無線傳感課程報告答案

1、課程名稱： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 考試形式：專題研究報告 論文 大作業(yè) 綜合考試學(xué)生姓名： 學(xué)號： 序 號分 項 類 別得 分序 號分 項 類 別得 分序 號分 項 類 別得 分1題目一11題目十一21題目二十一2題目二12題目十二22題目二十二3題目三13題目十三23題目二十三4題目四14題目十四24題目二十四5題目五15題目十五25題目二十五6題目六16題目十六26題目二十六7題目七17題目十七27題目二十七8題目八18題目十八28題目二十八9題目九19題目十九29題目二十九10題目十20題目二十總分 （1）分析WSN和AD hoc網(wǎng)特征的相同之處和不同點。不同點：ad hoc可以

2、用于沒有武宣基礎(chǔ)設(shè)施存在或出于費用和安全方面考慮不方便設(shè)置無線基礎(chǔ)設(shè)施的場合，而傳感器很多時候被不知在近地環(huán)境中，地波吸收現(xiàn)象不能忽視，并且高密度布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)中斷多用戶接口也造成了很高的誤比特率。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的傳輸模型是典型的多對多式，而傳感器網(wǎng)中的輸出模型更偏向于分層次模型。 相同點：都是自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)自動配置，動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性等。不同點：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)有相似點，但又有很多不同。移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以用于沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施存在或出于費用和安全方面的考慮不方便設(shè)置無線基礎(chǔ)設(shè)施的場合，而傳感器很多時候

3、被布置在近地環(huán)境中，地波吸收現(xiàn)象不能被忽視，并且高密度布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移動通信的兩種基本組網(wǎng)模式之一，移動ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的傳輸模型是典型的多對多式，而傳感器網(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型（多對一傳輸）。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點比典型的移動終端或手持設(shè)備有更多的資源受限要求，但對于計算的要求則是可有可無的，當(dāng)需要執(zhí)行計算任務(wù)時，如果通信成本比計算成本低，計算任務(wù)就被送到中心節(jié)點去執(zhí)行。（2）WSN和傳統(tǒng)無線寬帶網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計中，各自的首要設(shè)計目標(biāo)是什么。WSN：節(jié)約能源、擴展性和適應(yīng)性   無線寬帶：高QoS和高效

4、的帶寬利用（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點？1、傳感器節(jié)點體積小、能量有限：傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節(jié)點數(shù)目龐大，成本要求低廉，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何在使用過程中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。2、通信能力有限：傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄而且經(jīng)常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器節(jié)點之間的通信斷接頻繁，經(jīng)常容易導(dǎo)致通信失敗。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風(fēng)雨雷電等自然環(huán)境的影響，傳感器可能會長時間脫離網(wǎng)絡(luò)，離線工

5、作。如何在有限通信能力的條件下高質(zhì)量地完成感知信息的處理與傳輸，是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)之一。3、節(jié)點存儲和計算能力有限：傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務(wù)，傳感器節(jié)點需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答匯聚節(jié)點的任務(wù)請求和節(jié)點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協(xié)同任務(wù)成為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的挑戰(zhàn)。4、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、分布廣：傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分布密集，數(shù)量巨大，可能達(dá)到幾百、幾千萬，甚至更多。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣泛的地理區(qū)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點使得網(wǎng)絡(luò)的維護十分困

6、難甚至不可維護，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性，以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能要求。其他：大規(guī)模、自組織、可靠性、以數(shù)據(jù)為中心、集成化、具有密集的節(jié)點布置、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)、自組織方式等。（4）802.15.4協(xié)議的特點，包括主要針對的應(yīng)用場合、解決傳輸誤碼問題的方法，說明和ZIGBEE、6LoWPAN的層次關(guān)系？802.15.4協(xié)議的主要特點：1.工作頻段和數(shù)據(jù)速率 ；2.支持簡單器件 ；3.信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu)；4.數(shù)據(jù)傳輸和低功耗；5.安全性6.自配置 IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議主要包括開放系統(tǒng)互連（OSI）五層模型的物理

