無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)1-3章

1、.復(fù)習(xí)題型：共計(jì)3839題，計(jì)算題較少，原理題很多（1） 選擇題 15（2） 填空題 10（3） 名詞解釋 3x5（4） 作圖題 10x1（5） 問答題 20x1（根據(jù)原理應(yīng)用自主進(jìn)行選擇作答）第1章1.P3圖1.1 無線網(wǎng)絡(luò)的分類2. 無線傳感器的定義P3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素：傳感器、感知對象、用戶；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能：協(xié)作式的感知、采集、處理和發(fā)布感知信息。3.P4圖1.2 現(xiàn)代信息技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系無線

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)三個(gè)功能：數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸；對應(yīng)的現(xiàn)代信息科技的三大基礎(chǔ)技術(shù)：傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)；對應(yīng)的構(gòu)成了信息系統(tǒng)的“感管”、“大腦”和“神經(jīng)”。4. P5 P6圖1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的宏觀架構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)原理是什么.無線傳感器通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node），匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)（manager node）。匯聚節(jié)點(diǎn)有時(shí)也稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信宿節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)見后2要點(diǎn)介紹。Sink node：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過無線方式接收各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并以互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等有線的或無線的方式將數(shù)據(jù)傳送給最終用戶計(jì)算機(jī)。網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)只需要具有處理器模塊和射頻模塊

3、、通過無線方式接收探測終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，再傳輸給有線網(wǎng)絡(luò)的PC或服務(wù)器。匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力，它既可以是一個(gè)具有足夠能量供給和更多內(nèi)存資源與計(jì)算能力的增強(qiáng)型傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)管理節(jié)點(diǎn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信，把收集到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)提交的任務(wù)。5. 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成P5圖1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能模塊組成傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由哪些模塊組成.作圖、簡答傳感器模塊負(fù)責(zé)探測目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存放程序和數(shù)據(jù)

4、，通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)布和接受，電源模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)供電，節(jié)點(diǎn)由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議。6. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層 P51.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層每一層的作用是什么.作圖、簡單能量分配管理在各個(gè)層中，能量是怎么考慮的.傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)應(yīng)用為中心物理層負(fù)責(zé)載波頻率的產(chǎn)生、信號(hào)調(diào)制、解調(diào)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體接入和差錯(cuò)控制；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制；應(yīng)用層負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)分發(fā)等具體業(yè)務(wù)。能量分配是盡可能延長網(wǎng)絡(luò)的可用時(shí)間，移動(dòng)管理主要對節(jié)點(diǎn)移動(dòng)進(jìn)行檢測與注冊，應(yīng)用優(yōu)化是根據(jù)應(yīng)用需求優(yōu)化調(diào)度任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力相對較

5、弱，通信距離也有限，如果訪問通信距離之外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由。7. 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)（具體例子）P6傳感器節(jié)點(diǎn)是什么.CPU選用嵌入式.哪些是嵌入式.哪些不是嵌入式. 傳感器節(jié)點(diǎn)是采用自組織方式進(jìn)行組網(wǎng)以及利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的，節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元。傳感器節(jié)點(diǎn)基本組成模塊有：傳感器模塊、計(jì)算與存儲(chǔ)模塊、通信模塊以及電源模塊。具體地說處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)?。嵌入式系統(tǒng)是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式Web技術(shù) 嵌入式Web技術(shù)

6、嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。8. 節(jié)點(diǎn)的體系組成P7圖1.7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系組成每一層處理哪些事.傳感器節(jié)點(diǎn)為了節(jié)約能量進(jìn)入休眠。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系有分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三部分組成。（1）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。圖1.8 傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)（2）網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

7、 主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓?fù)淇刂啤⒎?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。（3） 應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。包括：時(shí)間同步、定位、應(yīng)用服務(wù)接口、網(wǎng)絡(luò)管理接口。9. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) P9根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。10. 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制條件 P12 P13（1） 電源能量有限 傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的

8、模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量主要消耗在無線通信模塊上。從圖1.13中可知傳感器節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更消耗電能，傳輸l比特信息100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量。1.13 傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況（2） 通信能力受限 通常無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系符合如下規(guī)律： 其中參數(shù)n滿足關(guān)系2n4。n的取值與很多因素有關(guān)，例如傳感器節(jié)點(diǎn)部署貼近地面時(shí)，障礙物多、干擾大，n的取值就大；天線質(zhì)量對信號(hào)發(fā)射質(zhì)量的影響也很大。通常取n為

