无线传感网络大作业

1、研究生研究型课程考试答卷课程名称： 无线传感器网络技术 考试形式：专题研究报告 论文 大作业 综合考试学生姓名： 学号： 序 号分 项 类 别得 分序 号分 项 类 别得 分序 号分 项 类 别得 分1题目一11题目十一21题目二十一2题目二12题目十二22题目二十二3题目三13题目十三23题目二十三4题目四14题目十四24题目二十四5题目五15题目十五25题目二十五6题目六16题目十六26题目二十六7题目七17题目十七27题目二十七8题目八18题目十八28题目二十八9题目九19题目十九29题目二十九10题目十20题目二十总分 评阅人： 时间： 1.分析WSN和Ad hoc网络特征的相同之处和

2、不同点。答：相同点：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，二者都是自组织网络，网络自动配置，动态拓扑结构，需要考虑网络的安全性。二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计。不同点：Ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，Ad hoc 网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动

3、终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。 Ad hoc网络拓扑结构动态变化，而WSN网络拓扑结构是静态的。 2.WSN和传统无线宽带网络在设计中，各自的首要设计目标是什么？答：WSN的首要设计目标是能源的高效利用。通常传感器节点都由能量有限的电池提供能量,且在实际应用中由于传感器节点数量多,分布广,部署环境复杂,因而在大多数部署环境中通过更换电池或充电的方式来补充能量是不可行的。能量有限是WSN发展的一个瓶颈。因此,如何合理有效地使用现有能量最大化WSN的生命周期便成

4、了首要的设计目标。其中生命周期是指从网络开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽所经历的时间。无线宽带网络的首要设计目标传统宽带无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源。3.无线传感器网络的特点？ 答：无线传感器网络有以下一些特点：（1）计算和存储能力有限。传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要利用有限的计算和存储资源完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。（2）动态性强。传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变

5、，环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；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个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。（3）网络规模大、密度高。为了获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的监测区域内，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。大规模网络通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；通过大量冗余节点的协同工作，使得系统具有很强的容错性并且增大了覆盖的监测区域，减少盲区。（4）可靠性。传感器网

6、络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采取随机部署，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。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。（5）应用相关。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然

7、会有很大差别。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。（6）以数据为中心。在传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点检测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。4.802.1

8、5.4协议的特点，包括主要的针对的应用场合、解决传输误码的方法，说明和ZIGBEE、6LoWPAN的层次关系。答：802.15.4协议的特点：（1）802.15.4是一个低数据率的WPAN(LR-AN)标准，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输。（2）IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(DSSS)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。（3）IEEE802.15.4支持多种网络拓扑结构。最简单的一种是星型网，只有一个网

9、络协调器，连接多个从设备。为了降低系统成本，IEEE802.15.4定义了两种物理设备完整功能设备(FFD)和部分功能设备(RFD)。FFD支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其他设备对话;RFD仅支持星型结构，不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但是实现非常简单。在星型网中只有网络协调器是FFD，其他均为RFD。另一种网络结构是对等网络，它的覆盖范围很大，有成千上万个节点。网络中的每一个FFD也可作为路由器，通过路由协议来优化最短和最可靠的路径，同时路由协议还可根据情况动态变化。802.15.4协议的应用场合：IEEE802.15.4特别适合应用于嵌入式系统、微处理器等领域

10、，希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网的场合。802.15.4协议解决误码的方法：在802.15.4标准中提到了两种机制解决误码问题。一种机制是使用短帧格式(小于128B)以减少单个帧出错的概率；另外一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的数据是否出错。MAC帧的校验码长16位，使用ITU标准的16位校验生成算法生成。802.15.4协议和ZigBee、6LoWPAN层次关系：IEEE802.15.4标准具有可扩展性，只规定了底层:为单一的媒体访问控制(MAC)层和多样的物理层，至于MAC层以上的协议，可以采用不同的方案。由此就产生了多种不同的技术，ZigBee和6LoWPAN就是其中

11、的两个。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。网络层将采用基于AdHo。技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE802.15.4标准同样省电。6LoWPAN技术也采用的是IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6LoWPAN技术使用IETF规定的IPv6功能，采用IPv6协议栈。5.了解ISM波段含义，说明802.15.4协议所占ISM无线