7、層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，以及應(yīng)用層。（5）了解ISM波段含義，說明802.15.4協(xié)議所占ISM無線波段，以及各個波段的信道數(shù)。ISM頻段（Industrial Scientific Medical Band）主要是開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用3個主要機構(gòu)使用的頻段。ISM頻段屬于無許可（Free License）頻段，使用者無需許可證，沒有所謂使用授權(quán)的限制。ISM頻段允許任何人隨意地傳輸數(shù)據(jù)，但是對所有的功率進行限制，使得發(fā)射與接收之間只能是很短的距離，因而不同使用者之間不會相互干擾。ISM頻段為902-928MHZ，2.4-2.4835GHZ

8、，5.725-5.850GHZ 在2450 MHz 波段上有16個信道，在915MHz波段上有30個信道，在868MHz上有3個信道。（6）傳感器節(jié)點的主要組成，以及WSN中傳感器節(jié)點的特點和限制條件？組成：控制器、通信裝置、傳感器/驅(qū)動器、存儲器、能量供應(yīng) 特點：傳感節(jié)點體積小、成本低、傳感節(jié)點數(shù)量大、具有自適應(yīng)能力 限制條件：電源能量有限、通信能力有限、計算和存儲能力有限（7）路由協(xié)議的作用和功能？WSN路由協(xié)議獨特特征？ 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的路由協(xié)議設(shè)計是無線傳感器自組網(wǎng)中的一個核心環(huán)節(jié)，路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到

9、目的節(jié)點，它主要包括尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑、并沿此優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包等兩個方面的功能。用于建立和維護路由表和按照達(dá)到數(shù)據(jù)包的目的地的最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包的動態(tài)路由協(xié)議，比如：RIPV1,IGRP,OSPF等，可路由選擇協(xié)議(Routed protocols): 已選擇動態(tài)路由協(xié)議由最終節(jié)點使用,以將數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)層地址分配信息一起封裝在數(shù)據(jù)包中,目的是它可以通過互連網(wǎng)絡(luò)進行中繼。AppleTalk、IP和IPX都是已選擇路由協(xié)議。路由器使用路由選擇協(xié)議(routing protocols),以建立和維護路由表和按照達(dá)到數(shù)據(jù)包的目的地的最佳路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包，動態(tài)路由協(xié)議使路由器可以

10、了解沒有直接連接的網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和與其他的路由器通信,以了解它們所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)，這種通信不斷進行,這樣當(dāng)互連網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生變化時，路由選擇表中的信息可以隨時更新。WSN路由協(xié)議是一套將數(shù)據(jù)從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點的機制，在網(wǎng)絡(luò)層進行，負(fù)責(zé)路由 發(fā)現(xiàn)和維護。路徑選擇:尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)：將數(shù)據(jù)沿優(yōu)化 路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。（8）WSN路由協(xié)議的四種分類。1、以數(shù)據(jù)為中心的路由：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，終端用戶往往只關(guān)心采集的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心這些數(shù)據(jù)是從那個節(jié)點傳送的。2、基于層次節(jié)后的路由協(xié)議，基于層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致力于解決如何節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，均攤網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽

11、命。3、基于地理信息路由協(xié)議。合理利用節(jié)點的地理信息，從而將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給一個特定區(qū)域而不是整個網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)能耗。4、基于多路徑的路由協(xié)議。多路徑路由協(xié)議能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并且可以將傳輸能耗分?jǐn)傇诟嗟墓?jié)點上。（9）簡要說明SPIN、Directed Diffusion、TTDD、LEACH、LAR、P-MAC協(xié)議的最基本工作思想。SPIN基本思想：SPIN協(xié)議是一種以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議。 關(guān)鍵問題是通過節(jié)點之間的協(xié)商解決Flooding協(xié)議和Cossiping協(xié)議的內(nèi)爆和重疊現(xiàn)象。Directed Diffusion：DD協(xié)議用一組屬性值命名它生成的數(shù)據(jù)。為建立路由，

12、sink節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)或部分區(qū)域內(nèi)flooding包含查詢?nèi)蝿?wù)的Interest消息；沿途節(jié)點按需對各Interest進行緩存與合并，并根據(jù)Interest計算、創(chuàng)建包含數(shù)據(jù)上報率、下一跳等信息的梯度，從而建立多條指向sink點的路徑。TTDD：一個兩層數(shù)據(jù)發(fā)布方式，以解決多個移動接收器的問題。而不是從每個傳播查詢信息沉到所有的傳感器來設(shè)置數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)信息，TTDD設(shè)計采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使得只有位于網(wǎng)格點的傳感器需要獲取轉(zhuǎn)發(fā)信息。LEACH：LEACH在運行過程中不斷的循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，每個簇重構(gòu)過程可以用回合的概念來描述。每個回合可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定階段。LAR：LA

