物联网概论 韩毅刚 第3版 习题答案

《物联网概论（第3版）》习题参考答案第1章物联网体系结构习题答案1．参考答案：物联网就是实现物-物通信的互联网，通过物联网，能够更加有效地管理社会活动，使人类的日常生活更加舒适。物联网其实并没有一个明确的定义，存在各种定义正好说明了物联网处于发展初期，发展也比较迅速。实际上，定义明确也常常意味着发展停滞。物联网侧重物与物、人与物的通信，互联网侧重人与人的通信。互联网是物联网的承载网络，物联网是互联网的应用延伸。互联网强调全球性，物联网强调区域性或行业性。互联网连接的是人，网络中的一切信息都是由人数字化后提供的，这些信息构成一个虚拟信息空间。物联网连接的是物理的、真实的世界，由传感器等设备给出物体和环境的真实信息，这些信息反应的是物理世界当时所处的真实情况。以网购为例，互联网是由人手动输入商品的信息，存在虚假信息的情况，物联网则是由商品自己自动发布信息，防止了假货。2．参考答案：标识环节的具体产品有接触式的水电卡、非接触式的一卡通等，具体技术有RFID等。感知环节的具体产品有电子秤传感器等，具体技术有MEMS（微机电系统）等。处理环节的具体产品有手机智能芯片等，具体技术有Android嵌入式操作系统等。信息传输环节的具体产品例子有无线路由器，具体技术例子有Wi-Fi网络等。3．答案提示：物联网目前处于发展初期，没有一个明确的阶段划分。物联网的本质特征就是人们通过互联网无意识地享受真实世界提供的一切服务。具体来说，物联网的特征有信息采集的自动化、基于互联网的数据传输和信息交换的智能化，即全面感知、可靠传输、智能处理。也有人认为物联网的特征是对外部世界的关注、内容的不确定性、感知目标的不可复现以及对外部事件的驱动性。4．答案要点：物联网体系结构的层次模型和域模型没有本质区别，都是对物联网所实现的整体功能进行分割，以便人们可以专注于自己所擅长的领域。不同行业和角度会有不同的划分方法，也就有不同的体系结构。通信网络的体系结构一般采用分层思想来划分，上层是用户，调用下层提供的服务，相邻层次之间通过层间接口传递数据和控制参数。5．答案提示：ITU-T把物联网分为设备层、网络层、支撑层和应用层4层，各层功能分别对应书中的感知层、传输层、处理层和应用层。设备层的设备有传感器、RFID读写器等。网络层的设备有交换机、路由器等。支撑层的设备有服务器集群等。应用层的设备有监控屏幕、操作控制台等。6．答案要点：位于感知层的感知技术、识别技术等，位于传输层的接入技术、承载网络技术等，位于处理层的支撑技术等。或者对应的具体技术WSN、RFID、FTTH、IP、云计算等。7．答案提示：基于ZigBee技术的物流实时跟踪控制管理系统、基于传感技术的智能监狱人员定位系统、智能无线抄表系统、肉品质量追溯管理系统、工地噪音远端无线监控系统等。8．答案提示：物体智能化主要是通过嵌入式技术来实现的，利用嵌入技术在物体中植入智能系统，使物体具有一定的智能数据处理能力，能够主动或被动的实现物体与用户的沟通。9．答案要点：被感知的物体一般数量较多；实际环境较复杂，不宜布线；需要灵活地部署在各种地理位置上；物体是移动的。10．答案提示：《ITU互联网报告2005：物联网》给出了一个例子，生动地说明了物联网对生活方式的影响，其中诸多场合自动发生了物体之间的数据通信。该例子的具体内容如下。“想象一下2020年一位居住在西班牙的23岁学生罗莎一天的生活。罗莎刚刚和男友吵完架，想自己静一静。她打算开车到法国阿尔卑斯山的一个滑雪胜地过周末，但是车上安装的RFID传感器发出警告，指出轮胎出现故障。当她来到汽修厂入口时，厂里的诊断工具利用无线传感技术和无线传输技术对她的汽车进行了检查，并要求其驶向指定的维修台。这个维修台是由全自动的机器臂装备的。罗莎离开自己的爱车去喝咖啡。饮料机知道罗莎喜欢加冰咖啡，当她利用自己的互联网手表安全付款后，饮料机立刻倒出饮料。等她喝完咖啡回来，一对新的轮胎已经安装完毕，并且集成了RFID标签，以便检测压力、温度和形变。这时机器向导提醒罗莎设置轮胎的隐私选项。汽车控制系统里存储的信息本来是为汽车维护准备的，但是在有RFID阅读器的地方，旅程的线路也能被阅读。因为罗莎不希望任何人（尤其是男友）知道自己的动向，所以她选择隐私保护来防止未授权的追踪。然后罗莎去了最近的购物中心购物。她想买一款新的嵌入式媒体播放器和具有气温校正功能的新滑雪衫。那个滑雪胜地使用了无线传感器网络来监控雪崩发生的可能性，这样就能保证罗莎的舒适安全。在法国与西班牙边境，罗莎没有停车，因为她的汽车里包含了她的驾照信息和护照信息，已经自动传送到边检相关系统了。忽然罗莎的太阳镜接到一个视频电话的请求。她选择了接听，看到她男友正在请求她的原谅，询问她是否愿意共度周末。她喜从心来，用语音命令导航系统禁用隐私保护，这样男友的车就能直接开到她身边了。纵然万物相连，人还是主宰”第2章物品信息编码习题答案1．答案提示：物品编码按编码的作用可分为物品分类编码、物品标识编码和物品属性编码。物品分类编码用于信息处理和信息交换，是指从宏观上根据物品的特性在整体中的地位和作用对物品进行分层划分；物品标识编码一般作为查询或索引中的数据库关键字，是指对某一个、某一批次或某一品类物品分配的唯一性的编码；物品属性编码可分为固有属性编码和可变属性编码。2．参考答案：代码分为无含义代码和有含义代码两大类。无含义代码又分为顺序码和无序码两类。有含义代码又分为缩写码、层次码、矩阵码、特征码、组合码、复合码和镶嵌组合码等。顺序码是一种最简单、最常见的无含义代码，顺序码从一个有序的字符集中顺序地取出字符分配给各个编码对象，这些字符通常是字母或自然数，如国家标准《人的性别代码》中规定1为男性，2为女性。顺序码的代码简短，使用方便，但是其本身没有给出编码对象的任何其他信息，不便于记忆。顺序码有递增顺序码、分组顺序码和约定顺序码三种类型，递增顺序码是指代码值可由预定的数据递增决定；系列顺序码在编码时要先确定编码对象的类别，按各个类别确定它们的代码取值范围，然后在各类别代码取值范围内对编码对象顺序地赋予代码值；约定顺序码不是一种纯顺序码，其只能在全部编码对象都预先知道，且编码对象集合将不会扩展的条件下才能顺利使用。无序码是将无序的自然数或字母赋予编码对象，其无任何编写规律。有含义代码当中的缩写码是将取自编码对象中的一个或多个字符赋值成编码表示；层次码是将分类对象的从属关系和层次关系作为排列顺序的一种代码；矩阵码是一种建立在多维空间坐标位置基础上的代码；特征组合码是由一些代码段组成的复合代码，提供了编码对象的特征，其特征相互独立；组合码是由一些代码段组合的复合代码，提供了编码对象的不同特征，其特征相互依赖；复合码通常由两个或两个以上完整、独立的代码组成；镶嵌式组合码是由相互独立的两部分代码镶嵌组合而成，每一部分的代码长度都是变化的。3．答案提示：EAN.UCC编码体系包含了对流通领域的所有产品与服务的标识代码及附加属性代码，其中附加属性代码不能脱离标识代码而独立存在。标识代码主要包括GTIN、SSCC、GLN、GRAI、GIAI和GSRN等，用于条码系统。４．答案提示：日本UID标准和欧美的EPC标准都是唯一标识符的数据格式标准，主要涉及产品电子编码、射频识别系统及信息网络系统三个部分，其思路在大多层面上都是一致的，但是二者在使用的无线频段、信息位数和应用领域等方面有所不同。５．参考答案：在网上查出SSCC的编码结构，再根据SSCC标识符格式转换成EPC，步骤为：标头00110001；需要滤值，用位表示，比如说用000；去掉扩展位0；因为厂商识别代码是7位（0614141），使用分区值5，用位表示为101；0614141进入EPC管理者分区中，在24位分区中，表示为000010010101111011111101；000999777是系列号，用位表示为0000000000000000000000000000000000000011110100000101100001，去掉校验位1。６．答案提示：EPC标签数据转换（TDT）标准：是关于EPC标签数据标准规范的可机读版本，可以用来确认EPC格式以及不同级别数据表示间的转换。EPC标签数据（TDS）标准：规定了EPC体系下通用识别符（GID）、全球贸易项目代码（GTIN）、系列货运集装箱代码（SSCC）、全球位置编码（GLN）、全球可回收资产代码（GRAI）、全球个别资产代码（GIAI）的代码结构和编码方法。