NUAA无线传感器网络 复习重点整理

(217) 2024-03-27 07:01:01

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授课老师:郝洁老师
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在cdsn博主:Matts Tian 基础上修改、添加
Matts Tian

体系结构

什么是无线传感器网络?

无线传感器网络(Wireless sensor networks)是由大量静止/移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络,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。
现代信息技术的三大基础技术:传感器技术、计算机技术和通信技术

书:具有无线射频通信能力的微型传感器,这些传感器可以组成一个无线网络,即无线传感器网络


传感器网络的节点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?

感知模块(传感芯片+数模转换)、处理模块(微控制器+内存)、通信模块(无线射频收发器)和电源模块
功能:
感知模块
由一个或多个传感器以及模数转换器组成。传感器负责感知监测目标的物理特征和现象,并产生相应的模拟信号。
– 感知声、光、电、震动、磁、气体等信号
(模数转换器负责将模拟信号转换为数字信号,并将数字信号送往处理模块进行处理)
处理模块
由一个微控制器及相应的内存组成,负责对数据进行处理、滤波、决策、执行、资源分配等判断,并对传感器节点进行控制
通信模块
由数模转换器和无线收发送器(Zigbee, WiFi, GPRS,短波等)组成,负责发送和接收数据和控制信息
电源模块:负责节点的供电(电池供电或从自然界采集能量)
其他模块:
位置模块:节点可以配置全球定位系统(Global Positioning System, GPS)或北斗定位系统接收器
移动模块:在某些需要移动传感器节点的应用中,可以配置马达来驱动传感器节点
额外补充
传感器节点的能量消耗主要在哪些模块?
感知模块(采集数据)、处理模块(CPU运转)、通信模块(数据收发、空闲侦听),其中通信模块能耗最大。


传感器网络的特征有哪些?

节点特征:(节点四大受限)
能量受限:使用电池供电,因需要维持数年生命周期所以需要节能。
通信能力受限:使用 ISM 频段,带宽资源十分有限,不能支持很高的数据率。
计算能力受限:传感器节点需要满足低成本、低功耗的要求,这就意味着节点计算能力受限。
存储能力受限:传感器节点需要满足低成本的要求,这就意味着存储空间有限,不能使用像 Windows、Android 这样的操作系统。
组网特征
– 大规模
– 自组织
– 拓扑动态性
– 可能存在异构传感器
– 需要数据融合等技术
– 应用相关性强
– 任务/事件驱动,以数据为中心
– 对可靠性和鲁棒性有要求
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为什么WSN通常采用多跳通信方式?

与信号传播模型有关
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WSN有哪些资源上的限制?(怎么设计WSN以避免?)

通信:数据压缩、调制技术选择、因使用 ISM 频段而无法适应高速率的通信方式。
能量:物理层适当提高数据发送速率(实际上发送速率越高,能耗越低)、休眠、路由选择、传输时尽量减少丢包、时间同步考虑节能。
存储:不能使用复杂的操作系统、数据包不能太大、数据压缩。
计算:不使用复杂的路由协议。


WSN五层协议的功能是什么?

物理层:通过编码/调制/扩频和其他无线通信模块将数据转换为无线信号。
链路层:负责一跳距离内相邻节点的信道共享、睡眠问题,保障在节点间公平有效地共享通信资源。
网络层:解决寻路、逐跳转发数据的问题。
传输层:负责端到端的数据流传输,具有可靠传输和拥塞控制机制。
应用层:负责任务调度和数据分发等具体业务,使得底层硬件和软件对传感应用是透明的。


MAC和路由:

目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型?它们各有什么特点?

电磁波:无线电波、微波、红外线、光波
声波:水下传感网
常用的有无线电波、红外线和光波
光波
优点:无需注册 速度快
缺点:LoS传输 穿透能力差 干扰 光感设备比较昂贵
红外线
优点:无须注册 并且抗干扰能力强。
缺点:穿透能力差 LoS传输 。
无线电波
无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率,则它能轻易地通过障碍物,但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小。如果采用高频传输,则它趋于直线传播,且受障碍物阻挡的影响。
优点:传播距离远、穿透性强、全向天线
缺点:干扰、衰落、不可靠链路;由于无线电波的传输距离较远,无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰;
用户之间的相互串扰也是需要关注的问题,无线频率管制方面的使用授权规定


为什么MAC和路由设计中能量是需要考虑的重要因素?

