無線傳感器網(wǎng)絡(luò)題

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一、填空題(每題 4分，共計 40 分)1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素： 傳感器、感知對象、用戶 ( 觀察者 ) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能： 協(xié)作式的感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布感知信息 無線傳感器節(jié)點的基本功能： 采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制、通信2. 常 見 的 同 步 機 制 ： RBS( Reference Broadcast Synchronization )， Ting/Mini-Sync 和 TPSN( Timing-syncProtocol for Sensor Networks )3. 無線通信物理層的主要技術(shù)包括： 介質(zhì)選擇、頻段選取、調(diào)制技術(shù)、擴頻技術(shù)4. 定向擴

2、散路由機制可以分為三個階段： 興趣擴散階段、梯度建立階段、數(shù)據(jù) 傳播階段、路徑加強階段5. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點： 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、以數(shù)據(jù)為中 心的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括： 網(wǎng)絡(luò)拓撲控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時間同步、定位 技術(shù)、數(shù)據(jù)融合及管理、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用層技術(shù)6. IEEE 標準主要包括： 物理層 、介質(zhì)訪問控制層7. 簡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺管理軟件結(jié)構(gòu)與組成： 后臺管理軟件通常由數(shù)據(jù)庫、 數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件 四個部分組成8. 數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括： 多傳感器的目標探測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識別、 情況評估和預(yù)測9. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可

3、以選擇的頻段有： 868MHz 、915MHz、 5GHz10. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法： 休眠(技術(shù))機制、數(shù)據(jù)融合11. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題： (1) 機密性問題 (2) 點到點的消息認證問題 (3) 完整性鑒別問題12. 基于競爭的MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議T-MAC協(xié)議Sift 協(xié)議13. 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(yīng)模塊 四部 分組成14. 故障修復(fù)的方法 基于連接的修復(fù) 基于覆蓋的修復(fù)15. 基于查詢的路由 定向擴散路由 謠傳路由二、 問答題(每題 1 0分，共計 60 分)1. 簡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作過程，傳感器節(jié)點的組成和功能。無線傳感器網(wǎng)

4、絡(luò)(WSN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)作地采集、 處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息， 并報 告給用戶。傳感器節(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾部分 構(gòu)成。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。 感知部件用于感知、 獲取外界的信息， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 處理部件負責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、 保存，控制感知部件和電源的工作模式等。通信部件負責(zé)與其他傳感器或用戶的通信。 軟件為傳感器提供必要的軟件支持， 如嵌入式操作系統(tǒng)、 嵌入式數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)等。2. GPSR協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式有

5、哪些區(qū)別是什么GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協(xié)議是貪婪算法 (Greedy)和圖形算法的結(jié)合，它不需要維護路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。GPSR協(xié)議具有貪婪轉(zhuǎn)發(fā) (Greedy Forwarding)和周界轉(zhuǎn)發(fā)(Perimeters Forwarding) 兩種分組轉(zhuǎn)發(fā)方式。(1) 貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法是一種基于地理信息的路由算法。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法的前提是每個分 組都已包含其目的節(jié)點位置或目標區(qū)域位置，每個節(jié)點都已知自己及自接鄰節(jié)點的位置。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法總是朝距離目的節(jié)點最近的鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，如圖7-14所示。(2) 周界轉(zhuǎn)發(fā)如圖7-15

6、所示，采用周界轉(zhuǎn)發(fā)方式時，通常采用右手規(guī)則確定轉(zhuǎn)發(fā)的路徑。圖7-16給出了右手規(guī)則的基本原理。當(dāng)一個數(shù)據(jù)分組從節(jié)點x到達節(jié)點y時，它經(jīng)過下一邊時以y為頂點，沿(y,x)逆時針方向上的第一條鏈路， 如圖所示的為(y,z)，后續(xù)的同 樣依照此規(guī)則來確定，直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點為止。GPSR路由協(xié)議同時采用了貪婪算法和周界轉(zhuǎn)發(fā)來對數(shù)據(jù)分組進行傳送。在完整的拓撲 圖中采用貪婪轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)找不到下一跳節(jié)點時，則在平面圖中采用周界轉(zhuǎn)發(fā)決定數(shù)據(jù)分組的下一跳。'Dy圖7-15路由空洞示意x無 X、區(qū)圖7-14貪婪轉(zhuǎn)發(fā)示意圖圖7-16右手規(guī)則3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有哪些類型路由協(xié)議的設(shè)計要求協(xié)

