【简明答案】无线传感器网络复习提纲(2015)

无线传感器网络复习提纲配套教材物联网与无线传感器网络电子工业出版社1. 无线传感器网络（WSN）概念。答：P2WSN是一种特殊的无线通信网络，它是由许多个传感器节点通过无线自组织的方式构成的，应用在一些人们力不能及的领域。2. WSN与无线自组织网络（Ad hoc）的共有特征。答：P3WSN与Ad hoc一样，具有以下特征：（1） 自组织（2） 分布式（3） 节点平等（4） 安全性差3. WSN特有的特征。答：P4（1） 计算能力不高（2） 能量供应不可替代（3） 节点变化性强（4） 大规模4. WSN在各领域的应用。答：P5环境的预测和保护；医疗护理；军事领域；智能家居5. 传感器节点通常具备的功能。答：P7l 动态配置，以支持多种网络功能；l 节点可以动态配置成网关、普通节点等；l 远程可编程，以便增加新的功能，如支持新的信号处理算法；l 定位功能，以便确定自己的绝对或者相对位置，如利用全球定位系统；l 支持低功耗的网络传输；l 支持长距离通信，以便数据传输，如网关之间的通信。6. WSN的层次结构以及各层的功能。答：P8-P10WSN分为5层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层1） 物理层：传输介质、传输通路、信道、低功率2） 数据链路层：数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制，数据链路层保证了传感器网络内点到点和点到多点的链接。3） 网络层：能耗、以数据为中心4） 传输层：在多种类型数据传输任务的前提下保障各种数据的端到端的传输质量5） 应用层：应用层的传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。7. WSN的各管理平台。答：P10-P111） 能量管理平台2） 移动管理平台3） 任务管理平台8. WSN面临的挑战。答：P12-P131） 低能耗2） 实时性3） 低成本4） 安全和抗干扰5） 协作9. WSN中MAC协议的分类（按不同方式划分）答：P301） 按节点接入方式划分：发送节点发送数据到目的节点，目的节点接收到数据包的通知方式通常可分为侦听、唤醒和调度三种MAC协议。2） 按信道占用数划分：单信道、双信道和多信道。3） 按分配信道方式划分：竞争性、分配型、混合型和跨层。10. WSN中MAC协议一般都要解决哪些问题。答：P311） 网络性能的优化2） 跨层优化11. WSN数据链路层有哪些关键问题。答：P321） 能量效率问题2） 可扩展性3） 公平性4） 信道共享问题12. CSMA/CA算法的原理，与CSMA/CD算法的区别。答：P104：CSMA/CA载波侦听多路访问/冲突避免（1）首先检测信道是否有使用，如果检测出信道空闲，则等待一段随机时间后，才送出数据。（2）接收端如果正确收到此帧，则经过一段时间间隔后，向发送端发送确认帧ACK。（3）发送端收到ACK帧，确定数据正确传输，在经历一段时间间隔后，会出现一段空闲时间。CSMA/CD载波侦听多路访问/冲突检测（1）传输前监听（2）如果忙则等待（3）如果空闲则传输并检测冲突（4）如果冲突发生，重传前等待（5）重传或夭折区别：CSMA/CD：带有冲突检测的载波监听多路访问，可以检测冲突，但无法“避免”CSMA/CA：带有冲突避免的载波监听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”；1.两者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线式以太网,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等；2.检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；3.WLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉；4.本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突。