(完整word版)无线传感器网络课后习题-答案

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。特祀区注mi.3无红樽加器利華的去观靠蜕架挣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

2、送和接收。另外，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，传感器网堵结点的徉寒由分尺的两堵通信协议*网络管理平台 利应JU支撑平台三个部分组成(如图L 7所示匕間I刚和JEiii |图1.7无线忆朋黠啊堵姑盘的体系爼戟(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。包括拓扑控制、服务质量管理、能 量管理、安全管理、移动管

3、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

4、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，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。(2)

5、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？传感器一般由敏感元件转换元件和基本转换电路组成1图所示。蛾憋元件是传 感器中能感受或响应破测童的萍分丰转换元件足将顒感元件感受或响应的菠测量转檢戒适 F传输或测圮的倍切傲折电信号啲部分*荃衣转换屯路可以对茯得的微弱电信号进讦 故大、运算调制爭*另刿站本转换龟路工件时必繆有辅助血隸“載退疋件忖换尤杵卜呈本忒谟范脸|*2- 5.集成传感器的特点是什么 ？ 体积小、重量轻、功能强、性能好。2- 7.传感器

6、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。6. 精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。2- 17.简述磁阻

7、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

8、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。表乳£描述了无线传感鹉网曙结点普迥覆川的一种韧理肚帧结构。由于甘前还没!形 成标笊比的物理怎蜡构"所旦在实际设计时都是在该物理层帧箱构的菇础匕进苻改进“表3.2慣章器网络物母至的Ifi结构4字节1字节1字节町变氏肛帕头比特）PSDU軸的氏度*駁玄为L明宇节PHY砒战物理帧的第一牛字段足诡导码字节数一般堰4收发器进吁码片或者笛号的同步.

9、第二个宁駁是帧*怅度通常为 个宁节*表示同歩结車.数据位开始传输"厭头勺前 导码构应了同歩iU軾怏度了段通常由一牛宇审的低7位农示，”厲就杲廉续的物现厘PIIY负载的K度. 園此它的后续PHY负載的托度不会趙过127个字节.物理幢PHY的负联反度可变称为物理服务数据单元（PHY Scrvke Data Unite. PSDU）-携带PHY数据包的数抑PSDU城是物朗层的载荷.3- 6.根据信道使用方式的不同。传感器网络的MAC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

10、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。MfriCSMATA协议当结点蟄传辅一个仆纠时*它首先f贞听信道状态°卽果信迫空 闲川i吐经过一亍帧间町隔时间DIFS后.侑追仍然空鬧则姑点立即幵抽发送佔息十如果 佶道忙*!M站点始终侦听信诅肯到信道的牢鬧时何斛过DIFS。当信道最烬空阖下来的时 帙笫点逬 涉使用二进制退溝算法.进人退避狀态来避免證生亚撞.图32描述这种 CSMA CA的慕眾访向机制。铀机退凝时间按下面公式进打计弄，

11、退避吋 = Randornt ） X aSlottimc（3. 1）叽；川厂DIFIlHst IlfDIFS k* 可大于iiSDirsFirs4SIFST /很避窗口/下-幀揩迟发送-41UJW阳3- 2 CSMA CA的雀 Z何札制Jt'I'.RandomO/J在竞争窗n0rW内闻匀分布的伪酗机整数匚CW足整歌隴机数，它的 数值位I标准舰淀的aCWmin fil aCW max之间;aSlottimc是一个时槽时间*包括发射启T 时例、介质霑播时延、检测悄道的响应时间等。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

12、能（DCF、点协调功能（PCF）,期中DCF是基本访问控制方式。PCF工件方真圧革于优先级的JL克爭访问片式*它通过访问接人点Pot,A円來协凋结点的柱抑收枝釆冃轮询方式杏制出前哪些结点冇数据览送的请求*井件必嘅 时给于数据发送权在DCF T.作方丈下载砂侦听机制迪过物用城址曲斯和虚拟戟液侦听来備淀无线信道 的状态，押理我波侦听曲物理JS損供虐按載谨侦斷fllMAC层握供"如图N1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感器网络的

