無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用 第2版習題答案.docx

1、習題答案第1章 無線傳感器網(wǎng)絡概述1、簡述無線傳感器網(wǎng)絡的概念。無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成,通過無線通信 方式形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū) 域中被感知對象的信息，經(jīng)過無線網(wǎng)絡發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無 線傳感器網(wǎng)絡的三要素。2、無線傳感器網(wǎng)絡的特點有哪些？1）傳感器節(jié)點體積小，電源能量有限，傳感器節(jié)點各部分集成度很高。2）計算和存儲能力有限。3）通信半徑小，帶寬低。4）無中心和自組織。5）網(wǎng)絡動態(tài)性強。6）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。3、無線傳感器網(wǎng)絡的常用關鍵技術有哪些？1）網(wǎng)絡拓撲控制；2）網(wǎng)絡

2、協(xié)議：網(wǎng)絡層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。網(wǎng)絡層的路市協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸 路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質訪問控制協(xié)議用來構建底層的基礎結構，控制傳感器節(jié)點的通信過 程和工作模式。3）時間同步；4）定位技術；5）數(shù)據(jù)融合；6）網(wǎng)絡安全；7）數(shù)據(jù)管理：分布式數(shù)據(jù)庫；8）應用層技術：各種無線傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的開發(fā)和多任務之間的協(xié)調(diào)第2章網(wǎng)絡與通信技術1、簡述物理層定義。物理層是TCP/IP網(wǎng)絡模型的第一層，處于最底層，是維個通信系統(tǒng)的基礎，物理層為 設備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。2、簡述無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的特點。1）能力優(yōu)先；2）基于局部拓撲信息；3）以數(shù)據(jù)為中心；4

3、）應用相關3、簡述擁塞控制協(xié)議的方法。1）擁塞檢測；2）若節(jié)點發(fā)現(xiàn)自身處于擁塞狀態(tài)，需要將此信息傳播給鄰居節(jié)點或上游節(jié)點來進行某 些控制操作；3）擁塞控制：流量控制、多路分流、數(shù)據(jù)聚合、虛擬網(wǎng)關。4、冗余發(fā)送協(xié)議有幾種？簡述其原理。1）拷貝冗余若網(wǎng)絡的播撒密度較大，則節(jié)點可以在轉發(fā)時創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)包的多個拷貝，同時向多個 鄰居節(jié)點轉發(fā)，以數(shù)據(jù)冗余的方式來保證傳輸可靠性。初始階段節(jié)點使用泛洪廣播數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關收集一段時間的數(shù)據(jù)之后，按照包的序列號統(tǒng) 計計算每個流的實際可靠率，并按照實際可靠率和可靠性要求的比率來設定相關節(jié)點的轉發(fā) 概率，再將新的設置通過控制包發(fā)送給節(jié)點進行更新。這種基于網(wǎng)關集中控制的

4、方法比較簡 單，缺點在于需要網(wǎng)美發(fā)送大量的控制包進入網(wǎng)絡，加大了網(wǎng)絡負載和能耗；同時，統(tǒng)一的 調(diào)整模式使得單個節(jié)點不能根據(jù)當前自身的網(wǎng)絡狀況靈活地調(diào)整轉發(fā)概率，在大規(guī)模網(wǎng)絡中 節(jié)點等待網(wǎng)關反饋的時間較長。2）編碼冗余擦除碼（erasure code）是一種容錯機制，它可以將，個源數(shù)據(jù)編碼為，?（，）個新數(shù)據(jù)， 使用這個新數(shù)據(jù)中任意的個編碼數(shù)據(jù)均可重構原來川個源數(shù)據(jù)。這種方法作為一種前 向糾錯技術主要應用在通信網(wǎng)絡傳輸中避免包的丟失，使用比拷貝方式更少的帶寬和存儲空 間，提供與其效果相近的可靠性。5、ZigBee技術的特點是什么？1）低速率短時延。2）低功耗。3）低成本。4）大容量網(wǎng)絡。5）近距

5、離通信。6）自組織自配置。第3章管理技術1、無線傳感器網(wǎng)絡中的時間同步的算法有哪些？簡述其思想。 按同步事件劃分：1）主從模式與平等模式。主從模式下，從節(jié)點把主節(jié)點的本地時間作為參考時間并與 之同步，一般而言，主節(jié)點要消耗的資源量與從節(jié)點的數(shù)量成正比，所以一般選擇負荷小能 量多的節(jié)點為主節(jié)點；平等模式下，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點是相互直接通信的，這減小了因主節(jié) 點失效而導致同步癱瘓的危險性，平等模式更加靈活但難以控制。2）內(nèi)同步與外同步。在內(nèi)同步中，全球時標即真實時間是不可獲得的，它關心的是讓 網(wǎng)絡中各個時鐘的最大偏差如何盡量減?。辉谕馔街?，有一個標準時間源，如UTC,提 供參考時間，從而使網(wǎng)絡中所