13、R協(xié)議是一種基于源路由的按需路由協(xié)議。它的思路是利用移動節(jié)點的位置信息來控制路由查詢范圍，從而限制路由請求過程中被影響的節(jié)點數(shù)目，提高路由請求的效率。它利用位置信息將尋找路由的區(qū)域限制在一個較小的請求區(qū)域（request zone)內(nèi)，由此減少了路由請求信息的數(shù)量。LAR在操作上類似于DSR。在路由發(fā)現(xiàn)過程中，LAR利用位置信息進行有限的廣泛搜索，只有在請求區(qū)域內(nèi)的節(jié)點才會轉(zhuǎn)發(fā)路由請求分組。若路由請求失敗，源節(jié)點會擴大請求范圍，重新進行搜索。LAR確定請求區(qū)域的方案有兩種：一是由源節(jié)點和目的節(jié)點的預(yù)測區(qū)域確定的矩形區(qū)域；二是距離目的節(jié)點更近的節(jié)點所在的區(qū)域。P-MAC：基于競爭隨機訪問的MAC

14、協(xié)議是節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道。多數(shù)分布式MAC協(xié)議采用載波偵聽或沖突避免機制并采用附加的信令控制消息來處理隱藏和暴露節(jié)點問題。（10）說明SPIN和Directed Diffusion 和LEACH的工作流程。SPIN工作流程：發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前，一個傳感器節(jié)點首先對外廣播ADV數(shù)據(jù)包，如果某一個節(jié)點希望接受要傳來的數(shù)據(jù)信息，則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包，因此，便建立起發(fā)送節(jié)點和接受節(jié)點的聯(lián)系，發(fā)送節(jié)點便向接受節(jié)點發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包，SPIN協(xié)議的工作流程如下圖所示。Directed Diffusion工作流程：整個過程可以分為興趣擴散、梯度建立以及

15、路徑加強三個階段。LEACH的工作流程：LEACH協(xié)議分為兩個階段：類準(zhǔn)備階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。類準(zhǔn)備階段和就緒階段所持續(xù)的時間總和稱為一個輪回。（11）MAC協(xié)議的作用，按分配信道方式分類的類型？MAC好比身份證代表網(wǎng)卡的專一使用代號，他在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)是獨立、唯一的，不管任何的角落基本上都能找到。進行計算機的底層數(shù)據(jù)交換。MAC協(xié)議可分為3類：1、 基于競爭的MAC協(xié)議。即節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時采用某種機制隨機的使用無線信道。2、 基于固定分配的MAC協(xié)議。即節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻和持續(xù)時間是按照協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。3、 基于按需分配的MAC協(xié)議。即根據(jù)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量的大小決定其所占用信道的

16、時間。（12）說明CSMA/CA主要工作機理，以及特點。CSMA/CA協(xié)議的工作流程是:一個工作站希望在無線網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)，如果沒有探測到網(wǎng)絡(luò)中正在傳送數(shù)據(jù)，則附加等待一段時間，再隨機選擇一個時間片繼續(xù)探測，如果無線網(wǎng)路中仍舊沒有活動的話，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接受端的工作站如果受到發(fā)送端送出的完整的數(shù)據(jù)則回發(fā)一個ACK數(shù)據(jù)報，如果這個ACK數(shù)據(jù)報被接收端收到，則這個數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成，如果發(fā)送端沒有收到ACK數(shù)據(jù)報，則或者發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有被完整地收到，或者ACK信號的發(fā)送失敗，不管是那種現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)據(jù)報都在發(fā)送端等待一段時間后被重傳。1. 使用如RTS，CTS等控制消息預(yù)留信道2. 首先站點執(zhí)行CS

