無線傳感器網(wǎng)絡課后習題答案

1、1-2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡?無線傳感器網(wǎng)絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡。目的是協(xié)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息,并報告給用戶。1-4.圖示說明無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構。1-5.傳感器網(wǎng)絡的終端探測結點由哪些部分組成?這些組成模塊的功能分別是什么?(1) 傳感模塊（傳感器、數(shù)模轉換）、計算模塊、通信模塊、存儲模塊電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)(2) 傳感模塊負責探測目標的物理特征和現(xiàn)象，計算模塊負責處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲模塊負責存放程序和數(shù)據(jù)，通信模塊負責網(wǎng)絡管理信息和探測數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收。另外，電源模塊負責結點供電，結點由嵌入式軟件系

2、統(tǒng)支撐，運行網(wǎng)絡的五層協(xié)議。1-8.傳感器網(wǎng)絡的體系結構包括哪些部分?各部分的功能分別是什么?(1)網(wǎng)絡通信協(xié)議：類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡中的TCP/IP協(xié)議體系。它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成。(2)網(wǎng)絡管理平臺：主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡的管理。包括拓撲控制、服務質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網(wǎng)絡管理等。(3)應用支撐平臺：建立在網(wǎng)絡通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理技術的基礎之上。包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網(wǎng)絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。1-9.傳感器網(wǎng)絡的結構有哪些類型?分別說明各種網(wǎng)絡結構的特征及優(yōu)缺

3、點。（1）根據(jù)結點數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡的結構可以分為平面結構和分級結構。如果網(wǎng)絡的規(guī)模較小，一般采用平面結構；如果網(wǎng)絡規(guī)模很大，則必須采用分級網(wǎng)絡結構。（2）平面結構：特征：平面結構的網(wǎng)絡比較簡單，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。優(yōu)點：源結點和目的結點之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡負荷由這些路徑共同承擔。一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡比較健壯。缺點：影響網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸速率，甚至造成網(wǎng)絡崩潰。整個系統(tǒng)宏觀上會損耗巨大能量?？蓴U充性差，需要大量控制消息。分級結構：特征：傳感器網(wǎng)絡被劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡。簇頭結點負責簇間數(shù)據(jù)的轉發(fā)，簇成員

4、只負責數(shù)據(jù)的采集。優(yōu)點：大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴充性。簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生，具有很強的抗毀性。缺點：簇頭的能量消耗較大，很難進人休眠狀態(tài)。1-13.討論無線傳感器網(wǎng)絡在實際生活中有哪些潛在的應用。(1) 用在智能家具系統(tǒng)中，將傳感器嵌入家具和家電中，使其與執(zhí)行單元組成無線網(wǎng)絡，與因特網(wǎng)連接在一起。(2) 用在智能醫(yī)療中，將傳感器嵌入醫(yī)療設備中，使其能接入因特網(wǎng)，將患者數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)生終端。(3) 用在只能交通中，運用無線傳感器監(jiān)測路面、車流等情況。2-2.傳感器由哪些部分組成?各部分的功能是什么?2-5.集成傳感器的特點是什么?體積小、重量輕、功能強、性能好。2-7.傳

5、感器的一般特性包括哪些指標?靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進行傳感器的正確選型？1.測量對象與環(huán)境：分析被測量的特點和傳感器的使用條件選擇何種原理的傳感器。2.靈敏度：選擇較高信噪比的傳感器，并選擇適合的靈敏度方向。3.頻率響應特性:根據(jù)信號的特點選擇相應的傳感器響應頻率，以及延時短的傳感器。4.線性范圍：傳感器種類確定后觀察其量程是否滿足要求，并且選擇誤差小的傳感器。5. 穩(wěn)定性：根據(jù)使用環(huán)境選擇何時的傳感器或采用適當?shù)拇胧p小環(huán)境影響，盡量選擇穩(wěn)定性好的傳感器。6. 精度：選擇滿足要求的，相對便宜的傳感器。2-17.簡述磁阻傳感器探

