無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)題

1、?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)?一、填空題每題 4分，共計(jì) 40 分1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)根本要素： 傳感器、感知對(duì)象、用戶 (觀察者 ) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的根本功能： 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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的根本功能： 采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制、通信2. 常見(jiàn)的同步機(jī)制： RBS ReferenceBroadcast Synchronization ， Ting/Mini-Sync和 TPSN Timing-syncProtocol for Sensor Networks 3. 無(wú)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(kuò)頻技術(shù)4. 定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為三個(gè)階段：

2、 興趣擴(kuò)散階段、梯度建立階段、數(shù)據(jù)傳播階段、 路徑加強(qiáng)階段5. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)： 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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、時(shí)間同步、定位技 術(shù)、數(shù)據(jù)融合及管理、網(wǎng)絡(luò)平安、應(yīng)用層技術(shù)6. IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)主要包括： 物理層 、介質(zhì)訪問(wèn)控制層7. 簡(jiǎn)述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)管理軟件結(jié)構(gòu)與組成： 后臺(tái)管理軟件通常由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處 理引擎、圖形用戶界面和后臺(tái)組件 四個(gè)局部組成8. 數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括： 多傳感器的目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤與識(shí)別、情況評(píng)估 和預(yù)測(cè)9. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以選擇的

3、頻段有： 868MHz 、915MHz、 2.4GHz、 5GHz10. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法： 休眠技術(shù)機(jī)制、數(shù)據(jù)融合11. 傳感器網(wǎng)絡(luò)的平安問(wèn)題： (1) 機(jī)密性問(wèn)題 (2) 點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問(wèn)題 (3) 完整性鑒 別問(wèn)題12. 基于競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)由 傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊 四局部組成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(kuò)散路由 謠傳路由 二、問(wèn)答題每題 1 0分，共計(jì) 60 分1. 簡(jiǎn)述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作過(guò)程，傳感器節(jié)點(diǎn)的組成和功能。無(wú)線傳感器

4、網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的 無(wú)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(duì)象的監(jiān)測(cè)信息， 并報(bào) 告給用戶。傳感器節(jié)點(diǎn)由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件這幾局部 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(hào)。 處理部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各局部的工作，如對(duì)感知部件獲取的信息進(jìn)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(fù)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(kù)系統(tǒng)等。2. GPSR協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模

5、式有哪些？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(hù)路由表，是一種無(wú)狀態(tài)的路由協(xié)議。GPSRfr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(gè)分組都 已包含其目的節(jié)點(diǎn)位置或目標(biāo)區(qū)域位置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都自己及自接鄰節(jié)點(diǎn)的位置。貪婪轉(zhuǎn)發(fā)算法總是朝距離目的節(jié)點(diǎn)最近的鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，如圖7-14所示。2周界轉(zhuǎn)發(fā)如圖7-15所示，采

6、用周界轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，通常采用右手規(guī)那么確定轉(zhuǎn)發(fā)的路徑。圖7-16給出了右手規(guī)那么的根本原理。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)分組從節(jié)點(diǎn)x到達(dá)節(jié)點(diǎn)y時(shí)，它經(jīng)過(guò)下一邊時(shí)以y為頂點(diǎn)，沿(y,x)逆時(shí)針?lè)较蛏系牡谝粭l鏈路， 如下列圖的為(y,z)，后續(xù)的同樣依照 此規(guī)那么來(lái)確定，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)為止。那么在平面圖中采用周界轉(zhuǎn)發(fā)決定數(shù)據(jù)GPSR路由協(xié)議同時(shí)采用了貪婪算法和周界轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行傳送。在完整的拓?fù)?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(diǎn)時(shí)， 分組的下一跳。w，y圖7-15路由空洞示意圖7-14貪婪轉(zhuǎn)發(fā)示意圖圖7-16右手規(guī)那么3. 無(wú)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(jì)要求？協(xié)議主要分為四

