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WSN期末复习资料
第一章：概述
第二章MAC协议
第三章路由协议
第四章时间同步技术
第五章定位技术
第六章安全技术
第七章拓扑控制
补充TPSN、HRTS公式推导
2024年期末考试考点
一、简述
二、考试真题回忆
WSN期末复习资料
第一章：概述
1. 什么是WSN?
解释1：
由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。
解释2：
传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。
WSN三要素：传感器、感知对象、观察者
基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息。
2. Sensor node 四个模块：
传感器模块：信息采集、数据转换
处理器模块：控制、数据处理、网络协议
无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据
能量供应模块：为节点提供能量
3. WSN特点
大规模网络：地理区域大；部署密集
提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区
自组织网络：不确定性；拓扑结构变化
资源受限：计算、存储、通讯、能量
动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入
可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性
应用相关：没有统一的通信协议平台
以数据为中心
4. Sensor node 的限制 （重点）（⭐）
电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限
5. 十个挑战（大重点）（⭐）
挑战1：
由于：通信能力有限（节点带宽窄，而且经常变化；节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化）
挑战：在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理。
挑战2：
由于：多源、多跳是主要的通信方式（多个传感器节点向一个目标传递信息；一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径）
挑战：在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论。
挑战3：
由于：节点移动、断接频繁（在移动网络中，节点移动频繁；节点间通信的端接频繁，导致通信失败）
挑战：如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础。
挑战4：
由于：电源能量有限（传感器的电源能量极其有限；由于电源能量的原因经常失效或废弃；电源能量约束是传感器网络应用的障碍）
挑战：建立能源复杂性和能源均衡理论。
挑战5：
由于：计算能力有限（传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力；但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限）
挑战：设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法。
挑战6：
由于：传感器数量大、分布范围广（传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多；传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下；传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护）
挑战：如何使得传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性。
挑战7：
由于：大规模分布式触发器
挑战：如何管理成千上万分布式触发器。
挑战8：
由于：感知数据流无限
挑战：如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的分布式算法。
挑战9：
由于：以数据为中心
挑战：传感器网络数据管理系统的理论和技术。
挑战10：
由于：需要多种多样的感知器
挑战：如何建立新感知器概念、理论、技术和各种新型感知器。
第二章MAC协议
1. 网络特征
传感器节点能量受限
传感器节点失效概率大
传感器节点计算处理能力有限通信带宽有限
以数据为中心
高密度、大规模随机分布
2. 重点解决的问题（重点）
四个问题：（1）冲突、干扰问题 （2）串扰问题
（3）终端隐藏、暴露（4）减少控制信息（不包含有效信息）出错
3. 研究热点问题
能量效率、可扩展性、网络效率、算法复杂度、与其他层协议的协同
4. MAC层协议分类
分配信道方式：
竞争型、分配型、混合型
使用的信道数目：
单信道、双信道、多信道
网络类型：
同步网络、异步网络
5. 竞争型MAC（重点）
（1）传统无线MAC协议为什么不能直接用到WSN?（重点）
传统的MAC协议中，节点不得不监听信道来接收可能的通信。测试证明，空闲监听消耗了接收所需能量的50％--100 ％。
（2）SMAC（重点）：
占空比(duty cycle)：监听时间（
）与整个监听/休眠周期（T）之比。
（3）RTS-CTS机制如何工作的？（重点）
I.发送方发送RTS（Request to send）帧: 发送方（Station A）在发送数据之前，首先发送一个 RTS 帧给接收方（Station B）。RTS 帧中包含发送方的地址、接收方的地址以及要发送的数据的长度等信息。
II.接收方发送CTS（Clear to send）帧：接收方（Station B）收到 RTS 帧后，如果信道空闲且可以接收数据，则发送一个 CTS 帧给发送方（Station A）。CTS 帧中包含接收方的地址以及允许发送的数据长度等信息。
