无线传感器网络复习题目.doc

1、 无线传感器的特点P6P10答：传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），节点分布密集；由于环境影响和能量耗尽，节点容易出现故障，环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器的节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都十分有限。大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。动态性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。可靠性WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，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。应用相关的网络以数据为中心由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。2、 无线传感器节点结构P5答：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。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据交换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。（耗电情况：传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。）3、 星型网和网状网的定义及优缺点答：星型网是指网络中的各节点设备通过一个网络集中设备连接在一起，各节点成星状分布的网络连接方式。优点：星型拓扑结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。同时星型拓扑结构的网络延迟时间较小，传输误差较低。缺点：中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。管理信息集中汇总到管理节点上，信息流拥挤。网状网是一种新型的无线网络架构，它的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号。类型优缺点优点缺点星型网（集中式）易实现、易诊断、易隔离单点失效、负载过重、安装维护成本高网状网（分布式）易管理、易部署潜在的安全问题4、 隐蔽站、暴露站问题（原因及解决方案）P61P64答：隐蔽站问题是指无线节点没能检测出信道上已经存在的信号而导致冲突发生。（假设节点A向B发送数据，由于节点C接收不到A发送的信号因为距离较远，C就错误地认为网络中没有数据在传送。如果C也向B发送数据，那么，A和C同时发送给B的数据就会在B处发生冲突。）暴露站问题是指在无线局域网中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个工作站进行通信。（假设C要向D发送数据，此时，B正向A发送数据，C检测到信道上存在信号B向A发送的信号，认为信道忙，于是放弃向D的发送。其实，B向A发送数据并不影响C与D的通信。）解决方案：解决此两种问题可以用信道预约。原理为：预留机制要求源节点和目标节点在发送数据前交换简短的控制帧，即发送请求帧RTS和允许发送帧CTS。如节点A先向B发送一个RTS，节点B返回一个CTS进行应答。两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，其他帧的MAC头也会捎带这一信息。节点C、D在侦听到这个信息后，不再发送数据，直到数据交换完成为止。每个站点维护一个定时器，记录网络分配向量NAV，指示信道被占用的剩余时间。一旦收到RTS帧或CTS帧，所有节点必须更新它们的NAV值。只有NAV减至0，节点才可能发送信息。5、 路由问题（DD）P32P36答：定向扩散（directed diffusion，DD）是一种基于查询的路由机制。汇聚节点通过兴趣消息（interest）发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣消息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣消息原来表示查询的任务，表达网络用户对监测区域内感兴趣的信息，例如监测区域内的温度、湿度和光照等环境信息。在兴趣消息的传播过程中，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度（gradient）。传感器节点将采集到的数据沿着梯度方向传送到汇聚节点。定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散（汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息）、梯度建立数据传播（当传感器节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率设定传感器模块采集数据的速率）以及路径加强（定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化修改数据转发的梯度关系）三个阶段。6、 ZigBee协议（网络类型和节点类型P111）P110答：根据应用需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络。星型网络中有一个中心节点，所有信息都经它传输。簇树型网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行再下传。7、 定位（三边测量、DV-Hop）距离向量-跳段DV-Hop（distance vector-hop）定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制。在距离向量定位机制中，未知节点首先计算与信标节点的最小跳数，然后估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。如图所示：经过第一阶段和第二节点，能够计算出信标节点L1,L2,L3之间的实际距离和跳数。那么信标节点L2结算的每跳平均距离为（40+75）/(2+5)。假设A从L2获得每跳平均距离，则节点A与三个信标节点之间的距离分别为L1:3*16.42，L2:2*16.42，L3:3*16.42，最后利用三边测量发计算出节点A的坐标。8、 时间同步（NTP原理）P159160答：NTP工作原理：NTP的基本工作原理如图1-1所示。DeviceA和DeviceB通过网络相连，他们都有自己独立的系统时钟，需要通过NTP实现各自系统时钟的自动同步。为便于理解，作如下假设：在DeviceA和DeviceB的系统时钟同步之前，Device A的时钟设定为10:00:00am，Device B的时钟设定为11:00:00am。设备B作为NTP时间服务器，即设备A将使自己的时钟与设备B的时钟同步。NTP报文在设备A和设备B之间单向传输所需要的时间是1秒图1-1NTP原理图系统时钟同步过程如下：设备A发送一个NTP报文给设备B，该报文带有它离开设备A时的时间戳，该时间戳为10:00:00am(T1)。当此NTP报文到达设备B时，设备B加上自己的时间戳，该时间戳为11:00:01am(T2)。l当此NTP报文离开设备B时，设备B再加上自己的时间戳，改时间戳为11:00:02（T3）