综上，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的。CSMA/CA与CSMA/CD的区别（1）载波检测方式：因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。（2）信道利用率比较CSMA/CA协议信道利用率低于CSMA/CD协议信道利用率。但是由于无线传输的特性，在无线局域网不能采用有线局域网的CSMA/CD协议。信道利用率受传输距离和空旷程度的影响，当距离远或者有障碍物影响时会存在隐藏终端问题，降低信道利用率。具体最高的信道利用率与传输速率有关。在IEEE802.11b无线局域网中，在1Mb/s速率时最高信道利用率可到90%，而在11Mb/s时最高信道利用率只有65%左右。13. WSN路由协议的分类。答：P63：1） 基于数据的路由协议2） 基于集群结构的路由协议3） 基于地理位置的路由协议14. WSN网络层的关键问题。答：P62：1） 节能2） 高扩展性3） 容错性4） 数据融合技术5） 通信量分布不均匀15. LEACH路由协议的工作原理。答：P68：采用随机选择簇首的方式来避免簇首过度消耗能量；通过数据聚合有效地减少网络的通信量。协议随机挑选一些节点作为簇首节点，这些簇首节点负责收集并融合周围节点的数据，然后发送给Sink节点。1） 建立阶段2） 就绪阶段16. WSN中传输层为何不能直接使用传统的TCP协议。答：P79：1） TCP协议提供的是端到端的可靠传输，也就是说，只提供从原节点到目的节点的数据交换，中间节点只能作为转发节点，没有数据处理能力。而WSN中存在大量的冗余信息，要求节点能够对接收到的数据包进行简单的处理（如融合、计算）后再转发。从而提高网络的性能，这种机制在TCP协议中会被当作丢包来处理，从而源节点会再次重发该数据包，造成能量浪费和拥塞。2） TCP协议采用的三次握手机制，时间太长，过程也相当复杂。对于无线传感器网络来说，保证它的实时性是非常重要的，而且WSN中节点的动态性强，TCP没有相对应的处理机制。3） TCP协议的可靠性要求很高，要求所有的数据包都被传送到目的节点，否则就会发生重传，可靠性保证采用的是基于数据包的传输方式；而WSN中由于节点总舵，数据包中包含了太多的冗余信息，进行简单处理后可能会减少数据包的数量，采用的是基于时间的可靠性，只要求目的节点接收到源节点发送的事件，可以有一定的数据包丢失或者删除。4） 在网络中，反馈是非常重要的。在TCP系诶严重，采用的ACK反馈机制，目的节点接收到数据包后，反馈一个ACK数据包来通知源节点已经成功收到数据包，在这个过程中需要经历所有的中间节点，时延非常高且能量消耗也特别大；而WSN中对时延的要求比较高，能量也非常有限。5） 对于拥塞控制的WSN协议来说，有时非拥塞丢包是比较正常的，但是在TCP协议中，非拥塞的丢包会引起源端进入拥塞控制阶段，从而降低网络的性能。6） 在TCP协议中，每个节点都被要求有一个独一无二的IP地址，而在大规模的无线传感器网络中基本上不可能实现的，也是没有必要的。无线传感器网络节点只需要处理好它与邻居节点之间的通信即可，也省去了要传输长地址的麻烦，节省能量。17. WSN中传输层的关键问题。答：P82：1） 拥塞控制2） 丢包恢复3） 优先级策略18. Zigbee协议的网络层定义了那三种设备。答：P107：ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备19. Zigbee协议遵循了IEEE的那种协议规范，在这个规范的基础上扩充了那几层。答：P107：IEEE 802.15.4，扩展了网络层和应用层。20. 无线局域网遵循了IEEE的哪种协议规范，该规范支持哪两种拓扑结构的网络。答：P110：IEEE802.11；独立基本服务集（IBSS）网络和扩展服务集（ESS）网络。21. 蓝牙协议的优势。答：P114：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，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。22. 什么是时间同步技术。答：P122：时间同步，简单来说，就是使网络中所有节点的本地时间保持一致。23. 