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研究生研究型课程考试答卷课程名称：无线传感器网络技术考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试学生姓名：学号：序号分项类别得分序号分项类别得分序号分项类别得分1题目一11题目十一21题目二十一2题目二12题目十二22题目二十二3题目三13题目十三23题目二十三4题目四14题目十四24题目二十四5题目五15题目十五25题目二十五6题目六16题目十六26题目二十六7题目七17题目十七27题目二十七8题目八18题目十八28题目二十八9题目九19题目十九29题目二十九10题目十20题目二十总分评阅人：时间：1.分析WSN和Adhoc网络特征的相同之处和不同点。答：相同点：基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，二者都是自组织网络，网络自动配置，动态拓扑结构，需要考虑网络的安全性。二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计。不同点：Adhoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，Adhoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。Adhoc网络拓扑结构动态变化，而WSN网络拓扑结构是静态的。2.WSN和传统无线宽带网络在设计中，各自的首要设计目标是什么？答：WSN的首要设计目标是能源的高效利用。通常传感器节点都由能量有限的电池提供能量,且在实际应用中由于传感器节点数量多,分布广,部署环境复杂,因而在大多数部署环境中通过更换电池或充电的方式来补充能量是不可行的。能量有限是WSN发展的一个瓶颈。因此,如何合理有效地使用现有能量最大化WSN的生命周期便成了首要的设计目标。其中生命周期是指从网络开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽所经历的时间。无线宽带网络的首要设计目标传统宽带无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源。3.无线传感器网络的特点？答：无线传感器网络有以下一些特点：（1）计算和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要利用有限的计算和存储资源完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。（2）动态性强。传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变，环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三个要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。（3）网络规模大、密度高。为了获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的监测区域内，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。大规模网络通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；通过大量冗余节点的协同工作，使得系统具有很强的容错性并且增大了覆盖的监测区域，减少盲区。（4）可靠性。传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。（5）应用相关。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。（6）以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点检测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。4.802.15.4协议的特点，包括主要的针对的应用场合、解决传输误码的方法，说明和ZIGBEE、6LoWPAN的层次关系。答：802.15.4协议的特点：（1）802.15.4是一个低数据率的WPAN(LR-AN)标准，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输。（2）IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。（3）IEEE802.15.4支持多种网络拓扑结构。最简单的一种是星型网，只有一个网络协调器，连接多个从设备。为了降低系统成本，IEEE802.15.4定义了两种物理设备—完整功能设备(FFD)和部分功能设备(RFD)。FFD支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其他设备对话;RFD仅支持星型结构，不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但是实现非常简单。在星型网中只有网络协调器是FFD，其他均为RFD。另一种网络结构是对等网络，它的覆盖范围很大，有成千上万个节点。网络中的每一个FFD也可作为路由器，通过路由协议来优化最短和最可靠的路径，同时路由协议还可根据情况动态变化。802.15.4协议的应用场合：IEEE802.15.4特别适合应用于嵌入式系统、微处理器等领域，希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网的场合。802.15.4协议解决误码的方法：在802.15.4标准中提到了两种机制解决误码问题。一种机制是使用短帧格式(小于128B)以减少单个帧出错的概率；另外一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的数据是否出错。MAC帧的校验码长16位，使用ITU标准的16位校验生成算法生成。802.15.4协议和ZigBee、6LoWPAN层次关系：IEEE802.15.4标准具有可扩展性，只规定了底层:为单一的媒体访问控制(MAC)层和多样的物理层，至于MAC层以上的协议，可以采用不同的方案。由此就产生了多种不同的技术，ZigBee和6LoWPAN就是其中的两个。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。网络层将采用基于AdHo。技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE802.15.4标准同样省电。6LoWPAN技术也采用的是IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6LoWPAN技术使用IETF规定的IPv6功能，采用IPv6协议栈。5.了解ISM波段含义，说明802.15.4协议所占ISM无线波段，以及各个波段的信道数。答：ISM频段（IndustrialScientificMedicalBand）主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段。ISM频段属于无许可（FreeLicense）频段，使用者无需许可证，没有所谓使用授权的限制。ISM频段允许任何人随意地传输数据，但是对所有的功率进行限制，使得发射与接收之间只能是很短的距离，因而不同使用者之间不会相互干扰。在美国，ISM频段是由美国联邦通信委员会（FCC）定义出来的，其他大多数政府也都已经留出了ISM频段，用于非授权用途。目前，许多国家的无线电设备（尤其是家用设备）都使用了ISM频段，如车库门控制器、无绳电话、无线鼠标、蓝牙耳机以及无线局域网等。802.15.4协议所占ISM无线频段为902～928MHz，2.4～2.4835GHz，5.725~5.850GHz。在2450MHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道。6.传感器节点的主要组成以及WSN中传感器节点的特点和限制条件答：传感器节点的主要组成：控制器、通信装置、传感器/驱动器、存储器、能量供应。传感器节点的特点：传感节点体积小、成本低、传感节点数量大、具有自适应能力。传感器节点的限制条件：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。7.路由协议的作用和功能？WSN路由协议独特特征？答：路由协议的作用是将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。路由协议主要有两个功能：（1）寻找源节点和目的节点间的优化路径；（2）将数据分组沿着优化路径正确转发。WSN路由协议独特特征：（1）能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。由于无线传感器网络的节点能量有限，延长整个网络的生存周期是传感器网络路由协议设计的重要目标，因而需要考虑节点的能量能量消耗和网络能量均衡使用的问题；（2）基于局部拓扑信息。传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信方式，而结点有限的存储资源和计算资源，使得结点不能存储大量的路由信息。在结点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单、高效的路由机制，是传感器网络运行的一个基本问题；（3）以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为结点的标识和路由的依据，而传感器网络的结点是随机部署的，人们所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个结点获取的信息，网络运行不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器结点到少数汇聚结点的数据流，它是以数据为中心形成探测信息的转发路径；（4）应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，导致数据通信模式会有所不同，没有统一的路由机制可以适合于所有的应用问题，这是传感器网络应用相关性的一个具体体现。设计人员需要针对每一个具体应用的需求，设计实现或者移植与之适应的特定路由机制。8.WSN路由协议的四种分类。答：根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型，四种类型的路由协议分别是：(1)能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利用能量的重要性，在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。(2)基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据，汇聚节点(查询节点)发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量。(3)地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。(4)可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实