传感器节点能量受限,使用电池供电,因需要维持数年生命周期所以需要节能。


当前传感器网络的无线通信主要选择哪些频段?

通常人们选择“工业、科学和医疗”(Industrial,Scientific and Medical, ISM)频段。
应用这些频段无需许可证或费用,只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。
优点:自由频段,无须注册,可选频谱范围大,实现起来灵活方便。
缺点:功率受限,另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。


设计基于竞争/分配的MAC协议的基本思想是什么?其优缺点各是什么?

------------------基于竞争------------------S-MAC、T-MAC
基本思想:允许多个节点同时访问信道,发送时主动抢占,CSMA方式,按需分配。
优点:网络流量和规模变化自适应,网络拓扑变化自适应,算法较简单。
缺点:无法避免冲突,引入RTS/CTS开销,不适合流量较大的网络。
------------------基于分配------------------ TRAMA
基本思想:与TDMA类似,将时间分为固定长度的时隙slot,给每个节点分配时隙避免冲突,使得每个节点都有机会访问介质。
优点:无冲突,无隐藏终端问题,易于节点休眠。
缺点:时间同步不易实现,网络动态性、多跳给时隙分配带来困难,分配算法较为复杂,可扩展性较差。


基于分配的MAC协议在WSN中存在哪些设计难点?

1) 节点间高精度的时钟同步不容易实现
2) 无线传感器网络的动态性,包括节点的增加、失效和移动,使得有效的时隙分配比较困难。
3) 在多跳无线传感器网络中分配时隙较为困难。
4) 调度中存在的复杂性和较差的扩展性使得网络性能明显降低。


叙述无线传感器网络S-MAC,T-MAC协议的主要特点和实现机制。

S-MAC

前提条件:网络数据量较小、对数据投递延迟不敏感、网络节点间联合完成数据投递任务。
基本思想:节点周期性睡眠和侦听;采用同步的睡眠调度(虚拟簇)
自适应的侦听机制,减少数据的投递延迟
带内信令(Inband signaling)来减少重传和避免监听不必要的数据
长消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟
周期性休眠/监听:每个周期内,节点有侦听和休眠两种状态。相邻节点之间协商,以保持同步侦听、同步休眠(即:同醒同睡)。相邻节点同步调度,形成虚拟簇。协议效果:节点能耗降低,数据投递延迟增加。
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冲突和串音避免:对于冲突,采用与802.11类似的CSMA/CA和RTS/CTS握手机制来尽量避免,能够解决隐藏终端的问题。对于串音,采用虚拟载波监听机制,根据数据帧的特殊字段(告知休眠多久)让每个与此次通信无关的邻居节点进入休眠状态,这样发送和接收节点处于独享信道的状态。
自适应监听:在一次通信过程中,通信节点的邻居节点在此次通信结束后保持苏醒并监听信道一段时间。如果监听节点在这段时间内接收到发给自己的RTS控制帧,则可以立即接收数据,而不需要等到下一个监听周期,从而减少了数据投递延迟。
长消息分割传送:将一个长的数据块切分成若干个短的数据包进行传输,仅使用一个RTS消息和一个CTS消息为上述所有短数据包预约信道。每个短数据包都有独立的链路层ACK保障其传输成功。这样做降低了单个数据包的差错率,降低了控制开销,减小了消息延时。
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SMAC协议存在的问题:
引入睡眠延时:发送节点必须等待接收节点醒来采能建立通信链路。
节点的侦听和休眠周期是固定的
侦听和休眠的时间长度与网络负载的大小和具体应用的需求有关

 如果每个周期的侦听时长适应“峰值负载”要求,则休眠的时间会过短;
 如果针对平均负载情况设置“侦听时段”的长度,则有时会造成过大的消息投递延迟。
 为了同时满足投递迟延和动态负载的需求,侦听时长的选择应根据网络当前负载情况来设置