7、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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)以節(jié)能、延長(zhǎng)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(diǎn)主要集中在能量效率上，而在未來(lái)的研究中可能還需要解決由視頻和成像傳感器以及實(shí)時(shí)應(yīng)用引起的QoS問(wèn)題。(2) 支持移動(dòng)性。目前的WSNs路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涓兄芰鸵苿?dòng)性的支持比擬差 如何在控制協(xié)議開(kāi)銷的前提下，支持快速拓?fù)涓兄且粋€(gè)重要挑戰(zhàn)。(3) 平安路由。由于WSNs的固有特性，其路由協(xié)議極易受到平安威脅，是網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、有效、適用于 WSNs的平安機(jī)制是今后努力的

8、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(guò)使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸 中采用過(guò)濾機(jī)制來(lái)減少通信量，并通過(guò)讓各節(jié)點(diǎn)平均消耗能量來(lái)保持通信量的負(fù)載均衡。(5) 容錯(cuò)性。由于WSNs節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故障，應(yīng)盡量利用節(jié)點(diǎn)易獲得的網(wǎng)絡(luò)信息計(jì)算路由以確保在路由出現(xiàn)故障時(shí)能夠盡快得到恢復(fù)，可采用多路徑傳輸來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?. S-MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)手段和特點(diǎn)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)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。S-MAC協(xié)議采用的主要機(jī)制：1 周期性偵聽(tīng)和睡

9、眠 2 流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制 3 串音防止 4. 消息傳遞5. 常用的定位方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？基于測(cè)距的定位技術(shù) ： 基于測(cè)距的定位技術(shù)是通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離，根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的 位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個(gè)點(diǎn)的位置。 比擬常用的方法是多邊定位和角 度定位。(1) 測(cè)距方法：接收信號(hào)強(qiáng)度指示：信號(hào)越強(qiáng)離的越近；到達(dá)時(shí)間差：時(shí)間短離得近； 到達(dá)角：獲得角度(2) 多邊定位：浮點(diǎn)運(yùn)算量大，計(jì)算代價(jià)高。(3) Min-Max 定位方法：計(jì)算簡(jiǎn)單。 無(wú)須測(cè)距的定位技術(shù) ：(1) 質(zhì)心算法 : 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通信開(kāi)銷小，但僅能實(shí)現(xiàn)組粒度定位。(2) DV-Hop 算法：解決了低錨點(diǎn)

10、密度引發(fā)的問(wèn)題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議在全網(wǎng)范圍 內(nèi)播送跳數(shù)和位置。6. 為什么無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要時(shí)間同步？述 RBS TPSN時(shí)間同步算法工作原理。 傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要彼此協(xié)作， 去完成復(fù)雜的檢測(cè)和感知溫度， 傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時(shí)間同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在分布式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中， 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。 不同節(jié)點(diǎn)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(huì)造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏 差。RBS同步協(xié)議的根本思想是多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收同一個(gè)同步信號(hào)，然后多個(gè)收到同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行同步。 這種同步算法消除了同步信號(hào)發(fā)送一方的時(shí)間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點(diǎn)是協(xié)議

11、開(kāi)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(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)，然后每個(gè)節(jié) 點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。7. 為什么無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要節(jié)點(diǎn)定位，簡(jiǎn)述基于距離的定位算法三邊測(cè)量算法、三角 測(cè)量算法的工作原理。傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的根底。 許多應(yīng)用都要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)預(yù)先知道 自身的位置，并在通信和協(xié)作過(guò)程中利用位置信息完成應(yīng)用要求。假設(shè)沒(méi)有位置信息，傳 感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)幾乎是沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值的。所以，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn) 的定位成為關(guān)鍵的問(wèn)題?；诰嚯x的定位算法： 通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位進(jìn)行定位三邊測(cè)量算法：

12、A B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn) D的距離，確定節(jié)點(diǎn) D的 坐標(biāo)三角測(cè)量算法：A、B C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn) D相對(duì)于節(jié)點(diǎn) A B、C的角度，確定節(jié)點(diǎn) D 的坐標(biāo)；8. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括哪些局部，各局部的功能分別是什么？無(wú)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(tái)、 應(yīng)用支撐平臺(tái)。 這些管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作， 在節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)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(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。 數(shù)據(jù)鏈路層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測(cè)、媒體接入和過(guò)失控制。 網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流