12、波段，以及各个波段的信道数。答：ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段。ISM频段属于无许可（Free License）频段，使用者无需许可证，没有所谓使用授权的限制。ISM频段允许任何人随意地传输数据，但是对所有的功率进行限制，使得发射与接收之间只能是很短的距离，因而不同使用者之间不会相互干扰。 在美国，ISM频段是由美国联邦通信委员会（FCC）定义出来的，其他大多数政府也都已经留出了ISM频段，用于非授权用途。目前，许多国家的无线电设备（尤其是家用设备）都使用了ISM频段，如车库门控制器、无绳电话

13、、无线鼠标、蓝牙耳机以及无线局域网等。802.15.4协议所占ISM无线频段为902928MHz，2.42.4835GHz，5.7255.850GHz。在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道。6.传感器节点的主要组成以及WSN中传感器节点的特点和限制条件答：传感器节点的主要组成：控制器、通信装置、传感器/驱动器、存储器、能量供应 。传感器节点的特点：传感节点体积小、成本低、传感节点数量大、具有自适应能力。传感器节点的限制条件：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限 。7.路由协议的作用

14、和功能？WSN路由协议独特特征？答：路由协议的作用是将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。路由协议主要有两个功能：（1）寻找源节点和目的节点间的优化路径；（2）将数据分组沿着优化路径正确转发。WSN路由协议独特特征：（1）能量优先。传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。由于无线传感器网络的节点能量有限，延长整个网络的生存周期是传感器网络路由协议设计的重要目标，因而需要考虑节点的能量能量消耗和网络能量均衡使用的问题；（2）基于局部拓扑信息。传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信方式，而结点有限的存储资源和计算资源，使得结点不能存储大量的路由信息。在结点只能获取局部

15、拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单、高效的路由机制，是传感器网络运行的一个基本问题；（3）以数据为中心。传统的路由协议通常以地址作为结点的标识和路由的依据，而传感器网络的结点是随机部署的，人们所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个结点获取的信息，网络运行不依赖于全网唯一的标识。传感器网络通常包含多个传感器结点到少数汇聚结点的数据流，它是以数据为中心形成探测信息的转发路径；（4）应用相关。传感器网络的应用环境千差万别，导致数据通信模式会有所不同，没有统一的路由机制可以适合于所有的应用问题，这是传感器网络应用相关性的一个具体体现。设计人员需要针对每一个具体应用的需求，设计实现或者移植与

16、之适应的特定路由机制。 8.WSN路由协议的四种分类。答：根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型，四种类型的路由协议分别是：(1)能量感知路由协议。高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。为了强调高效利用能量的重要性，在此将它们划分为能量感知路由协议。能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。(2)基于查询的路由协议。在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据，汇聚节点(查询节点)发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的

17、数据。在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量。(3)地理位置路由协议。在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。(4)可靠的路由协议。无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。而在无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较

18、低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。9.简要说明SPIN、Directed Diffusion、TTDD、LEACH、LAR、P-MAC协议的最基本的工作思想。答：SPIN协议：该协议假定网络中所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点没有的数据。SPIN协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送；此外，SPIN协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。Directed Diff

19、usion协议：它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。TTDD协议：一个层次路由协议，主要是解决网络中存在多sink点及sink点移动问题。当多个节点探测到事件发生时，选择一个节点作为发送数据的源节点，源节点以自身作为格状网(grid)的一个交叉点构造一个格状网。LEACH协议：是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从

20、而可以降低网络能源消耗，延长网络生存时间。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。LAR协议：LAR协议是一种基于源路由的按需路由协议。它的思路是利用移动节点的位置信息来控制路由查询范围，从而限制路由请求过程中被影响的节点数目，提高路由请求的效率。它利用位置信息将寻找路由的区域限制在一个较小的请求区域（request zone)内，由此减少了路由请求信息的数量。LAR在操作上类似于DSR。在路由发现过程中，LAR利用位置信息进行有限的广泛搜索，只有在请求区域内的节点才会转发路由请求分组。若路由请求失败，源节点会扩大请求