识读器协议（RP）标准：是一个接口标准，详细说明了在一台具备读写标签能力的设备和应用软件之间的交互作用。EPCglobal认证标准定义的内容基于互联网工程特别工作组（IETF）中关键公共基础设施（PKIX）工作组制定的两个Internet标准。７．答案提示：EPC系统由EPC编码体系、射频识别系统及信息网络系统组成，EPC编码体系用于标识物品，EPC射频识别系统用于识别EPC标签，EPC信息网络系统主要有中间件、ONS和EPCIS等。信息有静态和动态两种类型。GDSN和EPCglobal网络是专门针对这两种类型信息的各种需求建立起来的，GDSN确保相关方和产品群体的静态信息质量，促进交易的协作性，EPCglobal网络则主要用于收集和交流移动物品的动态信息。虽然EPCglobal网络和GDSN旨在满足不同的信息需求，但是二者仍然存在一定的关联。目前，EPCglobal网络和GDSN不维护重复的信息，GS1系统提供了一个从EPCglobal网络到GDSN的信息链，使得用户可同时访问二者的信息。８．ONS用于定位特定EPC对应的EPC信息服务，是联系前台EPC中间件和后台EPC信息服务的网络枢纽，其设计与架构都基于互联网的域名解析服务DNS。换言之，ONS能够给出EPC代码对应的统一资源标识符（URI），如SGTIN的纯标识URI表示为“urn:epc:id:sgtin:厂商识别代码.项目参考代码.序列号”，再利用DNS找出存放该EPC代码相关信息的EPCIS服务器的网址（URL），之后，用户就可以利用URL访问EPCIS服务器。ONS与DNS的主要区别在于其输入和输出的内容不同，ONS的输入端为EPC编码，输出为DNS系统中的NAPTR格式；而DNS输入为域名，输出为IP地址。进行ONS查询时，先进行运算，将EPC编码由二进制转换成URI格式，然后删除前端“urn：epc”字段，再删除序列号字段，接下来反向排列其余字段，添加ONS全球根域，如“.”，最后做一次关于此地址对应typecode35（NAPTR）记录之DNS查询，从而完成ONS查询过程。附图2-1中给出了ONS查询的实例。附图2-1ONS查询实例９．答案提示：EPC二进制码序列对应十进制为：1.1554.37401.2272661；转换为EPCURI为：urn:epc:1.1554.37401.2272661；去掉前端和序列号：1.1554.37401；颠倒数列，添加“.”得：37401.1554.1.。10．PML主要是在XML（可扩展标记语言）的基础上发展起来的，因此只要是支持XML的应用系统都可以支持PML。XML是用来传输和存储数据的，关注的是数据的内容；而HTML是用来显示数据的，关注的是数据的外观格式。因此，PML只是一种在信息发送时用于信息区分的方法，实际的内容可以用任意格式存放在服务器中（例如一个SQL数据库、数据表或一个平面文件等），也就是说企业不必以PML格式来存储信息，只需以现有的格式和现有的程序来维护数据即可，例如，可以使用浏览器以HTML格式显示PML数据。11．EPCIS的目的在于通过EPC相关数据的共享来平衡企业内外不同的应用，其在整个EPC网络中的主要作用是提供一个接口去存储、管理与EPC相关的信息，如EPC的观测值（观测对象、时间、地点以及原因）、物品包装状态和信息源等。EPCIS执行的任务有标签授权、牵制策略、观测和反观测等，标签授权就是将必须的信息写入标签，牵制策略即进行包装和解析数据，观测指观测标签对象的整个运动过程，而反观测则是记录下那些被删除或者不再有效的数据。EPCIS本质上是一个分布式信息管理系统，由客户端模块、数据存储模块和数据查询模块3部分组成。客户端模块实现RFID标签信息向EPCIS服务器的传输。数据存储模块将通用数据存储在数据库中，在产品信息初始化的过程中调用通用数据生成针对每一个产品的EPC信息，并将其存储在PML文档中。数据查询模块根据客户端的查询要求和权限，利用ONS访问相应的PML文档，按HTML格式返回给客户端。第3章自动识别技术习题答案1．答案提示：自动识别技术是物联网感知层的核心技术之一，它既有自动性，也有主动性，既能获取物的信息，也能获取人的信息，从而把真实世界的万事万物与虚拟世界的信息处理系统连接起来。2．参考提示：模式识别是让机器具有人一样的对事物的辨别能力，在已知某类事物有若干标准类别（模式）的基础上，判断某一具体对象属于哪一个模式。模式识别是人工智能的研究领域，模式识别的方法大致可以分为4类：统计决策法、结构模式识别方法、模糊模式识别方法和人工神经网络方法。基于特征提取的自动识别技术其实就是模式识别技术在自动识别领域的应用，一些基于数据采集技术的自动识别技术实际上也应用了模式识别技术，如条码识别、二维码识别等。3．参考答案：条码识别系统是以条码技术为基础的自动识别系统。条码系统由条码生成软件、条码印刷设备、扫描识读设备组成。GS1与ISBN中心达成一致协议，把EAN.UCC编码体系中的前缀码978作为ISBN系统的前缀码，从而可以使用同一个条码编码体系来表示ISBN书号。一维码用于自动销售系统、物流、交通、图书馆管理等。二维码用于电子凭证、表单、证照、存货盘点、资料备援等。4．答案提示：二维码通常用黑白块表示1，空白块表示0，因此，可以从二维码的图形中直接读取出二维码表示的二进制数据，但是，由于二维码的码制、版本、掩模、读取顺序、加密等原因，通常不能把这些二进制数据直接转换成字符。图像预处理是为了实现更好的识别效果，通过摄像头采集的二维码图像可能会有光照不均、图像模糊扭曲等问题，通过图像预处理可以使这些问题得到矫正，提高识别效率。图像预处理主要包括对图像的灰度化、二值化、图像滤波、定位和校正等处理5．参考要点：RFID由电子标签、读写器、中间件和应用系统等组成。电子标签的功能有存储数据、通过天线与读写器进行无线通信；读写器的功能有通过天线与电子标签进行无线通信、实现对标签数据的读写与识别；应用系统的功能是实现各种基于RFID的实际应用。6．答案提示：有电感耦合及电磁反向散射耦合两种方式。在电感耦合中，其工作能量要通过电感耦合的方式从读写器电感线圈的辐射场获得，电子标签与读写器之间传送数据时，需要位于读写器天线辐射的近场区内。当标签进入系统的工作区域时，标签天线接收到读写器发送的电磁波，此时天线线圈就会产生感应电流，再经过整流电路给标签供电，也就是说在读写器线圈和电子标签的线圈间存在着变压器耦合作用。7.参考答案：低频、高频、超高频和微波RFID系统的特点比较参见附表3-1，从传输距离和传输速率上看，超高频和微波RFID系统都具有优势。附表3-1低频、高频、超高频和微波RFID系统的特点比较低频高频超高频和微波频率范围30kHz~300kHz，典型工作频率有125KHz和133KHz3MHz~30MHz，典型工作频率为13.56MHz和27.12MHz典型工作频率为：433.92MHz，862(902)~928MHz，2.45GHz，5.8GHz。433.92MHz，862(902)~928MHz工作方式电感耦合，电子标签需要位于阅读器天线辐射的近场区内电感耦合，电子标签需要位于阅读器天线辐射的近场区内电磁耦合，电子标签位于阅读器天线的远场区内读写距离小于0.1m小于1m大于1m，最大可达10m以上数据传输低速，数据少中速数据传输高速应用低端应用，动物识别等门禁、身份证、电子车票等车辆识别、仓储物流、海量物品识别8.答案提示：NFC由RFID及网络技术整合演变而来，但RFID在作用距离和工作频段与NFC都有较大的差异。NFC目前来看更多的是针对于消费类电子设备相互通信，有源RFID则更擅长在长距离识别。9.参考提示：两种IC卡都由读写器提供工作电压。对于接触式IC卡，卡片表面的金属触点与读写设备上的卡座相接触。对于非接触式IC卡，则接收读写设备发射的射频信号，经过整流、滤波、稳压等过程提供工作电压。非接触IC卡识别与RFID没有本质区别，从RFID技术的角度出发，可以认为非接触式IC卡是一种特殊的无源电子标签，其读写设备就是RFID读写器，由非接触式IC卡组成的自动识别系统就是一个特殊的RFID系统。而从IC卡的角度出发，非接触式IC卡又满足了“卡”的需求，其无接触的工作方式有效地避免了接触式IC卡读写故障高的缺点。10.参考答案：语音识别系统中常用的特征参数提取技术有线性预测分析技术、Mel参数和基于感知线性预测分析提取的感知线性预测倒谱，小波分析技术等。