13、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。（2）能量感知路由协议：从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。定向扩敵f Direc

14、ied Diffu sion, DD）路由阳汝圮一种基于杳iB的路出机制"扩散结点通 过兴舉信息发出杳ifn忏务.采用洪泛方責传播耗押信总到簾卜区域哎部仔区域内的所冇传 憊器结点.兴趣信息用來表示杏询的任务，衷达r网络出户对监测区域内櫃兴趣的具体内 容，例如艦测K城内的洞用.湿度和光瞭咎数掘 煎兴趣信息的传播过程中*协镇将逐跳地 在毎个传感器结点上建J圧向的从致据鱒钊汇聚结点的数据传输梯度，传感器採灣结点将 采集利的数朋滑着梯度方向传送给汇堰紹点匚定向扩at路由tn制可比分为間期性的兴趣扩散、梯度建立和路泾Jin强二个阶段图乱f 址賦这三牛歐段的数抿传播徐輕和方向的示剖亠澹 O C

15、OT 去结 T,C O囲3.7定向护隈將市优制的示的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。TPS

16、N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、到达时间差、接

17、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.RSSI测距

18、的原理是什么？测距的原理如下：接收机通过测鼠射頻信時的能址来确定与发送机的距离口无 线们号的发射功率和接收功率之何的关系如式5）所示.奠叩P.是无线信号的接收功 嘲巴是尤线侑号的发射功痒"是收发弔元之树的距离/佟播因“传播因f的数值大小 取决于无线侑号传插的环境。（4.5>4- 10.简述ToA测距的原理。ToA机制是已知信号的传播速度.很据信号的传播时何来计算结点忸的距离.图4M 给出慕于ToA鴻拒的商单爼现过程小例.采用伪噪点序列伫岭作为声液信号.根据声波 的传播时间来测輦结点之间的距离图4.4 ToAfflff!原理的过揑示例4-11.举例说明TDoA的测距过程。S基p

19、TDoA的定位机制中，爱射结点同时S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的吋冋总以及这两种信号的传播速度算两亍结点之间的距离如图L 5所示，发射結点同时发射无线豺频信号和超声波信号按收结点记录下这两种 借号的到达时间T"厂已知无线射频信号和超声波的传播谨搜为g心那么两点之间的 距离为（丁工其中 t'j） c图TDoA测甌原理的过程示例4-12.举例说明AoA测角的过程。F AoA的定位机制中接收结点逋过天线阵列或多个趙声流接收机来感知发射 结点信号的到达方向Ml算接收结点和发射结点之何的脚对方位和角度+耳通过三角测畐法 计算结点的賢置.如图4 6所不復收站

20、点通过左克J4阵列探测发射踣点H却的tij达貯向.AoA足位 不仅能锂确定结点的嘩标述能够确足结点的方曲岱息”但AoA瀏眾肢术扇嚨外界环境 影喑.且需要颔外硬件它的融件尺寸和功耗措标不适用于大規模餉传感器网络*虑菓些应 用领域可口垃押作用.4-13 .试描述传感器网络多边定位法的原理。步边定位法苯于趾用测昴C如RSSIToA TDoA）的结果.确运二维坐标至少几有匸 个结点至锚点的跖离ffih确定三推坐标则蛊四个此类测为伉假设已知信标锚点為人*岛+的噜标依次分别为（勒人GThqJM忑"童片 （©片】即各锚点位置为Q,3,匚如果持宦位结点的坐标为（工*几并且 11知它至各锚点

