无线传感器网络课后习题解答

1、1- 2 什么是无线传感器网络 ？无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和 传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。1- 4.图示说明无线传感器网络的系统架构。图1*3无址榕感器网络的宋观靠址据梅1- 5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据, 通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另

2、外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件 系统支撑，运行网络的五层协议。1- 8.传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台 和应用支撑平台三个部分组成如图L7所示）LT应用支偿平合h辺I服弟援丨|网络営理扌釦I师用层传辅播恫禺、光、电磁网络連伯协议网络旨理屮會ffi 1.7无线传感器网塔结点的体垂组成（1）网络通信协议：类似于传统In ternet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。（2）网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理

3、。包括拓扑控制、服务质量管理、能 量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过 应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。1- 9.传感器网络的结构有哪些类型？分别说明各种网络结构的特征及优缺点。（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平 面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。（2）平面结构：特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路

4、径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比 较健壮。缺点：影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。整个系统宏观上会损耗巨大能量。可扩充性差，需要 大量控制消息。分级结构：特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结 点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。优点：大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。簇头可以随时选举产生，具有很强的抗 毁性。缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。1- 13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。（1）用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使

5、其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。（2）用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。（3）用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。2- 2.传感器由哪些部分组成 ？各部分的功能是什么？传憋器-般曲敏感元件、转换元件和基本转换电路组成如图Z 1所示.敏感元件是传 感群中能感受或响应被测量的部分*转换元件是将敏感元件感受或响应的被测蜀转换成适 于传输或测址的信号般指电信号）的部分；基本转换电路可以对然得的微弱电信号进行 放大、运算调制等°另外+基本转换电路工作时必须冇辅助电源口O1S-哥么1传感器的组就结构2- 5.集成传感

6、器的特点是什么 ？ 体积小、重量轻、功能强、性能好。2- 7.传感器的一般特性包括哪些指标？灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。2- 15.如何进行传感器的正确选型？1. 测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。2. 灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。3. 频率响应特性：根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。4. 线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。5. 稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器

7、。6. 精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。2- 17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。 因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化,则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。3- 2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？调制有哪些方法？（1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什 么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。调制技术通过改变高频载波

8、的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。 解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（信宿）处理和理解的过程。（2）根据调制中采用的基带信号的类型。可以将调制分为模拟调制和数字调制。根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。3- 4.试描述无线传感器网络的物理层帧结构。表3.2 B述了无线传感器网络结点丼遍便用的种物理层帧结构"由于口曲还没有形 成标准化的物理层華构所比住实际设计吋都足住该物理层0贞華构的皐础上进行枚进口表£2传愍器网络掏理序的轉结枸4 :I ；':'J' N1 ? 1/可变艮度的导-码楓

9、头妆杞度丫比特）保懈位PSDU同第头輔的氏度*战大为1囲字廿PHY负载物理瞅的第一亍字段是前导码*字节数一般取4*用于收发器进行码片或者符号的同 歩。第二个字段是帧头，长度通常为一个字卄忑示同步結束r数据包开始件输。帧头与就 导码构成了同步头"帧长度字段通常用一牛字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度. 因此它的后续PHYft载的检度不会超过127个字节.物理帧卩HY时负载氏度町变隸为物理服务数那单JLtPHY Service Data Unite. F5DU"携帯PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。3- 6.根据信道使用方式的不同。传感器网络的M

10、AC协议可以分为哪几种类型 ？时分复用无竞争接入方式、随机竞争接入方式、竞争与固定分配相结合的接入方式。3- 7.设计基于竞争的 MAC协议的基本思想是什么？当结点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直 到数据发送成功或放弃发送。3- 8.试写（画）出CSMA/CA的基木访问机制。并说明随机退避时间的计算方法。W CSMA/CA协i义，当结点歴传输一个分组时兰首'先帧听侑道狀态.如果侑道空闲.而4经过一个淇间间隔时间D1FS .信道仍然空闲+则站点立即开始发送信息。如果 信道忙则站点始终侦听信道，宜到信道的空闲时间超过D1FS。当

11、信道最终空闲下來的时 候结点进-步使用二世制退避算送，捱人追避状态来避免发生碰撞"图3.2描述这种 CSMA/CA的呈本访问机制"随机退避时间按F面公式进行计算：退避时 f«J = Random（） X aSlottinic（3. 1）其qt.RandomO在竞争窗口 0CW内均匀分布向伪随机幣数；CW是婕数随机数.它的 数值位于标准规定的aCWmin和aCWma兀之间；aSlottime是一个时措时间，包括瞪射启动 时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。3-9.IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式 ？每种方式是如何工作的 ？（1）分布式协调功能