6、有的節(jié)點都與標準時間源同步，可以提供全球時標。3）概率同步與確定同步。概率同步可以在給定失敗概率（或概率上限）的情況下，給 出某個最大偏差出現(xiàn)的概率，這樣可以減少像確定同步情況下那樣的重傳和額外操作，從而 節(jié)能。4）發(fā)送者-接收者與接收者-接收者。傳統(tǒng)的發(fā)送者-接收者同步方法分為三步： 發(fā)送者周期性地把自己的時間作為時標，用消息的方式發(fā)給接收者。 接收者把自己的時標和收到的時標同步。 計算發(fā)送和接收的延時。接收者-接收者時間同步，假設兩個接收者大約同時收到發(fā)送者的時標信息，然后相互 比較它們記錄的信息收到時間，達到同步。按具體應用特點劃分：1）單跳網(wǎng)絡與多跳網(wǎng)絡。在單跳網(wǎng)絡中，所有的節(jié)點都能直

7、接通信以交換消息，但是， 絕大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡的應用都要通過中間節(jié)點傳送消息，它們規(guī)模大，往往不可能是單 跳的。2）靜態(tài)網(wǎng)絡與動態(tài)網(wǎng)絡。在靜態(tài)網(wǎng)絡中，節(jié)點是不移動的。在動態(tài)網(wǎng)絡中，節(jié)點可以 移動，當一個節(jié)點進入另一個節(jié)點的范圍內(nèi)時，兩節(jié)點才是連通的，它的拓撲結構是不斷改 變的。3）基于MAC的機制與標準機制。MAC有兩個功能，即利用物理層的服務向上提供可 靠服務和解決傳輸沖突問題。2、簡述DV-Hop和APIT算法的思想。DV-Hop定位算法類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的距離向量路由機制，基本原理是：信標節(jié)點發(fā)送 無線電波信號，未知節(jié)點接收到之后進行轉發(fā)，直至整個網(wǎng)絡中的節(jié)點都接收到該信號；相 鄰節(jié)點之

8、間通訊記為1跳，未知節(jié)點先計算出接收到信標節(jié)點信號的最小跳數(shù)，再估算平均 每跳的距離，將未知節(jié)點到達信標節(jié)點所需要的最小跳數(shù)與平均每跳的距離相乘，計算出未 知節(jié)點與信標節(jié)點之間的相對估算距離；最后再用三邊測量法或極大似然估計法等計算該未 知節(jié)點的位置坐標。APIT本質上是對質心算法的一種改進，基本原理是：未知節(jié)點先得到所有臨近信標節(jié) 點的位置信息，然后隨機選取三個信標節(jié)點組成一個三角形，進行測試該三角形區(qū)域是否包 含該未知節(jié)點，如果包含則保留，不包含則舍棄；不斷地選取測試，直至選取的包含該未知 節(jié)點的三角形區(qū)域可以達到定位精度要求停止；再計算出選取到的三角形重疊后多邊形的質 心，并將此質心的位

9、置作為該未知節(jié)點的位置坐標。3、無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)查詢的有哪幾種類型？1）動態(tài)數(shù)據(jù)查詢；2）歷史數(shù)據(jù)查詢4、簡述目標跟蹤所涉及的五大關鍵技術。1）節(jié)點自組織；2）數(shù)據(jù)通信；3）節(jié)點定位；4）目標探測；5）目標跟蹤。5、功率控制技術主要有哪些？簡述其原理。1）最優(yōu)鄰節(jié)點集通過調(diào)整節(jié)點的鄰居節(jié)點集可優(yōu)化網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命，最直接的方法就是每個節(jié) 點只與離它最近的K個鄰節(jié)點通信，在保證網(wǎng)絡吞吐量和連通性的前提下，確定一個不依 賴于實際網(wǎng)絡的K值，這樣的常數(shù)K稱為魔數(shù)。2）基于節(jié)點度的功率控制一個節(jié)點的度數(shù)是指所有距離該節(jié)點一跳的鄰居節(jié)點的數(shù)目，算法的核心思想是給定節(jié) 點度的上限和下限需求，動態(tài)