21、范围，重新进行搜索。LAR确定请求区域的方案有两种：一是由源节点和目的节点的预测区域确定的矩形区域；二是距离目的节点更近的节点所在的区域。P-MAC协议：采用交换预约包的方式完成信息交换。为了节能，节点周期性监听/休眠，每个节点任意设定开启时间，避免了全网同步对定时的精确要求。节点通过周期广播的方式通知邻节点自己的开启策略。节点通过周期探测与预测结合的方式存储并更新邻节点信息表。10.说明SPIN、Directed Diffusion和LEACH的工作流程。答：SPIN：采用了3种数据包来通信：ADV 用于新数据的广播，当节点有数据要发送时，利用该数据包向外广播；REQ 用于请求发送数据，当节

22、点希望接收数据时，发送该报文；DATA 包含带有Meta-data头部数据的数据报文； 当一个传感器节点在发送一个DATA数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送 ADV数据包，如果一个邻居希望接收该DATA数据包，则像该节点发送REQ数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA数据包。Directed Diffusion： 首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建立传输梯度。数据沿着建立好的梯度路径传输。LEACH：不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：一是簇的建立，即包括簇首节点的

23、选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。二是传输数据的稳定阶段。每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知整个网络，完成簇的建立。在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信息融合后送给汇聚点。一段时间后，重新建立簇，不断循环。11.MAC协议的作用，按分配信道方式分类的类型？答：MAC协议的主要作用是决定无线信道的使用，建立传感器网络的基础结构，为了能够使传感器节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突。MAC协议可分为3类：（1）基于竞争的MAC协议，即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道。（2）基于固

24、定分配的MAC协议，即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行。（3）基于按需分配的MAC协议，即根据节点在网络中所承担数据量的大小决定其所占用信道的时间。12.说明CSMA/CA主要工作机理以及特点。答：CSMA/CA主要工作机理：1）送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，才送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。2）送出数据前，先送一段小小的请求传送报文(RTS : Request to Send)给目标端，等待目标端回应 CTS: Clear to Send 报文后，才开始传送。 利用RTS-CTS握手(handshake)程

25、序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。同时由于RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。  特点：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”。13.说明混合型MAC协议中ZMAC协议的主要思想。答：ZMAC协议，采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题。ZMAC引入了时间帧的概念，每个时间帧又分为若干个时隙。在ZMAC中，网络部署时每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法。时隙分配结束后，每个节点都会在时间帧中拥有一个时隙。分配了时隙的节点称为该时隙的所有者：所有者在对应的时隙中发送数据的优先级最高

26、。在ZMAC中，节点可以选择任何时隙发送数据。节点在某个时隙发送数据需要先监听信道的状态，但是该时隙的所有者拥有更高的发送优先级。发送优先级的设置通过设定退避时间窗口的大小来实现。时隙的所有者被赋予一个较小的时间窗口，所以能够抢占信道。时隙在被所有者闲置时还能被其他的节点使用，从而提高信道利用率。此机制还隐含了根据信道的竞争情况在CSMA机制和TDMA机制间切换的方法。ZMAC协议将顺序执行步骤：邻居发现；时隙分配；本地时间帧交换；全局时间同步。14.了解传输延时中不确定性时间分布情况。答：所有的无线传感器网络的无线消息传输时延都可以分解为以下几个部分：（1）发送时延。发送方节点在应用层组装信

27、息及向MAC层发起发送请求所需的时间，此时延是高度可变的，取决于操作系统的调度和当前节点的处理器的负载。（2）访问时延。数据包达到MAC层后，等待信道空闲所需的时间，访问时延取决于当前无线网络的负载，是导致消息传递时延的最关键因素。（3）传输时延。物理层传输比特数据所需的时间，可以通过数据包的大小和无线通信速率估算出来，是确定的。（4）传播时延。消息在两个节点之间的传输介质中的传播时间，这个时间主要取决于节点之间的距离，这个时延是确定的。（5）接收时延。物理层接收比特数据所花费的时间，与传输时延对应，并与传输时延有重叠（6）接收处理时延。接收方处理接收到的消息包并传递到应用层所需的时间，与发送

