物联网与传感网复习笔记

绪论

物联网的定义

• 技术理解
  物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。
• 应用理解
  物联网是指把世界上所有的物体都耳到一个网络中，形成物联网，然后’物联网’又与现有的“互联网“结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和动态的去管理生产和生活。
• 通俗理解
  将 RFID 射频识别和 WSN 无线传感器网络结合为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。

物联网的特征

• 全面感知
  利用 RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。
• 可靠传递
  通过网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。
• 智能处理
  利用计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

物联网概念模型

感知（感知层）、传输（网络层）、计算（应用层）

• 感知层：感知层识别物体、采集和捕获信息，通过 RFID 摄像头等方式实现，是物联网全面感知的基础；要求更全面更敏感的感知能力、低功耗、解决小型化和低成本问题。
• 网络层：连接感知层和应用层，随时随地的连接实现，也是当前最成熟的部分；包括接入网、核心网、业务平台等三个层次；要求扩展规模实现无处不在、业务可扩展的管理运营能力以及简化结构实现上下层面融合。
• 应用层：实现广泛智能化应用的解决方案集合；应用方向有智能家居、电力、交通等；要求信息技术与行业的深度融合，信息的社会化共享和安全保障，基于云计算的应用保障。

传感器数据的主要特点

• 海量性：假设每个传感器每分钟内仅传回数据，则 1000 个节点每天、数据量就达到了约 1.4GB
• 多态性：生态监测系统（温度湿度光照）；多媒体传感网（音频视频）；火灾导航系统（结构化通讯数据）
• 关联性：描述同一个实体的数据在时间上具有关联性（同一节点上温度随时间变化）；描述不同实体的数据在空间上具有关联性（同一区域内不同节点测得温度与湿度相近）；描述实体的不同维度之间也具有关联性（同一节点同一时间测得的温度与湿度相关）；
• 语义性：数据被人类赋予含义，方便使用

无线感知方法

• 传统感知：各种传感器
• 智能无线感知/无需传感器的感知：WiFi，蓝牙，ZeegBee，OWB，RFID
• 群智感知：众包、百度地图

无线局域网

无线局域网的组成结构

1. 站/无线接入点（AP）：AP 是无线局域网的核心设备，它提供有线和无线的接口，用于连接工作站和网络服务器。
2. 无线介质
3. 分布式系统（DS）：DS 是连接不同 BSS 的设备，它使得工作站可以在 BSS 之间移动，实现漫游功能。
4. 终端

IEEE 802 .11 b/g 北美标准中共有 11 个信道，其中 1、6、11 信道为不重叠的传输信道

无线局域网的经典问题

无线信息传输的特点：

• 一个无线用户发出的电磁波会向各个方向扩散
• 一定范围内的所有无线用户共享传输信道
• 无线通信有覆盖范围。

无线网络的经典问题

隐藏终端问题：三个实体，AC 都以为 B 是空闲的，都向 B 发送，结果发生碰撞，RTS 和 CTS 解决（包含源地址、目的地址、通信时间）
暴露终端问题：四个实体，A 向 B 发送数据，不影响 C 向 D 发送数据，但是 C 不敢；

RTC/CTS 机制可以解决隐藏终端问题，但是不能解决暴露终端问题：

• 在数据传输之前，先通过 RTS / CTS 握手的方式与接收节点达成对数据传输的认可，同时又可以通知发送节点和接收节点的邻居节点即将开始的传输。
• 邻居节点在收到 RTS / CTS 后，在以后的一段时间内抑制自己的传输，从而避免了对即将进行的数据传输造成碰撞
• 这种解决问题的方式是以增加附加控制消息为代价的

RTS/CTS 不能解决暴露终端问题，是因为 RTS 帧没有高优先级，并且数据报文的存在会与 RTS/CTS 帧发生冲突，下图是一种情况。

CSMA/CD 协议

CSMA/CD 协议 载波监听多点接入/碰撞检测 协议内容可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发 CSMACD 协议不适用于无线局域网

CSMACD 不适用于无线局域网的原因：

• 无线局域网的设备不能实现 CSMA/CD 协议要求的一个站点在发送本站数据的同时不间断地检测信道（半双工）
• 即使我们能够实现碰撞检测的功能，并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的，在接收端仍然有可能发生碰撞（隐藏终端）
• 在本节点冲突并不意味着接收端也冲突（暴露终端）

