407.2.3 擴頻技術……1467.3 無線傳感器網絡物理層協議研究現狀……1507.3.1 介質和頻段選擇研究……1507.3.2 休眠機制……1517.3.3 調制和擴頻機制……1527.4 物理層面臨的挑戰與有待解決的問題……1567.4.1 物理層面臨的挑戰……1567.4.2 物理層有待解決的問題……157參考文獻……159第8章 無線傳感器網絡MAC協議……1608.1 無線傳感器網絡MAC協議概述……1608.2 典型MAC協議分析……1618.2.1 多收發器式MAC協議……1628.2.2 調度式MAC協議……1638.2.3 非調度式MAC協議……1658.2.4 混合式MAC協議……1678.2.5 基于跨層設計的MAC協議……1678.2.6 典型MAC協議性能比較……1688.3 無線傳感器網絡MAC協議設計策略……1698.4 基于動態非等分時隙的MAC協議……1708.4.1 ASVMAC協議相關定義……1708.4.2 ASVMAC協議總體描述……1718.4.3 非等分時隙協議設計與選舉算法……1718.4.4 ASVMAC協議能耗有效性分析……175參考文獻……176第9章 無線傳感器網絡路由協議……1789.1 路由協議概述……1789.2 路由協議分類……1799.3 路由協議研究現狀……1819.3.1 典型路由協議原理……1819.3.2 路由協議性能比較……1879.3.3 路由協議的設計原則……1909.4 基于優先級的PMRP多徑路由算法……1909.4.1 PMRP多徑路由算法原理……1919.4.2 PMRP算法仿真……1939.5 基于動態負載均衡樹的DLBTP路由算法……194
[1]
9.5.1 DLBTP路由算法原理……1979.5.2 DLBTP路由算法仿真……2009.6 無尺度混合跳分層路由協議……2029.6.1 網絡分層路由的數學模型……2029.6.2 FSSMH路由協議相關闡述……2039.6.3 FSSMH路由協議設計……2049.6.4 FSSMH路由協議仿真試驗與性能評價……2079.7 路由協議面臨的挑戰與有待解決的問題……2109.7.1 路由協議面臨的挑戰……2109.7.2 路由協議有待解決的問題……211參考文獻……212第4篇 無線傳感器應用支撐與關鍵技術第10章 無線傳感器網絡時鐘同步…….1 時鐘同步概述…….1.1 時鐘模型…….1.2 時鐘同步算法執行周期…….1.3 時鐘同步評價指標…….2 傳統網絡時鐘同步算法…….3 典型時鐘同步算法…….3.1 額外硬件支持的時鐘同步…….3.2 單向廣播式時鐘同步算法…….3.3 雙向成對時鐘同步…….3.4 基于鎖相環的時間同步機制與算法…….3.5 同步算法性能比較…….4 時鐘同步研究展望……227參考文獻……227第11章 無線傳感器網絡節點定位…….1 節點定位概述…….2 典型定位方法…….2.1 基于距離的定位算法…….2.2 非基于距離的定位算法…….3 基于時間差的節點定位方法…….3.1 網絡模型與定位算法…….3.2 定位誤差分析…….3.3 定位試驗…….4 節點定位過程中的安全問題…….4.1 攻擊樣式…….4.2 安全定位系統及算法……243參考文獻……245第12章 無線傳感器網絡接入技術…….1 接入技術概述…….2 接入方式研究現狀…….2.1 代理接入方式…….2.2 直接接入方式…….3 無線傳感器網絡接入因特網…….3.1 網絡互聯結構…….3.2 基于嵌入式Web服務器的互聯結構…….4 Sink的多接入模式…….5 Sink節點接入以太網通信傳輸協議研究…….5.1 嵌入式TCP/IP協議棧μLwIP的設計…….5.2 μLwIP層次協議設計……257
[1]
