無線傳感網(wǎng)絡(luò)作業(yè)

..無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作業(yè)20XX第一學(xué)期第一章1.2什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)？答：傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準定義是這樣的：傳感器網(wǎng)絡(luò)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),其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息,并報告給用戶。它的英文是WirelessSensorNetwork,簡稱WSN。1.5傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點由哪些部分組成？這些組成模塊的功能分別是什么？答：由傳感模塊、計算模塊、通信模塊、存儲模塊、電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)組成。這里傳感模塊負責(zé)探測目標的物理特征和現(xiàn)象,計算模塊負責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理,存貯模塊負責(zé)存放程序和數(shù)據(jù),通信模塊負責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收。另外,電源模塊負責(zé)節(jié)點供電,節(jié)點由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐,運行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議。1.8傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分？各部分的功能分別是什么？答：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、傳輸層和應(yīng)用層和能量管理平臺、移動管理平臺和任務(wù)管理平臺。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。第二章2.2傳感器由哪些部分組成？各部分的功能是什么？答：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件是傳感器中能感受或響應(yīng)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信號〔一般指電信號部分?；巨D(zhuǎn)換電路可以對獲得的微弱電信號進行放大、運算調(diào)制等。另外,基本轉(zhuǎn)換電路工作時必須有輔助電源。2.7傳感器的一般特性包括哪些指標？答：傳感器的一般特性包括：靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨率〔力、遲滯。2.8什么是傳感器的靈敏度？答：傳感器的靈敏度指傳感器達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時,輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比,即K=輸出變化量/輸入變化量=△Y/△X=dy/dx2.9什么是傳感器的線性度？答：線性度是指傳感器的實際輸入-輸出曲線〔校準曲線與擬合直線之間的吻合〔偏離程度。選定擬合直線的過程,就是傳感器的線性化過程。實際曲線與它的兩個端尖連線〔稱為理論直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度〔或非線性誤差的指標。式中eL為線性度<非線性誤差>,△Lmax為校準曲線與擬合直線間的最大差值,yfs為滿量程輸出值。第三章3.1目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)有哪些類型？它們各有什么特點？答：無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質(zhì),而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同,電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等,其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無線電波是容易產(chǎn)生,可以傳播很遠,可以穿過建筑物,因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號的,它能向任意方向發(fā)送無線信號,所以發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準。無線電波易受發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。3.5當前傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通信主要選擇哪些頻段？答：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式,在頻段選擇上主要集中在433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段。3.7設(shè)計基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是什么？答：基于競爭的MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式,它的基本思想是當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,通過競爭方式使用無線信道,如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞,就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。3.8敘述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的主要特點和實現(xiàn)機制。答：主要特點：a.適用該協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大b.適用該協(xié)議的網(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c.適用該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲d.提供的良好的擴展性,減少節(jié)點能耗。實現(xiàn)機制：周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式,控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗；鄰居結(jié)點通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機制形成虛擬簇,減少借點的空閑偵聽時間；通過流量自適應(yīng)的偵聽機制,減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲；采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免偵聽不必要的數(shù)據(jù)；通過消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制消息的開銷和消息的傳遞延遲。第四章4.2簡述路由選擇的主要功能。答：路由選擇<routing>是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息的行為,并且信息至少通過一個中間節(jié)點。路由協(xié)議負責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點,它包括兩個功能：①尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。4.3無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有哪些特點？答：〔1能量優(yōu)先〔2基于局部拓撲信息〔3以數(shù)據(jù)為中心〔4應(yīng)用相關(guān)4.4常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議有哪些類型？并說明各種類型路由協(xié)議的主要特點。答：〔1能量感知路由協(xié)議：高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個顯著特征。