6、測運動車輛的原理。磁阻傳感器在探測磁場的通知探測獲得車輪速度、磁跡、車輛出現(xiàn)和運動方向等。使用磁性傳感器探測方向、角度或電流值，可以間接測定這些數(shù)值。因為這些屬性變量必須對相應的磁場產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測出場強變化，則采用一些信號處理辦法，將傳感器信號轉換成需要的參數(shù)值。3-2.無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)為什么要進行調(diào)制和解調(diào)?調(diào)制有哪些方法?（1）調(diào)制和解調(diào)技術是無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。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。 調(diào)制技術通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。 解調(diào)是將基帶信號從載波中

7、提取出來以便預定的接收者(信宿)處理和理解的過程。（2） 根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號的類型。可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。 根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。3-4.試描述無線傳感器網(wǎng)絡的物理層幀結構。3-6.根據(jù)信道使用方式的不同。傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議可以分為哪幾種類型?時分復用無競爭接入方式、隨機競爭接入方式、競爭與固定分配相結合的接入方式。3-7.設計基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是什么？當結點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。3-8.試寫(畫）出CSMA/CA的基

8、木訪問機制。并說明隨機退避時間的計算方法。3-9.IEEE802.11MAC協(xié)議有哪兩種訪問控制方式?每種方式是如何工作的?（1） 分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）、點協(xié)調(diào)功能（PCF），期中DCF是基本訪問控制方式。3-10.通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡產(chǎn)生無效能耗?空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串擾、控制開銷3-11.敘述無線傳感器網(wǎng)絡S-MAC協(xié)議的主要特點和實現(xiàn)機制。（1）S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少結點能耗。（2）周期性偵聽和睡眠機制、流量自適應機制、沖突和串音

9、避免機制、消息傳遞機制。3-12.簡述路由選擇的主要功能。（1） 尋找源結點和目的結點間的優(yōu)化路徑。（2） 將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)。3-14.常見的傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議有哪些類型?并說明各種類型路由協(xié)議的主要特點。（1） 能量感知路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置協(xié)議、可靠的路由協(xié)議。（2） 能量感知路由協(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)絡生存期等問題?；诓樵兊穆酚蓞f(xié)議：主要用于需要不斷查詢傳感器結點采集的數(shù)據(jù)，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術與路由協(xié)議的設計相結合。地理位置協(xié)議：主要應用于需要知道目的結點的精確或大致地理位置的問題中，把結點的位置信

10、息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結點的路由選擇功能，并且降低維護路由協(xié)議的能耗?？煽康穆酚蓞f(xié)議：應用在對可靠性和實時性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設計傳感器網(wǎng)絡的定向擴散路由協(xié)議?4-2.傳感器網(wǎng)絡常見的時間同步機制有哪些?RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN4-3.簡述TPSN時間同步協(xié)議的設計過程。 TPSN時間同步協(xié)議采用層次結構，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡結點的時間同步。所有結點按照層次結構進行邏輯分級。表示結點到根結點的距離，通過基于發(fā)送者-接收者的結點對方式。每個結點與上一級的一個結點進行同步。從而最終所有結點都與根結點實現(xiàn)時間同步。 TPSN協(xié)議包括兩個階段: 第一個階段生

11、成層次結構，每個結點賦予一個級別。根結點賦予最高級別第0級。第i 級的結點至少能夠與一個第(i-1)級的結點通信; 第二個階段實現(xiàn)所有樹結點的時間同步。第1級結點同步到根結點。第i級的結點同步到第(i-1)級的一個結點，最終所有結點都同步到根結點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的時間同步。4-6.簡述以下概念術語的含義:錨點、測距、連接度、到達時間差、接收信號強度指示、視線關系。錨點：指通過其他方式預先獲得位置坐標的結點，有時也稱作信標結點。網(wǎng)絡中相應的其余結點稱為非錨點。測距：指兩個相互通信的結點通過測量方式來估計出彼此之間的距離或角度。連接度：包括結點連接度和網(wǎng)絡連接度兩種含義。結點連接度是指結點可探測發(fā)現(xiàn)