9、3，即假定通信能耗與距離的三次方成正比。 隨著通信距離的增加，能耗會(huì)急劇增加。在滿足通信連通性的前提下應(yīng)盡量減少單跳的通信距離。一般而言，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信半徑在100m以內(nèi)比較合適。（3） 計(jì)算和存儲(chǔ)能力受限傳感器節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價(jià)格低、功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲(chǔ)器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點(diǎn)的任務(wù)請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種工作。如何利用有限的計(jì)算和存儲(chǔ)資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需要考慮的問題。11. 組網(wǎng)特點(diǎn) P14 P15 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

10、除了具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、斷接性、電源能力局限性等共同特征以外，在組網(wǎng)方面具有一些鮮明的自身特點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)包括自組織性、以數(shù)據(jù)為中心、應(yīng)用相關(guān)性、動(dòng)態(tài)性、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大和需要高的可靠性等。12. P242003年美國技術(shù)評論雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。P25 思考題2. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.第2章 微型傳感器的基本知識(shí)本章不會(huì)出現(xiàn)答題，可能會(huì)出現(xiàn)簡答題1. 傳感器的定義 P26一般來說能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。2.

11、傳感器的組成 P27圖2.1 傳感器的組成結(jié)構(gòu) 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。 敏感元件是傳感器中能感受或響應(yīng)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信號(hào)（一般指電信號(hào)）部分?；巨D(zhuǎn)換電路可以對獲得的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。另外，基本轉(zhuǎn)換電路工作時(shí)必須有輔助電源。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。3. 傳感器的采集接口 P27圖2.3 傳感器采集接口的框圖傳感器接口技術(shù)是非常實(shí)用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放

12、大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微處理器處理。4. 傳感器的一般特性傳感器的正確選用是保證不失真測量的首要環(huán)節(jié)，因而在選用傳感器之前，掌握傳感器的基本特性是必要的。（1） 靈敏度傳感器的靈敏度高，意味著傳感器能感應(yīng)微弱的變化量，即被測量有一微小變化時(shí)，傳感器就會(huì)有較大的輸出。但是，在選擇傳感器時(shí)要注意合理性，因?yàn)橐话銇碇v，傳感器的靈敏度越高，測量范圍往往越窄，穩(wěn)定性會(huì)越差。傳感器的靈敏度指傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比，即K=輸出變化量/輸入變化量=Y/X=dy/dx線性傳感器的校準(zhǔn)曲

13、線的斜率就是靜態(tài)靈敏度；對于非線性傳感器的靈敏度，它的數(shù)值是最小二乘法求出的擬合直線的斜率。（2） 響應(yīng)特性傳感器的動(dòng)態(tài)性能是指傳感器對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，即傳感器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線希望一致或相近。傳感器的響應(yīng)特性良好，意味著傳感器在所測的頻率范圍內(nèi)滿足不失真測量的條件。另外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)過程總有一定的延遲，但希望延遲的時(shí)間越小越好。（3） 線性范圍 任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。 傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量精確度的基本

14、條件。例如，機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性極限時(shí)，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤差。任何傳感器很難保證做到絕對的線性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在近似線性區(qū)域內(nèi)使用。（4） 穩(wěn)定度 穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長期使用之后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。 為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適類型的傳感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響到它的絕緣性，溫度會(huì)影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變感光性能，帶來測量誤差。（5） 重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測

15、量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線的不一致性，在數(shù)值上用各測量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿量程 的百分比來表示。（6） 漂移由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱為零點(diǎn)漂移。傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。在其它因素不變的情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時(shí)間漂移。隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1度時(shí)，輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示。（7） 精度傳感器精度指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來表示重復(fù)某

16、個(gè)讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)。（8） 分辨率 分辨力是指能檢測出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測到的最小輸入增量。在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測輸出變化量時(shí)的最小輸入量值。（9） 遲滯 遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準(zhǔn)時(shí)，在同一次校準(zhǔn)中對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程間的最大偏差。它表示傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度，數(shù)值用最大偏差(Amax)或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來表示5.磁阻傳感器 P35探測的原理、探測的事

17、例、怎么樣探測到，文字描述 磁性傳感器通常又稱為磁力計(jì)，它的使用特點(diǎn)在于測量磁場并不是主要目的，通常能夠同時(shí)探測獲得其它參數(shù)，如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。磁阻傳感器的特征在于當(dāng)探測出磁場發(fā)生變化時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻抗變化值，因而也就有了磁阻這一概念，阻抗變化的同時(shí)會(huì)改變電壓輸出值。磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于車輛探測。 磁感應(yīng)探測原理：運(yùn)動(dòng)車輛的每個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可重復(fù)的對地球磁場的擾動(dòng)，不管車輛向哪個(gè)方向行駛，這個(gè)特征都會(huì)被可靠地檢測到。檢測車輛存在的另一種方法是觀察磁場變化的大小，磁場大小的變化表明了對地磁場整體的干擾程度。圖2.9 車輛與傳感器不同距離時(shí)磁場的變化關(guān)系