17、MA算法3. 如果確定了用于傳送的適當(dāng)時間，站點發(fā)送RTS，然后目標(biāo)回應(yīng)CTS消息。 缺點：在RTS上仍然可能會發(fā)生碰撞（13）說明混合型MAC協(xié)議中ZMAC協(xié)議的主要思想。Z-MAC協(xié)議綜合CSMA和TDMA二者各自的優(yōu)點，Z-MAC將信道使用物化為時間幀的同時，使用CSMA作為基本機制，時隙的占有者只是有數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，其他節(jié)點也可以在該時隙發(fā)送信息幀，當(dāng)節(jié)點之間產(chǎn)生碰撞之后，時隙占有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權(quán)。Z-MAC并不需要精確的時間同步，有著較好的信道利用率和網(wǎng)絡(luò)擴展性。協(xié)議達(dá)到即時的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化的同時，TDMA和CSMA機制的同步和互換會產(chǎn)生較

18、大的能量耗損和網(wǎng)絡(luò)延遲問題。用CSMA解決低業(yè)務(wù)下節(jié)點間對信道的競爭。可提高信道利用率并降低延時，Z-MAC協(xié)議是一個分布式的協(xié)議，具有良好的可擴展性，對節(jié)點的存儲能力要求也較低，但Z-MAC協(xié)議的執(zhí)行很復(fù)雜。它是一種混合型的MAC協(xié)議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。（14）了解傳輸延時中不確定性時間分布情況。傳感器節(jié)點的時鐘并不完美，會在時間上發(fā)生漂移，所以觀察到的時間對于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點來說是不同的。但很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用，都需要一個共同的時間以使得網(wǎng)路中的節(jié)點全部或部分在瞬間是同步的。1、發(fā)送時延。發(fā)送方節(jié)點在應(yīng)用層組裝信息及向MAC層發(fā)起發(fā)送請

19、求所需的時間，此時延是高度可變的，取決于操作系統(tǒng)的調(diào)度和當(dāng)前節(jié)點的處理器的負(fù)載。2、訪問時延。數(shù)據(jù)包達(dá)到MAC層后，等待信道空閑所需的時間，訪問時延取決于當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，是導(dǎo)致消息傳遞時延的最關(guān)鍵因素。3、傳輸時延。物理層傳輸比特數(shù)據(jù)所需的時間，可以通過數(shù)據(jù)包的大小和無線通信速率估算出來，是確定的。4、傳播時延。消息在兩個節(jié)點之間的傳輸介質(zhì)中的傳播時間，這個時間主要取決于節(jié)點之間的距離，這個時延是確定的。5、接收時延。物理層接收比特數(shù)據(jù)所花費的時間，與傳輸時延對應(yīng)，并與傳輸時延有重疊。6、接收處理時延。接收方處理接收到的消息包并傳遞到應(yīng)用層所需的時間，與發(fā)送時延類似。（15）說明時間同步協(xié)

20、議中FTSP、單挑RBS、HRTS、TPSN的基本工作思想。FTSP：FTSP算法是使用單個廣播消息實現(xiàn)發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的時間同步，算法實現(xiàn)步驟如下： （1） FTSP算法在完成SYNC字節(jié)發(fā)射后給時間同步消息標(biāo)記時間戳t并發(fā)射出去；SYNC字節(jié)類似DMTS算法中的Start symbols。時間戳t為當(dāng)前時間減去包含時間戳t的消息數(shù)據(jù)部分的發(fā)射時間， 消息數(shù)據(jù)部分的發(fā)射時間可通過數(shù)據(jù)長度和發(fā)射速率得出。（2） 接收節(jié)點記錄SYNC字節(jié)最后到達(dá)時間rt，并計算位偏移。在收到完整消息后， 接收節(jié)點計算位偏移產(chǎn)生的時間延遲bt，這通過偏移位數(shù)與接收速率

21、得出。（3）  接收節(jié)點計算與發(fā)送節(jié)點間的時鐘偏移量；然后調(diào)整本地時鐘和發(fā)送節(jié)點時鐘同步。單挑RBS ：RBS采用接收者與接收者之間進行同步的方法進行節(jié)點間的同步， 排除了發(fā)送方對同步精度的影響，中間節(jié)點利用物理層廣播周期性地向網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點發(fā)送參照廣播，廣播域中的節(jié)點收到參照廣播后，就用自身的本地時鐘記錄收到的時間,然后相互交換各自的記錄時間。 HRTS：存在于雙絞線中一條導(dǎo)線上的電壓信號，相對于另一條導(dǎo)線而言。信號電壓直接由主設(shè)備產(chǎn)生。從現(xiàn)場設(shè)備來的電流信號網(wǎng)絡(luò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。TPSN：分為兩個階段，第一階段一層次發(fā)現(xiàn)階段，該階段主要在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生一個分層的

