無線傳感器網(wǎng)絡復習題目.doc

1、 無線傳感器的特點P6P10答：傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點容易出現(xiàn)故障，環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡拓撲結構的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器的節(jié)點是固定不動的。另外，傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力都十分有限。大規(guī)模為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在面積較小的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。自組織在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。動態(tài)性傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性?？煽啃訵SN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。應用相關的網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心由于傳感器節(jié)點隨機部署，構成的傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。2、 無線傳感器節(jié)點結構P5答：傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數(shù)據(jù)交換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。（耗電情況：傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，傳感器節(jié)點消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。）3、 星型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的定義及優(yōu)缺點答：星型網(wǎng)是指網(wǎng)絡中的各節(jié)點設備通過一個網(wǎng)絡集中設備連接在一起，各節(jié)點成星狀分布的網(wǎng)絡連接方式。優(yōu)點：星型拓撲結構便于集中控制，因為端用戶之間的通信必須經過中心站。由于這一特點，也帶來了易于維護和安全等優(yōu)點。端用戶設備因為故障而停機時也不會影響其它端用戶間的通信。同時星型拓撲結構的網(wǎng)絡延遲時間較小，傳輸誤差較低。缺點：中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，因為中心系統(tǒng)一旦損壞，整個系統(tǒng)便趨于癱瘓。對此中心系統(tǒng)通常采用雙機熱備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。管理信息集中匯總到管理節(jié)點上，信息流擁擠。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種新型的無線網(wǎng)絡架構，它的核心指導思想是讓網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號。類型優(yōu)缺點優(yōu)點缺點星型網(wǎng)（集中式）易實現(xiàn)、易診斷、易隔離單點失效、負載過重、安裝維護成本高網(wǎng)狀網(wǎng)（分布式）易管理、易部署潛在的安全問題4、 隱蔽站、暴露站問題（原因及解決方案）P61P64答：隱蔽站問題是指無線節(jié)點沒能檢測出信道上已經存在的信號而導致沖突發(fā)生。（假設節(jié)點A向B發(fā)送數(shù)據(jù)，由于節(jié)點C接收不到A發(fā)送的信號因為距離較遠，C就錯誤地認為網(wǎng)絡中沒有數(shù)據(jù)在傳送。如果C也向B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么，A和C同時發(fā)送給B的數(shù)據(jù)就會在B處發(fā)生沖突。）暴露站問題是指在無線局域網(wǎng)中，在不發(fā)生干擾的情況下，可允許同時多個工作站進行通信。（假設C要向D發(fā)送數(shù)據(jù)，此時，B正向A發(fā)送數(shù)據(jù)，C檢測到信道上存在信號B向A發(fā)送的信號，認為信道忙，于是放棄向D的發(fā)送。其實，B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C與D的通信。）解決方案：解決此兩種問題可以用信道預約。原理為：預留機制要求源節(jié)點和目標節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前交換簡短的控制幀，即發(fā)送請求幀RTS和允許發(fā)送幀CTS。如節(jié)點A先向B發(fā)送一個RTS，節(jié)點B返回一個CTS進行應答。兩個幀中都有一個字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時間長度，其他幀的MAC頭也會捎帶這一信息。節(jié)點C、D在偵聽到這個信息后，不再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)交換完成為止。每個站點維護一個定時器，記錄網(wǎng)絡分配向量NAV，指示信道被占用的剩余時間。一旦收到RTS幀或CTS幀，所有節(jié)點必須更新它們的NAV值。只有NAV減至0，節(jié)點才可能發(fā)送信息。5、 路由問題（DD）P32P36答：定向擴散（directed diffusion，DD）是一種基于查詢的路由機制。匯聚節(jié)點通過興趣消息（interest）發(fā)出查詢任務，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內的所有傳感器節(jié)點。興趣消息原來表示查詢的任務，表達網(wǎng)絡用戶對監(jiān)測區(qū)域內感興趣的信息，例如監(jiān)測區(qū)域內的溫度、濕度和光照等環(huán)境信息。在興趣消息的傳播過程中，協(xié)議逐跳地在每個傳感器節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度（gradient）。傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點。定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散（匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播興趣消息）、梯度建立數(shù)據(jù)傳播（當傳感器節(jié)點采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率設定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率）以及路徑加強（定向擴散路由機制通過正向加強機制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的變化修改數(shù)據(jù)轉發(fā)的梯度關系）三個階段。6、 ZigBee協(xié)議（網(wǎng)絡類型和節(jié)點類型P111）P110答：根據(jù)應用需要可以組織成星型網(wǎng)絡，也可以組織成點對點網(wǎng)絡。星型網(wǎng)絡中有一個中心節(jié)點，所有信息都經它傳輸。簇樹型網(wǎng)絡有一個頂端節(jié)點，下面有枝有葉，消息先上行再下傳。7、 定位（三邊測量、DV-Hop）距離向量-跳段DV-Hop（distance vector-hop）定位機制非常類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的距離向量路由機制。在距離向量定位機制中，未知節(jié)點首先計算與信標節(jié)點的最小跳數(shù)，然后估算平均每跳的距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點與信標節(jié)點之間的估計距離，再利用三邊測量法或極大似然估計法計算未知節(jié)點的坐標。如圖所示：經過第一階段和第二節(jié)點，能夠計算出信標節(jié)點L1,L2,L3之間的實際距離和跳數(shù)。那么信標節(jié)點L2結算的每跳平均距離為（40+75）/(2+5)。假設A從L2獲得每跳平均距離，則節(jié)點A與三個信標節(jié)點之間的距離分別為L1:3*16.42，L2:2*16.42，L3:3*16.42，最后利用三邊測量發(fā)計算出節(jié)點A的坐標。8、 時間同步（NTP原理）P159160答：NTP工作原理：NTP的基本工作原理如圖1-1所示。DeviceA和DeviceB通過網(wǎng)絡相連，他們都有自己獨立的系統(tǒng)時鐘，需要通過NTP實現(xiàn)各自系統(tǒng)時鐘的自動同步。為便于理解，作如下假設：在DeviceA和DeviceB的系統(tǒng)時鐘同步之前，Device A的時鐘設定為10:00:00am，Device B的時鐘設定為11:00:00am。設備B作為NTP時間服務器，即設備A將使自己的時鐘與設備B的時鐘同步。NTP報文在設備A和設備B之間單向傳輸所需要的時間是1秒圖1-1NTP原理圖系統(tǒng)時鐘同步過程如下：設備A發(fā)送一個NTP報文給設備B，該報文帶有它離開設備A時的時間戳，該時間戳為10:00:00am(T1)。當此NTP報文到達設備B時，設備B加上自己的時間戳，該時間戳為11:00:01am(T2)。l當此NTP報文離開設備B時，設備B再加上自己的時間戳，改時間戳為11:00:02（T3）