10、調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，使得節(jié)點的度數(shù)落在上限和下限之間。3）基于方向的功率控制基本思想是：節(jié)點選擇最小功率&,p,使得在任何以u為中心且角度為p的錐形區(qū)域 內(nèi)至少有一個鄰居，當p . 5tt/6時，可以保證網(wǎng)絡的連通性。6、簡述覆蓋技術的主要評價標準。1）覆蓋能力；2）網(wǎng)絡連通性；3）能量有效性；4）算法精確性；5）算法復雜性；6）網(wǎng)絡動態(tài)性；7）網(wǎng)絡可擴展性。第4章安全技術I、簡述無線傳感器網(wǎng)絡中有哪些安全問題？1）機密性。要求確保網(wǎng)絡節(jié)點間傳輸?shù)闹匾畔⑹且约用芊绞竭M行。在信息傳遞過程 中，授權用戶即通信中合法的收發(fā)雙方才有權利用私鑰進行解密，非授權用戶因無密鑰將 無法得到正確數(shù)據(jù)。2）完整

11、性。網(wǎng)絡節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中應該未被惡意插入、刪除和篡改，保 障數(shù)據(jù)的完整性。3）真實性。能夠核實消息來源的真實性，即惡意攻擊者不可能偽裝成一個合法節(jié)點而 不被識破。4）可用性和魯棒性。即使部分網(wǎng)絡受到攻擊，攻擊者也不能完全破壞系統(tǒng)的有效工作 以及導致整個網(wǎng)絡癱瘓。5）新鮮性。要求接收方收到的數(shù)據(jù)包都是最新的而非重放或過時的，保障數(shù)據(jù)的時效 性。6）授權和訪問控制。要求能夠對訪問無線傳感器網(wǎng)絡的用戶身份進行確認，確保其合 法性，即保證只有合法用戶才有權訪問無線傳感器網(wǎng)絡相關的服務和資源。7）不可抵賴性。要求節(jié)點具有不能否認己經(jīng)發(fā)送數(shù)據(jù)包的行為。8）保持前向秘密和后向秘密。當一個節(jié)點離開

12、網(wǎng)絡后，它將不再知曉網(wǎng)絡今后發(fā)生的 相關信息，此為保持前向秘密；而當一個新節(jié)點加入傳感器網(wǎng)絡后，它不應知曉網(wǎng)絡以前發(fā) 生的信息，此為保持后向秘密。2、無線傳感器網(wǎng)絡中物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層有哪些各自的安全策略？ 物理層安全策略：1）擴頻通訊；2）增加物理損害感知機制；3）對敏感信息進行加密存儲；4）密鑰。 鏈路層安全策略：1）糾錯編碼；2）信道監(jiān)聽和重傳：3）短包策略；4）時分復用等。網(wǎng)絡層安全策略：1）信息簽名；2）多路冗余傳送；3）通信認證、多徑路由；4）身份認證。 傳輸層安全策略：1）客戶端謎題；2）身份確認。3、常見的密鑰安全機制有幾種模型，各有什么特點？1）預共享密鑰分配模型

13、。實現(xiàn)簡單，所以在一些網(wǎng)絡規(guī)模不大的應用中可以得到有效 的實施。2）隨機密鑰預分配模型。節(jié)點僅存儲密鑰池中的部分密鑰，大大降低了每個節(jié)點存放 密鑰的數(shù)量和空間。更適合于解決大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡的安全引導，因為大網(wǎng)絡有相對比 較小的統(tǒng)計漲落。點到點的安全信道通信可以獨立建立，減少網(wǎng)絡安全對基站的依賴，基 站僅僅作為一個簡單的消息匯聚和任務協(xié)調(diào)的節(jié)點，即使基站被俘，也不會對整個網(wǎng)絡造成 威脅。有效地抑制DoS攻擊。3）基于位置的密鑰預分配模型。借助于位置信息，在相同網(wǎng)絡規(guī)模、相同存儲容量的 條件下可以提高兩個鄰居節(jié)點具有相同密鑰對的概率，也能提高網(wǎng)絡攻擊節(jié)點被俘獲的能 力。4、簡述無線傳感器網(wǎng)絡中的

14、三種入侵檢測方法的主要機理。1）博弈論框架。2）馬爾科夫判定過程。3）依據(jù)流量的直覺判斷。第5章軟硬件設計與測試1、簡述傳感器節(jié)點的分類。1）按被檢測量分類，可分為物理量傳感器，化學量傳感器，生物量傳感器。2）按傳感器使用的材料分為：半導體、陶瓷、復合材料、金屬材料、高分子材料、超 導材料、光纖材料、納米材料傳感器等。3）按傳感器輸出信號的性質可分為：輸出為開關量的開關型傳感器、輸出為模擬量的 模擬型傳感器、輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。4）按能量的傳遞方式可分為：有源傳感器和無源傳感器。5）按傳感器的工作機理分類，可分為結構型和物性型兩大類。6）按照傳感器的制造工藝分類，可分為集成傳感器、