T-MAC

基本思想:SMAC协议调度占空比固定,不能很好的适应网络流量的变化
动态调整调度周期中的侦听时段的长度
如果一个节点“TA”时间内没有侦听到信道激活事件,则进入睡眠状态
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关键技术
周期性监听同步
 延用SMAC协议思想,周期性广播SYNC帧
 固定周期调度后“全监听周期”,以发现邻居
RTS操作和TA的选择
TA > “竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间”
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图中,TA设置的理由:节点C有话向节点B说,但由于节点B正接收A的RTS消息,必须等接收RTS完了之后,节点C听到B向A返回的CTS,才能明白B要接收数据了,C在之后才能向B发送CTS。


叙述无线传感器网络B-MAC的主要特点和实现机制。

基本思想、主要特征:
Low Power Listening (LPL) 采用preamble预约信道
Clear Channel Assessment (CCA):信道采样5次
LPL:
• 每个节点异步、周期性的睡眠和醒来侦听信道
• 有数据发送时则发起preamble预约信道,并在preamble结束后发送数据
• 接收节点听到preamble后则保持清醒,在preamble结束后接收信号
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CCA:
• 传统方法(e.g. 802.15.4 ):1次采样,使用阈值判断
– 高误判率
• BMAC: 多次采样RSSI ,剔除异常值
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优点:无需同步包,可扩展性较好
不足:Preamble较长,耗费不必要的能量和时间


叙述无线传感器网络XMAC的主要特点和实现机制。

异步竞争 MAC 协议:该类协议中所有节点维持自己独立的工作周期,收发双方不同步,因而发送节点发出数据时接收节点可能正处于睡眠状态,所以需要使用LPL(低功率侦听)前导序列技术唤醒接收节点。
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X-MAC协议是基于B-MAC协议的改进,改进了其前导序列过长的问题,将前导序列分割成若干strobe,在每个strobe中嵌入目的地址信息,非接收节点尽早丢弃分组并睡眠。
X-MAC在发送两个相邻的strobe之间插入一个侦听信道间隔,用以侦听接收节点的早期确认。接收节点收到strobe后,向发送节点发送早期确认。发送节点收到早期确认后立即发送数据分组,避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。


叙述无线传感器网络TRAMA的主要特点和实现机制。

基本思想
采用TDMA方式,即:信道划分成多个时隙,多个时隙构成一个帧
每个帧分为“随机接入”和“分配接入”两部分,随机接入时隙也称为信令时隙,分配接入时隙也称为传输时隙
随机访问周期主要用于增添和删除网络节点。在此期间,所有节点必须始终处于活跃状态,以便能够发送邻居信息或从邻居节点接收信息。
网络节点需要交换两跳以内的邻居信息和时隙需求信息
采用流量自适应的分布式选举算法选择在每个时隙上的发送节点和接收节点

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(图:TRAMA协议的帧结构)
关键技术
邻居协议NP (neighbor protocol)
 网络节点通过NP协议获取一致的两跳范围内的网络拓扑信息和节点流量信息(即两跳范围内哪个节点有数据需要发送)
 NP协议实现邻居信息的交互
 所传的控制信息中携带了增加的邻居的更新,如果没有更新,控制信息作为通知邻居自己存在的信标
 每个节点发送关于自己一跳邻居的增量更新(incremental update),可以用来保持邻居之间的连通性。如果节点在一段时间内都没有再收到某个邻居的信标,则认为该邻居已失效。
补充:解释两跳之内无冲突的含义:对于一个时隙x和给定节点i来说,如果i的两跳邻居都没有用时隙x来发送数据,则i在时隙x上向自己的任何邻居发送数据都不会产生碰撞
(可以用一条线A-B-C-D-E-F来解释,如果节点C在某个时隙要发送的话,A、B、D、E在该时隙都不发送的话,则C无论向哪个邻居发送都不会发生碰撞。
调度交换协议(Schedule Exchange Protocol)
调度信息生成和调度信息的交换与维护
各节点根据自己高层应用实际产生的数据,确定所需的时隙数,生成调度信息
节点通过分配帧广播调度信息给自己的邻居节点
自适应选举算法(AEA算法)
确定节点当前时隙应处于发送、接收还是睡眠状态
具体方式:根据“节点编号+时隙编号”进行哈希(HASH)运算,确定各个时隙的赢节点(win node)