常见的声纹识别的模式匹配方法包括动态时间规整方法、矢量量化方法、隐马尔可夫模型方法、高斯混合模型方法等。11.答案提示：除了本章介绍的条码、二维码、RFID、NFC、磁卡识别、IC卡识别、语音识别、光学字符识别和生物识别外，还有图形图像识别、生物识别如步态识别等其它自动识别技术。这些自动识别技术的性能、特点和应用场合如附表3-2所示。附表3-2各种自动识别技术的比较条码光学字符识别语音识别生物识别IC卡NFCRFID数据存储量1~100字节1~100字节————16~64k字节2k字节16~64k字节机器可读性好好耗时耗时好好好受污染影响很严重很严重————可能没影响没影响光遮影响严重失效——可能没影响没影响没影响方位影响很小很小————需插入（接触式）没影响没影响耐磨损度易磨损有条件————不易磨损不易磨损不易磨损设备成本低一般很高很高一般低一般阅读速度低，4s低，4s很低，>5s很低，5~10s低，4s很快，<0.1s很快，0.5s作用距离0~50cm<1cm0~50cm直接接触（指纹识别等）直接接触<=10c0~10m安全性差一般一般较高较高很高很高通过比较可以发现，RFID技术不论在数据存储量、机器可读性、环境敏感度、设备成本、阅读速度、作用距离和安全性等方面都具有绝对的优势。因此，RFID技术作为一种优势较大的自动识别技术，成为物联网最重要的自动识别技术。第4章嵌入式系统习题答案1．参考答案：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。通用计算机系统采用标准化、模块化的设计，其技术要求是高速、海量的信息处理，技术发展方向是处理速度、总线宽度、存储容量的无限提升。而嵌入式系统则采用针对性较强的专业化设计，技术要求是满足具体应用，技术发展方向是在保证应用系统的技术要求和可靠性的前提下，尽可能减小成本、体积和功耗。2．参考答案：简单划为四个阶段，第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段；第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统；第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。3．参考答案：嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器。嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统。4．参考答案：单片机一般是4位、8位或16位的数据总线，一般内置存储器，不运行操作系统，侧重于低成本，主要应用于工业控制等领域。ARM嵌入式系统是32位的数据总线，运算速度快，外接大容量存储器，能运行操作系统以适合多种应用。5．参考答案：嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，其中初始化和引导程序存放在存储器的特殊位置，用户一般不能更改。嵌入式操作系统或应用软件也以固件的方式存储，开机后再引导到RAM中执行。通常所谓的“重启”就是重新引导嵌入式操作系统，所谓的“刷机”就是更改或重装闪存中的嵌入式操作系统固件，所谓的“root”就是获取操作系统管理员的权限。嵌入式软件中最关键的是引导程序，引导程序出现问题，设备就真正变成了“砖头”。6．参考答案：结合软件和硬件下，嵌入式系统组成框架如附图4-1所示。附图4-1嵌入式系统组成框架7．参考答案：是一段在嵌入式系统启动后首先执行的系统程序，为用户应用软件与硬件之间的提供接口并进行软硬件资源管理。嵌入式操作系统用于管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能。使用嵌入式操作系统，可以大大提高嵌入式系统的硬件工作效率，并为应用软件开发提供了极大的便利。首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了CPU的多任务潜力。8．答案提示：可以从目前比较流行的智能手机操作系统上来对比分析。比如，Android、WindowsPhone7和iOS等。9．参考答案：Android系统结构如附图4-2所示。系统运行在Linux内核之上。附图4-2Android系统体系结构10．答案提示：可从物联网终端节点以及设备的功能特点上回答。11．答案提示：数码相机、办公类产品、工业控制类产品的例子等。第5章通信技术习题答案1.答案提示：任何通信网络都离不开通信技术，通信网络是通信技术的一个重要分支。物联网中的通信技术可以分为两大类，一类是借助现有的网络技术进行数据传输，另一类是采用点到点的通信系统直接传输数据。目前有关物联网通信技术的资料实际上都是围绕通信网络技术讲述的。2．参考答案：红绿灯、闹铃、电视视频等。3．参考答案：相比模拟信号处理系统，数字信号处理因为采用了数值运算的方式，对信号进行处理的能力大大增强，主要表现在以下一些优势上。1）灵活性好，模拟系统功能和性能改变一般需要对整体结构进行重新改动，而数字信号处理系统很多时候只需改变存储器中的参数就可以很容易地进行调整。2）稳定性高，模拟电路中很多器件的特性都会随着环境和时间而改变，而数字信号处理系统一般不存在这样的问题，同样的信号处理是可重复的，结果一致。3）性能强大，数字信号处理系统通过复杂的数学运算，可以实现许多单纯模拟信号处理系统无法完成的功能。4）抗干扰性强，模拟信号由于噪声的存在，是很难做到无失真抗干扰的，而数字信号由0和1组成，只要能够正确识别即可完全消除噪声的干扰。5）处理精度高，数字信号的处理精度由数字信号的二进制位数决定，在噪声影响的可控范围内选取更长的位数即可达到很高的精度。6）安全性强，数字信号可以很好地通过加解密算法提升安全性，而这一点是模拟信号无法实现的。7）可集成性好，数字电路可以很容易地做到大规模集成并且做小体积，基于超大规模集成线路的数字信号处理系统具备轻便、低成本、可靠等多项优点。4．答案提示：除了语音增强、图像降噪、微弱信号前端处理外，还有军事领域的雷达信号处理，地质领域的地震监测，音乐领域的调音，通信领域的数字调制等。5．参考答案：模拟通信就是利用模拟信号传输数据，例如，收音机的广播通信。数字通信就是利用数字信号传输数据，例如计算机局域网、数字电视等。值得注意的是，即使是使用模拟载波传输，只要使用的是数字调制技术，则也属于数字通信，如数字微波通信系统、WiFi无线局域网等。6．答案要点：信源编码就是用尽可能少的0、1比特串来表示所要传输的信息。信道编码就是通过增加一些冗余位来提高信息传输的可靠性。信号编码就是用特定的脉冲波形来表示数据并尽可能提供同步时钟信号。信源编码通常也包括信号编码。由于视频压缩等信源编码多为计算机行业在研究，属于计算机网络表示层的内容。信号编码则是通信行业在研究，属于物理层的内容，因此，把二者分开有利于网络层次体系结构的划分。7．答案提示：物联网无线传输技术可以分为广域无线通信和短距离无线通信两种。广域无线通信有时延，实时性较差，另外由于带宽的限制其传输的数据量较小，但是通信距离远；短距离无线通信的发射功率低，但是通信距离短（覆盖距离通常为几十米）。8．答案要点：无线电波有四种传播方式，天波传播、地波传播、散射传播和视距传播。地波传播主要针对波长较长的无线电波，使其沿地面绕过障碍物进行传播；天波传播方式适用于高频无线电波，其主要利用空中电离层对无线电波的反射来实现远距离通信；散射传播主要适用于微波频段的无线电波，主要利用物体尤其是对流层对电磁波的散射（对流层是指大气层中距离地面8~18km范围内的部分）；视距传播适用于各个频段的无线电波，就是指在可以相互“看见”的两个天线之间进行无线传输。9．答案要点：阴影效应、远近效应、多普勒效应和多径效应。这些效应会产生路径损耗、阴影衰落和多径衰落等问题。路径损耗受辐射扩散和无线信道特性等因素影响。阴影衰落主要受阴影效应影响。多径衰落主要受多径效应影响。每种效应产生的问题都有具体的方法取解决，分集技术可以解决大部分问题。10．答案要点：相比较电缆传输，光纤通信有许多优势。首先，传输频带宽，通信容量大。光纤低损耗频段为0.8-1.65μm，单根光纤的可用频带几乎达到200THz。