22、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使每個節(jié)點被賦予一個層次號。首先選取一個節(jié)點作為根節(jié)點并賦予層次號0，然后由它廣播一個level-discovery包，其中封裝有發(fā)送者的標(biāo)識和層次號, 根節(jié)點的直接相鄰節(jié)點收到這個包后將包中的層次號加1作為自身的層次號，然后它們再廣播一個新的level-discovery包，重復(fù)這個過程直至網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都賦予一個層次號。 第二階段同步階段，在這個階段中, 從根節(jié)點開始與其下一層節(jié)點進行成對同步, 接著屬于i層的節(jié)點與i-1層的節(jié)點進行成對同步。最終每個節(jié)點都同步于根節(jié)點并獲得了網(wǎng)絡(luò)的全局時間同步。 （16）ZigBee協(xié)議的拓?fù)?/p>

23、結(jié)構(gòu)類型，節(jié)點可以分為哪幾類和相互關(guān)系。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，Zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式。星型網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點只能通過協(xié)調(diào)器相互通信。樹狀網(wǎng)把各個通信節(jié)點串成了一條線路，各節(jié)點只能延著這條線路，以傳遞的方式進行通信。前兩種通信方式只能進行一些簡單的應(yīng)用，這里不加討論。網(wǎng)狀網(wǎng)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間可靈活的進行相互通信，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(cp)3種。（17）WSN中的故障模型分類和區(qū)別？WSN中的故障模型分為網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)模型：

24、網(wǎng)絡(luò)模型：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的狀態(tài)可分為正常和故障。故障是“永久”和“靜態(tài)”的，所謂“永久”是指故障節(jié)點將持續(xù)故障直到該節(jié)點被維修或替代，所謂“靜態(tài)”是指在節(jié)點故障診斷過程中不產(chǎn)生新故障。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點故障分為兩類：硬故障和軟故障。數(shù)據(jù)模型：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點和其鄰節(jié)點之間具有空間的相似性，即網(wǎng)絡(luò)中無故障的相鄰傳感器節(jié)點之間具有相同或相似的測量值。因此，可以通過鄰節(jié)點感知的傳感數(shù)據(jù)來診斷當(dāng)前節(jié)點的狀態(tài)。（18）TOA/TDOA/RTOF的工作原理，計算公式？TOA：已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用三邊或極大似然估計法等計算出節(jié)點的位置。d=(T3

25、-T0)-(T2-T1)*V/2 TDOA：發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達(dá)的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離，然后利用三邊或極大似然估計法等計算出節(jié)點的位置。d=(T2-T1)*C1C2/(C1-C2) RTOF： RTOF對時間的同步要求不是很高，測量范圍與TOA類似。這種測量非常類似一個雷達(dá)，被測量的目標(biāo)節(jié)點收到基點發(fā)出的測量信號后，隨即將信號返回，基點根據(jù)信號發(fā)出到返回的時間來估算目標(biāo)點的位置。在這種測量方案中，基準(zhǔn)測量點無法獲得信號在中途被干擾延誤的時間和接收點處理信號返回所需要的時間，這些可能造成一定

26、的誤差。如果這些時間延誤與信號傳輸?shù)目傮w時間相比較小時，誤差將在可以接受的范圍內(nèi)。（19）測距方式對精度的影響，尤其是各種物理信號用于測量距離時，可以達(dá)到的定位精區(qū)別？采用射頻信號，設(shè)TOA達(dá)到時鐘精度為1ms，則測距精度是多少。第一種是基于時間的方法， 包括基于信號傳輸時間的方法（TOA）和基于信號傳輸時間差的方法（TDOA），測距的前提是發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間沒有障礙物阻隔， 在有障礙物的情況下會出現(xiàn)聲波的反射、折射和衍射， 此時得到的實際傳輸時間將變大， 在這種傳輸時間下估算出的距離也將出現(xiàn)較大的誤差； 第二種是基于信號角度的方法（AOA