28、时延类似。传输时延和接收时延又可以细分为以下几个部分的时延：（1）中断处理时延。无线芯片发起中断信号和微处理机响应这个中断所需的时间，这个延时远小于几微秒。但是如果中断无效的话，这个时延就很大了。（2）编码时延。无线芯片把要传输的信息编码转换成无线电波所消耗的时间。（3）解码时延。无线芯片把接收到的无线电波消息转换为比特数据所花费的时间。（4）字节序列校正时延。接收端无线芯片得到的字节序列可能会与发送端的不同，因此还需要字节序列校正时间，这个时间是确定的。15.说明时间同步协议中FTSP、单挑RBS、HRTS、TPSN的基本工作思想。答：(1)FTSP（Flooding Time Synchr

29、onization Protocol）：洪泛时间同步协议，属于典型的发送端/接收端单向时间同步模式。它实现了全网了时间同步，并且能够很好地适应网络拓扑结构的动态变化，FTSP采用以下措施来处理多种传输时延，提高同步精度。1）节点在消息发送和接收的时候记录MAC层时间标，就可以直接消除消息传递过程中的发送时延、访问时延及接收处理时延。2）在发送方传输同步信息和接收方接收同步信息的过程中，节点在同步字节发送后在MAC层给以后的每个字节记录时间标。3）用线性回归法来确定是在漂移率。FTSP协议能够实现多跳的时间同步，它根据节点的ID号动态的选举出一个根节点，作为时钟源节点，所有的节点的时间都痛不欲根

30、节点的时间，根节点和已经同步的节点周期性地发送同步信息。(2)RBS根据无线信道的广播特性，消息对所有接收节点而言是同时发生到信道上的。RBS算法中正是利用这一特性来消除发生时间和访问时间引入的时间同步误差，从而提高时间同步精度。RBS算法中，参考节点周期性地向邻居节点广播时间同步消息，接收到这个消息的组节点记录消息达到时各自的本地时间，然后相互交换本地时间戳信息，这样这组节点就可以计算出相互间的时钟偏差。RBS算法中广播的时间同步消息并不包括真是的时间戳信息，消息的准确发送时刻并不重要，它也并不关心消息到达每个节点的传播时间，而是关心这些传播时间之间的差值。RBS算法最简单的情形是参考节点广

31、播一个时间同步消息，广播域中的两个节点接收到这个信息，并记录消息达到时的本地时间，然后交换各自记录的时间。RBS算法把两个接收时间的差值作为两个节点的实在偏差，其中一个节点可以根据接收时间差值来修改其本地时间，从而实现两个节点之间的同步。(3)HRTS(Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol)是基于“发送者-接收者”时间同步机制。该同步机制主要通过“发送者”和“接收者”之间的三次数据通信来达到“发送者”和“接收者”时间同母的目地。在第一次数据通信中，“参考节点”（发送者）广播一个同步请求命令帧F1，并记录下发送该帧的时刻t1。该同

32、步请求命令帧的载荷中含有“参考节点”在其邻居表中随机选择的一个“应答节点”，该“应答节点”完成和“参考节点”的通信过程。在“参考节点”广播范围内的所有节点在接收到这个同步请求命令帧时都记录下接收到该帧的时间，但是只有“应答节点”会回复该命令帧。其中，邻居节点J将该接收时刻记录为t2j，“应答节点”将其接收到同步命令帧的时刻记为t2。在第二次同步通信过程中，“应答节点”向“参考节点”回复的同步响应命令帧(记为F2)中包含的是“应答节点”接收到同步请求命令帧F1的时刻t2以及发送同步响应命令帧F2的时间t3，“参考节点”把收到同步响应命令帧尺的时刻记为t4。HRTS同步算法在MAC层加入了时间戳，

33、有效的减少了发送时延以及接收处理时延的影响，提高了同步精度。该算法假定了所有节点之间的传输时延以及接收时延相同，通过标记发送以及接收命令帧的时间来确定传输时延以及接收时延。但是该算法的同步范围局限在节点的广播范围之内，同步范围有限，可扩展性不好。(4)TPSNTPSN算法主要分为两个步骤。首先是为节点建立层次性的结构，然后每一级的节点与它上一级节点进行时间同步最终达到网络内所有节点与最顶层的节点保持同步。TPSN算法假设所有的节点具有全网唯一的ID标识号，链路层的协议确保每个节点能够获知可以直接通信的节点集了；TPSN算法还假设无线通信链路是双向的，并且可以对整个网络建立生成树（spannin