7、議主要分為四類：基于聚簇的路由協(xié)議、 以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、 基于地理位置 路由協(xié)議和能量感知路由協(xié)議現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計以節(jié)能、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為主要目的。(1) QoS路由。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點主要集中在能量效率上，而在未來的研究中可能還需要解決由視頻和成像傳感器以及實時應(yīng)用引起的QoS問題。(2) 支持移動性。目前的 WSNs路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的拓撲感知能力和移動性的支持比較差,如何在控制協(xié)議開銷的前提下，支持快速拓撲感知是一個重要挑戰(zhàn)。(3) 安全路由。由于 WSNs的固有特性，其路由協(xié)議極易受到安全威脅，是網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標，設(shè)計簡單、有效、適用于 WSNs的安全

8、機制是今后努力的方向。(4) 有效功耗。WSNs中數(shù)據(jù)通信最為耗能，今后盡量通過使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù) 傳輸中采用過濾機制來減少通信量，并通過讓各節(jié)點平均消耗能量來保持通信量的負載均 衡。(5) 容錯性。由于WSNs節(jié)點容易發(fā)生故障,應(yīng)盡量利用節(jié)點易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計算路由 以確保在路由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復(fù) , 可采用多路徑傳輸來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?. S-MAC協(xié)議實現(xiàn)手段和特點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 行數(shù)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)計目 標是提供良好的擴展性，減少結(jié)點能耗。S-MAC協(xié)議采用的主

9、要機制：1周期性偵聽和睡眠 2 流量自適應(yīng)偵聽機制 3 串音避免 4. 消息傳遞5. 常用的定位方法有哪些各有什么特點 基于測距的定位技術(shù) ：基于測距的定位技術(shù)是通過測量節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置。 解析幾何里有多種方法可以確定一個點的位置。比較常用的方法是多邊定位和角度定位。(1) 測距方法： 接收信號強度指示： 信號越強離的越近；到達時間差： 時間短 離得近；到達角：獲得角度(2) 多邊定位：浮點運算量大，計算代價高。(3) Min-Max 定位方法：計算簡單。 無須測距的定位技術(shù) ：(1) 質(zhì)心算法 : 實現(xiàn)簡單，通信開銷小，但僅能實現(xiàn)組粒度定位。(2) DV-Ho

10、p 算法：解決了低錨點密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議在全網(wǎng) 范圍內(nèi)廣播跳數(shù)和位置。6. 為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要時間同步述RBS TPSN時間同步算法工作原理。傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作， 去完成復(fù)雜的檢測和感知溫度， 傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中， 每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。 不同節(jié)點的 晶體振蕩器頻率存在偏差， 以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏 差。RBS同步協(xié)議的基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點之間進行同步。 這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。這種同步

11、協(xié)議的缺點是協(xié)議開銷大。TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個節(jié) 點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。7. 為什么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點定位，簡述基于距離的定位算法三邊測量算 法、三角測量算法的工作原理。傳感器節(jié)點的自身定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 許多應(yīng)用都要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點預(yù)先知道 自身的位置，并在通信和協(xié)作過程中利用位置信息完成應(yīng)用要求。若沒有位置信息，傳感 器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)幾乎是沒有應(yīng)用價值的。所以，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，節(jié)點的 定位成為關(guān)鍵的問題?；诰嚯x的定位算法： 通過測量節(jié)點與信標節(jié)點間的實際距離或方位進行定位

12、三邊測量算法：已知A、B C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標三角測量算法：已知A、B C三個節(jié)點的坐標，節(jié)點 D相對于節(jié)點 A B、C的角度，確 定節(jié)點 D 的坐標；8. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分，各部分的功能分別是什么 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、 網(wǎng)絡(luò)層、 傳輸層和網(wǎng)絡(luò)管理平臺、應(yīng)用支撐平臺。 這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。物理層：負責(zé)信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)鏈路層：負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和差錯控制。 網(wǎng)絡(luò)層：負責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護。傳輸層：