15、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷 傳感器。7）根據(jù)轉換過程可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。2、簡述傳感器節(jié)點的設計原則。1）微型化。微型化是無線傳感器網(wǎng)絡追求的終極目標，只有節(jié)點本身體積足夠小，才 能保證不影響目標系統(tǒng)環(huán)境或者造成的影響可以忽略不計；另外在某些特殊場合甚至要求目 標系統(tǒng)能夠小到不容易被人察覺的程度，如在戰(zhàn)爭偵查等特定環(huán)境下，微型化更是首先考慮 的問題之一。2）低能耗。在設計過程中，應采用合理的能量監(jiān)測與控制機制，功耗要限制在幾十毫 瓦甚至更低數(shù)量級。3）低成本。要求傳感器節(jié)點各個模塊的設計不能特別復雜，使用的所有器件都必須是 低功耗的，否則不利于降低成本。4）可擴展性。需

16、要定義統(tǒng)一、完整的外部接口，需要添加新的硬件時可以在現(xiàn)有節(jié)點 上直接添加，而不需要開發(fā)新的節(jié)點，即傳感器節(jié)點應當在具備通用處理器和通信模塊的基 礎上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應不同的組件。5）穩(wěn)定性和安全性。設計的節(jié)點要求各個部件都能在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常 工作，在給定的溫度、濕度、壓力等外部條件下，傳感器節(jié)點各部件能夠保證正常功能，且 能夠工作在各自量程范圍內(nèi)。另外在惡劣環(huán)境條件下能保證獲取數(shù)據(jù)的準確性和傳輸數(shù)據(jù)的 安全性。6）深度嵌入性。傳感器節(jié)點必須和所感知場景緊密結合才能非常精細地感知外部環(huán)境 的變化。3、簡述TinyOS的內(nèi)核設計。1）調(diào)度機制。TinyOS的調(diào)度模型為“

17、任務+事件的兩級調(diào)度，調(diào)度的方式是任務不搶 占事件要搶占，調(diào)度的算法是簡單的先入先出（FIFO）,任務隊列是功耗敏感的。2）中斷。3）時間同步。提供獲取和設置當前系統(tǒng)時間的機制（TinyOS的通訊組件 GenericComm）,使用hook函數(shù)為底層的通訊包打上時間戳，以實現(xiàn)精確的時間同步，同時 靠應用來選擇何時激活同步。4）任務通訊和同步。主要解決原子操作和任務間相互合作的同步機制第6章人工智能物聯(lián)網(wǎng)1、簡述機器學習的工作流程。機器學習算法被用在工作流的“訓練步驟中，它的輸出（一個經(jīng)過訓練的模型）被用在 工作流的“預測”部分中。機器學習的目的是從訓練數(shù)據(jù)中學習，以便對新的、未見過的數(shù)據(jù) 做出

18、盡可能精準地預測。2、深度學習的三類方法是什么？1）基于卷積運算的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，即卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，這是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，它的人 工神經(jīng)元可以響應一部分覆蓋范圍內(nèi)的周圍單元，對于大型圖像處理有出色表現(xiàn)。2）基于多層神經(jīng)元的自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡，包括自編碼（Auto Encoder）以及近年來受到 廣泛關注的稀疏編碼兩類（Sparse Coding）,能夠從大量無標簽的數(shù)據(jù)中自動學習，得到蘊 含在數(shù)據(jù)中的有效特征。自編碼方法近年來受到了廣泛的關注，已成功應用于很多領域，例 如數(shù)據(jù)分類、模式識別、異常檢測、數(shù)據(jù)生成等。3）深度置信網(wǎng)絡，是概率統(tǒng)計學與機器學習和神經(jīng)網(wǎng)絡的融合，由多個帶有數(shù)值的層 組成，其中層之間存在關系，而數(shù)值之間沒有關聯(lián)，主要目標是幫助系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分類到不同 的類別。3、物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術有哪些？1）傳感器及無線傳感器網(wǎng)絡；2）產(chǎn)品電子編碼系統(tǒng)；3）射頻識別；4）全球定位系統(tǒng)；5）云計算4、簡述人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的關系。1）人工智能讓物聯(lián)網(wǎng)更加