III.发送方（Station A）收到 CTS 帧后，开始发送实际的数据帧
IV.接收方（Station B）成功接收数据帧后，发送一个 ACK 帧给发送方（Station A），确认数据接收成功。
（4）T-MAC
（1）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活跃时间长度
在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠
（2）早睡问题（重点）
什么是早睡问题？节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态。
如何解决早睡问题？
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）；
满缓冲区优先（重点）
（5）P-MAC
（1）基本思想
SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题；
引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行。
（2）模式的生成和交换
（6）B-MAC（注意B-MAC与其他MAC的优缺点⭐）
（1）基本思想
基于CSMA机制，使用前导采样技术；
通过本地同步的广播获得最小的前导长度随机的前导长度保证冲突避免。
异步通信
（7）RI-MAC
基本思想：
采用异步占空比方式；
各个节点根据自身调度周期进行唤醒；
醒来后在信道空闲时广播信标分组；
对于发送节点醒来后一直处于唤醒状态。
（8）.sift
（1）基本思想
适用于事件驱动型传感器网络出发点；（空间和时间相关性、并非每个节点都要报告事件、时变性）
固定长度的竞争窗口，不等概率选择时槽，在不同时槽采用不同的选择概率。
（2）参数
的选择要满足什么条件？意义是什么？（重点）
通过节点选择和数据融合提高准确性和传输效率；平衡节点的能量消耗和网络的通信效率；提高网络鲁棒性和容错能力。
6. 分配型MAC
（1）SMACS:基本思想、链路建立
（2）TRAMA:基本思想
（3）DMAC:交错唤醒机制
7. 混合型MAC
（1）Z-MAC:传输控制（重点）
低冲突级别(LCL)和高冲突级别(HCL)两种工作模式；
时隙拥有者，短时间监听，优先发送；
非时隙拥有者LCL模式，退避较长时间再监听；
非时隙拥有者HCL模式，等待下个时隙。
8.MAC设计
AutoMAC协议的基本思想是什么？
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，使得每个节点都有机会访问介质。
第三章路由协议
1. 设计目标
Ø满足应用需求；低网络开销；资源利用的整体有效性；Ø网络高吞吐率。
2. 要求
Ø能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗）；可扩展性（网络范围&节点密度）；
鲁棒性（节点变化&拓扑变化）；快速收敛性。
3. WSN协议分类
数据为中心路由协议：SPIN (Flooding)，Directed Diffusion (Gradient)
集群结构的路由协议：LEACH, TTDD
地理信息路由协议：GPSR, GEAR
4.SPIN（重点）
SPIN协议是对Flooding协议的改进。
Flooding的缺点：（重点）
内爆：节点向邻居节点转发数据包，不管其是否收到过相同的。
重叠：感知节点感知区域有重叠，导致数据冗余。
SPIN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，通过元数据来完成协商过程。
元数据：一种对源数据的映射，比源数据短。 避免传输冗余数据
SPIN优点：部分解决了内爆和重叠问题；不需要进行路由维护。
SPIN缺点：本质上SPIN还是向全网扩散新消息，开销比较大。
5.DD协议
（1）基本思想：
nSink节点查询兴趣消息、Sink节点向全网查询兴趣M、•邻居更新自己的兴趣cach，并且转发、兴趣cach中的条目。
（2）优缺点：
优点：数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息；路径加强机制可显著提高数据传输的速率；周期性路由：能量的均衡消耗；
缺点：周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大；节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大。
（3）谣传路由概念：基于代理（agent）消息的单播随机转发方法。
6. LEACH
适用范围、条件、簇头选择算法（看不看的吧）
7. TTDD
使用场景、优缺点
8.地理位置（大重点）
GPSR:局部优化问题---->解决：边界转发（GG/RNG）
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9.路由空洞、路由回路
（1）路由空洞
（2）路由回路
路由环路，就是数据包不断在这个网络传输，始终到达不了目的地，导致掉线或者网络瘫痪。
10.CTP协议（重点）
（1）三个重要模块（⭐）
链路估计器、路由引擎、转发引擎
（2）计算ETX，利用ETX找到代价最小节点
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11.机会路由
低延迟原理
第四章时间同步技术
1. 分类
排序、相对同步与绝对同步：递进关系、各自具有典型的协议代表
内同步、外同步：参考源不同
局部同步和全网同步：同步对象范围不同
2.重要性能参数
最大误差：一组传感器节点之间的最大时间差或相对外部标准时间的最大差值。
同步期限：节点保持时间同步的时间长度。
同步范围：节点保持时间同步的区域范围。
可用性：范围覆盖的完整性。
效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。
3.为什么传统的同步不能直接用于WSN?