18、圖2.16最簡單的運(yùn)動(dòng)車輛產(chǎn)生單軸磁信號(hào)運(yùn)動(dòng)車輛探測信號(hào)分析：地球的磁場在很廣闊的區(qū)域內(nèi)是恒定的，可以看作是均勻磁場。大的鐵磁物體會(huì)引起地球磁場的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測由于車輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸變磁場，從而監(jiān)測車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。車輛探測算法：運(yùn)動(dòng)車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證在不同工作環(huán)境下的車輛能被可靠探測。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器的處理能力有限，車輛探測需要的計(jì)算應(yīng)盡可能的簡單。P45 思考題傳感器指標(biāo)：7. 8. 9. 10.

19、11. 12. 13. 14.磁阻傳感器應(yīng)用：16. 17. 18.第3章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)3.1 物理層1.物理層的主要功能 P47（1）為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路： 數(shù)據(jù)通路可以是一個(gè)物理介質(zhì)，也可以由多個(gè)物理介質(zhì)連接而成的。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括激活物理鏈接、傳輸數(shù)據(jù)和終止物理鏈接。所謂“激活物理鏈接”就是不管有多少物理介質(zhì)參與，都需要將通信的兩個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來，形成一條通路。（2） 傳輸數(shù)據(jù)： 物理層要形成適合傳輸需要的實(shí)體，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保證數(shù)據(jù)能在物理層上正確通過，并提供足夠的帶寬，以減小信道的擁塞。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥軡M足點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)到多點(diǎn)、串行或并

20、行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸?shù)男枰?。?） 其他管理工作： 物理層還負(fù)責(zé)其他的一些管理工作，如信道狀態(tài)評估、能量檢測等。2.DTE、DCTE P47DTE：Data Terminal Equipment 數(shù)據(jù)終端設(shè)備，也稱物理設(shè)備，具有一定數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、I/O設(shè)備終端。DCTE：Data Circuit Terminating Equipment 數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備，介于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器。3. 物理層介質(zhì)的選擇P48 P50（1）無線通信物理層的介質(zhì)選擇：無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的

21、無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號(hào)，所以發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準(zhǔn)。無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。如果采用較低頻率，則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r的增大而急劇減小，大致為1/r3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無線電波的

22、傳輸距離較遠(yuǎn)，用戶之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個(gè)國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。（2） 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)的選擇： 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應(yīng)用。 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對

23、通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。 另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周圍的其它無線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。在低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使用了直接序列擴(kuò)頻方式。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者

24、之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2420無線通信芯片。4. ISM頻段P49 P50 ISM頻段：Industrial，Scientific and Medical頻段，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段，優(yōu)點(diǎn)在與它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。缺點(diǎn)是功率受限，另外與現(xiàn)在多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。表3.1 ISM 應(yīng)用中的可用頻段5. 調(diào)制技術(shù) P48什么是調(diào)制.什么是基帶信號(hào).什么是寬帶.模擬的調(diào)頻、調(diào)副、調(diào)相.數(shù)字信號(hào)的的調(diào)頻、調(diào)副、調(diào)相.什么是藍(lán)牙.為什么在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不能使用.通常信號(hào)源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率

25、較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)。載波：可通過調(diào)制來強(qiáng)制它的某些特征量仿隨某個(gè)信號(hào)的特征值或另一個(gè)振蕩的特征值而變化，通常是周期性的電振蕩波。帶寬又叫頻寬是指在固定的的時(shí)間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。在數(shù)字設(shè)備中，頻寬通常以bps表示，即每秒可傳輸之位數(shù)。在模擬設(shè)備中，頻寬通常以每秒傳送周期或赫茲Hertz (Hz)來表示。 調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型，可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是用模擬基帶信號(hào)對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號(hào)

26、的變化而變化。數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)訂的接收者（信宿）處理和理解的過程。藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆

27、記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙易受噪聲的干擾，不利于在無線傳感器中的應(yīng)用，另外，藍(lán)牙的接入數(shù)量不能滿足大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的需要。藍(lán)牙一般距離為10m，如果要到100m的話要增加功率。6. 擴(kuò)頻技術(shù) P49什么是擴(kuò)頻

28、技術(shù). 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。 擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率;抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小;可以實(shí)現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時(shí)和測距;適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù);安裝簡便，易于維護(hù)