12、的鄰居結點個數(shù)。網(wǎng)絡連接度是所有結點的鄰結點數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。到達時間差：兩種不同傳播速度的信號從一個結點傳播到另一個結點所需要的時間之差。接收信號強度指示：結點接收到無線信號的強度大小。視線關系：如果傳感器網(wǎng)絡的兩個結點之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個結點問存在視線關系。4-9.RSSI測距的原理是什么?4-10.簡述ToA測距的原理。4-11.舉例說明TDoA的測距過程。4-12.舉例說明AoA測角的過程。4-13.試描述傳感器網(wǎng)絡多邊定位法的原理。4-14.簡述Min-max定位方法的原理。4-15.簡述質(zhì)心定位算法的原理及其特點。4-16.舉例說明

13、DV-Hop算法的定位實現(xiàn)過程。4-17.什么是數(shù)據(jù)融合技術?它在傳感器網(wǎng)絡中的主要作用是什么?（1） 數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融，是一種多源信息處理技術。它通過對來自同一目標的多源數(shù)據(jù)進行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判斷。（2） 節(jié)省整個網(wǎng)絡的能量增強所收集數(shù)據(jù)的準確性提高收集數(shù)據(jù)的效率4-18.簡述數(shù)據(jù)融合技術的不同分類方法及其類型。(1) 依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進行分類：無損失融合、有損失融合(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應用層數(shù)據(jù)語義的關系進行分類：依賴于應用的數(shù)據(jù)融合、獨立于應用的數(shù)據(jù)融合、結合以上兩種技術的數(shù)據(jù)融合(3)依據(jù)融合操作的級別進行分類：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合、決

14、策級融合4-19.什么是數(shù)據(jù)融合的綜合平均法?4-20.常見的數(shù)據(jù)融合方法有哪些?綜合平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法。4-21.無線通信的能量消耗與距離的關系是什么?它反映出傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖裁刺攸c?（1） 通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。（2） 在傳感器網(wǎng)絡中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式。4-22.簡述節(jié)能策略休眠機制的實現(xiàn)思想。當結點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計算與通信單元處十空閑狀態(tài)，把這些組件關鐘或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。該機制對于延長傳感器結點的生存周期非常重要。但

15、休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉換需要消耗一定的能量。并且產(chǎn)生時延。所以狀態(tài)轉換策略對于休眠機制比較重要。如果狀態(tài)轉換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會導致能耗的增加。4-23.簡述傳感器網(wǎng)絡結點各單元能量消耗的特點傳感器結點中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。隨著集成電路工藝的進步。處理器和傳感器模塊的功耗都很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是偵聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收。睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。4-24.動態(tài)電源管理的工作原理是什么?當結點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)。應該把這些組件關掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休

16、眠狀態(tài))。從而節(jié)省能量。4-25.傳感器網(wǎng)絡的安全性需求包括哪些內(nèi)容?結點的安全保證、被動抵御入侵的能力、主動反擊入侵的能力。4-26.什么是傳感器網(wǎng)絡的信息安全?4-27.簡述在傳感器網(wǎng)絡中實施Wormhole攻擊的原理過程4-28.SPINS安全協(xié)議簇能提供哪些功能? SPINS安個協(xié)議簇是最早的無線傳感器網(wǎng)絡的安全框架之一。包含了 SNEP和TESLA兩個安全協(xié)議。SNEP協(xié)議提供點到點通信認證、數(shù)據(jù)機密性、完整性和新鮮性等安全服務；TESLA協(xié)議則提供對廣播消息的數(shù)據(jù)認證服務。6-3.低速無線個域網(wǎng)具有哪些特點? 低速無線個域網(wǎng)是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡，它使得在低電能和低

17、吞吐量的應用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與無線局域網(wǎng)相比。低速無線個域網(wǎng)網(wǎng)絡只需很少的基礎設施。甚至不需要基礎設施。IEEE 802. 15. 4標準為低速無線個域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。6-7.簡述ZigBee的技術特點(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。數(shù)據(jù)率只有l(wèi)okb/s250kb/s，專注十低速傳輸應用。(2)有效范圍小。有效似蓋范圍1075m之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定。(3)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz,868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為無需申請的ISM頻段。(4)省電。由于工作周期很短。收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)5號電池支持長達6個月至2年左右的使用時間，當然不同應用的功耗有所不同。(5)可靠。采用碰撞避免機制。并為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制。每個發(fā)送的數(shù)