NTP不适合于WSN；体积、计算能力和存储空间存在限制；传输方式不同：无线而非有线。
4. 挑战
关键点是：低功耗、低成本、小体积；传输延迟的不确定性、可扩展性、健壮性
5.典型的时间同步协议
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（推导）重点(⭐)会画图！！
6.GCS（重点）
三种模式：节点遍历模式、聚类分层模式、扩散模式。（抽其中一个考）
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7. flight原理
看不看ppt吧
第五章定位技术
1. 为什么要定位？（WSN定位机制的重要性）
1.定位机制是WSN的基本机制
（1）没有位置信息的检测消息是没有意义的（2）应用“战场侦察、目标跟踪、入侵检测、灾难预报
2.节点定位是基本的定位机制
（1）随即部署的网络，需要确定节点位置（2）只有节点定位以后，才确定节点检测事件的位置
3.定位的其他用途
（1）报告时间发生的地点（2）目标跟踪和定位（3）协助路由/协作网络管理
2.技术指标
（也是性能指标个人认为）
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3. 三边测量算法（重点）⭐
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（⭐）4.分类
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5.质心算法、DV-Hop(重点)
计算距离信标节点的距离。（无需测量的定位技术）
质心：
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DV-Hop:
6.APIT
基本思想、判断是否在????内
第六章安全技术
1.特点
2.需求
通信安全需求：数据机密性（防窃听），数据完整性（防篡改），真实性（防伪造），数据新鲜性（防重性）
网络服务安全需求：可用性、自组织、时间同步、定位、网内融合
第七章拓扑控制
1.为什么要拓扑控制和优化？（大重点）
和五个设计目标区分开！！！
2.主要研究问题以及解决方案的原理
3.设计目标
4.三种技术，方法、基本原理、优缺点
5.基本思想、适用范围
补充TPSN、HRTS公式推导
这两个公式推导式很重要的，最好会，不懂得可以加qq2908493772寻求讲解
2024年期末考试考点
一、简述
WSN期末考试为闭卷，时长为100分钟，六个简答题一个综合题。简答题两个分值10分和15分，最后一个综合体30分。上面我整理的考试知识点是老师划过的重点，带有⭐号的地方是2023年期末考试考过的，内容很多，但是考到的知识却很少，所以复习容易焦虑和问候老师十八代的情况，为了避免这种情况，该篇文章应运而生。
期末考试时间是2024年7月2日，写这篇文章是7月4日，脑回路还比较清晰。
二、考试真题回忆
1.简答题
考点：无线传感器网络的四个组成部分以及分别的功能作用？传感器节点受到的限制？
2.简答题
考点：无线传感器MAC协议重点解决的四个问题是什么？占空比的定义是什么？sift协议与CSMA（载波监听多路访问机制）有什么区别？sift协议中α应该满足什么条件？（此时给出了Pr公式）
3.简答题
考点：路由协议的分类方式？CTP协议的三个重要模块以及它们分别的作用？
4.简答题
考点：时间同步技术的重要性能参数？GCS全球时钟同步的扩散模式的过程以及原理是什么？
5.简答题：
考点：DV-Hop,给了一个图，类似于上面贴的DV-hop图，描述如何确定节点1的位置，同时计算节点1到三个信标节点的距离。
6.简答题：
考点：拓扑控制与优化的意义？拓扑控制的三个重要技术以及基本思想？
7.综合题
描述：有一片500亩的区域，需要建立无线传感器网络进行温度湿度等数据的监测，请选择合适的MAC协议说明其基本原理？选择合适的拓扑结构并说明其原理和用到的算法？请选择合适的时间同步机制说明其原理和用到的算法？选择定位技术，精度要求不高？