34、g tree）。TPSN算法包括两个阶段：生成层次结构阶段（level discovery phase）和同步阶段（synchronization phase）。16.ZigBee协议的拓扑结构类型，节点可以分为哪几类和相互关系。答：拓扑结构类型：星型、网状型、簇状型。节点：网络协调器、全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD） 。相互关系：网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，

35、让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。17.WSN中故障模型分类和区别。答：WSN中的故障模型分为网络模型和数据模型。网络模型：无线传感器网络中节点的状态可分为正常和故障。故障是“永久”和“静态”的，所谓“永久”是指故障节点将持续故障直到该节点被维修或替代，所谓“静态”是指在节点故障诊断过程中不产生新故障。无线传感器网络的节点故障分为两类：硬故障和软故障。数据模型：在无线传感器网络中，节点和其邻节点之间具有空间的相似性，即网络中无故障的相邻传感器节点之间具有相同或相似的测量

36、值。因此，可以通过邻节点感知的传感数据来诊断当前节点的状态。18.TOA/TDOA/RTOF的工作原理及计算公式。答：TOA：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，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=(T3-T0)-(T2-T1)*V/2 TDOA：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已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。d=(T2-T1)*C1C2/(C1-C2)19.测距方式对精度的影响，尤其是各种物理信号用于测量距离时，可以达到的定位精度区

37、别，采用射频信号，设TOA达到始终精度为1ms，则测距精度是多少？答：定位的精确度是无线传感器网络定位算法的重要评价指标，然而测距是测距定位算法的先决条件。常用测量距离方法主要有：RSSI、TOA、TDOA、AOA等。很多典型的基于测距技术的定位算法没有考虑到现实环境中多种多样的因素，而是在理想的部署环境下评测的，当部署环境中存在障碍物时，很多提高定位精度的算法是无效的，还有可能降低定位的精度。接收信号强度指示(Received signal Strength indicator，RSSI)：已知发送节点的信号功率，根据接收节点接收到的信号功率，然后根据传播信号损耗模型，计算两个节点之间的距离

38、，并利用节点之间的距离进行定位的技术。对于射频系统(RF)，多路反射、背景干扰、不规则的信号传播特性会使得估计的距离不精确。到达时间(Time of arrival，TOA)：根据信号的到达时间进行测距。最常见的使用TOA技术进行测距的技术是GPS，GPS系统的价格较贵，能量消耗大，并且需要与卫星的时钟同歩。基于无线传感器网络的硬件和内部能量限制，GPS和其它基于TOA的设备太过昂贵。到达时间差(Time difference of arrival，TDOA)：在一对临近节点间，基于声波和电磁波的不同到达时间计算它们距离。但是，室外环境非常的复杂。例如，草对声音有严重的阻尼效应，廉价的扬声器和

39、操作系统使得调度和驱动花费较多时间，影响时间测量的准确性，回声和多径效应会使得提供的数据有误。通过对测量距离进行信号处理、统计滤波和一致性检验来解决这些问题。到达角度(Angle of arrival，AOA)：需要估算邻居节点发送信号的角度。由于辅助设备成本过高，因此AOA技术不能广泛用于大规模无线传感器网络中。若采用射频信号， TOA的时钟精度为1ms，则测距精度是为。20.简要说明三边定位、质心算法？答：三边定位： 设未知节点D的坐标,A、B 、C 3个信标节点的坐标分别为、，它们到 D的距离分别为，则可得如下方程组：式（1）减式（3），式（2）减式（3）后联立方程可解得 D点的坐标。三

40、边测距算法确定未知节点的坐标的思想可用图1来表示。图1由于三边测距算法基于两条直线的交点来估算未知节点的坐标，没有充分利用 A、B 、C 3个节点的坐标信息，使估算的未知节点的坐标可能存在比较大的误差。 在图2，图3的情况下，根据(1)(2)(3)式可解出圆 A与圆 C的交点，,圆 B与圆 C的交点,圆 A与圆 B的交点,.通过将圆A与圆C交点，代入式,判断大小可找出两点距圆 B的圆心较近的点,假设为.同理可找出圆 B ,圆 C交点中距圆 A较近的点设为,圆 A,圆 B交点中距圆 C的圆心较近的点设为.依据质心思想估算未知节点D的坐标为： (4). 质心算法：在计算几何学里多边形的几何中心称为