13、負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。網(wǎng)絡(luò)管理平臺：對傳感器節(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。 應(yīng)用支撐平臺：為終端用戶提供對各種具體應(yīng)用的支持。9. 什么路由空洞如何產(chǎn)生的怎樣解決在存在空洞的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中， 如果單純依賴貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包， 在轉(zhuǎn)發(fā)過程 中數(shù)據(jù)包可能會到達沒有任何鄰居節(jié)點比自身更接近目的節(jié)點的區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法繼續(xù)傳輸，這種現(xiàn)象被稱為路由空洞。路由空洞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸， 當(dāng)出現(xiàn)這種情況時， 該節(jié)點應(yīng)通過探測空洞周 圍的節(jié)點建立拓撲圖，并利用在GPSR路由協(xié)議中的右手法則沿空洞周圍傳輸，繞開傳輸空洞，使用周界轉(zhuǎn)發(fā)機制來解決此問題。10. 定向擴散和謠傳路由有什么區(qū)別定向擴散(D

14、irected Diffusion , DD)是一種基于查詢的路由機制，是專門為無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的。謠傳路由 (Rumor Routing) ，其路由的建立是由 Sink 節(jié)點和源節(jié)點共同發(fā) 起并完成的。謠傳路由與定時擴散路由相比， 可以有效地減少路由建立過程的開銷， 當(dāng)一個節(jié) 點產(chǎn)生對某一事件的查詢時， 了解路由信息的節(jié)點可通過檢查各自的事件表對查詢做出響 應(yīng)，而不需要將其擴散到整個網(wǎng)絡(luò)， 從而減少了通信成本。另一方面， 謠傳路由只維持源 節(jié)點到目標節(jié)點之間的一條路徑， 不同于定向擴散協(xié)議的將數(shù)據(jù)以低傳輸速率在多個路徑 上路由的方式。 但由于謠傳路由使用了隨機方式生成路徑， 所以數(shù)據(jù)傳輸

15、路徑可能不是最 優(yōu)路徑，而且容易形成環(huán)路。11. 部件級故障檢測的常用方法。(1)基于空間相關(guān)性的故障檢測 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點的同類傳感器所測量的值通常很相近，稱這種特性為空間相關(guān)性。 根據(jù)故障檢測時是否需要節(jié)點地理位置信息， 可以分為如下兩類： 需要地理位置 信息； 不需要地理位置信息 。2）基于貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)故障檢測貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)包含一個有向圖和與之對應(yīng)的概率表集合。有向圖中的頂點表示變量，邊表示變量之間的影響關(guān)系。貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因 素。模型化節(jié)點間的可靠關(guān)系是通過節(jié)點概率表實現(xiàn)。應(yīng)用貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)分為構(gòu)造、學(xué)習(xí)、推理三個階段。12. 簡述LEACH

16、協(xié)議的工作原理。低功耗自適應(yīng)聚類分級LEACH協(xié)議（LOW Energy Adaptive Clusteri ng Hierarchy）是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最早被提出來的分層路由算法。LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)整體的生存時間延長15，其基本思想是通過隨機循環(huán)地選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每 個傳感器節(jié)點中，從而降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間。在協(xié)議中，首先隨機 選擇一個節(jié)點作為簇頭，簇頭開始發(fā)送廣播消息，然后其他普通子節(jié)點根據(jù)信號強弱選擇 要加入的簇群。簇頭按照TDMA勺方式分給每個普通子節(jié)點一個時隙，并廣播消息。普通子節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。13. 為什么要進行跨層

17、設(shè)計（ 1 ）無線信道的動態(tài)性信道傳播的開放性的信道參量的時變性， 使無線信道變成了一種不穩(wěn)定的傳輸 介質(zhì)。 為了保證系統(tǒng)的可用性， 往往系統(tǒng)設(shè)計者都是按照信道質(zhì)量最差的情況和系統(tǒng)的 最低要求來進行保守的設(shè)計，從而低估了對系統(tǒng)性能的評價。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量受限一般的跨層設(shè)計都兼顧了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能效需求（3）傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的不確定，節(jié)點能量的最小化，以及節(jié)點存在一定的移動性帶來的拓撲變化等因素， 使得采用傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的系統(tǒng)很難滿足用 戶應(yīng)用的需求。14. 傳感網(wǎng)絡(luò)中的點覆蓋優(yōu)化步驟和方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)點覆蓋問題的目標是實現(xiàn)對某一特定點集的覆蓋 （ 1 ）隨機型點覆蓋問題 假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對一系列位置已知的點集目標進行檢測。大量無線傳感器節(jié)點散布在目標周圍， 這些無線傳感器節(jié)點將檢測信息傳輸給中央處理節(jié)點。節(jié)點覆蓋優(yōu)化后，要求每個目標在任意時間內(nèi)都能至少被一個無線傳感