為了強調(diào)高效利用能量的重要性,這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā),討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題?！?基于查詢的路由協(xié)議：在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中,需要不斷查詢傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點〔查詢節(jié)點發(fā)出任務(wù)查詢命令,傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點向監(jiān)控中心報告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問題中,通信流量主要是查詢節(jié)點和傳感器探測節(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸,同時傳感器探測節(jié)點的采集信息通常要進行數(shù)據(jù)融合,通過減少通信流量來節(jié)省能量,即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計相結(jié)合?！?地理位置路由協(xié)議： 在諸如目標跟蹤的應(yīng)用問題中,往往需要喚醒距離被跟蹤目標最近的傳感器節(jié)點,以便得到關(guān)于目標的更精確位置等相關(guān)信息。在這類與坐標位置有關(guān)的應(yīng)用問題中,通常需要知道目的節(jié)點的精確或者大致地理位置。把節(jié)點的位置信息作為路由選擇的依據(jù),不僅能夠完成節(jié)點的路由選擇功能,還可以降低系統(tǒng)專門維護路由協(xié)議的能耗。〔4可靠的路由協(xié)議：傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求,可能在可靠性和實時性等方面有特別要求。例如,采用視頻傳感器進行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測時,希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流暢些。但傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路穩(wěn)定性一般難以保證,通信信道質(zhì)量比較低,網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁,要滿足用戶的某些方面的服務(wù)質(zhì)量指標,需要考慮可靠的路由協(xié)議設(shè)計技術(shù)。第五章5.1傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步的作用是什么？答：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面：首先,傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作,去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子,不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個有意義的結(jié)果。其次,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。5.2傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時間同步機制有哪些？答：目前已有幾種成熟的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議,其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被認為是三種最基本的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制。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。這種同步協(xié)議的缺點是協(xié)議開銷大。Tiny/Mini-Sync是兩種簡單的輕量級時間同步機制。TPSN時間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu),實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步。5.3簡述TPSN時間同步協(xié)議的設(shè)計過程。答：TPSN協(xié)議包括兩個階段：第一個階段生成層次結(jié)構(gòu),每個節(jié)點賦予一個級別,根節(jié)點賦予最高級別第0級,第i級的節(jié)點至少能夠與一個第〔i－1級的節(jié)點通信；第二個階段實現(xiàn)所有樹節(jié)點的時間同步,第1級節(jié)點同步到根節(jié)點,第i級的節(jié)點同步到第〔i－1級的一個節(jié)點,最終所有節(jié)點都同步到根節(jié)點,實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。5.5如何對傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法進行分類？答：根據(jù)不同的依據(jù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位方法可以進行如下分類：<1>根據(jù)是否依靠測量距離,分為基于測距的定位和不需要測距的定位；<2>根據(jù)部署的場合不同,分為室內(nèi)定位和室外定位；<3>根據(jù)信息收集的方式,網(wǎng)絡(luò)收集傳感器數(shù)據(jù)稱為被動定位,節(jié)點主動發(fā)出信息,用于定位稱為主動定位。、5.10簡述ToA測距的原理。答：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。ToA測距原理的過程示例第六章6.3簡述傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的幾種無線通信技術(shù)及其特點。答：傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線通信技術(shù)通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4<ZigBee>、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等,還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定義,這些芯片一般工作在ISM免費頻段。在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是ZigBee和普通射頻芯片。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),完整的協(xié)議棧只有32KB,可以嵌入到各種微型設(shè)備,同時提供地理定位功能。6.6ZigBee的物理設(shè)備有哪些類型？他們分別具有什么特點？答：ZigBee的物理設(shè)備分為功能簡化型設(shè)備<ReducedFunctionDevice,RFD>和功能完備型設(shè)備<FullFunctionDevice,FFD>,其中至少有一個FFD充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色。RFDFFD僅用于星形網(wǎng)絡(luò)適用于任意網(wǎng)絡(luò)不能充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器只于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信可與所有設(shè)備通信只具備微型RAM和ROM設(shè)備功能完備電池供電可接有線電源 ZigBee的設(shè)備類型功能簡化型設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收結(jié)點,具有微型的RAM和ROM,簡化了堆?？臻g,相應(yīng)存儲空間也被減少,成本得以降低。它一般有電池供電,只與功能完備型設(shè)備連接通信。它能搜索出可達的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,根據(jù)功能完備型設(shè)備的請求傳送數(shù)據(jù)、確定自身是否需要發(fā)送以及向功能完備型設(shè)備請求數(shù)據(jù)。功能簡化型設(shè)備在其余時間內(nèi)休眠以減少電能消耗。功能完備型設(shè)備是一種功能完備的設(shè)