习题-第四章

第4章习题1.传感器网络实现同步的作用是什么？2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些？3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。4.传感器网络定位问题的含义是什么？5.如何对传感器网络定位方法进行分类？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。第4章习题7.RSSI测距的原理是什么？8.简述ToA测距的原理？9.简述TDoA测距过程？10.简述质心定位算法原理及特点。11.什么是数据融合技术？它在传感器网络中的作用是什么？第4章习题12.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么？它反映了传感器网络数据传输的什么特点？13.简述节能策略和休眠机制的实现思想。14.简述传感器网络节点各单元能量消耗的特点。答：无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。1.传感器网络实现同步的作用是什么？答：目前已有几种成熟的传感器网络时间同步协议，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三种最基本的传感器网络时间同步机制。2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些？答：（在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种节点称为根节点。根节点可装配诸如GPS接收机这样的复杂硬件部件，并作为整个网络系统的时钟源）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。节点对之间的时间同步是基于发送者-接收者的同步机制。3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。TPSN协议的操作过程包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i－1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。（续）3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。答：无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。4.传感器网络定位问题的含义是什么？5.如何对传感器网络定位方法进行分类？答：根据不同的依据，无线传感器网络的定位方法可以进行如下分类：(1)根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需要测距的定位；(2)根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位；(3)根据信息收集的方式，网络收集传感器数据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位。无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面：首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。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。答：(1)锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2)测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。(3)连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。(4)邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。6.简述以下概念术语的含义：锚点、测距、连接度、邻居节点、到达时间差、接收信号强度指示、视线关系。(5)到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号的到达时间。(6)到达时间差(TDoA)：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。(7)接收信号强度指示(RSSI)：节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。(8)视线关系(LineofSight,LoS)：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。答：RSSI测距的原理如下：接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。将无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为下式所示，其中PR是无线信号的接收功率，PT是无线信号的发射功率，r是收发单元之间的距离，n传播因子，传播因子的数值大小取决于无线信号传播的环境。/nRTPPr10lg10lg/TRnrPP10lg10lgRPAnr()10lgRPdBmAnr7.RSSI测距的原理是什么？8.简述ToA测距的原理？答：ToA测距，通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。答：在基于TDoA的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离。9.简述TDoA测距过程？10.简述质心定位算法原理及特点。答：在计算几何学里多边形的几何中心称为质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心节点的坐标。假设多边形定点位置的坐标向量表示为pi=(xi，yi)T，则这个多边形的质心坐标为：,xy1111,(,)nniiiixyXYnn“多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程，这个过程是对多源数据进行检测（detection）、互联（association）、相关（correlation）、估计（estimation）和组合（combination），以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息”11.什么是数据融合技术？它在传感器网络中的作用是什么？数据融合的主要作用可归纳为以下几点：(1)提高信息的准确性和全面性。(2)降低信息的不确定性。(3)提高系统的可靠性。(4)增加系统的实时性。由于传感器网络节点的资源十分有限，在收集信息的过程中，如果各个节点单独地直接传送数据到汇聚节点，则是不合适的，主要原因如下：(1)浪费通信带宽和能量。(2)降低信息收集的效率。（续）11.什么是数据融合技术？它在传感器网络中的作用是什么？12.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么？它反映了传感器网络数据传输的什么特点？在无线网络通信中，能量消耗E与通信距离d存在关系：E=kdn，其中k为常量，2≤n≤4。由于无线传感器网络的节点体积小，发送端和接收端都贴近地面，干扰较大，障碍物较多，所以n通常接近于3，即通信能耗与距离的3次方成正比。从上述的关系式反映出，随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输能耗会低些。因此，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。13.简述休眠机制的实现思想。休眠机制的主要思想是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。传感器节点通常由四个部分组成：处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源管理单元。其中传感器单元能耗与应用特征相关，采样周期越短、采样精度越高，则传感器单元的能耗越大。由于传感器单元的能耗要比处理器单元和无线传输单元的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常只讨论处理器单元和无线传输单元的能耗问题。电源管理单元传感器单元处理器单元无线传输单元14.简述传感器网络节点各单元能量消耗的特点。