27、）； 第三種是基于信號接收信號強度的方法（RSSI）方法。距離無關(guān)的算法主要有質(zhì)心算法、DVhop算法等。多路徑反射、非視線問題等因素都會影響距離測量的精度。相比之下，基于距離的定位算法測量精度較高，距離無關(guān)的定位算法對硬件要求較低。 比較各種基于距離的測距算法，TOA需要精確的時鐘同步，TDOA需要節(jié)點配備超聲波收發(fā)裝置，AOA需要有天線陣列或麥克風(fēng)陣列，這三種算法對硬件要求較高。ToA機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。若采用射頻信號， TOA的時鐘精度為1ms，則測距精度是為。（20）簡要說明三邊定位、質(zhì)心算法？設(shè)未知節(jié)點D的坐標(biāo),A、B

28、、C 3個信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別為、，它們到 D的距離分別為，則可得如下方程組： 式（1）減式（3），式（2）減式（3）后聯(lián)立方程可解得 D點的坐標(biāo)。三邊測距算法確定未知節(jié)點的坐標(biāo)的思想可用下圖來表示。由于三邊測距算法基于兩條直線的交點來估算未知節(jié)點的坐標(biāo)，沒有充分利用 A、 B 、 C 3個節(jié)點的坐標(biāo)信息，使估算的未知節(jié)點的坐標(biāo)可能存在比較大的誤差?；谌厹y量法，由() A(x1,y1)，B(x2,y2)，C(x3,y3)，三點構(gòu)成的三角形形成了未知節(jié)點的所在區(qū)域，但不能確定具體的節(jié)點坐標(biāo)。然而由于已經(jīng)確定未知節(jié)點在圈定的該區(qū)域中，本文以該區(qū)域的質(zhì)心即三角形的質(zhì)心O來估算未知節(jié)點的具體坐標(biāo)，以

29、此來減小三邊測量法的誤差。（21）說明DV-Hop 的距離計算步驟。DV-Hop算法的核心思想是：用平均每跳距離與未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點跳數(shù)的乘積，表示未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離。算法的整個過程是：首先，網(wǎng)絡(luò)中所有的信標(biāo)節(jié)點，使用距離矢量交換協(xié)議，將信標(biāo)節(jié)點的位置信息和跳數(shù)信息廣播到整個網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)中的所有的節(jié)點獲取與信標(biāo)節(jié)點的跳數(shù)。其次，信標(biāo)節(jié)點根據(jù)正確接收到的跳數(shù)信息，計算該信標(biāo)節(jié)點的平均每跳距離，并將其廣播到整個網(wǎng)絡(luò)中。非信標(biāo)節(jié)點利用接收到的跳數(shù)信息和平均每跳距離值計算與信標(biāo)節(jié)點的距離。最后，非信標(biāo)節(jié)點執(zhí)行三邊測量實現(xiàn)定位。（22）簡要說明APIT方法的四個步驟。在APIT算法中，一個未知節(jié)

30、點從它所有能夠與之通信的錨節(jié)點中選擇3個節(jié)點，測試它自身是在這3個錨節(jié)點所組成的三角形內(nèi)部還是在其外部；然后再選擇另外3個錨節(jié)點進行同樣的測試，直到窮盡所有的組合或者達(dá)到所需的精度。如果未知節(jié)點在某三角形內(nèi)部，稱此三角形包含未知節(jié)點；最后，未知節(jié)點將包含自己的所有三角形的相交區(qū)域的質(zhì)心作為自己的估計位置。 1、收集信息：未知節(jié)點收集鄰近信標(biāo)節(jié)點的信息，如位置、標(biāo)識號、接收到的信號強度等，鄰居節(jié)點之間交換各自接收到的信標(biāo)節(jié)點的信息；2、APIT測試：測試未知節(jié)點是否在不同的信標(biāo)節(jié)點組合成的三角形內(nèi)部；3、計算重疊區(qū)域：統(tǒng)計位置節(jié)點是否在不同的信標(biāo)節(jié)點組合成的三角形內(nèi)部；4、計算未知節(jié)點