12.5.3 μLwIP的Sink節點嵌入與移植…….5.4 嵌入式Web服務器的實現…….5.5 Sink節點動態網頁和本地文件讀寫與保存的中間件…….6 無線傳感器網絡接入網格…….6.1 相關研究工作及關鍵技術…….6.2 無線傳感器網絡接入網格的結合框架……271參考文獻……275第13章 無線傳感器網絡QoS技術…….1 無線傳感器網絡QoS概述…….1.1 傳統數據網絡QoS技術…….1.2 AdHoc網絡QoS技術…….1.3 無線傳感器網絡QoS需求…….1.4 無線傳感器網絡QoS特點…….1.5 無線傳感器網絡QoS研究現狀…….2 無線傳感器網絡QoS關鍵技術…….2.1 能源管理…….2.2 覆蓋控制…….2.3 數據融合…….2.4 擁塞控制…….3 無線傳感器網絡QoS評價指標…….4 無線傳感器網絡QoS路由協議…….5 基于跨層設計的QoS保障機制…….5.1 無線傳感器網絡基于QoS的總體框架…….5.2 無線傳感器網絡QoS需求的權衡關系…….5.3 基于QoS保證的跨層設計…….6 其他QoS保障機制…….6.1 基于中間件的主動QoS機制…….6.2 QoS動態資源管理方式…….6.3 確保實時業務的QoS方法…….7 無線傳感器網絡QoS研究面臨的挑戰……295參考文獻……296第14章 無線傳感器網絡安全技術…….1 無線傳感器網絡安全概述…….1.1 網絡安全需求…….1.2 網絡安全問題特點…….1.3 安全問題研究現狀…….1.4 安全問題研究的挑戰…….2 安全問題策略分析…….2.1 物理層安全問題…….2.2 鏈路層安全問題…….2.3 網絡層與數據融合層安全問題…….2.4 傳輸層與應用層安全問題…….3 無線傳感器網絡認證機制…….3.1 信息安全威脅與認證目標…….3.2 基本認證協議…….3.3 雙向認證和廣播認證協議…….3.4 高級認證協議…….4 無線傳感器網絡密鑰管理機制…….4.1 密鑰管理基礎…….4.2 密鑰管理模型…….5 網絡入侵檢測技術…….5.1 入侵檢測需求…….5.2 入侵檢測基礎…….5.3 幾種入侵檢測方案…….5.4 入侵檢測研究方向…….6 基于比較的多源網絡簇節點故障判定算法…….6.1 節點故障判定系統模型…….6.2 網絡簇節點故障判定模型…….6.3 故障判定模型評價標準…….6.4 網絡節點判定處理過程…….6.5 仿真試驗與性能分析……330參考文獻……332第5篇 無線傳感器原型系統與應用實例第15章 無線傳感器網絡節點平臺開發實例…….1 網絡節點低功耗設計策略…….1.1 微控制器模塊低功耗設計……336
[1]
15.1.2 無線通信低功耗設計…….2 傳感器節點模塊設計…….2.1 微處理器模塊設計…….2.2 無線通信模塊設計…….2.3 傳感節點軟件設計…….3 Sink節點的特殊性設計…….3.1 處理模塊設計…….3.2 以太網互聯模塊設計…….3.3 無線通信軟件設計…….3.4 電源模塊設計…….4 網絡節點系統實現與功耗測試…….4.1 節點系統實現…….4.2 傳感節點功耗測試……356參考文獻……357第16章 無線傳感器網絡原型驗證系統…….1 智能監測原型系統體系結構…….2 原型系統模塊構成與功能描述…….3 組網算法設計…….3.1 網絡協議低功耗設計策略…….3.2 物理層數據傳輸協議設計…….3.3 數據融合算法設計…….4 監測系統應用軟件設計…….5 基于電源實驗臺的無線傳感器網絡功能測試床…….5.1 測試床場景…….5.2 功能性試驗與結論…….6 可靠性測試設備整體性能監測…….6.1 監測需求分析…….6.2 傳感器節點數據采集硬軟件設計…….6.3 監測系統體系結構描述…….6.4 監測系統性能測試與運行結果分析……375參考文獻……378第17章 無線傳感器網絡模擬器…….1 常用模擬器原理及特點…….1.1 無線網絡模擬器…….1.2 無線傳感器網絡模擬器…….1.3 無線傳感器網絡后臺軟件…….2 分簇型無線傳感器網絡模擬器CWSNS的設計與實現…….2.1 CWSNS的結構與原理…….2.2 典型類的設計…….2.3 類的相互關系…….3 CWSNS仿真流程及仿真實例…….3.1 CWSNS仿真流程…….3.2 仿真實例……393參考文獻……395第18章 無線傳感器網絡應用實例…….1 軍事應用…….2 國家安全…….3 工業領域…….3.1 工業安全…….3.2 先進制造…….3.3 交通控制管理…….3.4 安防系統…….3.5 倉儲物流管理…….4 農業領域…….5 其他領域的典型應用……404
[1]
B
詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.

內容
.國防工業出版社[引用日期2016-12-28]

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