41、质心，多边形顶点坐标的平均值就是质心结点的坐标。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这种方法的计算与实现都非常简单，根据网络的连通性确定目标结点周围的信标参考结点，直接求解信标参考结点构成的多边形的质心。在传感器网络质心定位系统的实现中，锚点周期性地向临近结点广播分组信息，该信息包含了锚点的标识和位置。当未知结点接收到来自不同锚点的分组信息数量超过某一门限或在接收一定时间之后，就可以计算这些锚点所组成的多边形的质心，作为确定出自身位置。由于质心算法完全基于网络连通性，无需锚点和未知结点之间的协作和交互式通信协调，因而易于实现。质心定位算法虽然实现简

42、单、通信开销小，但仅能实现粗粒度定位，希望信标锚点具有较高的密度，各锚点部署的位置也对定位效果有影响。21.说明DV-Hop的距离计算步骤。答：（1）计算未知节点与每个信标节点的最小跳数。信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组，其中包括跳数字段，初始化为0。接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数，忽略来自同一个信标节点的较大跳数的分组。然后将跳数值加1，并转发给邻居节点。通过这个方法，网络中的所有节点能够记录下到每个信标节点的最小跳数。（2）计算未知节点与信标节点的实际跳段距离。每个信标节点根据第一个阶段中记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数，利用下式估算平均每跳的实际距离，其中，是信标

43、节点，的坐标，是信标节点与之间的跳段数。然后，信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期字段的分组广播至网络中，位置节点仅记录接收到的第一个每跳平均距离，并转发给邻居节点。这个策略确保了绝大多数节点从最近的信标节点接收每跳平均距离值。未知节点接收到平均每跳距离后，根据记录的跳数，计算到每个信标节点的跳段距离。（3）利用三边测量法或极大似然估计法计算自身位置。未知节点利用第二阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离，利用三边测量法或极大似然估计法计算自身坐标。22.简要说明APIT方法的四个步骤。答：（1）收集信息：未知节点收集邻近信标节点的信息，如位置、标识号、接收到的信号强度等，邻居节点之间交换各

44、自接收到的信标节点的信息；（2）APIT测试：测试未知节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部；（3）计算重叠区域：统计位置节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部；（4）计算未知节点位置：计算重叠区域的质心位置，作为未知节点的位置。23.M&S模型的同步实质。答：M&S模型的同步实质是基于萤火虫的同步闪光效应提出无线传感器网络群时间同步机制，通过补偿耦合时延对该机制进行了改进，将M&S模型引入到无线传感器网络中，网络中的每一个节点等效为M&S模型中的一个振荡器，节点的时钟系统由本地晶振和计数器构成，在某一时刻读取计数器的值即为节点的相位，计数器的最大计数值

45、即为节点的相位极限，一旦达到计数最大值，则产生计数器溢出中断(相当于M&S模型中的振荡器被激发)，并且通过向网络中的其它节点广播信号来产生相应的祸合效应，同时计数器将清零，然后重新计数，进入下一个周期。对于群中的每一个节点，用其相位变量来代替M&S模型中的状态变量。24.概述GPS、Galileo和北斗导航定位系统的简要知识。答：(1)GPS1973年12月，美国国防部批准它的海陆空三军联合研制新的卫星导航系统：navigation Satellite Timing And Ranging Global Positio

46、n System，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地，海洋，航空和航天），全球性，全天候，连续性和实时性的导航，定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。自1974年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974-1978年），系统论证（1979-1987年），生产实验（1988-1993年）三个阶段。总投资超过200亿美元。整个系统分为卫星星座，地面控制和监测站，用户设备三大部分。论证阶段共发射了11颗叫做BLOCK I的试验卫星，生产实验阶段发射BLOCK II

47、0;R型第三代卫星，GPS系统由此基础改建而成。GPS卫星，其基本技术参数是：卫星颗数为21+3（截止2007年11月5日在轨的GPS卫星为31颗），卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200KM，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分（恒星时12小时），基准频率10.23MHZ，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地方任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达11颗卫星。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m重约774kg(其中包括310kg燃料），两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对