简述路由协议的主要功能。

路由协议是WSN的关键技术之一,它负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。主要包括两个方面的功能:
寻找源节点和目的节点的多跳优化路径
将感知数据沿着优化路径正确转发


常见的传感器网络路由协议有哪些类型?并说明各种类型路由协议的主要特点。

主动式路由:不管有没有数据发生,每个节点都建立和维护到各个节点的路由。要求每个节点周期性地向其他节点发送最新的路由信息并保存一个或多个路由表。
适用范围:数据流量大、移动性较小、实时性要求较高。

反应式路由:网络拓扑和路由信息是按需建立的,仅当某节点有数据发送时才开始寻找路由。
适用范围:数据流量小、移动性强、实时性要求不高。

平面路由:所有节点都具有相同的地位和功能,协同完成感知和通信任务。协议简单、健壮性好、建立维护路由开销大。
缺点:随着网路规模的增加
– 收敛时间长
– 随着节点密度增大造成网络负载过重
– 用于存储路由的开销过大
– 传输延时、协议复杂性、路径不稳定性明显增强
– 时间跟踪能力不足、反应慢
适用范围:小规模网络。

分层路由:网络被分为多个簇或层次,每个簇由一个簇首和多个簇成员构成。簇首负责簇内信息的收集和融合以及簇间数据转发。
适用范围:中大规模网络。

数据为中心路由协议:在以数据为中心的路由中,感知到特定物理现象的传感器节点将感知到的数据向sink节点汇报。路径上的节点可以检查收到的分组的内容,并根据情况执行特定的数据融合操作。
适用范围:数据具有相关性,可以压缩或融合处理的网络。

基于位置的路由协议:要求每个节点具备自身位置、每个邻居节点位置和目的节点位置等信息来确定分组的最佳下一跳节点,可以采用逐跳方式进行数据转发,具有较好的可扩展性。
适用范围:具备位置信息的网络。
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多路径路由协议:通过多条可供选择的路径传送数据,能够提高数据传输的鲁棒性,有效均衡网络的负载和能耗,提高网络的传输性能并延长网络的寿命。
适用范围:对可靠性要求较高、要求负载均衡的网络。


多路径路由(链路不相交、顶点不相交、缠绕多路径)的定义,以及各自的优缺点有哪些?

不相交多路径路由:用于在源节点和目的节点间建立多条不相交路径。分为节点不相交路径和链路不相交路径。
节点不相交路径的优点:容错能力强、算法易实现、载荷较平衡、总带宽较大。
节点不相交路径的缺点:能量效率低、路径数量少。
链路不相交路径的优点:能量效率高、路径数量多。
链路不相交路径的缺点:容错能力差、算法不易实现、载荷相对不平衡、总带宽较小。
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缠绕多路径路由:也称作部分不相交路径或最大不相交路径。不要求是完全不相交的,缠绕多路径是在建立主路径后,在主路径的附近寻找备用路径以提供较强的路径备份能力。
缠绕多路径的优点:路径数量多、负载较均衡、提高系统可靠性。
缠绕多路径的缺点:路径中重叠部分较多,容错能力较差。
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叙述无线传感器网络LEACH的工作机制。

LEACH(低功耗自适应按簇分层路由协议)是一种为传感器网络设计的能量高效的分层路由协议。
主要思想:以循环的方式选择簇首节点,将整个网络的能量负载平均分配到每个节点上,从而达到降低能耗和延长网络生存周期的目的。
LEACH协议实际上是一个包括了分簇、路由、介质访问控制等多种技术的协议框架。
LEACH协议按照地理位置将传感器网络中的节点组织成簇的结构形式,每个簇都有一个簇首节点,其他节点作为簇成员节点。所有的簇成员节点负责采集和感知数据,它们只能与本簇的簇首节点通信。簇首节点负责对接收到的本簇内成员节点的感知数据进行融合处理,并把融合数据直接发送到汇聚节点。因此,簇首节点会比簇成员节点消耗更多能量。为了避免节点长期担当簇首而过早耗尽能量,LEACH协议使用轮转的方式选举节点成为簇首节点,从而让所有的节点都有机会成为簇首节点进而达到均匀消耗网络中节点的目的。
LEACH协议的执行过程是周期性的,每次执行称为一轮,每轮循环分为初始化阶段稳定状态阶段。在初始化阶段,邻居节点动态地形成簇,随机产生簇首节点;在稳定状态阶段,簇首节点收集簇内成员节点的感知数据并进行数据融合,然后把融合后的结果发送给汇聚节点。