第二，传输距离长，传输损耗低。1.55μm波段的损耗已降至0.2dB/km以下。第三，抗电磁干扰。电缆中的金属导体会向外泄漏电磁波，引起相互靠近的电缆间的电磁干扰。而光纤的材料是玻璃或塑料，不会导电，因此不会产生电磁波的外漏，也就不存在电磁干扰。第四，重量轻，易铺设。光纤材料相比金属电缆体积小，重量轻，运输和架设也方便。第五，寿命长。光缆具有更强的抗腐蚀和适应环境变化的能力。11．参考答案：光纤连接器、光纤定向耦合器、光调制器、光开关、光隔离器、波分复用及解复用器等。12．答案要点：无线激光通信技术按传输媒介可以分为大气激光通信技术、卫星间激光通信技术、蓝绿激光水下通信技术。影响大气激光通信传输质量的因素包括建筑物摆动、大气效应以及传输距离等。13．答案提示：通常把LiFi等同于VLC，严格来讲，LiFi是一种网络技术，尽管目前还没有统一的协议栈标准，就如同无线电通信与WiFi网络之间的关系一样。在可见光通信系统中，通常采用强度调制的方法，通过控制LED灯的强度变化来编码信息，调制后的光信号由LED发出后被接收端的光敏传感器捕获，并重新转换为电信号输出。14．参考答案：量子通信的理论基础在于量子不可克隆原理，这个原理从根本上保证了量子通信信道是无法被窃听的：通信双方通过公开的交换一些信息，就可以确认是否有人窃听。量子通信的绝对安全性体现在两个方面。其一，量子加密的密钥是随机的，即便被窃取者截获，也无法得到真正的密钥；其二，通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且，由量子理论可知，宏观的任何观察和干扰，都会使得量子态发生改变，因此窃听者所得到的信息也就会被破坏，并非原有信息。故而理论上来讲量子通信是绝对安全的。但是，在实际应用中，由于设备的不理想、技术水平的限制、人为等因素，并不能保证其绝对安全性。15．参考答案：量子通信理论上没有最大通信距离限制。但是，在实际应用中，由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声，“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低，也就是说，两个粒子之间的纠缠会因传播距离的增大而不断退化，这是导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上的根本原因。16．答案提示：在“量子密钥分发”时，即只是起到加密作用时，需要光纤信道等辅助信道来传输二进制数字序列，来达到信息加密的目的；在“量子隐形传态”过程中，需要对发送方的两个粒子进行联合贝尔基测量，测量结果会有四种可能，只有一种情况是不需要辅助信道，接收方就可准确接收到信息。总体来说，无论测到哪种结果，接收方都需要通过发送方由辅助信道传来的经典信息对自己手中的粒子进行逆转变换，获取原量子态信息。17．答案要点：深空通信的基本任务是在地面站与航天器之间传输指令、跟踪和遥测信息。深空通信不能使用现有的互联网协议传输文件，因为时延大，现有的文件传输协议在传输层所采用的出错超时重发机制效率太低。18．答案提示：绿色通信就是以人为本建设环保型的通信环境。通信行业的能耗主要集中在数据中心、网络传输和基站三个方面，节能减排方法如数据中心采用虚拟化技术，网络传输采用SDN技术，基站采用高效功放、多载波、分布式、智能温控技术等。绿色通信技术必须与绿色IT技术相结合，共同打造绿色ICT生态环境。第6章传感器习题答案1．参考答案：传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律将被测量转换成相应电信号的器件和装置。传感器对于物联网是一个相当于人体五官的存在，被誉为物联网的“电五官”，作为物联网的硬件基础以及数据采集入口，它能够持续不断的收集外部环境变量，并将其传输给数据计算处理模块，从而实现对周围环境的感知和控制。传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路构成。敏感元件：是指能够直接感受被测量，并直接对被测量产生响应输出的部分。转换元件：是指将敏感元件的输出信息再转换成适合于传输或后续电路处理使用的电信号的部分。转换电路：是指将转换元件输出的电信号量转换成便于测量的电量的部分。2．参考答案：自源型、辅助能源型和外源型。3．参考答案：传感器的静态特性有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。4．参考答案：阻抗型传感器是利用电子元件的电阻、电容或电感作为感知环境变化的被测量，从而达到监测效果的一类传感器。按照敏感元件的不同可分为电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器。5．参考答案：电阻式传感器主要分为电位器式传感器和电阻应变式传感器。6．参考答案：应变电阻效应指的是导体或半导体材料在受到外界力（压力或拉力）作用时产生机械形变，从而导致其阻值发生变化的现象。由金属或半导体制成的应变-电阻转换元件称为电阻应变片，简称应变片，它是电阻应变式传感器中的传感元件。7．参考答案：压电效应指的是某些电介质当沿着一定方向对其施加外力而使其变形时，介质内部就产生极化现象，同时在它的两个相对面上产生相反符号的电荷，当去掉外力后又重新恢复不带电的状态，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之相应的改变的现象。常见的压电材料可以分为三种类型：一是压电晶体（单晶），二是压电陶瓷（多晶半导瓷），三是新型压电材料。8．答案提示：热电效应就是两种导体（或半导体）A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合的回路，如果两个结合点处于不同的温度，回路中就会产生电动势（也称为热电势），因而在回路中形成电流，通过电流表A可以测得的现象。9．参考答案：光电效应指的是物质由于吸收光子而产生电的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。常见的光电传感器的类型主要包含有透射式、反射式、辐射式、遮挡式以及开关式等类型。10．参考答案：霍尔效应指的是，将半导体薄片放置在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。基于霍尔效应实现的传感器的应用很多，比较常见的主要有霍尔电流传感器、霍尔位移传感器和霍尔位置传感器等。11．答案要点：磁光效应是指具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下电磁特性发生变化，从而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。磁光传感器具有抗干扰能力强、测量范围广和体积小的优点，适用于大型电路电流的实时检测。12．参考答案：磁电传感器又称为磁电感应式传感器，它是利用电磁感应原理将被测量，如振动、位移、转速等，转换成电信号的一种传感器。磁电传感器可主要被设计成两种结构模式：变磁通式和恒磁通式传感器。13．答案要点：湿度有绝对湿度和相对湿度两种表示法，绝对湿度是指在标准状态下，每单位体积混合气体中水蒸气的质量；相对湿度是指气体中水汽压与饱和水汽压之比，即相同温度下气体的绝对湿度与可能达到的最大绝对湿度之比。半导体陶瓷湿敏电阻分为负特性湿敏半导体陶瓷和正特性湿敏半导体陶瓷两种，其中正特性湿敏半导体陶瓷的电阻率随湿度的增加而上升，负特性湿敏半导体陶瓷的电阻率随湿度的增加而下降。14．参考答案：气体传感器的主要特点有响应速度比较慢、具有交叉灵敏性等，并且在其应用环境中，只有当被测气体浓度达到一定的条件下，传感器的输出才能达到比较好的平稳状态。15．参考答案：多功能传感器是指能够感受两个或两个以上被测物理量，并将其转换成可以用来输出的电信号的传感器。传统传感器只能检测某一种特定的物理量，多功能传感器可检测两种以上的物理量，并且能够将多种检测量信号区分出来。16．参考答案：MEMS是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型装置，包括微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等，也被称作微机械、微构造或微电子机械系统。