CSMA/CA

载波监听介质忙时，则等待到当前传输完全结束。监听方法包括物理载波监听（信号强度判断）和虚拟载波监听协议（源站通知占用信道的时间）。

CSMA/CA 流程图需要掌握。

冲突避免则有两种方式：

优先级确认协议

帧间间隔 (Inter Frame Space)：所有站在完成发送后，必须再等待一段很短时间（继续监听）才能发送下一个帧。

优先级：帧间间隔长度取决于该站欲发送帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权。

类型	时间	包含的帧类型	说明
SIFS 短 IFS	最短	ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧，以及所有回答 AP 探询的帧	最短、最高优先级
PIFS 点协调功能 IFS	+ slot		由 AP 协调
DIFS 分布式协调功能 IFS	+ 2 slot	在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧,RTS 帧	最长、分布式协调

随机后退算法

同一优先级也可能有争用情况。信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。

当网络负载大时，竞争窗口越小，节点选的随机值越接近，导致太多的冲突；当网络负载轻时，竞争窗口越大，节点等待的时间越长，导致不必要的竞争。系统应该自适应当前想发送节点的数目。指数后退算法：竞争窗口初始化为最小值，当发生冲突时加大窗口，直至达到最大值。

MAC 层的功能

MAC 层必须实现 DCF 分布式协调（由各节点自己确定访问时间），选用 PCF 点协调功能（由 AP 协调，比如轮流）。DCF 和 PCF 都能在同一个 BSS（Basic Service Set,基本服务集合，包含一个 AP 和若干个站，多个 BSS 可以通过路由系统串联成为一个扩展的 BSS）中提供并行的竞争和无竞争的访问。

MAC 层的主要功能：

• 媒体访问控制
• 加入网络连接
• 数据验证和保密

分贝与功率的转换

国标规定路由器最大功率不超过 100mw，约合 20 分贝

Zigzag

传输两次，每次随机一个 Δ 时间差，在两个时隙中传输了两个包，可以依次还原出两个数据包，等价于数据包未发生碰撞。依据两个特征：

• 发送有冲突就必然会重传
• 每次冲突的位置是不同的

为了避免解析过程中出现错误而导致的多米诺效应，可以从后向解析出第二个数据包，如若两个数据包相同则采用；如果不同则说明有错误，AP 选用 PHY 置信度高的。

zigzag 优点

• 能使用 802．11 标准解码器，而且不需要修改它的协议
• zigzag 包括可以用于多个冲突包的情况，在无冲突的时候不会引入外的开销
• Zigzag 需要改变 AP 点，不需要改变客户

无线传感网

无线传感网 WSN

无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。是一种大规模、自组织、动态、可靠、与应用相关的网络。

结构组成

传感器节点结构组成如下，操作系统有 TinyOS（灵活可修改上手难度高）和基于 Zigbee 协议栈的 TI（反之）；

• 传感器模块
• 处理器模块
• 无线通信模块
• 能量供应模块

传感网络与无线网络的区别：传感网络首要目标是节能；无线网络的设备可以移动而传感网的节点大多是不动的（但是容易故障）。

节点的特征

局限性：

• 电源能量有限（通信模块最耗能，通信状态有发送、接收、空闲监听和睡眠等 4 种状态）
• 计算和存储能力有限
• 通信能力有限

特点：

• 邻近的节点具有相似的数据（可用于优化）
• 传感节点没有全局 ID

天线长度

利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一，信号才能有效地发射出去。实际使用过程中，应将低频波调制到高频。

天线发射的三种信号：地波、天波（电离层反射）、直线(30MHz 以上)。

天线的通信距离:

其中 是折射常数。

两根天线之间的传播最大距离为：

传感网络的体系结构

内爆与重叠现象

内爆(Implosion)
节点向邻居节点转发数据包，不管其是否收到过相同的，即所谓信息内爆是指网络中的节点收到一个数据的多个副本的现象。

重叠(Overlap)
感知节点感知区域有重叠，导致数据冗余，即由于无线传感器网络节点密集部署，因此在同一局部区域中，若干个节点对区域内同一个事件做出的反应相同，所感知的信息在数据性质上相似，数值上相同，那么这些节点的邻居节点所接收到的数据副本也具有较大的相关性。

传感器网络的分类

先应式网络-连续操作模式 (Continuously Operating Model)

