無線傳感器網絡題

1、?無線傳感器網絡?一、填空題每題 4分，共計 40 分1. 傳感器網絡的三個根本要素： 傳感器、感知對象、用戶 (觀察者 ) 傳感器網絡的根本功能： 協(xié)作式的感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)布感知信息 無線傳感器節(jié)點的根本功能： 采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、控制、通信2. 常見的同步機制： RBS ReferenceBroadcast Synchronization ， Ting/Mini-Sync和 TPSN Timing-syncProtocol for Sensor Networks 3. 無線通信物理層的主要技術包括： 介質選擇、頻段選取、調制技術、擴頻技術4. 定向擴散路由機制可以分為三個階段：

2、 興趣擴散階段、梯度建立階段、數(shù)據(jù)傳播階段、 路徑加強階段5. 無線傳感器網絡特點： 大規(guī)模網絡、自組織網絡、可靠的網絡、以數(shù)據(jù)為中心的網絡、 應用相關的網絡 無線傳感器網絡的關鍵技術主要包括： 網絡拓撲控制、網絡協(xié)議、時間同步、定位技 術、數(shù)據(jù)融合及管理、網絡平安、應用層技術6. IEEE 802.15.4 標準主要包括： 物理層 、介質訪問控制層7. 簡述無線傳感器網絡后臺管理軟件結構與組成： 后臺管理軟件通常由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處 理引擎、圖形用戶界面和后臺組件 四個局部組成8. 數(shù)據(jù)融合的內容主要包括： 多傳感器的目標探測、數(shù)據(jù)關聯(lián)、跟蹤與識別、情況評估 和預測9. 無線傳感器網絡可以選擇的

3、頻段有： 868MHz 、915MHz、 2.4GHz、 5GHz10. 傳感器網絡的電源節(jié)能方法： 休眠技術機制、數(shù)據(jù)融合11. 傳感器網絡的平安問題： (1) 機密性問題 (2) 點到點的消息認證問題 (3) 完整性鑒 別問題12. 基于競爭的 MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議T-MAC協(xié)議Sift 協(xié)議13. 傳感器節(jié)點由 傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊 四局部組成14. 故障修復的方法 基于連接的修復 基于覆蓋的修復15. 基于查詢的路由 定向擴散路由 謠傳路由 二、問答題每題 1 0分，共計 60 分1. 簡述無線傳感器網絡系統(tǒng)工作過程，傳感器節(jié)點的組成和功能。無線傳感器

4、網絡(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的 無線網絡， 目的是協(xié)作地采集、 處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監(jiān)測信息， 并報 告給用戶。傳感器節(jié)點由電源、感知部件、嵌入式處理器、存儲器、通信部件和軟件這幾局部 構成。電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。 感知部件用于感知、 獲取外界的信息， 并將其轉換為數(shù)字信號。 處理部件負責協(xié)調節(jié)點各局部的工作，如對感知部件獲取的信息進行必要的處理、 保存，控制感知部件和電源的工作模式等。通信部件負責與其他傳感器或用戶的通信。 軟件為傳感器提供必要的軟件支持， 如嵌入式操作系統(tǒng)、 嵌入式數(shù) 據(jù)庫系統(tǒng)等。2. GPSR協(xié)議數(shù)據(jù)轉發(fā)模

5、式有哪些？區(qū)別是什么?GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)路由協(xié)議是貪婪算法 (Greedy)和圖形算法的結合，它不需要維護路由表，是一種無狀態(tài)的路由協(xié)議。GPSRfr議具有貪婪轉發(fā) (Greedy Forwarding)和周界轉發(fā)(Perimeters Forwarding)兩種分組轉發(fā)方式。1貪婪轉發(fā)算法貪婪轉發(fā)算法是一種基于地理信息的路由算法。貪婪轉發(fā)算法的前提是每個分組都 已包含其目的節(jié)點位置或目標區(qū)域位置，每個節(jié)點都自己及自接鄰節(jié)點的位置。貪婪轉發(fā)算法總是朝距離目的節(jié)點最近的鄰節(jié)點轉發(fā)分組，如圖7-14所示。2周界轉發(fā)如圖7-15所示，采

6、用周界轉發(fā)方式時，通常采用右手規(guī)那么確定轉發(fā)的路徑。圖7-16給出了右手規(guī)那么的根本原理。當一個數(shù)據(jù)分組從節(jié)點x到達節(jié)點y時，它經過下一邊時以y為頂點，沿(y,x)逆時針方向上的第一條鏈路， 如下列圖的為(y,z)，后續(xù)的同樣依照 此規(guī)那么來確定，直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點為止。那么在平面圖中采用周界轉發(fā)決定數(shù)據(jù)GPSR路由協(xié)議同時采用了貪婪算法和周界轉發(fā)來對數(shù)據(jù)分組進行傳送。在完整的拓撲 圖中采用貪婪轉發(fā)，當貪婪轉發(fā)找不到下一跳節(jié)點時， 分組的下一跳。w，y圖7-15路由空洞示意圖7-14貪婪轉發(fā)示意圖圖7-16右手規(guī)那么3. 無線傳感器網絡的路由協(xié)議有哪些類型？路由協(xié)議的設計要求？協(xié)議主要分為四