MEMS的主要特点有微型化、批量生产、集成化、方便扩展和多学科交叉五个方面。17．答案要点：MEMS传感器是MEMS技术应用于多功能传感器的结果，是将多功能传感器刻制在硅片上实现的体积微小、高度集成的传感器，同时增加了微执行器和微系统电路部分。18．参考答案：智能传感器是一种把传统传感器与微处理器集成在单一芯片上的传感器。实际上，一个真正的智能传感器必须具备学习、推理、感知、通信和管理功能。智能传感器的主要特点如下。1）具有模拟信号到数字信号转换的A/D模块，能在程序控制下设置A/D转换的精度。2）具有数据运算处理、逻辑判断功能，并具有自己的指令系统。3）具有自我诊断功能。4）具有自己的数据总线和双向数据通信功能。5）具有数据储存功能。6）有些智能传感器还带有自动补偿功能。7）有些智能传感器还带有自校准功能。8）一些新型的智能传感器还带有安全识别功能和超限报警功能。MEMS传感器是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、特征尺寸至微米/纳米级、具有将感受量转换为电信号的器件和系统。智能传感器同MEMS传感器相比具有微处理器的数据计算处理、存储功能，以及各种总线所提供的多种协议支持的通信功能等。MEMS传感器往往做成单一物理量的感测器件，而智能传感器不仅具有多种外界物理量同时感测的功能，而且，在结构中增加了智能微处理器模块以及存储器和各种总线模块等部分，相当于为MEMS传感器增加了用于数据处理大脑，此外智能传感器还具有支持用户编程的能力。智能传感器吸收了MEMS技术，但不一定是MEMS，智能传感器得益于MEMS技术的应用，吸收了MEMS技术的高度集成化（IC，集成电路）制作模式以及体积微小、低功耗、低成本等优点，在结构上还继承了MEMS结构中的微传感器、微执行器和信号处理电路等部分，同时智能传感器还满足了多种外界物理量同时感测的需求，在性能上更加稳定、可靠，具有很高的综合精度和响应速度。更重要的是，智能传感器增加了智能微处理模块，以及存储器和各种总线模块等部分，使得智能传感器除具有一般的MEMS功能之外还可以对信号进行计算和处理，以及支持用户编程控制，实现同单片机、DSP等信息处理平台协同工作等功能。嵌入式系统是一种实施控制、监视以及对机器或者工厂运作进行辅助的设备。它通常执行特定的功能，以微处理器与周边构成核心，具有严格的时序和稳定度的要求，可以自行运行并循环操作。智能传感器是由一般的传感器敏感元件、信号处理模块、微处理器模块、输出接口电路等部分组成，智能传感器属于嵌入式系统，是嵌入式系统的一个子集。19．答案提示：纳米技术是指在单个原子或者分子上进行操作的科学技术，研究尺寸范围通常在1~100nm之间。GMR生物传感器和SPR（表面等离子共振）传感器都是纳米传感器。GMR生物传感器可应用于免疫学检测、细胞分离、蛋白质纯化等方面。SPR传感器是一种新型的光学传感器，广泛应用于材料科学、环境保护、食品工业等领域中。第7章传感器网络习题答案1．参考答案：物联网的发展与互联网是分不开的，这包含两个层面的含义：首先，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展；其次，物联网是比互联网更为庞大的网络，其网络连接延伸到了任意的物品和物品之间，这些物品可以通过信息传感设备与互联网络连接在一起，进行更为复杂的信息交换和通信。从技术上看，物联网是各类传感器和现有的互联网相互衔接的一种新技术，它现在不仅仅只与网络信息技术有关，同时还涉及了现代控制领域的相关技术。一个物联网的构成融合了网络、信息技术、传感器、控制技术等各个方面的知识和应用。在一定程度上，可以认为物联网的一个最大特点就是引入了各种各样的传感器，在已有互联网的基础上构成了一个庞大的传感网。2．答案提示：现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。目前国际上流行且较有影响的现场总线有FF、LonWorks、Profibus、HART和CAN等。3．答案提示：CAN总线的分层可以分为两层：物理层和数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和媒介访问控制子层MAC）。CAN总线是一种共享传输媒介，因此需要MAC方法，对总线来说，就是总线仲裁方法。CAN总线采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）的总线仲裁方式访问总线。当总线上有多个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使用最高优先权的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制数“0”而不是“1”，所以ID号越小，则该报文具有越高的优先权。因此一个为全“0”标识符的报文具有总线上的最高级优先权。这样，在消息冲突的位置，一个节点发送0而另外的节点发送1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的消息。实际上，CAN总线的CSMA/CD与以太网的CSMA/CD还是稍有区别的。以太网不采用优先权方式，而是采用二进制退避算法，即冲突后，随机回退若干时隙再试，退避时隙数按二进制指数增加。4．答案要点：采用主叫/应答的方式通信，即只有处于中心地位的主站发出询问后，从站才能向主站传输数据，这种方式也称为轮询。5．参考答案：无线宽带网络包括GPRS、CDMA-1x、3G、4G、WLAN（Wi-Fi）等分别从传统电信网络和计算机网络衍生发展出来的网络技术，这些网络的规划、部署、配置、管理、维护和运营一般需要管理员干预来完成。WSN是一种Adhoc网络，即自组织网络，这种网络组网快捷灵活，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。也有研究者认为WSN有不同于Adhoc网络的技术要求和特征，这种不同不仅表现在应用相关的表面层次上，而且涉及内部的网络核心技术。这方面最具代表性的论据是关于“以数据为中心”的网络体系结构和协议研究必要性的阐述。以数据属性作为节点标识提出了“定向扩散”路由协议，虽然协议本身没有在WSN中得以广泛应用，但其学术价值和影响却是深远的。无线宽带网络优化设计的首要技术指标是带宽，尽管能耗也相当重要，但只能是次要目标。在WSN和Adhoc中，因为需要网络长时间工作在特殊环境下，替换电池不可能，可再生能源技术又不成熟，因此通过优化系统能耗来延长网络生命周期是唯一可行的技术途径。另外，大多数自组织网络的应用偏重于文件或数据的交换，没有广泛涉及音频视频等数据密集型应用，因此，对于高带宽的需求不如无线带宽网络那么强烈。所以，追求低功耗的自组织网络设计，而非单纯地提高网络带宽是WSN和Adhoc研究的共同点。事实上，早期的WSN研究也确实借用了Adhoc网络中较成熟的自组织路由协议，但随着研究的不断深入，人们逐渐认识到：WSN与Adhoc虽同属自组织网络，但网络拓扑结构和工作模式却各不相同。一般而言，Adhoc网络中的节点具有强烈的移动性，相应的网络拓扑结构自然是动态变化，这无疑给路由技术带来了很大的障碍。在这点上，Adhoc网络与某些无线宽带网络（如GSM和CDMA等）有相似性。而WSN中的节点在部署完成后大部分不会再移动，因此网络拓扑结构是静态的，虽然部分节点会因调度机制、失效等原因改变网络的拓扑结构，但依然可以认为WSN的拓扑结构是准静态的，因为上述原因导致的变化具有明显的周期性和间歇性。所以，WSN和Adhoc网络中路由技术的难易程度不言而喻。WSN的一般工作模式是网络中所有节点将数据汇聚到Sink节点，即多对一通信，节点之间几乎不会发生消息交换。对于Adhoc网络，网络中任意两个节点之间都有通信的可能。因此，相应的路由技术自然要比WSN复杂。所以，在WSN中使用Adhoc路由技术并非最佳选择，WSN需要寻找适合其自身工作模式的低开销低功耗路由协议。