Flooding、Mesh、Collect 协议的基本思路,协议适用范围。

Flooding洪范方式

一种反应式路由。当源节点有数据需要传输时直接广播,网络中每个节点接收到新的数据包都转发一次。
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协议优点
– 不需要复杂的拓扑维护
– 不需要路由发现算法
协议缺点
– 内部爆炸:从不同的邻居收到重复的消息(duplicates)
– 数据重叠:同样的事件被交叉覆盖的多个节点感知
– 资源盲目:许多冗余传输缩短了网络寿命

Mesh

一种反应式路由。当源节点 S 有数据包需要发送给目的节点 D 时,S 首先全网洪范Route Request(rreq)控制包,其中包含 S 和 D 的地址信息。
每个节点收到 rreq 后:
step1:更新路由表,将发送节点的地址加入路由表,将发送节点设为到达 S 的 next-hop。
step2:若接收节点是 D,则返回 Route Reply(rrep)控制包,其中包含 S 的地址信息。

每个节点收到 rrep 后:
step1:直接将 rrep 转发给路由表中的 next-hop,更新路由表,将发送节点设为到达 D 的 next-hop。
step2:如果接收节点是 S,则说明寻路成功,准备发送数据。通过查找到达 D 的 next-hop,多跳路由即可到达 D。
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Collect

一种主动式路由。在网络初始化时即建立以 Sink 节点为根的树状路由结构,并周期性地进行维护。节点有数据发送时则直接沿着树状结构转发即可。
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初始状态:
每个节点 d 的父节点 p=null, metric(d)=Inf
[ 说明:metric 是一种度量,Inf 是 ∞,上图是 Collect 的路由表项 ]
路由建立过程:
sink 节点发起路由建立,发送广播 ADV,其中包含 metric(sink) ,metric(sink)设为 0。每个节点 d 收到 s 发来的ADV后都将比较并进行更新,如果 metric(s) + metric(s,d)< metric(d),则更新 p=s, metric(d)=metric(s) + metric(s,d),并广播最新的ADV包含metric(d)。最终所有节点都会维持一个父节点和 metric。
协议适用范围:
Flooding、Mesh 是反应式路由:数据流量小、移动性强、实时性要求不高。
Collect 是主动式路由:数据流量大、移动性较小、实时性要求较高。


一些经典路由协议,SPIN,DD等的基本思路。

SPIN(数据为中心的路由协议)

通过和邻居节点的协商来减少Flooding带来的内爆和重叠的影响
协商通过元数据进行
 元数据描述“实数据”
 元数据与“实数据”一一对应
协商过程:3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
 如果节点本地有ADV中描述的数据的副本就忽略该消息

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SPIN协议评价:
优点
 解决了内爆问题 部分解决了重叠问题
 不需要进行路由维护
 对网络拓扑变化不敏感,可用于移动WSN
缺点
 本质上SPIN还是向全网扩散新消息,开销比较大

DD(数据为中心的路由协议)定向扩散路由

定向扩散路由是一种典型的以数据为中心,基于查询的路由协议。应用定向扩散路由的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述数据,根据需要通过向所有节点发送对某个指定数据的兴趣消息来完成数据收集。兴趣消息用来表示查询的任务,表达网络用户对检测区域内感兴趣的信息,例如检测区域内的目标名称、地理位置、数据发送速率、持续时间长度、时间间隔、温度、湿度等,以属性数值对的形式进行描述。汇聚节点通过向其邻居节点传播兴趣消息。在兴趣消息传播过程中,节点利用兴趣缓存机制动态维护拟接收数据的属性并建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输路径,同时汇聚节点重新发送兴趣消息以激活传感器来采集与兴趣消息内属性数值对描述相匹配的消息,最后将感知数据沿之前建立好的传输路径进行正向传输,直到汇聚节点。


传输层和应用层

传输层的主要功能?其设计要求有哪些?

