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《无线传感器网络》一、填空题（每题4分，共计40分）1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者)传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信2.常见的同步机制：RBS（ReferenceBroadcastSynchronization），Ting/Mini-Sync和TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）3.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术4.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散阶段、梯度建立阶段、数据传播阶段、路径加强阶段5.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术6.IEEE802.15.4标准主要包括：物理层、介质访问控制层7.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成8.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测9.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz、915MHz、2.4GHz、5GHz10.传感器网络的电源节能方法：休眠（技术）机制、数据融合11.传感器网络的安全问题：(1)机密性问题(2)点到点的消息认证问题(3)完整性鉴别问题12.基于竞争的MAC协议S-MAC协议T-MAC协议Sift协议13.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成14.故障修复的方法基于连接的修复基于覆盖的修复15.基于查询的路由定向扩散路由谣传路由二、问答题（每题10分，共计60分）1.简述无线传感器网络系统工作过程，传感器节点的组成和功能。无线传感器网络(WSN)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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责与其他传感器或用户的通信。软件为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。2.GPSR协议数据转发模式有哪些？区别是什么？GPSR(GreedyPerimeterStatelessRouting)路由协议是贪婪算法(Greedy)和图形算法的结合，它不需要维护路由表，是一种无状态的路由协议。GPSR协议具有贪婪转发((GreedyForwarding)和周界转发(PerimetersForwarding)两种分组转发方式。（1）贪婪转发算法贪婪转发算法是一种基于地理信息的路由算法。贪婪转发算法的前提是每个分组都已包含其目的节点位置或目标区域位置，每个节点都已知自己及自接邻节点的位置。贪婪转发算法总是朝距离目的节点最近的邻节点转发分组，如图7-14所示。（2）周界转发如图7-15所示，采用周界转发方式时，通常采用右手规则确定转发的路径。图7-16给出了右手规则的基本原理。当一个数据分组从节点x到达节点y时，它经过下一边时以y为顶点，沿(y,x)逆时针方向上的第一条链路，如图所示的为(y,z)，后续的同样依照此规则来确定，直到数据到达目的节点为止。GPSR路由协议同时采用了贪婪算法和周界转发来对数据分组进行传送。在完整的拓扑图中采用贪婪转发，当贪婪转发找不到下一跳节点时，则在平面图中采用周界转发决定数据分组的下一跳。图7-14贪婪转发示意图xyzD图7-15路由空洞示意xyzDwv无效区域图7-16右手规则xyz3.无线传感器网络的路由协议有哪些类型？路由协议的设计要求？协议主要分为四类:基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量感知路由协议现有的无线传感器网络路由协议设计以节能、延长网络生命周期为主要目的。(1)QoS路由。目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上,而在未来的研究中可能还需要解决由视频和成像传感器以及实时应用引起的QoS问题。(2)支持移动性。目前的WSNs路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差,如何在控制协议开销的前提下,支持快速拓扑感知是一个重要挑战。(3)安全路由。由于WSNs的固有特性,其路由协议极易受到安全威胁,是网络攻击的主要目标,设计简单、有效、适用于WSNs的安全机制是今后努力的方向。(4)有效功耗。WSNs中数据通信最为耗能,今后尽量通过使用数据融合技术、数据传输中采用过滤机制来减少通信量,并通过让各节点平均消耗能量来保持通信量的负载均衡。(5)容错性。由于WSNs节点容易发生故障,应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由,以确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复,可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性4.S-MAC协议实现手段和特点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。S-MAC协议采用的主要机制：1．周期性侦听和睡眠2．流量自适应侦听机制3．串音避免4.消息传递5.常用的定位方法有哪些？各有什么特点？基于测距的定位技术：基于测距的定位技术是通过测量节点之间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可以确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。