7、類：基于聚簇的路由協(xié)議、 以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、 基于地理位置路由 協(xié)議和能量感知路由協(xié)議現(xiàn)有的無線傳感器網絡路由協(xié)議設計以節(jié)能、延長網絡生命周期為主要目的。(1) QoS路由。目前傳感器網絡路由協(xié)議的研究重點主要集中在能量效率上，而在未來的研究中可能還需要解決由視頻和成像傳感器以及實時應用引起的QoS問題。(2) 支持移動性。目前的WSNs路由協(xié)議對網絡的拓撲感知能力和移動性的支持比擬差 如何在控制協(xié)議開銷的前提下，支持快速拓撲感知是一個重要挑戰(zhàn)。(3) 平安路由。由于WSNs的固有特性，其路由協(xié)議極易受到平安威脅，是網絡攻擊的主要目標，設計簡單、有效、適用于 WSNs的平安機制是今后努力的

8、方向。(4) 有效功耗。WSNs中數(shù)據(jù)通信最為耗能，今后盡量通過使用數(shù)據(jù)融合技術、數(shù)據(jù)傳輸 中采用過濾機制來減少通信量，并通過讓各節(jié)點平均消耗能量來保持通信量的負載均衡。(5) 容錯性。由于WSNs節(jié)點容易發(fā)生故障，應盡量利用節(jié)點易獲得的網絡信息計算路由以確保在路由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復，可采用多路徑傳輸來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?. S-MAC協(xié)議實現(xiàn)手段和特點S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網絡的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網絡內部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量， 網絡能容忍一定程度的通信延遲。 它的設計目標是 提供良好的擴展性，減少結點能耗。S-MAC協(xié)議采用的主要機制：1 周期性偵聽和睡

9、眠 2 流量自適應偵聽機制 3 串音防止 4. 消息傳遞5. 常用的定位方法有哪些？各有什么特點？基于測距的定位技術 ： 基于測距的定位技術是通過測量節(jié)點之間的距離，根據(jù)幾何關系計算出網絡節(jié)點的 位置。解析幾何里有多種方法可以確定一個點的位置。 比擬常用的方法是多邊定位和角 度定位。(1) 測距方法：接收信號強度指示：信號越強離的越近；到達時間差：時間短離得近； 到達角：獲得角度(2) 多邊定位：浮點運算量大，計算代價高。(3) Min-Max 定位方法：計算簡單。 無須測距的定位技術 ：(1) 質心算法 : 實現(xiàn)簡單，通信開銷小，但僅能實現(xiàn)組粒度定位。(2) DV-Hop 算法：解決了低錨點

10、密度引發(fā)的問題，它根據(jù)距離矢量路由協(xié)議在全網范圍 內播送跳數(shù)和位置。6. 為什么無線傳感器網絡需要時間同步？述 RBS TPSN時間同步算法工作原理。 傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作， 去完成復雜的檢測和感知溫度， 傳感器網絡的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。在分布式的無線傳感器網絡應用中， 每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。 不同節(jié)點的 晶體振蕩器頻率存在偏差， 以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網絡節(jié)點之間的運行時間偏 差。RBS同步協(xié)議的根本思想是多個節(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

11、開銷大。TPSN協(xié)議采用層次型網絡結構，首先將所有節(jié)點按照層次結構進行分級，然后每個節(jié) 點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。7. 為什么無線傳感器網絡需要節(jié)點定位，簡述基于距離的定位算法三邊測量算法、三角 測量算法的工作原理。傳感器節(jié)點的自身定位是傳感器網絡應用的根底。 許多應用都要求網絡節(jié)點預先知道 自身的位置，并在通信和協(xié)作過程中利用位置信息完成應用要求。假設沒有位置信息，傳 感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)幾乎是沒有應用價值的。所以，在無線傳感器網絡的應用中，節(jié)點 的定位成為關鍵的問題。基于距離的定位算法： 通過測量節(jié)點與信標節(jié)點間的實際距離或方位進行定位三邊測量算法：

12、A B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點 D的距離，確定節(jié)點 D的 坐標三角測量算法：A、B C三個節(jié)點的坐標，節(jié)點 D相對于節(jié)點 A B、C的角度，確定節(jié)點 D 的坐標；8. 無線傳感器網絡體系結構包括哪些局部，各局部的功能分別是什么？無線傳感器網絡體系結構包括物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層、 網絡層、 傳輸層和網絡管理平臺、 應用支撐平臺。 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 移動的傳感器網絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。物理層：負責信號的調制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。 數(shù)據(jù)鏈路層：負責數(shù)據(jù)成幀、幀監(jiān)測、媒體接入和過失控制。 網絡層：負責路由的發(fā)現(xiàn)和維護。傳輸層：負責數(shù)據(jù)流