主要功能:
传输层(Transport protocol)应用进程提供端到端的通信服务,为系统应用提供可靠透明的数据传输服务。
• 端到端的可靠传输;
• 网络拥塞控制
设计要求:
1) 通用性:无线传感器网络传输层协议应该与具体应用、网络层协议和介质访问层协议无关。
2) 支持异构数据流:传输层协议应该能够同时支持连续数据流和事件触发数据流两种数据传输模式。
3) 可靠性自适应调整:在一些无线传感器网络应用中,传感器节点可以通过降低数据传输可靠性要求来减少数据重传次数,从而达到节省流量的目的。
4) 拥塞检测和避免:如何快速、高效的检测出可能的拥塞并采取措施进行拥塞避免是传输层协议设计中所要考虑的关键问题。
5) 分布式/集中式拥塞控制:一方面传输层协议可以把计算密集的拥塞控制任务集中到汇聚节点执行;另一方面,由于拥塞控制最终是由节点通过调整自身数据速率来实现的,为了避免集中式控制过程中传感器节点发送给汇聚节点的状态信息以及汇聚节点向传感器节点发布的控制信息带来的额外带宽开销,传输层协议还可以把部分拥塞控制任务分布到各个节点,以分布式的方式实现拥塞控制和避免。
6) 规模可扩展:传输层协议必须具有较强的规模可扩展性。
7) 功能可扩展:传输层协议应该支持系统用户对网络进行进一步的性能优化并支持新的应用。


为什么TCP不适合WSN?WSN传输层与传统网络的传输层有何设计区别?

原因:
1) TCP协议使用20字节长的报文头来表示拥塞控制和其他相关信息。报文头会增加数据报文的长度,特别是对于本身较短的数据报文而言,由于报文头相对于数据本身所占比例过大因此会消耗过多的网络资源。在无线传感器网络中,感知数据是由少量检测指标的实际值组成,一般数据分组的长度只有几个字节,这种情况下TCP协议20字节的报文头开销就会显得过大。
2) TCP协议的设计目的是简化接收方的操作。汇聚节点仅需要向发送节点确认接受情况,发送节点则需要执行一系列的复杂流控操作以保证可靠数据传输。然而,由于无线传感器网络中传感器节点(发送方)资源非常有限,而汇聚节点(接收方)的能量、计算和存在资源则可以认为完全不受限,TCP协议对发送方的过高操作负荷要求显然不适用于无线传感器网络。
3) TCP协议力求在数据传输过程中不丢失一个数据分组,而无线传感器网络应用不需要完全可靠的、无差错的数据传输。
4) TCP协议中的ACK反馈和端到端重传会造成较大的开销。

设计区别:
1) TCP协议采用基于数据包的可靠传输,即保证信源发出的每个数据包都成功传输给目的节点。而无线传感器网络则是面向应用的,只要传输足够的数据可以即可完成任务。
2) 无线传感器网络一般大规模部署,且节点常常执行同一任务,并不需要分配类似IP的网络地址。
3) TCP协议简化接收方,复杂发送方的操作;而无线传感器网络简化发送方的操作,复杂接收方的操作。


PSFQ的实现过程是什么?

适用范围:单个 sink 向一组接收节点或网络中所有节点传输数据(例如全网络范围更新指令)。
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PSFQ 采用缓发快取的方式进行传输控制,由 pump、fetch 和 report 三种操作构成。
pump 是指 sink 给数据块中的数据段分配序列号,并利用 MAC 层广播按顺序发送。相邻数据段的发送保持一定时间间隔,可以保障数据段有一定的缓存时间以备重传。fetch 指节点收到顺序错误的新数据段时暂停数据转发,向上游节点发送 NACK 请求重传丢失的数据段,待收到丢失数据段后再顺序转发。
report 操作是 sink 要求距离较远的节点逐跳汇报自己的地址和收包情况,据此判断指令的分发情况。


拥塞的指标有哪些?拥塞控制的主要方法有哪些?