31、位置：計算重疊區(qū)域的質(zhì)心位置，作為未知節(jié)點的位置。（23）M&S模型的同步實質(zhì)。建模與仿真（M&S）復(fù)雜程度的增加，M&S的正確性和置信度的問題顯得非常重要。M&S必須經(jīng)過嚴(yán)密的校核、驗證和確認(rèn)（VV&A），以確保M&S達(dá)到預(yù)期的目的。仿真系統(tǒng)還必須經(jīng)過測試與評估（Test and Evaluation）來支持仿真系統(tǒng)的確認(rèn)。（24）概述GPS、Galileo和北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的簡要知識。1、GPS是一種可以通過定時和測距進行空間交會定點的導(dǎo)航系統(tǒng)，從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資300億美元，與1994年全面建成

32、。GPS不僅可以向全球用戶提供連續(xù)、實時高精度的三維位置、三維速度和時間信息，為陸、海、空三軍提供精密的導(dǎo)航，還可以用于情報收集、核爆監(jiān)測、應(yīng)急通知和衛(wèi)星定位的一些軍事目的。 GPS同樣由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和GPS接收機組成。其導(dǎo)航衛(wèi)星分布在6個地球橢圓軌道平面上，有24顆工作衛(wèi)星（其中3顆是在軌備用星），衛(wèi)星均勻分布于傾角為55°的6個軌道面上，各個軌道面之間夾角為60°，軌道平均高度為20200千米，用戶在任何地方都可以再短短的幾秒到十幾秒的時間內(nèi)確定自己的位置和精確的時間并獲得相關(guān)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。地面監(jiān)控設(shè)備由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān)測站組成。GPS接

33、收機的任務(wù)是對發(fā)送導(dǎo)航、定位指令進行計算，得到用戶所在的位置、速度和時間。2、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GALILEO）是歐洲自主、獨立的全球多模式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由歐盟空間局和歐盟發(fā)起并提供主要資金支持他是世界上第一個基于民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，能夠提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，實現(xiàn)完全的非軍方的控制、管理，可以進行覆蓋全球的導(dǎo)航和定位。 與GPS比較，GALILEO更先進更可靠。GPS向其他國家提供的信號只能發(fā)現(xiàn)地面長10米左右的物體，而GALILEO卻能發(fā)現(xiàn)1米左右的目標(biāo)。3、我國衛(wèi)星導(dǎo)航工程建設(shè)分為試驗系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)、北斗全球系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。目前，“北斗”完成

34、第二步發(fā)展目標(biāo)，覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域系統(tǒng)全面可用，今年底向民用用戶提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，2020年完成35顆衛(wèi)星組網(wǎng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。而我國日前成功將第十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，也標(biāo)志著我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)完成對亞太地區(qū)全覆蓋的發(fā)展目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)，全部系統(tǒng)功能和指標(biāo)，將于2020年完成35顆衛(wèi)星組網(wǎng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System），是中國研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括北斗一號和北斗二號的2代系統(tǒng)。北斗一號是一個已投入使用的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二號則是一個

35、正在建設(shè)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗一號由三顆北斗定位衛(wèi)星（兩顆工作衛(wèi)星、一顆備份衛(wèi)星）、地面控制中心為主的地面部分、與北斗用戶終端三部分組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候、二十四小時的即時定位服務(wù)。定位精度可達(dá)數(shù)十納秒的同步精度，其精度號稱GPS相當(dāng)，唯缺乏原子鐘等關(guān)鍵零組件，以現(xiàn)有用戶端顯示，校準(zhǔn)精度為20米，未校準(zhǔn)精度100米，較民用GPS精度為低。（25）基于行為檢測的IDS的分類，以及區(qū)別。基于行為檢測的IDS分為：異常檢測、濫用檢測、混合檢測。在異常檢測中，觀察到的不是已知的入侵行為，而是所研究的通信過程中的異常現(xiàn)象，它通過檢測系統(tǒng)的行為或使用情況的變化來完成。在建立該模型

36、之前，首先必須建立統(tǒng)計概率模型，明確所觀察對象的正常情況，然后決定在何種程度上將一個行為標(biāo)為“異?！保⑷绾巫龀鼍唧w決策。在濫用檢測中，入侵過程模型及它在被觀察系統(tǒng)中留下的蹤跡是決策的基礎(chǔ)。濫用檢測基于已知的系統(tǒng)缺陷和入侵模式，故又稱特征檢測。它能夠準(zhǔn)確地檢測到某些特征的攻擊，但卻過度依賴事先定義好的安全策略，濫用檢測通過對確知決策規(guī)則編程實現(xiàn)。在混合檢測中，作為一個完整的系統(tǒng)，IDS將以下一些重要特征作為分類的考慮因素。1、檢測時間：有些系統(tǒng)以實時或近乎實時的方式檢測入侵活動，而另一些系統(tǒng)在處理審計數(shù)據(jù)時則存在一定的延時。一般的實時系統(tǒng)可以對歷史審計數(shù)據(jù)進行離線操作，系統(tǒng)就能夠根據(jù)以前保存的