• 节点定期打开传感器和发送器、感测环境并将感兴趣的数据发送出去
• 适用于需要定期监测数据的应用

反应式网络-查询-响应模式（ Query-Response Model）

• 节点根据用户发来的查询命令给予立即响应
• 节点根据网络某些属性值发生的变化立即予以响应

传感网络体系架构分类

9 月 22 日

层次体系

缺点：离基站近的节点能量消耗快，形成能量空洞。

分簇体系

LEACH 协议：Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，簇自发形成、簇主 head 自治选举

PEGASIS：LEACH 每个节点仅能与 head 通信，但如果有簇内节点离 head 较远，将会产生较大的代价。PEGASIS 针对这点做了优化，节点可以通过链与最近的邻居通信 PPT29/37

优点：任何消息最多两跳、head 分布式选举实现了能量的均衡消耗

直接传输 Direct Transmission

所有节点直接传数据给基站，能量消耗大、基站要处理冲突

数据分发与数据搜集

上述的体系结构都是为了数据搜集，数据搜集的目标是最小化能量消耗以及最小化延迟传输数据，可用 energy*delay 作为算法性能的度量

数据分发是传感网络中路由查询包和数据包分发的过程，最直接的方法是洪泛法 Flooding，即每一个非目标节点对收到的 TTL 非 0 的包进行广播，这种协议简单，不需要复杂的拓扑维护、路由发现算法，但是会有内部爆炸、数据重叠、资源盲目等问题。

定位技术

WSN 定位分类

基于测距的定位

• 信号强度 RSS
• 基于时间 TOA/TDOA/RTOF
• 基于角度 AOA

Time Of Arrival 要求收发双方（时间）要同步；Time Difference Of Arrival 增加超声波模块，消除了双方的同步要求；Round Travel Of Flight 方法是对前两个的折中，既不要求同步，又不要求硬件，但精度不如 TDOA；

基于测距的测量物理量，成本高，精度高
考察形式：给场景、数据、问题，写出方案，算出距离和坐标

无需测距的定位技术

又叫距离无关，不需要测量物理量

锚点：自身位置已知

跳段距离：平均一跳多少距离

质心算法

信标节点周期性向邻近节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息；当未知节点接收到来自不同信标节点的信标分且数量超过某一个门限 k 或接收一定时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的质心。

DV-HOP 算法

10 月 11 日

未知位置的节点，依赖已知位置的节点，自行计算自身的位置

算法要求确定最小跳数和每跳平均距离

为什么是最小跳数？因为这样可以减少累计误差、距离最接近直线。

平均距离怎么确定？根据已知位置的节点估计。PPT19/73 三种方法：只采用最近的节点（首先收到的、不合理）、平均、加权

最小跳数怎么确定？PPT16/73

适用于锚点多、分布均匀的网络

考察平均跳段距离计算

APIT

10 月 13 日

节点与邻居通信，模拟运动的过程，再根据 PIT 准则近似确定自己是在三角形的内外 PPT8-9 ，多次重复此过程，确定多个三角形重叠的区域，取质心作为位置 PPT12

缺点：会有判断错误的情况；节点数量过少时（≤3)无法定位；对节点的覆盖率与分布有要求；基于信号测距只能适用于空旷的野外；距离和信号强度也不是完全对应。

定位相关的其他技术

序列定位

节点对锚点信号的接收序列进行排序，通过多个中垂线确定公共区域。

另一种方法是确定邻居序列并进行排序、计算相似度（特征距离）、最后修正两个节点之间的特征距离，如果两个节点的相似度很大，则位置很近（逻辑距离、特征距离）。

在这种方法里，每个节点的邻居数量是不同的，如何计算相似度（维度不同的条件下）？用节点对的次序作为度量标准，计算相似度，可以有显式 explicit 、隐式 implicit 、疑似 possible 不同等三种情况。

特征距离的计算例题

RSD 方法优点：

• 精度提高
• 能达到每一跳的精度
• 高效：没有洪泛，两个节点交换序列
• 计算复杂度低
• 可以集中式或者分布式

RSD 的不足之处依旧在信号强度和距离并不是完全对应的

传感网的时间同步机制

2023 年 10 月 20 日

时间同步的作用：定位、数据融合、休眠唤醒（节能！环保！）

影响时间同步的传输时延：PPT5/117 发送，访问（最不确定 PPT23/117），传送，传播，接受，接收

• 发送时间：发送方组装并将报文交付 MAC 层的时间
• 访问时间：发送方 MAC 层从获得报文后到获取无线信道发送权的时间。最不确定因素，取决于网络负载
• 传送时间：发送方传送报文的时间
• 传播时间：报文从发送方传送到接收方的时间
• 接收时间：接收方接收报文的时间
• 接受时间：接收方处理接收到的报文的时间

