无线传感器网络

the_mote

已于 2024-11-21 01:55:33 修改

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于 2024-11-20 15:51:56 首次发布

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无线传感器网络

名词解释、简答、填空、论述

第一章

名词解释

移动的Ad hoc 网络
- 利用无线终端自身的组网能力，构造一个不需要通信基础设施的“专用网络”
结点
- 无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。

问答

什么是无线传感器网络
1. **Wireless Sensor Network（WSN）**无线传感器网络
  
  无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，以多跳的、自组织的方式构成的无线网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象的信息，并发送给观察者。
==传感器节点的组成及其功能==
1. 传感器：实现环境、现象或对象的物理感知，可以对采集的信号进行预处理，并通过无线通信技术报告感知信息。
2. 微型处理器：处理传感器收集的数据，执行算法，并管理节点的其他功能。
3. 无线通信模块：负责与其他传感器节点或汇聚节点进行无线通信。
4. 内存：存储传感器数据和程序。
5. CPU：执行程序，控制传感器节点的操作。
6. 电源：为传感器节点提供能量，通常是电池。
特征
1. 大规模
  1. 数量大、分布广、密集
2. 自组织
  1. 无需基础设施、未知区域、撒播
3. 动态
4. 可靠
5. 应用相关
6. 以数据为中心
无线传感器网络的节点的结构
1. 传感器节点
  1. 汇聚节点
    - 连接传感器网络与internet等外部网络，实现通讯协议的转换
    - 特点：连续供电、功能强、数量少
2. 任务管理节点
4. 结构：
  - 平面
    - 分级
无线传感器网络的应用及关键技术

移动的Ad hoc 网络的挑战
- 没有核心组织
- 通信距离限制
- 移动性
- 电池电源
无线传感器网络的三要素
- 传感器：感知+计算+通信
- 感知对象
- 观察者
网络通信协议
- 网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成五层结构。
- 物理层
  - 实现简单、强壮的数据调制，发送接收
- 数据链路层
  - 主要任务是对相邻节点之间的通信进行管理，形成可靠的、高效的数据传输
- 网络层
  - 路由生成和路由选择
- 传输层
  - 端到端的可靠的数据流传输与阻塞控制
- 应用层
  - 完成一系列的基于检测的任务的应用软件
  - 可能协议：传感器管理协议、任务分配和数据通告协议、传感器询问和数据分发协议
与现有无线网络区别：
- 传统目标：高服务质量和高效带宽利用
- 传感器网络设计目标：电能的高效利用排在首位
关键技术
- 拓扑控制
- 定位
- 时间同步
- 网络安全、数据融合、数据管理、无线通信技术、能源

3.1物理层

各种协议的工作原理和关键技术

基本概念：
物理层是建立、维护和释放数据链路实体之间的
二进制比特传输的物理连接。
提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。
功能：为数据终端设备提供传输数据的通路
传输数据
媒介：无线电（ism频段）、红外、光
频率选择、载频发生、信号检测、调制、数据加密

MAC协议

功能：媒体介质访问控制、决定信道的使用方式
关键问题：节省电量、可扩展性、网络效率

IEEE 802.11 MAC层协议（带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA)协议）

基于竞争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。
改进-》CSMA/CA: 信道预约
 发送站: 发出短的 RTS幀(request to send)预约信道
 接收站: 应答短的 CTS幀(clear to send) 同意预约
CTS 为发送站保留信道, 起了通知其它(可能隐蔽的)站点的效果
 避免了隐蔽站点造成的冲突
两种访问控制：分布式协调（DCF）、点协调（PCF）
- DCF：CSMA/CA机制和随机退避时间，所有节点通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制
  - 在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。
- PCF：基于优先级的无竞争访问，它通过访问接入点（access point，AP）协调节点的数据收发
Slot=发射启动时间+媒体传播时间+检测信道响应时间等
退避时间=Random()*aslottime，aslottime, 是一个时槽时间，包括发射启动时间、媒体传播时间、检测信道的响应时间等；CW是指当前的竞争窗口。
802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制提高性能。

S-MAC协议

为了便于相互通信，相邻节点之间尽量维持睡眠/侦听调度周期同步。
冲突与串音避免机制
流量自适应帧听

T- MAC

名词解释

MAC协议：MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。
暴露终端：是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。
NAV：网络分配矢量，本次数据交换的时间
激活事件：