------------------拥塞检测------------------
基于信道采样:若监测到信道长时间处于忙碌状态,则认为发生拥塞。
基于缓冲区占用率:缓冲区存储超过某一阈值,预测拥塞即将发生。
基于丢包率:若丢包过于频繁则判断有拥塞。
基于负载强度:综合考虑局部区域的流量负载情况和信道竞争状况,若负载强度过大则认为有拥塞。
基于包间隔/包服务时间:若从邻居节点收到的数据分组到达的时间间隔,以及从到达缓存区到被发送出去的服务时间过长则判断有拥塞。
基于数据逼真度:通常由汇聚节点执行检测,若收集到的信息准确度过低则判断网络拥塞。
------------------拥塞通知------------------
显式通知直接以控制包的形式通知拥塞信息;
隐式通知则用数据包捎带拥塞信息由相关节点监听获得。
端到端通知由汇聚节点反馈拥塞信息;
逐跳本地通知由中间节点负责反馈信息。
------------------拥塞缓解------------------
速率调节:调整源节点产生数据或中间节点转发数据的速率。
流量调度:通过绕路、分流或重定向等方式减小拥塞区域的数据流,缓解拥塞。通常与多路径路由协议相结合。
数据处理:传感器节点可以根据应用对数据进行丢弃、压缩或融合,减小数据量。


CODA的具体实现方式是什么?

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开环拥塞缓解
– 拥塞节点通过后压(backpressure)方式逐跳向上游节点通知拥塞
– 接收到后压消息的节点根据本地策略进行拥塞缓解(如丢弃分组、根据AIMD机制来调节发送窗口等),并决定是否转发后压消息。
闭环拥塞缓解
– 当源速率 < ηSmax (η<1)时,源节点自动提高速率
– 当源速率 ≥ ηSmax时触发闭环调节:汇聚节点周期性地全网反馈ACK,若源节点未收到ACK则降低速率。
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可靠性保障机制有哪些?

丢包恢复:丢包检测和反馈(ACK / NACK / IACK)+ 重传恢复。
速率调节:基于任务调节源速率。
冗余传输:发送节点多次发送同一数据包的拷贝,接收节点只要收到至少一个数据包即可。


支撑技术

传感器网络实现时间同步的作用是什么?

应用需要:
CSMA 需要时间同步;SMAC 要求节点同睡同醒;TRAMA 划分时隙也需要时间同步;测距 ToA 要求收发双方时间同步;某些目标跟踪应用等都需要时间同步。
计算机时钟很不准:
一个计算机时钟由一个电子设备生成,这种设备计算在某个频率下一个石英晶体的震荡数。每个晶体振荡器的频率本身存在偏差,同时又容易受到湿度、电磁波干扰等影响。


掌握时间/时钟、时钟漂移等概念。

对于一个传感器节点 p 来说:
时间:p 时钟报告的时间。可以表示为一个函数 Cp(t),t 为标准时间。Cp(t) = t 表示一个标准时间。
时钟偏移:时钟报告的时间与真实时间的差值, Cp(t) - t。
时钟频率:时钟计数的速率,Cp '(t)。
时钟频差:石英晶体震荡频率与标准时钟的差值 Cp '(t) - 1。
时钟漂移:时钟值相对实际时间偏差的二阶导数Cp "(t) 。


为什么传统同步机制不适合无线传感器网络?

1) 能效:传统的协议使用外部标准将整个网络同步到一个时间源上。然而,GPS的使用对能量要求很高,而无线传感器网络往往不具备这个条件。这样,即使维护普通的时间一致性也变得很困难。
2) 动态网络拓扑:无线传感器网络的整个网络的拓扑结构是变化的,有时甚至变化的非常剧烈,无线传感器网络的时钟同步协议应该同时考虑到具有静态和动态拓扑结构的网络。无中心控制、自组织、鲁棒性 的同步。
3) 端到端延迟:无线传感器网络具有高误码率,并在共享介质上进行无线传输。在网络中两个端点之间进行延迟范围的假设是不可能的。因此,以充分互联且延迟恒定为前提条件的同步协议无法适用于多跳的无线传感器网络。
4) 无限损耗:传统的有线网络很少发生数据丢失事件。但是,在一个无线传感器网络中。由于频繁的无线损耗,我们必须使用多轮消息交换确定时间参数。