NTP

这里的同步只需要计算出时间差即可，列方程解得

从此式可以看出，时间差与服务器或者客户端的处理耗时无关

计算机网络使用的协议，不适用于传感网的原因：

• 传感网链路受环境影响而中断的概率大
• 传感网的网络结构（拓扑结构）不稳定
• NTP 服务器无法通过网络自身实现
• NTP 信息交换频繁，能量消耗大

RBS 类

Reference Broadcast Synchronization，多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步（多次，使用最小二乘法减少误差）。该算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。

原理：参考报文不需携带发送节点的本地时间，RBS 协议会广播时间同步消息，求彼此消息到达的时间差平均值，从而尽量消除非同时记录的影响

优点：时间同步与 MAC 层协议分离，不再受限，互操作性好

缺点：协议开销大

发送者无需写入时间。

为了减少时间传播的误差，可以采用统计技术，同时广播多个时间的同步消息，求相互之间消息到达时间差的平均值。

TPSN

采用层次结构，所有节点按照层次结构进行逻辑分级，每个节点与上一级的一个节点进行同步（NTP）。

原理/思想：

• 采用层次结构实现同步
• 节点按照层次结构进行逻辑分级，表示到根结点的距离
• 基于发送者-接受者的节点对方式，每个节点都与上一级节点同步

根结点：与外界通信并获取时间，是整个网络系统的时钟源

过程：

1. 生成层次：根节点为 0 级，i 级节点至少可以与一个 i-1 级节点通信
2. 时间同步：1 级节点同步到根结点，i 级节点同步到 i-1 级节点

问题：存在同步误差的积累；整个网络同步时间长；两层相邻节点同步时可能碰撞

问题：误差积累，竞争问题（随机等待解决），整个网络同步时间非常长

优化：在 MAC 层消息开始发送时才给消息加上时间标记，以消除访问误差

工业互联网

什么是工业互联网

什么是数字孪生，五维模型

工业互联网与传统的消费互联网

PPT 36/117 工业互联网是在互联网的基础之上，面向实体经济的演进与升级。

工业互联网与 4.0 的关系

工业 4.0 诞生在德国，侧重点更在于生产与制造过程的智能化、数字化。

工业互联网源于美国，更偏重借助互联网技术改善生产设备和产品服务。

数字孪生五维模型

1. 物理实体：各个子系统和传感器
2. 虚拟实体：对物理设备的映射
3. 服务：优化物理设备，矫正虚拟设备
4. 网络连接：使物理设备、虚拟设备、服务在运行中保持交互
5. 孪生数据：物理设备、虚拟设备、服务运行的驱动

中国制造 2025 具体内容

从意义上讲，中国制造 2025 比之于工业 4.0 和工业互联网，目标更明确，内涵更确切，路线更清晰。

主题：促进制造业创新发展

中心：提质增效

主线：加快新一代信息技术与制造业深度融合

主攻方向：推进智能制造

目标：满足经济社会发展和国防建设对重大技术设备的需求

终极问题

物联网、大数据、云计算及人工智能，彼此之间是什么关系?

1. 物联网设备产生大量数据，作为大数据来源的一部分
2. 云计算为大数据处理和分析提供大规模的计算和存储资源
3. 大数据和云计算分别为人工智能的学习提供充足的训练样本和计算资源
4. 物联网为人工智能提供了更广阔的应用场景，如智能家居、智能交通等
5. 综上所述，物联网、大数据、云计算和人工智能之间互为支撑

20级真题（部分）

简答题

从复习提纲中随便抽几个

分析题

1. 为什么CSMA/CD协议不适用于无线局域网？
2. 定位技术的两大分类并分别列举一些算法。
3. 分析比较TPSN和RBS。

综合题

1. 给一个八个节点的网络拓扑图，第一问要求写出其中五个节点的邻居节点序列；第二问要求算其中两个节点的RSD。
2. 对一张类似于下图中的红框进行完形填空，要求写出英文缩写并进行解释。