37、數(shù)據(jù)重建過去發(fā)生的重要安全事件。2、數(shù)據(jù)處理的粒度：有些系統(tǒng)采用了連續(xù)處理的方式，而另一些系統(tǒng)則在特定的時間間隔內(nèi)對數(shù)據(jù)進行批處理操作，這就涉及到處理粒度的問題。它跟檢測時間有一定關(guān)系，但二者并不完全一樣，一個系統(tǒng)可能在相當(dāng)長的時延內(nèi)進行連續(xù)數(shù)據(jù)處理，也可以實時地處理少量的批處理數(shù)據(jù)。3、審計數(shù)據(jù)來源：主要有兩種來源：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和基于主機的安全日志文件。后者包括操作系統(tǒng)的內(nèi)核同志、應(yīng)用程序日志、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如路由器和防火墻)日志等。4、入侵檢測響應(yīng)方式：分為主動響應(yīng)和被動響應(yīng)。被動響應(yīng)型系統(tǒng)只會發(fā)出告警通知，將發(fā)生的不正常情況報告給管理員，本身并不試圖降低所造成的破壞，更不會主動地對攻擊者采取反擊

38、行動。（26）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯設(shè)計中故障三個層次。從整體上考慮，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障可以分為三個層面，即部件級、節(jié)點級和網(wǎng)絡(luò)級。由于網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點、部件間的包含關(guān)系，所以高層故障本質(zhì)也是由低層故障所造成。 部件故障：節(jié)點能夠通信，但是測量數(shù)據(jù)是錯誤的。節(jié)點故障：發(fā)生故障的節(jié)點與其它節(jié)點不再聯(lián)通。網(wǎng)絡(luò)故障：在某個區(qū)域內(nèi)的節(jié)點都出現(xiàn)了故障，造成部分網(wǎng)絡(luò)停止工作。節(jié)點故障只有能連通域不能連通兩種狀態(tài)，所以可以簡單地用二進制描述節(jié)點故障模型，例如0表示節(jié)點發(fā)生故障，不再與其他節(jié)點連通，1表示節(jié)點能與其它節(jié)點正常連通。部件故障模型要復(fù)雜一些，設(shè)節(jié)點所在地的真實值為，記測量誤差符合正態(tài)分布，為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差

39、。傳感器發(fā)生故障時，測量值可以形式化為，其中是偏移值，是縮放倍數(shù)，是測量噪聲，由此可以得到下面幾種故障模型：故障模型：固定故障是指感應(yīng)器的讀數(shù)一直為某個固定值，形式化為。偏移故障：偏移故障是指在真實值的基礎(chǔ)上附加一個常量，形式化為。倍數(shù)故障：倍數(shù)故障是指真實值被放大或縮小某個倍數(shù)，形式化為。如果沒有對測量值的先驗知識，僅從結(jié)果不能分辨出偏移故障和倍數(shù)故障。方差下降故障：設(shè)測量方差為，故障方差為，當(dāng)>，則誤差演變?yōu)楣收?，包含故障的測量值為。這類故障通常是由于使用時間過長，感應(yīng)器老化后變得越來越不精確而產(chǎn)生。（27）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消息通信主要受到的攻擊方式。1、物理層的攻擊與防御：擁塞攻擊、物理破壞。2、鏈路層的攻擊：碰撞攻擊、耗盡攻擊、非公平競爭3、網(wǎng)絡(luò)層的攻擊：丟棄和貪婪破壞、方向誤導(dǎo)攻擊、黑洞攻擊、匯聚節(jié)點攻擊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入侵檢測主要是檢測節(jié)點是否異常和辨別惡意節(jié)點。由于節(jié)點資源的限制，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測方法不能直接應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入侵檢測主要由入侵檢測、入侵跟蹤和入侵響應(yīng)組成。系統(tǒng)首先執(zhí)行入侵檢測，如果入