时间同步技术的关键问题。答：P125：1） 传输延迟不可预测2） 高能效3） 可扩展、健壮24. 几个概念：信标节点、未知节点、邻居节点、跳数、跳距、节点连接度、网络连接度。答：P141:l 信标节点：已知自身位置信息的节点，可通过GPS定位设备或手工配置、确定部署等方式预先获取位置信息，为其他节点提供参考坐标。l 未知节点：信标节点以外的节点统称为未知节点。l 邻居节点：一个节点通信距离范围内的所有节点的集合。l 跳数：两个节点之间跳段的总数。l 跳距：两个节点之间跳段的总距离之和。l 节点连接度：节点可以预测发现到的邻居节点个数。l 网络连接度：所有节点的邻居个数取平均值，可反映传感器配置的密集程度。25. WSN中节点定位的关键问题。答：P143：1） 定位区域与精确度2） 实时性3） 能耗26. 定位技术的分类。答：P144：基于测距的定位技术：三边定位技术；角度定位基于非测距的定位技术：质心定位算法；APIT定位算法；DV-Hop算法；凸规划定位算法27. 三边定位技术的原理。答：P144三边测量法如图，已知A、B、C三个节点的坐标分别为。测得他们到未知节点D的距离分别为。假设节点D的坐标为。以A、B、C三点为圆心，为半径作圆，三圆的焦点即为节点D的坐标。那么我们可以列出以下公式： 将第一个方程和第二个方程同时减去第三个方程，得到结果将其写成线性方程的形式，AX=B，其中由此我们可以得出节点D的坐标为28. WSN容错的概念。答：P163：1） 失效：某个设备停止工作，不能够完成所要求的功能。2） 故障：某个设备能够工作，但是并不能按照系统的要求工作，得不到应有的功能，它与失效的主要区别就是设备还在工作，但是不正常。3） 差错：设备出现了不正常的操作步骤或结果。29. WSN服务质量标准包括哪些参数。答：P174：1） 可用性：指综合考虑网络设备的可靠性与网络生存性等网络失效因素，当用户需要时即能开始工作的时间百分比。2） 吞吐量：又称为带宽，是在一定时间段内对网络流量的度量。一般来说，吞吐量越大越好。3） 时延：指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。许多实时应用，如语音和视频等服务对时延的要求很高。产生时延的因素很多，如分组时延、排队时延、交换时延等。4） 时延变化：指同一业务流中所呈现的时延不同。高频率的时延变化称为抖动，而低频率的时延变化称为飘逸。抖动主要是由于业务流中相继分组多的排队等候时间不同引起的，是对服务质量影响最大的一个问题。5） 丢包率：指网络在传输过程中数据包丢失的比率。造成数据包丢失的主要原因有网络链路质量较差、网络发生拥塞等。30. 网络管理一般需要做哪四方面工作。答：P195：OAM&P1） 运行：网络的运行管理主要是针对向用户提供的服务而进行的，是面向网络整体进行管理，如用户使用的流量管理、对用户使用的计费等。2） 控制：网络的控制管理主要是针对向用户提供有效的服务和为了满足提供服务的质量要求而进行的管理活动，如对整个网络的路由管理和网络流量的管理。3） 维护：网络的维护主要是为了保障网络及其设备的正常、可靠、连续运行而进行的一系列网络管理活动，这些活动包括故障的检测、定位和恢复，对设备单元的测试等，网络的维护又分为预防性维护和修正性维护。4） 提供：网络上的提供功能主要是针对电信资源的服务装备而进行的一些列的网络管理活动，如软件的安装、管理参数配置等活动，为实现某些服务而提供某些资源和给用户提供某些服务等都是属于这个范畴。31. 对WSN进行管理时遵循的原则。答：P202：1） 高效的通信机制2） 轻量型的结构3） 智能自组织的机制4） 安全、稳定的环境32. 常用的WSN仿真软件有哪些。答：P214（情人节）：OPNETNS2TOSSIM33. WSN节点硬件一般包括哪四个模块。答：P223：传感器模块：负责检测区域内信息的采集和数据转换；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：杜泽与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。能量供应模块：为传感器节点提供运行所需的能量。34. WSN节点硬件设计的原则。答：P224：1） 微型化2） 低功耗3） 扩