从本质上讲，Adhoc网络和某些无线宽带网络（如Wi-Fi和WiMax）继承了Internet体系结构的核心思想，网络中间节点不实现任何与分组内容相关的功能，只是简单地采用存储/转发的模式为用户传送分组。对于WSN而言，在多数应用中，网络仅仅实现分组传输功能是不够的，有时特别需要“网内数据处理”的支持，比如：多个节点可能同时观测到了同一事件的发生，它们分别产生数据分组并向Sink节点发送。Sink节点只需收到它们中的一个分组即可，其余分组的传输完全是多余的。如果能在中间节点上进行一定的聚合、过滤或压缩，会有效减小频繁传送分组造成的能量开销。WSN的这种工作模式与传统网络中的组播正好相反。组播是将源产生的分组在中间节点上简单复制多份后转发到多个接收节点上，而WSN的分组过滤技术需要将多个源产生的表示同一事件的多个数据分组聚合为单个分组传送给Sink节点。因为过滤是要基于分组内容进行的，也就意味着中间节点需要实现一定的与内容相关的功能。6．答案提示：无线传感器网络的协议栈可分为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。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、媒介访问和差错控制。网络层负责路由发现和维护。传输层主要负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。应用层则是包括一系列基于监测任务的应用层软件。7．答案提示：无线传感器网络协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的物理媒介、频段选择以及调制方式。数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制（MAC）协议。网络层协议负责使各个独立的节点形成一个收集数据并传输的网络，在网络层相关技术研究的同时，经常将网络拓扑设计以及网络层协议和数据链路层协议结合起来考虑进行研究。传输层中的传输控制研究主要集中于错误恢复机制，如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能、可靠、实时性高的数据传输服务是研究的重点。应用层与具体应用场合和环境密切相关，必须针对具体应用需求进行设计。而应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理。8．答案提示：无线传感器网络的MAC协议设计根据应用需求需要考虑一下网络性能指标：能量有效性、可扩展性、冲突避免、信道利用率、延迟、吞吐量、公平性。根据MAC协议分配信道的方式可以将MAC协议分为竞争型、调度型以及混合型。基于竞争的MAC协议的基本思想是：当无线节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，若发送的数据产生冲突，就需要按照某种策略重发数据，直到发送成功或放弃发送为止。调度型协议的基本思想是：采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点，导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽/频率/正交码无冲突访问信道。竞争型MAC协议能很好的适应网络规模和网络数据流量的变化，能灵活地适应网络拓扑结构的变化，无需精确的时钟同步机制，实现简单，但是能量效率较低。而调度型MAC协议将信道资源按时隙、频段或码段分为多个子信道，信道之间无冲突无干扰，所以数据传输过程中不存在冲突重传，能量效率相对较高，但是需要网络中的节点形成簇，对网络拓扑结构变化的适应能力不强。混合型协议包含了以上两类协议的设计要素，取长避短。当时空域或某种网络条件改变时，混合型协议仍表现以某类协议为主，其他协议为辅的特性。9．答案提示：传感器网络路由协议涉及的首要目标是高效节能，延长整个网络的生命周期。路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。无线传感器路由协议可以分为四类：1）以数据为中心的路由协议，对感知到的数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合操作，减少网络中冗余数据的传输；2）基于集群结构的路由协议，重点考虑路由算法的可扩展性，将传感器节点按照特定规则划分为多个集群，通过该集群的头节点汇集集群内感知数据或者转发其他集群头节点的数据；3）基于地理信息的路由协议，传感器节点能够知道自身地理位置或者通过基于部分标定的节点的地理位置信息计算自身地理位置。4）基于QoS的路由协议，是线路有发现和维护的同时，力求满足网络的QoS需求，一些协议在建立路由路径的同时，还考虑节点的剩余电量、每个数据包的优先级、估计端到端的时延，从而为数据包选择一条最合适的发送路线。10．答案提示：除了书中的ZigBee协议栈图外，ZigBee协议框架图也可参考附图7-1。附图7-1ZigBee协议框架图物理层采用直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术，定义了三种能量等级。数据链路层分为媒介访问控制子层（MAC）以及逻辑链路控制子层（LLC）。其中，MAC子层通过SSCS（Service-SpecificConvergenceSublayer）协议可以支持LLC标准，建立、维护和拆除设备间的无线链路，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理以及广播信息管理；而LLC子层的功能则是保障传输可靠性、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。网络层的功能有拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。应用汇聚层是把不同的应用映射到ZigBee的网络层上，包括安全与鉴权、多业务数据流的汇聚、设备发现与业务发现。应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层。11．答案提示：IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议的标准，而ZigBee规范建立在IEEE802.15.4标准之上，在此基础上扩展了网络层（NetworkLayer，NWK）和应用层框架，其中包括应用支持子层（ApplicationSupportSub-layer，APS）、ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）以及设备商自定义的应用组件。12．答案提示：Z-WAVE的特点有低成本、低功耗、高可靠性、全网覆盖、管理便捷、用途广泛等。Z-WAVE是双向传输的无线通信技术，运用此技术可以实现在遥控器上显示操作信息与状态信息，而传统的单向红外线遥控器就难以实现此种设计。同时Z-WAVE网络是一种以点对点为主的通信网络，它不会由于一个节点的故障而影响到其他节点的工作。另外该技术不像其他的射频技术一样，使用公共频带进行传输，而是采用双向应答式的传输机制、压缩数据包格式、随机式的逆演算法减少失真和干扰。13．参考答案：与该领域的其他技术相比，EnOcean技术的特点是无需电池。比方说，50～60层的高层大厦的管理系统有时会使用4000-6000个传感器单元。如果各传感器单元使用以电池为驱动的技术，电池的更换和管理将成为巨大的负担，令大厦管理公司无所适从。Zigbee等技术的弱点是以电池驱动装置，而EnOcean技术能够保证在照明关闭5天的情况下仍然可以工作。EnOcean技术是作为非常简单的标准设计的，无线信号所需的电力是ZigBee的1/30～1/100。14．答案提示：在保证网络的覆盖度和连通性的前提下，设置或调整节点的发射功率，并按照一定的原则选择合适的节点作为骨干节点参与网络中数据的处理和传输，达到优化网络拓扑结构的目的是拓扑控制研究的主要问题。15．答案提示：功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络连通，均衡节点的直接邻居数目的同时，降低节点之间的通信干扰。