无线传感器网络课后习题答案

1-2.什么是无线传感器网络?

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。

1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统

(2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么?

(1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

(2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

(3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。

（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构：

特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。 分级结构：

特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。

优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。

缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。

1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。

(1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。 (2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。 (3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。 2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么?

2-5.集成传感器的特点是什么?

体积小、重量轻、功能强、性能好。 2-7.传感器的一般特性包括哪些指标?

灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。 2-15.如何进行传感器的正确选型？

1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。 2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。

3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。 4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。

5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。 6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。 2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。

磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。 3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法?

（1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。

调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。 解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。 （2）根据调制中采用的基带信号的类型。可以将调制分为模拟调制和数字调制。 根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。 3-4.试描述无线传感器网络的物理层帧结构。

3-6.根据信道使用方式的不同。传感器网络的MAC协议可以分为哪几种类型?

时分复用无竞争接入方式、随机竞争接入方式、竞争与固定分配相结合的接入方式。 3-7.设计基于竞争的MAC协议的基本思想是什么？

当结点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。

3-8.试写(画）出CSMA/CA的基木访问机制。并说明随机退避时间的计算方法。

3-9.IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式?每种方式是如何工作的? （1）分布式协调功能（DCF）、点协调功能（PCF），期中DCF是基本访问控制方式。

3-10.通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗? 空闲侦听、数据冲突、串扰、控制开销

3-11.叙述无线传感器网络S-MAC协议的主要特点和实现机制。

（1）S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进

行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少结点能耗。

（2）周期性侦听和睡眠机制、流量自适应机制、冲突和串音避免机制、消息传递机制。 3-12.简述路由选择的主要功能。

（1）寻找源结点和目的结点间的优化路径。 （2）将数据分析沿着优化路径正确转发。

3-14.常见的传感器网络路由协议有哪些类型?并说明各种类型路由协议的主要特点。 （1）能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置协议、可靠的路由协议。

（2）能量感知路由协议：从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。

基于查询的路由协议：主要用于需要不断查询传感器结点采集的数据，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。

地理位置协议：主要应用于需要知道目的结点的精确或大致地理位置的问题中，把结点的位置信息作为路由选择的依据，从而完成结点的路由选择功能，并且降低维护路由协议的能耗。 可靠的路由协议：应用在对可靠性和实时性等方面有特别要求的问题中。 3-15.如何设计传感器网络的定向扩散路由协议? 4-2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些?

RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN

4-3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。

TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络结点的时间同步。所有结点按照层次结构进行逻辑分级。表示结点到根结点的距离，通过基于发送者-接收者的结点对方式。每个结点与上一级的一个结点进行同步。从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。 TPSN协议包括两个阶段:

第一个阶段生成层次结构，每个结点赋予一个级别。根结点赋予最高级别第0级。第i 级的结点至少能够与一个第(i-1)级的结点通信;

第二个阶段实现所有树结点的时间同步。第1级结点同步到根结点。第i级的结点同步到第(i-1)级的一个结点，最终所有结点都同步到根结点，实现整个网络的时间同步。

4-6.简述以下概念术语的含义:锚点、测距、连接度、到达时间差、接收信号强度指示、视线关系。

锚点：指通过其他方式预先获得位置坐标的结点，有时也称作信标结点。网络中相应的其余结点称为非锚点。 测距：指两个相互通信的结点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。

连接度：包括结点连接度和网络连接度两种含义。结点连接度是指结点可探测发现的邻居结点个数。网络连接度是所有结点的邻结点数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。

到达时间差：两种不同传播速度的信号从一个结点传播到另一个结点所需要的时间之差。

接收信号强度指示：结点接收到无线信号的强度大小。

视线关系：如果传感器网络的两个结点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个结点问存在视线关系。 4-9.RSSI测距的原理是什么?

4-10.简述ToA测距的原理。

4-11.举例说明TDoA的测距过程。

4-12.举例说明AoA测角的过程。

4-13.试描述传感器网络多边定位法的原理。

4-14.简述Min-max定位方法的原理。

4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。

★4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。

4-17.什么是数据融合技术?它在传感器网络中的主要作用是什么?

（1）数据融合也被称作信息融，是一种多源信息处理技术。它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。

（2）①节省整个网络的能量②增强所收集数据的准确性③提高收集数据的效率 4-18.简述数据融合技术的不同分类方法及其类型。

(1)依据融合前后数据的信息含量进行分类：无损失融合、有损失融合

(2)依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类：依赖于应用的数据融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合

(3)依据融合操作的级别进行分类：数据级融合、特征级融合、决策级融合 4-19.什么是数据融合的综合平均法?

4-20.常见的数据融合方法有哪些?

综合平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法、D-S证据推理法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则法、神经网络方法。

4-21.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么?它反映出传感器网络数据传输的什么特点? （1）通常随着通信距离的曾加，能耗急剧增加。

（2）在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。 4-22.简述节能策略休眠机制的实现思想。

当结点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处十空闲状态，把这些组件关钟或调到更低能耗的状态，即休眠状态。该机制对于延长传感器结点的生存周期非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量。并且产生时延。所以状态转换策略对于休眠机制比较重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。

4-23.简述传感器网络结点各单元能量消耗的特点

传感器结点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和通信模块。随着集成电路工艺的进步。处理器和传感器模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠状态。空闲状态就是侦听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态。 4-24.动态电源管理的工作原理是什么?

当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态。应该把这些组件关掉或调到更低能耗的状态(即休眠状态)。从而节省能量。

4-25.传感器网络的安全性需求包括哪些内容?

结点的安全保证、被动抵御入侵的能力、主动反击入侵的能力。 4-26.什么是传感器网络的信息安全?

4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程

4-28.SPINS安全协议簇能提供哪些功能?

SPINS安个协议簇是最早的无线传感器网络的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA两个安全协议。SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；μTESLA协议则提供对广播消息的数据认证服务。 6-3.低速无线个域网具有哪些特点?

低速无线个域网是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与无线局域网相比。低速无线个域网网络只需很少的基础设施。甚至不需要基础设施。IEEE 802. 15. 4标准为低速无线个域网制定了物理层和MAC子层协议。 6-7.简述ZigBee的技术特点

(1)数据传输速率低。数据率只有lokb/s~250kb/s，专注十低速传输应用。

(2)有效范围小。有效似盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。 (3)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz,868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为无需申请的ISM频段。

(4)省电。由于工作周期很短。收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节5号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免机制。并为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制。每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

(6)成本低。由于数据传输速率低，并且协议简单。降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。

(7)时延短。针对时延敏感的应用做了优化。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延的典型值为30ms.休眠激活时廷的典型值是15ms。活动设备信道接入时延为15ms。 (8)网络容量大。一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。

(9)安全。ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能。加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。

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