48、日定向，以保证卫星正常工作的用电，每颗GPS卫星上装有4台高精度的原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。原子种为GPS定位提供高精度的时间标准。卫星的运行周期约为11 恒星时58分，每颗GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都是由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星处于同一时间

49、标准GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监测站。主控站位于美国克罗拉多Colorado 的法尔孔Falcon 空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作；另外主控站也具有监控站的功能。监控站有五个除了主控站外其它四个分别位于夏威夷Hawaii、&

50、#160;阿松森群岛Ascencion、 迭哥伽西亚Diego Garcia、 卡瓦加兰Kwajalein。 监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。它们分别位于阿松森群岛Ascencion、 迭哥伽西亚Diego Garcia 、卡瓦加兰Kwajalein。 注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换，放大和处理，以便测量出GPS信

51、号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 GPS接收机，包括接收机硬件，机内软件以及GPS数据后处理软件包。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分为两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近适当的地方，用电缆线将二者连接成一体。随着科学技术的进步，已经将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时安置在测站点上。近几年，国内外GPS生产厂家生产出很多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达

52、5mm，用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLOASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。（2）Galileo从1994年欧盟已开始对伽利略系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代定位系统。 伽利略系统计划由30颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成。30颗卫星部署在3个高度圆轨道面上，轨道高度23616

53、km，倾角56度，星座对地面覆盖良好。在欧洲建立两个控制中心。欧洲航天局在2005年12月28日发射了第一颗伽利略演示卫星。Galileo系统最主要的设计思想是：与GPS/GLONASS不同，完全从民用出发，建立一个最高精度的全开放型的新一代GNSS系统；与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和兼容性；建设资金（36亿欧元）由欧洲各国和私营企业共同投资。但是，政治斗争可能会破坏Galileo系统的建设，由欧盟挑选的八家欧洲公司组成的产业联盟，由于职权斗争，严重影响了Galileo系统的建设。据一位技术分析专家称，Galileo有可能在2014或更晚时间才能够建设完成。（3）北

54、斗北斗卫星导航系统（BeiDou (COMPASS) Navigation Satellite System），是中国研发的卫星导航系统，包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗一号由三颗北斗定位卫星（两颗工作卫星、一颗备份卫星）、地面控制中心为主的地面部分、与北斗用户终端三部分组成。北斗卫星导航定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务。定位精度可达数十纳秒的同步精度，其精度号称GPS相当，唯缺乏原子钟等关键零组件，以现有用户端显示，校准精度为20米，未

55、校准精度100米，较民用GPS精度为低。 北斗一号卫星导航系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。 对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发

56、回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。规划相继发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。此前，已成功法射了七颗北斗导航卫星。按照建设规划，2012年左右，北斗卫星导航

57、系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。北斗二号是中国开发的独立的全球卫星地位系统，不是北斗一号的简单延伸，更类似于，GPS全球定位系统和伽利略。正在建设的北斗二号卫星导航系统空间段将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为10纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。25.基于行为检测的IDS的分类及区别。答：基于行为检测的IDS分为：异常检测、滥用检测

58、、混合检测。在异常检测中，观察到的不是已知的入侵行为，而是所研究的通信过程中的异常现象，它通过检测系统的行为或使用情况的变化来完成。在建立该模型之前，首先必须建立统计概率模型，明确所观察对象的正常情况，然后决定在何种程度上将一个行为标为“异常”，并如何做出具体决策。在滥用检测中，入侵过程模型及它在被观察系统中留下的踪迹是决策的基础。滥用检测基于已知的系统缺陷和入侵模式，故又称特征检测。它能够准确地检测到某些特征的攻击，但却过度依赖事先定义好的安全策略，滥用检测通过对确知决策规则编程实现。在混合检测中，作为一个完整的系统，IDS将以下一些重要特征作为分类的考虑因素。(1)检测时间：有些系统以实时或近乎实时的方式检测入侵活动，而另一些系统在处理审计数据时则存在一定的延时。一般的实时系统可以对历史审计数据进行离线操作，系统就能够根据以前保存的数据重建过去发生的重要安全事件。(2)数据处理的粒度：有些系统采用了连续处理的方式，而另一