12、（DCF、点协调功能（PCF）,期中DCF是基本访问控制方式。PCF】：作方式殆基于优先级的无竞爭访问方式.它通过访问接人点（Access Point,AP）来协调结点的数据收发*采用轮询方式查询当削哪些结点有敢抽发送的请求井在必要 时给予数摇冕送权.在DCF T.作方武下载波帧听机制通过物理载波帧听和虚拟载液f贞听来确定无线信道的状态*物理必谨侦听由物理层提供虚禺载波侦听ih MAC层提供“如图乳1所示，如果3-10.通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗？空闲侦听、数据冲突、串扰、控制开销3-11.叙述无线传感器网络 S-MAC协议的主要特点和实现机制。（1）S-MAC协议的适用条件是传

13、感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减 少结点能耗。（2）周期性侦听和睡眠机制、流量自适应机制、冲突和串音避免机制、消息传递机制。3-12.简述路由选择的主要功能。（1）寻找源结点和目的结点间的优化路径。（2）将数据分析沿着优化路径正确转发。3-14.常见的传感器网络路由协议有哪些类型？并说明各种类型路由协议的主要特点。（1）能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置协议、可靠的路由协议。定向扩散仃Erected Diffusion. DD）路由协议足一种慕于布询的赭由机制匚旷散結点通 过

14、兴趙信息发出衣询任务.采用洪泛方式传播兴趣倍息到疫个帆域或部分区域内时所有传 感器结点。兴趣信息用柬表示査询的任务表达网绪用户对监测区域内感兴趣的具体内 梓，例如监测恆域内的温度.湿度和光照等数据。在兴趣信息的传播过程中协议将逐跳地 在毎个传感器结点上轻立反向的从数据源到汇聚结点的数据传输梯度*传犧器探测结点将 采集到的数抵沿卷梯度方向传送给沪聚结点»定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建宜和路径加强三个阶段图 显示r这三牛阶段的数据传播途径和方向的航例"图3.7定向护散跑由挑制的示例00册OOO汇绘结点o0©瞬Ml（2）能量感知路由协议：从数据传输的能

15、量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。基于查询的路由协议：主要用于需要不断查询传感器结点采集的数据，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。地理位置协议：主要应用于需要知道目的结点的精确或大致地理位置的问题中，把结点的位置信息作为路由选择的 依据，从而完成结点的路由选择功能，并且降低维护路由协议的能耗。可靠的路由协议：应用在对可靠性和实时性等方面有特别要求的问题中。3- 15.如何设计传感器网络的定向扩散路由协议？4- 2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些？RBS Ting/Mini-Sync 、TPSN4- 3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。T

16、PSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络结点的时间同步。所有结点按照层次结构进行逻辑分级。表示结点到根结点的距离，通过基于发送者-接收者的结点对方式。每个结点与上一级的一个结点进行同步。从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。TPSN协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个结点赋予一个级别。根结点赋予最高级别第 0级。第i级的结点至少能够与一 个第（i-1）级的结点通信；第二个阶段实现所有树结点的时间同步。第1级结点同步到根结点。第 i级的结点同步到第（i-1）级的一个结点，最终所有结点都同步到根结点，实现整个网络的时间同步。4- 6.简述以下概念术语的含义：锚点、测距、连接度、到达

17、时间差、接收信号强度指示、视线关系。 锚点：指通过其他方式预先获得位置坐标的结点，有时也称作信标结点。网络中相应的其余结点称为非锚点。 测距：指两个相互通信的结点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。连接度：包括结点连接度和网络连接度两种含义。结点连接度是指结点可探测发现的邻居结点个数。网络连接度是 所有结点的邻结点数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。到达时间差：两种不同传播速度的信号从一个结点传播到另一个结点所需要的时间之差。接收信号强度指示：结点接收到无线信号的强度大小。视线关系：如果传感器网络的两个结点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个结点问存在视线关系。4- 9.

18、RSSI测距的原理是什么？RSSI测距的原理如下接收机通过测童射频信号的能戢來确定与发送机的距离.X 线信号的烷射功率和接收功率之间的关系如式（4* 5）所応其屮PR是无线信号的接收功 率丁是无线信号的塩射功率汀是收发单元之间的距离山传播因子，传播因子的数值大小 取决于无线信号传播的环境.件=*（4,&>4- 10.简述ToA测距的原理。TpA机制塔已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算结点间的距离"图4.4 给出了基于ToA测距的简单实现过程示例采用伪噪声序列信号作为声波信号，根抿声波 的传播时间来测虽结点之间的距离.图4.4 TeA测距原理的过揑示例4-11.