层次拓扑控制是利用分簇思想，依据一定的原则使网络中的部分节点处于激活状态，称为簇头节点，由这些簇头节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据；其他节点均处于非激活状态，关闭其通信模块以降低能量消耗，并且定期或不定期地重新选择簇头节点以均衡网络中节点的的能量消耗。16．答案提示：时间同步消息从发送节点到接收节点之间的关键路径上的传输延迟可以分为四个部分：发送时间，发送节点用来构造时间同步信息所用的时间；访问时间，发送节点等待占用传输信道的时间；传播时间，时间同步消息在离开发送节点那一刻起，从发送节点传输到接收节点所需要的时间；接收时间，接收节点的网络接口从新到接收消息和通知主机消息到达事件所需要的时间。其中，访问时间和传播时间变化相对较大，对时间同步的影响也最大。17．答案提示：数据融合是指将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。数据融合的作用主要体现在以下几个方面：节省能量，数据融合对冗余数据进行网内处理，即中间节点转发传感器数据前，先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将需要传输的数据量最小化；获得更准确的信息，通过对监测同一对象的多个传感器所采集的数据进行综合，来有效地提高所获得信息的精度和可信度；提高数据收集效率，数据融合减少了需要传输的数据量，可以减轻网络的传输拥塞，降低数据的传输延迟；即使有效数据量并未减少，但通过对多个数据分组进行合并减少了数据分组个数，可以减少传输中的冲突碰撞现象，也能提高无线信道的利用率。18．答案提示：无线传感器网络的操作系统是运行在每个传感器节点上的基础核心软件，它能够有效地管理硬件资源和任务的执行，并且使应用程序的开发更为方便，它必须对监测环境中发生的事件快速实时地进行响应，并迅速执行相关的处理任务；必须有效地管理能量资源、计算资源、存储资源、通信资源，并且高效地管理多个并发任务的执行，从而使应用程序能够快速地切换并执行频繁发生的多个并发任务；必须能够使多个节点高效地协作完成监测任务；应该提供方便编程方法；必须通过可靠传输技术对大量的节点发布代码，而且能够对大量的节点进行在线动态重新编程。第8章互联网习题答案1.参考答案：目前所采用的是TCP/IP协议模型，可分为四层，分别为网络接入层、网络互联层、传输层和应用层。各层协议遵循因特网工程工作组（IETF）制定的标准。2.参考答案：IPv6协议并不是作为IPv4协议的简单演进，IPv6的主要特点体现在具有新的协议报头格式、改进的扩展报头、巨大的地址空间、全新的地址管理方案、有效分级的寻址和路由结构、内置的安全特性、对移动性的支持以及对Qos的改进。IPv6协议报头在IPv4的基础上进行了简化，最大程度地减少开销，节省了网络带宽，将非根本或选择性的字段移动到了IPv6的扩展报头，使得基本报头为40个字节，在中间路由器处理时速度更快，效率更高。同时报头中的流标号字段区分不同业务的优先级，使路由器通过流标号可以对属于一个流的数据进行识别和提供特殊处理，因而对Qos提供更好的支持。3.参考答案：ICMPv6报文的控制类型主要划分为两种：差错报文与信息报文。差错报文主要用于报告IPv6分组在传输过程中出现的错误，常用的类型有：目的不可达、分组过大、超时与参数问题。信息报文主要用于提供网络诊断功能与附加的主机功能，主要类型有组播监听发现和邻节点发现两种。4.参考答案：三次握手中通信双方主要完成两个工作。一是使每一方都确认对方的存在，通知对方准备就绪。二是要确认双方的初始传输序号，以进行同步，同步序号需要在握手过程中被发送与确认。5.参考要点：DNS用于域名解析，从网址得到IP地址。ONS用于EPC系统的对象名解析，从电子标签的EPC编码得到存放物品信息的网址。6.答案要点：不一样。互联网的传输层解决的是端到端的通信问题，应用层为应用程序提供支持。物联网的传输层包括整个互联网各个层次，应用层相当于应用程序，只不过更关注应用系统。7.参考答案：不重传。路由器发现IP数据报出错后，就直接丢弃，发送方的IP协议实体实际上根本就不知道IP数据报已经出错了，这也是IP协议不可靠、无连接、尽力而为服务的特征。差错问题是由TCP或应用程序解决的。8.答案要点：FTP协议使用TCP传输文件，但由于TCP的效率远不如UDP，目前很多下载软件用的是UDP，文件的可靠性由下载软件自己来解决，一般采用MD5方法对文件的完整性进行校验。鉴于目前很多应用关乎多媒体，UDP大有取代TCP的趋势。9.答案提示：发包速率是每秒发送的数据包个数。传输速率是每秒传输的比特数。在一条链路上，传输速率是固定的，而发包速率则是随机过程。TCP根据重传计时器超时、收到重复确认等判断网络发生了拥塞。10.答案提示：都是基于802.15.4的两种WSN组网技术。11.答案提示：移动IP技术既可以用于移动互联网，也可以用于固定互联网。在移动IP中，为移动节点定义了两种地址，分别为家乡地址和转交地址。当移动主机在互联网上移动时，家乡网络为每个移动节点均分配一个长期有效的IP地址，并在通信过程中保持不变。转交地址是移动主机接入到一个外地网络时，被分配的一个临时的IP地址，在主机移动到不同网络中时可以发生改变。12.答案提示：HTTP对应于WAP的会话层和事务层。WAP协议栈可看作是一种轻量级的TCP/IP协议栈，是为处理能力低下的手机而定制的。随着手机性能和无线链路带宽的提高，目前手机已经可以运行TCP/IP协议，而WAP2.0仅仅是在TCP/IP协议栈上加了一些移动特性而已，完全可以被WJMS（无线Java信息服务）等所取代。13．答案提示：登录网站后服务器会通过SetCookie设置用户的Cookie数据，例如设置一个用户标识符，保存在用户本地。后续用户每次与网站进行数据交互时都会发送Cookie信息，包括添加购物车等操作。网站服务器接收到添加的商品信息，可以将其根据附带Cookie中的用户标识符储存在数据库中。用户在查看购物车时，服务器将会查询用户标识对应的购物车商品信息返回给用户。由于Cookie储存在本地，可能会被黑客篡改利用，具有安全隐患；每次数据交互都附带全部Cookie信息，造成了额外的网络开销；Cookie数量和长度都受限制，可扩展性差。14．答案提示：线头阻塞，一个TCP连接被阻塞后续数据传输都无法进行，HTTP/2引入了多路复用技术提升了性能；数据冗余，消息首部重复发送相同信息，HTTP/2引入了首部压缩技术减少资源浪费；难以进行服务器推送，只能由客户端首先发起请求服务器才能响应，HTTP/2引入了服务器推技术；解析复杂，文本协议具有很好的可读性，但是也降低了计算机的解析效率，HTTP/2采用二进制方式交互数据更易于处理等。15．参考答案：内容分享模式：实现连接难度低，协议轻量，硬件要求低，易于普及，但对于媒体文件格式支持困难，可拓展性差；屏幕分享模式：完全同步屏幕可以实现功能最强的实时交互性，但技术难度也大大提升，对硬件设备要求高；远程控制模式：实现简单，但功能受限，不能很好地实现多媒体互动的各项需求。16．参考答案：Web2.0的核心是用户参与。互联网的内容不再是少数人制定，而是每个用户都可以成为内容的生产者，颠覆了原有的互联网模式。17．答案提示：网约车、移动支付、在线教育、在线医疗、新媒体等。第9章物联网的接入和承载习题答案1.参考答案：WSN网关主要实现了无线传感器网络与外部网络的通信互联。网关具体分为两个模块，即网关与汇聚节点通信模块和网关与外部网络通信模块。网关与汇聚节点间的通信主要是读取汇聚节点数据，网关与外部网络通信主要是指将WSN网关转换完成后的数据进行转发的过程。2.参考答案：CAN与以太网的数据交换的原理是对接收的数据进行协议转换。如果发送TCP数据，微控制器取出真正的数据后，需要对其进行存储，然后对数据进行相应分析，并按照CAN网络的发送模式进行发送。反过来微控制器将收到的CAN数据存入另一数据缓存区，去掉不必要的字段后按照TCP/IP协议进行封装发送。3.参考答案：UWB协议的分层模型从下到上分为物理层、MAC层、协议适配层和多媒体协议层。4.参考答案：蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线通信技术。