(1)定时器触发周期性调度唤醒事件。

(2)物理层从无线信道接收到数据包。

(3)物理层信号强度指示(RSSI)有的无线信道忙。

(4)通过监听RTS/CTS帧，确认邻居的数据交换已经结束。
TA（激活事件） >竞争信道时间（C）+RTS发送时间（R）+CTS准备时间（T）

TMAC实验中，采用TA = 1.5 x (C + R + T)

问答

无线传感器网络MAC设计中主要考虑哪些因素？详细说明原因。
- 节能：
  - 无线传感器网络中的节点通常由电池供电，能量有限且难以更换。因此，MAC协议设计时需要考虑如何减少能量消耗，例如通过睡眠模式、调度机制等来降低空闲侦听和传输时的能量损耗。
- 可扩展性：
  - 网络可能动态变化，如节点的加入和离开，因此MAC协议需要能够适应这种动态变化，支持网络的可扩展性。
- 网络效率：
  - 包括网络公平性、实时性、吞吐量及带宽利用率。MAC协议需要通过有效的信道访问控制来提高网络的整体效率，减少冲突和重传，提高数据传输速率。
- 可靠性：
  - 在无线环境中，信号可能受到干扰，因此MAC协议需要确保数据传输的可靠性，可能通过重传机制、错误检测和纠正等技术实现。
- 延迟：
  - 对于实时性要求高的应用，MAC协议需要尽量减少传输延迟，确保数据能够及时传输。
基于竞争的MAC主要特点是什么？从节能、传输时延和数据传输
速率方面分别说明SMAC、TMAC协议和802.11MAC的主要区别。
- 基于竞争的MAC协议主要特点包括：
  - 按需访问信道：节点仅在有数据发送时才竞争信道，减少了信道的空闲时间。
  - 随机访问：节点通过随机退避算法减少信道冲突。
- SMAC协议：
  - 节能：通过周期性侦听和睡眠机制减少空闲侦听带来的能量损耗。
  - 传输时延：由于周期性睡眠，可能会增加传输时延。
  - 数据传输速率：通过减少不必要的侦听和冲突，提高了数据传输速率。
  TMAC协议：
  - 节能：动态调整活跃和睡眠周期，进一步降低能量消耗。
  - 传输时延：通过自适应睡眠周期减少时延。
  - 数据传输速率：通过减少冲突和优化睡眠周期，提高了数据传输速率。
  802.11MAC协议：
  - 节能：相对于SMAC和TMAC，802.11MAC协议在节能方面表现较差，因为它需要持续侦听信道。
  - 传输时延：由于CSMA/CA机制，可能会有较高的传输时延。
  - 数据传输速率：在高负载下，由于冲突和重传，数据传输速率可能降低。
简述S-MAC协议的主要思想
- 是针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器MAC协议。
  
  ●周期性侦听/睡眠，减少空闲帧听带来能量损耗
  
  ●邻近节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少侦听时间
  
  ●通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟
  
  ●采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据
  
  ●通过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息的传递延迟
mac协议的能量浪费因素
- 空闲侦听、冲突、串扰、控制开销
CD/CA两者区别
 传输介质不同：CSMA/CD用于总线式以太网,而
CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等
 检测方式不同：CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测
冲突；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和
能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式
WLAN的MAC层为什么用CSMA/CA,不用CSMA/CD 技术？
- 无线环境中不容易检测出是否发生冲突
- 存在“隐匿的终端” 问题
- 暴露终端(Exposed terminal)效应
隐藏终端概念

A,B能够相互检测到对方
B,C能够相互检测到对方
但是A,C不能相互检测到对方
物理层主要功能
- 为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路。
  传输数据。
  其他管理工作
三种基本帧间间隔

（1）SIFS (short IFS)：最短帧间间隔。
（2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。
（3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。
CSMA/CA协议工作流程
- 根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。
S- MAC基本思想
- 周期性侦听/睡眠，减少空闲帧听带来能量损耗
- 邻近节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少侦听时间
- 通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟
- 采用带内信令来减少重传和避免侦听不必要的数据
- 通过消息分割和突发传递机制减少控制消息的开销和消息的传递延迟
无线传感器网络采用S-MAC协议，隐藏终端是否可以由接收机收到确认信息？
早睡问题解决办法
- 未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
- 满缓冲区优先
T-MAC协议的优点

节省了网络能量-减少空闲侦听

 T-MAC协议的缺点

带来了早睡问题