13、的傳輸控制。 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)：對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。 應(yīng)用支撐平臺(tái)：為終端用戶提供對(duì)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(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包， 在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程 中數(shù)據(jù)包可能會(huì)到達(dá)沒(méi)有任何鄰居節(jié)點(diǎn)比自身更接近目的節(jié)點(diǎn)的區(qū)域， 導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法繼 續(xù)傳輸，這種現(xiàn)象被稱為路由空洞。路由空洞會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸， 當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)， 該節(jié)點(diǎn)應(yīng)通過(guò)探測(cè)空洞周 圍的節(jié)點(diǎn)建立拓?fù)鋱D，并利用在GPSR路由協(xié)議中的右手法那么沿空洞周?chē)鷤鬏?，繞開(kāi)傳輸空洞，使用周界轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來(lái)解決此問(wèn)題。10. 定向擴(kuò)散和謠傳路由有什么區(qū)別？定向擴(kuò)

14、散(Directed Diffusion , DD)是一種基于查詢的路由機(jī)制，是專門(mén)為無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。謠傳路由 (Rumor Routing) ，其路由的建立是由 Sink 節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)共同發(fā) 起并完成的。謠傳路由與定時(shí)擴(kuò)散路由相比， 可以有效地減少路由建立過(guò)程的開(kāi)銷， 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn) 生對(duì)某一事件的查詢時(shí)，了解路由信息的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)檢查各自的事件表對(duì)查詢做出響應(yīng)， 而不需要將其擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 從而減少了通信本錢(qián)。 另一方面， 謠傳路由只維持源節(jié)點(diǎn) 到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的一條路徑， 不同于定向擴(kuò)散協(xié)議的將數(shù)據(jù)以低傳輸速率在多個(gè)路徑上路 由的方式。 但由于謠傳路由使用了隨機(jī)方式生成路徑， 所以數(shù)

15、據(jù)傳輸路徑可能不是最優(yōu)路 徑，而且容易形成環(huán)路。11. 部件級(jí)故障檢測(cè)的常用方法。1基于空間相關(guān)性的故障檢測(cè) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)的同類傳感器所測(cè)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(cè)時(shí)是否需要節(jié)點(diǎn)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(cè) 貝葉斯信任網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)有向圖和與之對(duì)應(yīng)的概率表集合。有向圖中的頂點(diǎn)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(diǎn)間的可靠關(guān)系是通過(guò)節(jié)點(diǎn)概率表實(shí)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(gè)階段。12. 簡(jiǎn)述LEACH

16、協(xié)議的工作原理。低功耗自適應(yīng)聚類分級(jí) LEACH協(xié)議(LOW Energy Adaptive Clusteri ng Hierarchy)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最早被提出來(lái)的分層路由算法。LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)整體的生存時(shí)間延長(zhǎng)15，其根本思想是通過(guò)隨機(jī)循環(huán)地選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，從而降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間。在協(xié)議中，首先隨機(jī) 選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為簇頭，簇頭開(kāi)始發(fā)送播送消息，然后其他普通子節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱選擇 要參加的簇群。簇頭按照TDMA勺方式分給每個(gè)普通子節(jié)點(diǎn)一個(gè)時(shí)隙，并播送消息。普通子節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。13. 為什么要進(jìn)行跨

17、層設(shè)計(jì)？1 無(wú)線信道的動(dòng)態(tài)性 信道傳播的開(kāi)放性的信道參量的時(shí)變性，使無(wú)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(jì)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(lái)進(jìn)行保守的設(shè)計(jì)，從而低估了對(duì)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)。2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限一般的跨層設(shè)計(jì)都兼顧了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能效需求3傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的不確定，節(jié)點(diǎn)能量的最小化，以及節(jié)點(diǎn)存在一定的 移動(dòng)性帶來(lái)的拓?fù)渥兓纫蛩兀?使得采用傳統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)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(diǎn)覆蓋優(yōu)化步驟和方法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)覆蓋問(wèn)題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定點(diǎn)集的覆蓋 1 隨機(jī)型點(diǎn)覆蓋問(wèn)題 假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)一系列位置的點(diǎn)集目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。大量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)散布在目標(biāo)周?chē)?這些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)信息傳輸給中央處理節(jié)點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)覆蓋 優(yōu)化后，要求每個(gè)目標(biāo)在任意時(shí)間內(nèi)都能至少被一