19、举例说明TDoA的测距过程。在基于TDoA的定位机制中，发射结点同时发射两种不同传播速度的无线信号”接收 结点根据两种信号到达前时间差以及这两种信号的传播速度计算两个结点之间的距离“如图4. 5所示*发射结点同时发射无线射频信号和超声波信号接收结点记录下这两种 信号的到达时间丁i、r2，已知无线射频信号和超声渡的传播速度为、心那么两点之间的 距离为（爲一TJ$,其中 S=rjq/Ccj 4-12.举例说明AoA测角的过程。 在基于AoA的定位机制中接收结点通过天线阵列盛多个超声波接收机，來感知发射 结点信号的到达方向计算接收第点和发射结点之间的相对方位和角度再通过三角测址法计算结点的位腔.如m

20、 4,6所示*接收结点通过去克风阵列探测发射结点信号的到达方向,AoA定位 4仅能够确定结点的咿标 if能够呦足结点的方位信息（L!是AoA测距技术易受外界环境 影响11盂姿颔外硬件'它的8!件尺寸和功耗指标不遁用于大规模的传想髓网络.在某此应 用领域町以发挥作用"图4. & AoA测布示剖4-13 试描述传感器网络多边定位法的原理。务边定位法基于距离测戢（如RSSLToA/TDoA）的结果.确定二维坐标至少具有三 个结点至锚点的距离帕确定三维坐标则需回亍此类测距值"假设已知信标锚点, AitA3, Ai t 的坐标依次分別为（删*閃），（也，加）* （站*

21、的）* ，即各锚点位置2,3r»,如果待定位结点的坐标为S）,并且 已妙它至各锚点的测距数值丸乩、可得5 一 上）'丨（i y）1 =斎v ；（4*9）（j: T）2 十（3? = dl其小（才0为待求的未知举标.将第前卅一1牛等式减去最后零式匕H x； 2（1 一巧）工 + 實一丈 一 2（刃= ddl：4. 10） jJ-1 一云一2（ J-斗）戈 + yJ_j yl 2（y,_ ya）y = dJ-j 或用体陈和向址表达为形式Ax = b,中；2（xi 一文25 Q'h十貞一比+疋一话«Lsa； j）2（*_】yB）_DOjrf-i 文5 十 yJ-i

22、 垃十 di 迅_-根据最小均方估计（Minimum Mean Square Error. MMSE 的方注匝理町Ui求得解 为x=（ATA）-ATfr*当矩阵求逆不能计算时这种方法不适用乌否则可成功得到位克仙计 兔 从匕述过程町以看出，这种定位方法本质卜就是址小二乘估计。4-14.简述Min-max定位方法的原理。多边定位法的泾点运算就大，计算牝价高Min-max定位址烈据若T锚点位K和至 诗求结点的测距值创建名个边界惟.所冇边界枢的交韋为珈陌取吐珮底的质心作为 待定位结点的唱标U这种定位方法计篦简单*后人滋且此为萃础術性出自已的定位 方案.国斗.£为采用三个锚点进行建位的Min-

23、max/例即以臬锚点坐标（工心）为腿础加上或凌去测JE值曲,ff劉锚点i的边界框I 斗一也° 一比X 封+dr. y+山*在所冇位逍点町+几胆卜空中取最小值、所有辺一乩7一贰中取最大值.则交集矩 形取作:max（x（ tmax（yirfi J X min（x, +丛）tmin（y 十丛）ZL 二个锚点共同形成 交叉矩形矩形盛心即为所求结点的估卄位旨口4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。我们知道，在计算几何学甲爭边形的几何中心称芳质心爹边形顶点唯标的平均值就是 应心结点的坐标*假设多边形定点位置的坐标向it表示为筋=5八则这个多边形的展心坐标（）为&=(vSX4Sy-)(

24、4. D例如血果四边形ABCD的项点坐标分别为3 小几（业,加）,9”加，3 6片则它的质心坐标计算如下】Sy):/上1十十卫* J?。十yr十十$4 （4*4丿这种方法的汁算5实现都菲常简单抿拥财络附连逋杵确定出日抓結点周国的信标参 右结点，直接求解信标参考结点构成的零边形的质心b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匱.当未知结点接收到来自不同锚点时分组信息数址超过某-门限 或在接收一定吋间之拆*就可以计算这些锚点所组成的多边形的质心岁作为确定出口身位 置。由于质心徐法完全基于网络连通件,无需锚点和未知结点之间的协作和交互式通信协