如何理解传输延迟的不确定性给时间同步带来的挑战。

时间同步思路:节点 A 发送包含自己时间 Ta 的同步包给节点 B,节点 B 收到以后直接调整自己的时间为 Tb,实现同步。但是这种思路因为不确定因素有很多,所以面临一些挑战。
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发送时间不确定:发送时间是发送节点构造并发送时间同步消息所用的时间。这段时间长短依赖于处理器负载、操作系统的系统调用开销等,具有不确定性。
访问时间不确定:访问时间是发送节点等待访问信道的时间。这段时间长短依赖于信道负载,具有不确定性。
传播延迟:发送节点传输到接收节点所经历的时间。
接收时间:从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达到事件所经历的时间间隔。


掌握典型时间同步协议的设计过程,如RBS和TPSN,可以分析其优缺点。

RBS

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TPSN(双报文交换的发送者->接收者同步)

节点 B 想与节点 A 同步,则:
节点 B 发送同步请求并记录发送时间 T1
节点 A 记录接收时间 T2 ,并在 T3 时间返回回复消息
节点 B 记录接收时间 T4 并同步,设置本地时间为 T4 + Δ
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T2-(T1+Δ)=T4+Δ-T3 设TB+Δ=TA
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掌握基于测距的定位算法工作机制,掌握ToA、TDoA、ToF测距的原理和优缺

基于测距的(range-based)定位: 通过测量节点(即:待定位节点)与信标节点(已知位置)间的实际距离或方位进行定位。
• 三个阶段
测距阶段:未知节点首先测量到邻居节点的距离或角度,然后进一步计算到邻近信标节点的距离或方位;
定位阶段:未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后,利用三边测量法、三角测量法等计算未知节点的坐标;
修正阶段:对求得的节点坐标进行求精,提高定位精度,减少误差

ToA

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优点:实现简单。
缺点:要求收发节点双方严格同步

TDoA

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优点:不需时间同步,测距较精准。
缺点:需要两套收发设备,成本高。

ToF

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优点:不需要时间同步,测距较精准。
缺点:需要往返通信,功耗高、续航时间短。


掌握三边定位,三角定位,多边定位的原理。

三边定位

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多边定位

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NUAA无线传感器网络 复习重点整理 (https://mushiming.com/)  第39张(矩阵下标行列交换后的矩阵/沿着主对角线对称过去的矩阵)

三角定位

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掌握DV-Hop算法的定位实现过程和优缺点。

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定位实现过程:
step1:计算未知节点与信标节点之间的最小跳数;
step2:估算每跳的平均距离,利用最小跳数乘以平均每跳距离,得到未知节点与信标节点之间的估计距离;
step3:利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。

优点:采用平均每跳距离来估算实际距离,不需测距、实现简单。
缺点:利用跳段距离代替直线距离,存在一定的误差。

例题:给定上图,L2 负责计算每跳平均距离,求 A 的坐标。

信标节点 L2 计算的每跳平均距离为 (40+75)/(2+5) =16.42,A 从 L2 获得每跳平均距离,则节点 A 与三个信标节点之间的距离分别为 d1=3×16.42,d2=2×16.42,d3=3×16.42。若知道 L1、L2、L3 的坐标,那么就可以根据三边定位的方法求出 A 的坐标。


叙述无线传感器网络SIFT协议的主要特点和实现机制。

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为什么不直接使用GPS对WSN定位?

原因:
第一:由于视线条件的限制,GPS并不总是可用的。举例来说,它无法在室内、水下或地铁中工作;
第二:目前一个普通的GPS接收器的价格大约为100美元,给每个传感器节点安装GPS接收器会使成本过高,而这些传感器节点通常被设计为低成本和用后可丢弃的。
第三:GPS接收器的功耗很大(相对于一个微小的传感器节点来说)。


发送端-接收端,接收端-接收端同步算法的思想是什么?

发送者-接收者

TX向RX发送本地时间戳;
RX返回一个本地时间戳;
多次往返计算平均时间差值。
不足:
延迟变化大,尤其在多跳网络中;
网络开销大;需要考虑消息处理/发送时间等。

接收者-接收者

TX向RX1和RX2发送本地时间戳,RX1/2同时收到消息,基于RX1/2的接收时间差计算偏移。
可以降低消息延迟的变化程度

THE END

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