無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)題目.doc

1、 無線傳感器的特點(diǎn)P6P10答：傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大（上千甚至上萬），節(jié)點(diǎn)分布密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)故障，環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；通常情況下，大多數(shù)傳感器的節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)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(diǎn)，可能達(dá)到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。自組織在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)性傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯涵h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)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?xí)r斷時(shí)通；傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。可靠性WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)吹、雨淋，甚至遭到人或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)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(xí)慣。2、 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)P5答：傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)交換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。（耗電情況：傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)答：星型網(wǎng)是指網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)備連接在一起，各節(jié)點(diǎn)成星狀分布的網(wǎng)絡(luò)連接方式。優(yōu)點(diǎn)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于集中控制，因?yàn)槎擞脩糁g的通信必須經(jīng)過中心站。由于這一特點(diǎn)，也帶來了易于維護(hù)和安全等優(yōu)點(diǎn)。端用戶設(shè)備因?yàn)楣收隙C(jī)時(shí)也不會(huì)影響其它端用戶間的通信。同時(shí)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小，傳輸誤差較低。缺點(diǎn)：中心系統(tǒng)必須具有極高的可靠性，因?yàn)橹行南到y(tǒng)一旦損壞，整個(gè)系統(tǒng)便趨于癱瘓。對(duì)此中心系統(tǒng)通常采用雙機(jī)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(diǎn)上，信息流擁擠。網(wǎng)狀網(wǎng)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)。類型優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)星型網(wǎng)（集中式）易實(shí)現(xiàn)、易診斷、易隔離單點(diǎn)失效、負(fù)載過重、安裝維護(hù)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(diǎn)沒能檢測出信道上已經(jīng)存在的信號(hào)而導(dǎo)致沖突發(fā)生。（假設(shè)節(jié)點(diǎn)A向B發(fā)送數(shù)據(jù)，由于節(jié)點(diǎn)C接收不到A發(fā)送的信號(hào)因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，C就錯(cuò)誤地認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)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(shí)發(fā)送給B的數(shù)據(jù)就會(huì)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(shí)多個(gè)工作站進(jìn)行通信。（假設(shè)C要向D發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)，B正向A發(fā)送數(shù)據(jù)，C檢測到信道上存在信號(hào)B向A發(fā)送的信號(hào)，認(rèn)為信道忙，于是放棄向D的發(fā)送。其實(shí)，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(yù)約。原理為：預(yù)留機(jī)制要求源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)A先向B發(fā)送一個(gè)RTS，節(jié)點(diǎn)B返回一個(gè)CTS進(jìn)行應(yīng)答。兩個(gè)幀中都有一個(gè)字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時(shí)間長度，其他幀的MAC頭也會(huì)捎帶這一信息。節(jié)點(diǎn)C、D在偵聽到這個(gè)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(gè)站點(diǎn)維護(hù)一個(gè)定時(shí)器，記錄網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV，指示信道被占用的剩余時(shí)間。一旦收到RTS幀或CTS幀，所有節(jié)點(diǎn)必須更新它們的NAV值。只有NAV減至0，節(jié)點(diǎn)才可能發(fā)送信息。5、 路由問題（DD）P32P36答：定向擴(kuò)散（directed diffusion，DD）是一種基于查詢的路由機(jī)制。匯聚節(jié)點(diǎn)通過興趣消息（interest）發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣消息到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣消息原來表示查詢的任務(wù)，表達(dá)網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的信息，例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度（gradient）。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散（匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息）、梯度建立數(shù)據(jù)傳播（當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點(diǎn)，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率）以及路徑加強(qiáng)（定向擴(kuò)散路由機(jī)制通過正向加強(qiáng)機(jī)制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓薷臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系）三個(gè)階段。6、 ZigBee協(xié)議（網(wǎng)絡(luò)類型和節(jié)點(diǎn)類型P111）P110答：根據(jù)應(yīng)用需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，所有信息都經(jīng)它傳輸。簇樹型網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)頂端節(jié)點(diǎn)，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(jī)制非常類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機(jī)制。在距離向量定位機(jī)制中，未知節(jié)點(diǎn)首先計(jì)算與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，再利用三邊測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。如圖所示：經(jīng)過第一階段和第二節(jié)點(diǎn)，能夠計(jì)算出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)L1,L2,L3之間的實(shí)際距離和跳數(shù)。那么信標(biāo)節(jié)點(diǎn)L2結(jié)算的每跳平均距離為（40+75）/(2+5)。假設(shè)A從L2獲得每跳平均距離，則節(jié)點(diǎn)A與三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(jì)算出節(jié)點(diǎn)A的坐標(biāo)。8、 時(shí)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(luò)相連，他們都有自己獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)鐘，需要通過NTP實(shí)現(xiàn)各自系統(tǒng)時(shí)鐘的自動(dòng)同步。為便于理解，作如下假設(shè)：在DeviceA和DeviceB的系統(tǒng)時(shí)鐘同步之前，Device A的時(shí)鐘設(shè)定為10:00:00am，Device B的時(shí)鐘設(shè)定為11:00:00am。設(shè)備B作為NTP時(shí)間服務(wù)器，即設(shè)備A將使自己的時(shí)鐘與設(shè)備B的時(shí)鐘同步。NTP報(bào)文在設(shè)備A和設(shè)備B之間單向傳輸所需要的時(shí)間是1秒圖1-1NTP原理圖系統(tǒng)時(shí)鐘同步過程如下：設(shè)備A發(fā)送一個(gè)NTP報(bào)文給設(shè)備B，該報(bào)文帶有它離開設(shè)備A時(shí)的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為10:00:00am(T1)。當(dāng)此NTP報(bào)文到達(dá)設(shè)備B時(shí)，設(shè)備B加上自己的時(shí)間戳，該時(shí)間戳為11:00:01am(T2)。l當(dāng)此NTP報(bào)文離開設(shè)備B時(shí)，設(shè)備B再加上自己的時(shí)間戳，改時(shí)間戳為11:00:02（T3）