無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課后習(xí)題答案

1、.1-2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)"無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動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)作地探測、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)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(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)。1-5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測結(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換）、計(jì)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(fù)責(zé)探測目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計(jì)算模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲模塊負(fù)責(zé)存放程序和數(shù)據(jù)，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)送和接收。另外，電源模塊

2、負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)供電，結(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。1-8.傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分"各部分的功能分別是什么"(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。(2)網(wǎng)絡(luò)管理平臺：主要是對傳感器結(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?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。(3)應(yīng)用支撐平臺：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。1-9.傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)的結(jié)構(gòu)有哪些類型"分別說明各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。（1）根據(jù)結(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，則必須采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）平面結(jié)構(gòu)：特征：平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)。一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。缺點(diǎn)：影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，甚至造成網(wǎng)絡(luò)崩潰。整個系統(tǒng)宏觀上會損耗巨大能量。可擴(kuò)充性差，需要大量控制消息。分級結(jié)構(gòu)：特征：傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。

4、這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。優(yōu)點(diǎn)：大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的抗毀性。缺點(diǎn)：簇頭的能量消耗較大，很難進(jìn)人休眠狀態(tài)。1-13.討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中有哪些潛在的應(yīng)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(luò)，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(shè)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(yùn)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&q

5、uot;2-5.集成傳感器的特點(diǎn)是什么"體積小、重量輕、功能強(qiáng)、性能好。2-7.傳感器的一般特性包括哪些指標(biāo)"靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進(jìn)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(diǎn)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(yīng)特性:根據(jù)信號的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器響應(yīng)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(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境影

6、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.簡述磁阻傳感器探測運(yùn)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(yùn)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?yàn)檫@些屬性變量必須對相應(yīng)的磁場產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測出場強(qiáng)變化，則采用一些信號處理辦法，將傳感器信號轉(zhuǎn)換成需要的參數(shù)值。3-2.無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為什么要進(jìn)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(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)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

7、通信系統(tǒng)的質(zhì)量。 調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。 解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)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(luò)的物理層幀結(jié)構(gòu)。3-6.根據(jù)信道使用方式的不同。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可以分為哪幾種類型"時分復(fù)用無競爭接入方式、隨機(jī)競爭接入方式、競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。3-7.設(shè)計(jì)基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是什么.當(dāng)結(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方

8、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的基木訪問機(jī)制。并說明隨機(jī)退避時間的計(jì)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(diǎn)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(luò)產(chǎn)生無效能耗"空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷3-11.敘述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。（1）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)

9、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，減少結(jié)點(diǎn)能耗。（2）周期性偵聽和睡眠機(jī)制、流量自適應(yīng)機(jī)制、沖突和串音避免機(jī)制、消息傳遞機(jī)制。3-12.簡述路由選擇的主要功能。（1） 尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)。3-14.常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。（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(luò)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

10、傳感器結(jié)點(diǎn)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(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。地理位置協(xié)議：主要應(yīng)用于需要知道目的結(jié)點(diǎn)的精確或大致地理位置的問題中，把結(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，并且降低維護(hù)路由協(xié)議的能耗。可靠的路由協(xié)議：應(yīng)用在對可靠性和實(shí)時性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議"4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時間同步機(jī)制有哪些"RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN4-3.簡述TPSN時間同步協(xié)議的設(shè)計(jì)過程。 TPSN時間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的時間同步。所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)

11、進(jìn)行邏輯分級。表示結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的距離，通過基于發(fā)送者-接收者的結(jié)點(diǎn)對方式。每個結(jié)點(diǎn)與上一級的一個結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。從而最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時間同步。 TPSN協(xié)議包括兩個階段: 第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個結(jié)點(diǎn)賦予一個級別。根結(jié)點(diǎn)賦予最高級別第0級。第i 級的結(jié)點(diǎn)至少能夠與一個第(i-1)級的結(jié)點(diǎn)通信; 第二個階段實(shí)現(xiàn)所有樹結(jié)點(diǎn)的時間同步。第1級結(jié)點(diǎn)同步到根結(jié)點(diǎn)。第i級的結(jié)點(diǎn)同步到第(i-1)級的一個結(jié)點(diǎn)，最終所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。4-6.簡述以下概念術(shù)語的含義:錨點(diǎn)、測距、連接度、到達(dá)時間差、接收信號強(qiáng)度指示、視線關(guān)系。錨點(diǎn)：指通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的結(jié)點(diǎn)，

12、有時也稱作信標(biāo)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余結(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。測距：指兩個相互通信的結(jié)點(diǎn)通過測量方式來估計(jì)出彼此之間的距離或角度。連接度：包括結(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。結(jié)點(diǎn)連接度是指結(jié)點(diǎn)可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點(diǎn)個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點(diǎn)的鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。到達(dá)時間差：兩種不同傳播速度的信號從一個結(jié)點(diǎn)傳播到另一個結(jié)點(diǎn)所需要的時間之差。接收信號強(qiáng)度指示：結(jié)點(diǎn)接收到無線信號的強(qiáng)度大小。視線關(guān)系：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個結(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個結(jié)點(diǎn)問存在視線關(guān)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T

13、DoA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(luò)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(diǎn)。4-16.舉例說明DV-Hop算法的定位實(shí)現(xiàn)過程。4-17.什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)"它在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)。它通過對來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判斷。（2） 節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)的不同分類方法及其類型。(1) 依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)

14、的信息含量進(jìn)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(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系進(jìn)行分類：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合(3)依據(jù)融合操作的級別進(jìn)行分類：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合、決策級融合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(jì)法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計(jì)決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。4-21.無線通信的能量消耗與距離的關(guān)系是什么"它反映出傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖裁刺攸c(diǎn)"（1） 通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。（2） 在傳

15、感器網(wǎng)絡(luò)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(jī)制的實(shí)現(xiàn)思想。當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計(jì)算與通信單元處十空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)鐘或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。該機(jī)制對于延長傳感器結(jié)點(diǎn)的生存周期非常重要。但休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量。并且產(chǎn)生時延。所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對于休眠機(jī)制比較重要。如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會導(dǎo)致能耗的增加。4-23.簡述傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)各單元能量消耗的特點(diǎn)傳感器結(jié)點(diǎn)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(jìn)步。處理器和傳感器模塊的功耗都很低。無線通信模塊可以

16、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(dāng)結(jié)點(diǎn)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(yīng)該把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))。從而節(jié)省能量。4-25.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求包括哪些內(nèi)容"結(jié)點(diǎn)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(luò)的信息安全"4-27.簡述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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

17、早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和新鮮性等安全服務(wù)；TESLA協(xié)議則提供對廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。6-3.低速無線個域網(wǎng)具有哪些特點(diǎn)" 低速無線個域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)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(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施。甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)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(shù)特點(diǎn)(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(yīng)用。(2)有效范圍小。有效似蓋范圍1075m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)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(dá)6個月至2年左右的使用時間，當(dāng)然不同應(yīng)用的功耗有所不同。(5)可靠。采用碰撞避免機(jī)制。并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)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(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。每