25、 调.因而易于实现在传感器网络质心迩位系统的实现中"锚点周期件她向临近结点广播分组信息"该信息 包淬r锚点的栩识和伯国当未知结点接收到来自不同锚点的分组倍息数凰超过某门限 戒在接收-定时间之后*就可ia计算这些锚点所组成的參边形的质心，作为确定出自身位 從.由于质心算法完全基于网络连通件.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_质心定位算袪虽然实现简单、逋信开销小.但便能实现粗粒度定位.需望信标锚点具冇 较高前密度各锚点部/的位登也对定位效果有影响口 4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。DV-Hop算法解决了低锚点密度引发的问题它报据距离

26、光域路市协议的即理在全网 范宦1内广播跳数和位置.每牛结点设骨一个至各锚点隘小跳数的计数器，根据接受的消息 更新计数器锚点广播M；坐标位置当结点接受到新的广播涓息时+如果跳数小于存排的数 值则更新并转播该跳数。不定型算法采用类似原理*锚点坐标在全网内洪泛+结点维护到 锚点的跳数、根据接受的搐点位詳和跳数计算自身位曽"'J如图4. 9所示*已知锚点匚马J g 之间的距离和跳数.Le计算得到校正值4卩平均 卸跳距离）为（40+75>/（2 + 5> = lM2m"假设传感器阿络小的待定位结点八从匚获得校 正值则它与3个锚点之间的距离分别是U, = 3X162

27、t=2Xl .,=3X16.42 后使用蚩边测址敢确定结点A的位置.图4勇DV-Hop算法定位过與的示例4-17 什么是数据融合技术 ？它在传感器网络中的主要作用是什么？（1）数据融合也被称作信息融，是一种多源信息处理技术。它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获 得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。（2）节省整个网络的能量增强所收集数据的准确性提高收集数据的效率4-18.简述数据融合技术的不同分类方法及其类型。（1）依据融合前后数据的信息含量进行分类：无损失融合、有损失融合依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类：依赖于应用的数据融合、独立于应用的数据融合、结合以上两 种技术的数

28、据融合（3）依据融合操作的级别进行分类：数据级融合、特征级融合、决策级融合4-19.什么是数据融合的综合平均法？该方法是把來自多个传感器的众务数摇进行绘件平均。它适用于同类传感器检测同一 牛检测日标口这屋赧简单、最戌观时数据融合方法"该方法将一组传感器捉供的冗余信息 进行加权平均*结果作为融合值”如果对一牛检测H标进行了 k次检测*则综合平均的結果为工3TH. 12)i-1其中，叭 为分配给第f次检测的权巫"4-20.常见的数据融合方法有哪些？D-S证据推理法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则法、神经?它反映出传感器网络数据传输的什么特点？综合平均法、卡尔曼滤波法、贝叶

29、斯估计法、 网络方法。4-21.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么（1）通常随着通信距离的曾加，能耗急剧增加。（2）在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。4-22.简述节能策略休眠机制的实现思想。当结点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处十空闲状态，把这些组件关钟或调到更低能耗的状态，即 休眠状态。该机制对于延长传感器结点的生存周期非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量。 并且产生时延。所以状态转换策略对于休眠机制比较重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。4-23.简述传感器网络结点各单元能量消耗的特点传感器结

30、点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和通信模块。随着集成电路工艺的进步。处理器和传感器 模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠状态。空闲状态就是侦听无线信道上的信息， 但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态。4-24.动态电源管理的工作原理是什么？当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态。应该把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即休眠状态）。从而节省能量。4-25 传感器网络的安全性需求包括哪些内容？结点的安全保证、被动抵御入侵的能力、主动反击入侵的能力。4-26.什么是传感器网络的信息安全？信息安全就是要保证网络中传输信息的安全性.对于无线传感器网络而言具体的信 息安全需求内容包括如下乂 数据的机密性保证网络内传输的信息不被非法窃听口 数据鉴別保证用户收列的信息来自已方结点而非人侵结点。 数据的完整性保证数据在传输过程中没有餓恶意墓改。 数据的实效性一保证数据在时效范鬧内被传输蛤用户"4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程（5） Wormhole攻击"这种攻击通常需卷两个悲愆結点相互申逋合谋进行攻击如 J1 4. 14所示。在通常情况下个恶意结点位T sinkCUm结点）附近.另个恶意结点 离由吐