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙协议栈中常用的协议有射频RF、基带层BB、链路管理层LM、逻辑链路控制和适配协议L2CAP、服务发现协议SDP、串口仿真协议RFCOMM和电话通信协议TCS。5.答案提示：Wi-Fi无线局域网的组网方式有两种，一种是无需任何网络设备的分布式的Adhoc网络（自组网络），另一种是中心制的接入点（AccessPoint，AP）网络。6.参考答案：NFC与红外、蓝牙、ZigBee、Wi-Fi和UWB等几种近距离无线通信技术的性能比较参见附表8-1。附表8-1ZigBee、蓝牙、UWB、Wi-Fi和NFC的性能比较zigbeebluetoothUWBWi-FiNFC价格芯片组约4美元芯片组约5美元芯片组约20美元芯片组约25美元芯片组约2.4~4美元安全性中等高高低极高传输速度10Kbit/s~250Kbit/s1Mbit/s53.3~480Mbit/s54Mbit/s424Kbit/s通信距离10m~75m0~10m0~10m0~100m0~10cm频段2.4GHz866MHz(欧洲)915MHz（美国）2.4GHz3.1GHz~10.6GHz2.4GHz13.56MHz7.参考答案：在有线接入技术中，以太网是典型的组网和接入二者兼具的技术，xDSL、HFC、FTTx是典型的接入技术，不用于端到端的组网，只用于接入网本身的组网。在无线接入技术中，通常组网和接入二者兼具，趋势是逐渐向IP接入技术靠拢，原来的计算机组网技术也逐渐用于无线传感器网络的组网。IEEE制定的无线局域网标准（IEEE802.11）和无线个域网标准（IEEE802.15.1蓝牙、IEEE802.15.3a超宽带UWB）更侧重于组网。无线城域网标准WiMAX（IEEE802.16）、MBWA（IEEE802.20）更侧重于接入。3G～5G移动通信网由无线接入网和核心网两部分组成，无线通信部分的作用一目了然，可以说，移动通信网的发展趋势是更多地作为IP接入技术，而非承载网络。超低功耗场景中，蜂窝移动通信、Wi-Fi等技术发射功率相对较高，并不适用，常用的是蓝牙4.0规范中的BLE（蓝牙低功耗）技术，采用了许多智能手段最大限度地降低运行功耗，例如最大化待机时间、快速连接、低功耗发射/接收技术等。8.参考答案：移动台（MS）、网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）和操作子系统（OSS）四部分。其中，NSS包含的功能实体有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），BSS包含的功能实体有基站收发信台（BTS）和基站控制器（BSC）。在GSM系统中，由若干个小区构成一个区群，区群内不能使用相同的频道，同频道距离保持相等，每个小区含有多个载频，每个载频上含有8个时隙，即每个载频有8个物理信道，因此，GSM系统是时分多址的接入方式。GPRS是在GSM网络的基础上构建的分组交换网络，并且采用IP协议，可以直接与互联网连接。9.参考答案：3G标准包括：WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000和WiMAX（IEEE802.16e）。中国提出的标准是TD-SCDMA。实际部署3G网络时，中国移动的3G网络采用TD-SCDMA，中国联通采用W-CDMA，中国电信采用CDMA2000。10.答案提示：应具有更高的传输速率和容量、更好的业务质量（QoS）、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量和更高的灵活性；应能支持非对称性业务，并支持多种业务；应当是全IP网络，应体现出移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势。11．答案提示：NGN包含了4G，只是目前工作组研究的重点不同。4G关注的是空中接口，NGN关注的是核心网络和业务提供。12．答案提示：单片机中常说的串口，一般指UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter，通用异步收发器）接口。除此之外还有SPI（SerialPeripheralInterface，串行外设接口）、IIC（Inter-IntegratedCircuit，集成电路总线）、并行通信等通信方式，适用于不同的应用场合。第10章物联网的数据处理习题答案1．答案提示：数据中心由支撑系统、计算设备和业务信息系统这三个逻辑部分组成。支撑系统主要包括建筑、电力设备、环境调节设备、照明设备和监控设备，是保证上层计算设备正常、安全运转的必要条件。计算设备主要包括服务器、存储设备、网络设备、通信设备等，计算设备支撑着上层的业务信息系统。业务信息系统是为企业或公众提供特定信息服务的软件系统，信息服务的质量依赖于底层支撑系统和计算机设备的服务能力。2．答案提示：美国标准TIA-942《数据中心的通信基础设施标准》主要是根据数据中心基础设施的“可用性（Availability）”、“稳定性（Stability）”和“安全性（Security）”将数据中心分为四个等级：TierⅠ、TierⅡ、TierⅢ和TierⅣ。3．答案提示：数据中心是物联网应用的基础平台，数据中心能够对物联网应用中产生的海量数据进行计算、存储等。例如很多智能楼宇都要有专门的企业级数据中心作为配套工程，同时数据在物联网上的流通还要依托互联网数据中心来处理。4.答案提示：网状数据库、层次数据库和关系数据库三类。5.答案提示：关系模型由关系数据结构、关系操作集合、关系完整性约束三部分组成。6．答案提示：数据挖掘过程中的数据处理阶段主要完成数据准备、数据选取、数据预处理和数据变换。数据挖掘主要的挖掘算法有统计分析方法、决策树法、人工神经网络法、遗传算法、粗糙集法和联机分析处理技术等。物联网中的数据挖掘应具备如下特点：能处理异构数据、能进行分布式挖掘。7．参考答案：大数据主要特点为数据体量巨大；数据类型繁多；价值密度低，总体价值高；对数据的高速处理要求高。大数据“4V”特性为Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（价值）。沃尔玛超市在对消费者购物行为分析时发现，男性顾客在购买婴儿尿片时，常常会顺便搭配几瓶啤酒，于是将啤酒和尿布摆在一起，大大提升了销量。Google公司通过分析2009年5000万条美国人最频繁检索的词汇，将之和美国疾病中心在2003年到2008年间季节性流感传播时期的数据进行比较，成功预测了2009冬季流感的传播。8．参考答案：物联网催生了大数据，大数据丰富了物联网应用。数据量更大；数据速率更高；数据更加多样化；物联网对数据真实性的要求更高。9．答案提示：在抓取网页的时候，网络蜘蛛一般有两种策略：广度优先和深度优先。广度优先是指网络蜘蛛会先抓取起始网页中链接的所有网页，然后再选择其中的一个链接网页，继续抓取在此网页中链接的所有网页。这是最常用的方式，因为这个方法可以让网络蜘蛛并行处理，提高其抓取速度。深度优先是指网络蜘蛛会从起始页开始，一个链接一个链接地跟踪下去，处理完这条线路之后再转入下一个起始页，继续跟踪链接。这个方法有个优点是网络蜘蛛在设计的时候比较容易。10．答案提示：覆盖面太小；检索功能不完善；检索效果不理想等。11．答案提示：面向物联网搜索的四个基本要素是：物理世界实体；与实体相连感知其状态的传感器；用户提出的对实体状态或指定状态实体的查询；接收查询、处理并返回查询状态或与查询相符实体的搜索引擎。实现过程：依附于各实体的传感器对其状态进行实时感知、信息收集，当用户向搜索引擎发出查询要求后，搜索引擎与传感器交互，处理收集到的信息，并将结果返回用户。12．答案提示：网络存储技术的类型根据存储介质不同可分为磁带存储技术、磁盘存储技术和光盘存储技术，根据存储体系结构不同可分为以服务器为中心的直连附加存储技术、以存储网络为中心的网络附加存储技术、以网络为中心的存储区域网络、IP存储技术、基于对象的存储技术、存储集群系统、网格存储技术、虚拟存储技术等，根据存储接口技术不同可分为光纤通道FC（FiberChannel）技术、分布式网络存储、iSCSI和Infiniband技术等。13．答案提示