(1)测距方法：接收信号强度指示：信号越强离的越近；到达时间差：时间短离得近；到达角：获得角度(2)多边定位：浮点运算量大，计算代价高。(3)Min-Max定位方法：计算简单。无须测距的定位技术：(1)质心算法:实现简单，通信开销小，但仅能实现组粒度定位。(2)DV-Hop算法：解决了低锚点密度引发的问题，它根据距离矢量路由协议在全网范围内广播跳数和位置。6.为什么无线传感器网络需要时间同步？述RBS、TPSN时间同步算法工作原理。传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的检测和感知温度，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大。TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。7.为什么无线传感器网络需要节点定位，简述基于距离的定位算法三边测量算法、三角测量算法的工作原理。传感器节点的自身定位是传感器网络应用的基础。许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置，并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。若没有位置信息，传感器节点所采集的数据几乎是没有应用价值的。所以，在无线传感器网络的应用中，节点的定位成为关键的问题。基于距离的定位算法：通过测量节点与信标节点间的实际距离或方位进行定位三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标；8.无线传感器网络体系结构包括哪些部分，各部分的功能分别是什么？无线传感器网络体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和网络管理平台、应用支撑平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。物理层：负责信号的调制和数据的收发。数据链路层：负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。网络层：负责路由的发现和维护。传输层：负责数据流的传输控制。网络管理平台：对传感器节点自身的管理和用户对传感器网络的管理。应用支撑平台：为终端用户提供对各种具体应用的支持。9.什么路由空洞？如何产生的？怎样解决？在存在空洞的网络环境中，如果单纯依赖贪婪转发策略来转发数据包，在转发过程中数据包可能会到达没有任何邻居节点比自身更接近目的节点的区域，导致数据无法继续传输，这种现象被称为路由空洞。路由空洞会导致数据无法正常传输，当出现这种情况时，该节点应通过探测空洞周围的节点建立拓扑图，并利用在GPSR路由协议中的右手法则沿空洞周围传输，绕开传输空洞，使用周界转发机制来解决此问题。10.定向扩散和谣传路由有什么区别？定向扩散(DirectedDiffusion，DD)是一种基于查询的路由机制，是专门为无线传感器网络设计的。谣传路由(RumorRouting)，其路由的建立是由Sink节点和源节点共同发起并完成的。谣传路由与定时扩散路由相比，可以有效地减少路由建立过程的开销，当一个节点产生对某一事件的查询时，了解路由信息的节点可通过检查各自的事件表对查询做出响应，而不需要将其扩散到整个网络，从而减少了通信成本。另一方面，谣传路由只维持源节点到目标节点之间的一条路径，不同于定向扩散协议的将数据以低传输速率在多个路径上路由的方式。但由于谣传路由使用了随机方式生成路径，所以数据传输路径可能不是最优路径，而且容易形成环路。11.部件级故障检测的常用方法。（1）基于空间相关性的故障检测无线传感器网络相邻节点的同类传感器所测量的值通常很相近，称这种特性为空间相关性。根据故障检测时是否需要节点地理位置信息，可以分为如下两类：①需要地理位置信息；②不需要地理位置信息。（2）基于贝叶斯信任网络故障检测贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对应的概率表集合。有向图中的顶点表示变量，边表示变量之间的影响关系。贝叶斯信任网络的关键特征是能够模型化并推理出不确定因素。模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实现。应用贝叶斯信任网络分为构造、学习、推理三个阶段。12.简述LEACH协议的工作原理。低功耗自适应聚类分级LEACH协议(LOWEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)是无线传感器网络中最早被提出来的分层路由算法。LEACH可以将网络整体的生存时间延长15％，其基本思想是通过随机循环地选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。在协议中，首先随机选择一个节点作为簇头，簇头开始发送广播消息，然后其他普通子节点根据信号强弱选择要加入的簇群。簇头按照TDMA的方式分给每个普通子节点一个时隙，并广播消息。普通子节点在规定的时隙内向簇头发送数据。13.为什么要进行跨层设计？（1）无线信道的动态性信道传播的开放性的信道参量的时变性，使无线信道变成了一种不稳定的传输介质。为了保证系统的可用性，往往系统设计者都是按照信道质量最差的情况和系统的最低要求来进行保守的设计，从而低估了对系统性能的评价。（2）无线传感器网络节点的能量受限一般的跨层设计都兼顾了网络节点的能效需求（3）传统通信系统分层参考模型的弊端无线传感器网络传输信道的不确定，节点能量的最小化，以及节点存在一定的移动性带来的拓扑变化等因素，使得采用传统分层结构模型设计的系统很难满足用户应用的需求。14.传感网络中的点覆盖优化步骤和方法。无线传感器网络点覆盖问题的目标是实现对某一特定点集的覆盖（1）随机型点覆盖问题假设无线传感器网络需要对一系列位置已知的点集目标进行检测。大量无线传感器节点散布在目标周围，这些无线传感器节点将检测信息传输给中央处理节点。节点覆盖优化后，要求每个目标在任意时间内都能至少被一个