13、的傳輸控制。 網絡管理平臺：對傳感器節(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網絡的管理。 應用支撐平臺：為終端用戶提供對各種具體應用的支持。9. 什么路由空洞？如何產生的？怎樣解決？在存在空洞的網絡環(huán)境中， 如果單純依賴貪婪轉發(fā)策略來轉發(fā)數(shù)據(jù)包， 在轉發(fā)過程 中數(shù)據(jù)包可能會到達沒有任何鄰居節(jié)點比自身更接近目的節(jié)點的區(qū)域， 導致數(shù)據(jù)無法繼 續(xù)傳輸，這種現(xiàn)象被稱為路由空洞。路由空洞會導致數(shù)據(jù)無法正常傳輸， 當出現(xiàn)這種情況時， 該節(jié)點應通過探測空洞周 圍的節(jié)點建立拓撲圖，并利用在GPSR路由協(xié)議中的右手法那么沿空洞周圍傳輸，繞開傳輸空洞，使用周界轉發(fā)機制來解決此問題。10. 定向擴散和謠傳路由有什么區(qū)別？定向擴

14、散(Directed Diffusion , DD)是一種基于查詢的路由機制，是專門為無線傳感 器網絡設計的。謠傳路由 (Rumor Routing) ，其路由的建立是由 Sink 節(jié)點和源節(jié)點共同發(fā) 起并完成的。謠傳路由與定時擴散路由相比， 可以有效地減少路由建立過程的開銷， 當一個節(jié)點產 生對某一事件的查詢時，了解路由信息的節(jié)點可通過檢查各自的事件表對查詢做出響應， 而不需要將其擴散到整個網絡， 從而減少了通信本錢。 另一方面， 謠傳路由只維持源節(jié)點 到目標節(jié)點之間的一條路徑， 不同于定向擴散協(xié)議的將數(shù)據(jù)以低傳輸速率在多個路徑上路 由的方式。 但由于謠傳路由使用了隨機方式生成路徑， 所以數(shù)

15、據(jù)傳輸路徑可能不是最優(yōu)路 徑，而且容易形成環(huán)路。11. 部件級故障檢測的常用方法。1基于空間相關性的故障檢測 無線傳感器網絡相鄰節(jié)點的同類傳感器所測量的值通常很相近，稱這種特性為空間相關性。根據(jù)故障檢測時是否需要節(jié)點地理位置信息， 可以分為如下兩類： 需要地理位置信息； 不需要地理位置信息 。2基于貝葉斯信任網絡故障檢測 貝葉斯信任網絡包含一個有向圖和與之對應的概率表集合。有向圖中的頂點表示變量， 邊表示變量之間的影響關系。貝葉斯信任網絡的關鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因 素。模型化節(jié)點間的可靠關系是通過節(jié)點概率表實現(xiàn)。應用貝葉斯信任網絡分為構造、學習、推理三個階段。12. 簡述LEACH

16、協(xié)議的工作原理。低功耗自適應聚類分級 LEACH協(xié)議(LOW Energy Adaptive Clusteri ng Hierarchy)是無線傳感器網絡中最早被提出來的分層路由算法。LEACH可以將網絡整體的生存時間延長15，其根本思想是通過隨機循環(huán)地選擇簇頭節(jié)點，將整個網絡的能量負載平均分配到每 個傳感器節(jié)點中，從而降低網絡能源消耗，提高網絡整體生存時間。在協(xié)議中，首先隨機 選擇一個節(jié)點作為簇頭，簇頭開始發(fā)送播送消息，然后其他普通子節(jié)點根據(jù)信號強弱選擇 要參加的簇群。簇頭按照TDMA勺方式分給每個普通子節(jié)點一個時隙，并播送消息。普通子節(jié)點在規(guī)定的時隙內向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。13. 為什么要進行跨

17、層設計？1 無線信道的動態(tài)性 信道傳播的開放性的信道參量的時變性，使無線信道變成了一種不穩(wěn)定的傳輸介 質。為了保證系統(tǒng)的可用性， 往往系統(tǒng)設計者都是按照信道質量最差的情況和系統(tǒng)的最 低要求來進行保守的設計，從而低估了對系統(tǒng)性能的評價。2無線傳感器網絡節(jié)點的能量受限一般的跨層設計都兼顧了網絡節(jié)點的能效需求3傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端無線傳感器網絡傳輸信道的不確定，節(jié)點能量的最小化，以及節(jié)點存在一定的 移動性帶來的拓撲變化等因素， 使得采用傳統(tǒng)分層結構模型設計的系統(tǒng)很難滿足用戶應 用的需求。14. 傳感網絡中的點覆蓋優(yōu)化步驟和方法。無線傳感器網絡點覆蓋問題的目標是實現(xiàn)對某一特定點集的覆蓋 1 隨機型點覆蓋問題 假設無線傳感器網絡需要對一系列位置的點集目標進行檢測。大量無線傳感器節(jié)點散布在目標周圍， 這些無線傳感器節(jié)點將檢測信息傳輸給中央處理節(jié)點。 節(jié)點覆蓋 優(yōu)化后，要求每個目標在任意時間內都能至少被一