29、。3.2 MAC協(xié)議1. 什么叫MAC.什么叫虛擬載波偵聽.P52 MAC：介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。載波偵聽（carrier sense）：在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，“偵聽”傳輸線路，判斷是否已經(jīng)有其他數(shù)據(jù)傳輸。掛著同一條電話線上的多部電話虛擬載波監(jiān)聽（virtual carrier sense）：是載波監(jiān)聽的一種，與物理載波監(jiān)聽相對。虛擬載波監(jiān)聽是通過控制信息來得知信道情況，而不是實(shí)際檢測物理信道。虛擬載波監(jiān)聽使用的是時(shí)間預(yù)留的方法預(yù)測信道的忙閑狀況。網(wǎng)絡(luò)在得知網(wǎng)絡(luò)忙閑信息后通過隨機(jī)退

30、避算法減小沖突。2.MAC協(xié)議分哪幾種.思想是什么.為什么競爭.為什么不競爭.P53目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：(1) 采用分布式控制還是集中控制；(2) 使用單一共享信道還是多個(gè)信道；(3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種：(1) 時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。(2) 隨機(jī)競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)競爭接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨

31、機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC協(xié)議。(3) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道分配。3. RTS、CTS、NAV、ACK P54RTS（Request-To-Send） 請求幀CTS（Clean-To-Send）清除幀NAV（Network Allocation Vector）網(wǎng)絡(luò)分配矢量ACK確認(rèn)幀4. 三種基本幀間間隔 P54 IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame S

32、pace，IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)： （1）SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。 （2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 （3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。何時(shí)發(fā).何時(shí)不發(fā).干什么的.5. CSMA/CA的虛擬載波偵聽 P54 圖3.1CSMA/CA的基本訪問機(jī)制 P55 圖3.2802.11 MAC協(xié)議的退避機(jī)制 P55 圖3.36. 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議的原理與工作機(jī)制 P56 P57 P58簡答、問題S-MAC協(xié)議(Sensor MAC)。這種協(xié)議是在802.1l MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對

33、傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。S-MAC采用以下機(jī)制：（1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/睡眠階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)然節(jié)點(diǎn)需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以便工作階段集中發(fā)送。（2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制 流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制的基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立

34、即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTS分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。（3）沖突和串音避免機(jī)制 為了減少?zèng)_突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTS握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過程時(shí)，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。（4）消息傳遞機(jī)制 S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長消息的發(fā)送。由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長度成正比，短消息傳輸成

35、功的概率要大于長消息。 消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。3.3路由協(xié)議1. 什么是路由協(xié)議 P59 路由選擇(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它包括兩個(gè)功能：（1）尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；（2）將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。2. 傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo) P59 由于Ad Hoc、

36、無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)，是提供高服務(wù)質(zhì)量和公平高效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。這些網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要任務(wù)是尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間通信延遲小的路徑，同時(shí)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免產(chǎn)生通信堵塞，并均衡網(wǎng)絡(luò)流量。通常能量消耗問題不是這類網(wǎng)絡(luò)考慮的重點(diǎn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量有限且一般沒有能量補(bǔ)充，因而路由協(xié)議的設(shè)計(jì)需要考慮高效利用能量。另外一方面，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目往往很大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要在局域網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，選擇合適的路徑。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1）能量優(yōu)先；（2）基于局部拓?fù)湫畔?；?）以數(shù)據(jù)為中心；（4）應(yīng)用相關(guān)

37、。2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分類 P60從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：（1） 能量感知路由協(xié)議：高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。（2） 基于查詢的路由協(xié)議：在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢節(jié)點(diǎn)）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問題中，通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器探測節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器探測節(jié)點(diǎn)的采

38、集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。（3） 地理位置路由協(xié)議（4） 可靠的路由協(xié)議3. 典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由 P61大題圖示說明定向擴(kuò)散路由機(jī)制。 圖3.7定向擴(kuò)散路由是一種經(jīng)典的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議。 定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段: 圖3.7 定向擴(kuò)散路由機(jī)制的示例（1） 興趣擴(kuò)散階段： 在路由協(xié)議的興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對于每一個(gè)興趣內(nèi)容，列表中都有一個(gè)表項(xiàng)記錄

39、發(fā)來該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。每個(gè)興趣可能對應(yīng)多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)梯度信息。（2） 數(shù)據(jù)傳播階段： 當(dāng)傳感器探測節(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點(diǎn)，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。由于可能從多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)收到興趣消息，節(jié)點(diǎn)向多個(gè)鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)可能收到經(jīng)過多個(gè)路徑的相同數(shù)據(jù)。（3） 路徑加強(qiáng)階段：定向擴(kuò)散路由機(jī)制通過正向加強(qiáng)機(jī)制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘉硇薷臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系。興趣擴(kuò)散階段是為了建立源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)以較低速率來采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，我們稱這個(gè)階段建立的梯度為探測梯度。4.LEACH路由協(xié)議（補(bǔ)充）小題 LEACH全稱是“低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議” (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。 該算法基本思想是：以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。