21、的测距数值为0 +可得|（J x）1 十（丫1 $尸=</J :<4.9）I 一 J）3 + （” 一 y）1 = t/J其中Lil为待求的未知啡窃将第训片一1个等式减去最后等式；严f jJ 2（X| jb）j I yi 比 2（p _yJ_y = "f 讥J :< 1Q-tj-i 上一 3（-1 片工 + 胡_i yl 2（y,_| ）y = t/I_t 用矩阵和向量谡达为形成片X"乩苴中'2< Ji 业)2(?i yj 'df j£ 十 py? yl + 揺 _ =1''<.2(.7. 1 斗、甲r

22、2<.v- i y-* b =F!-ri-i xi 十 ji ° 乂 + 或一t/i-i-根猷最小均方估计（Minimum Mean Square Error+ MMSE I的方法腺理可以求得解 为：x=（A1A yiAlb，当鉅阵求逆不能计算时.这种方出不适用.否则可成功得到位优佔计 匕从匕述过程可以看出.这种定位方法本质匕就是昴小二乘估卄.4-14.简述Min-max定位方法的原理。务垃定位法箭浮戌运鄆址大讣蛛此价髙 Mrn-max矩位肚根册若干箱点.仇代和电 侍累结点的测跑血训世序！迪搭桓.所有边浮矗的交集为一能范取此矩昭的匝心作为 待定位第点的唯标I,这种定位方法计棘箭

23、单后人耶以此为畢础術生.11自已的定位 方轧|斟4.8为采JM -.4"锚点进存定位的Min-max例即口恥锚点Hf = lZ3）樂标（冲5）为凰础，加上或减去测距值 L M 01锚点f的赠界 Lr.-止<j-.-J.JX L.rr +血 y+料J.畐 Min rmJ（请：円呱何资料在所有位置点出+乩j+打申取彊小值、所有曲一乩丁一威中取堆大值则交樂矩 形取作 > nkax（.rt J,） »m«x（x 亦X min3 + J； > uninCy. +H訂ZL 三个锚点共同形 A 交足矩形，矩毎斶心即为所求结点的估H位讳。4-15.简述质心定位算

24、法的原理及其特点。我ff规道在计算几何学里多边形的几何中心称为屣心，爹边形锁点坐标的屮均值就垦 顒赴结点的坐标亠個设客边愜定点位豎的坐标向量表示为则这乍名边形的 质心砸杯3、沖为u|fl电"3七pr沪)(4* 11>例曲，如果IB边® ABCD的H点臺标分别为3，血人（牡八（供片（竝皿）/它 的质心蛰标计算如下:斗+ J； + -1-3 +工护+於+小+英i，斗这种方也的计畀与实现都罪#简矗-m据网菇的理通性潇定出目毓结点周w的侑标毎 苓站点也接求輪佈标翕夸靖点构底的多边陋的应心.在传感器网络质心宦位乘统的实现中锚点周期性地向临近结点广播分胡俏息*该悄息 包育了満点的

25、标诉和位麓。当未知结点接收到桌自不崗瞄点的分组侑息数呈超如果 门限 或在播收一宦时间之后就可以计算这叱舗点所纽症的名边册的质心，作为确定出I斗位 萱ih 1费心賁注完伞基网琳连通性+工需锥点和本知结点之何的协作和交址式通花协 州.寓而易于实理在传感器网络质心崔位系统的实现中锚点周期性地向临近结点广播分组借息+議信息 包含了锚虑的拆识和侑置.逬未期结点接牧到来门不同锻点的分组仁息数址超过某一门限 咸在接收一定时同之后，就可以计算这些锚点所组成的多边晤的质心.作为确定出自身位 s.由于质心算进完全基于网络连通性.无需锚点和未知结点之制的协作和交町式通信协 测因面扇于实现质心定卜占汝並然实现简甲*述

26、信开带小但仅能实现相粒度定位*蒂望信标锚点具有 较爲的辭岌+各锚点部署的盹置也对定位效果有影响 4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。DV- Hop算法解址r低锚点巒度引发的问题.它根据距离先站路由协坟的原理何全网 范洌内广播跳数和備世何个结点设电一个至各備点最小挑数的il数器根据接受的消盘 更新计数器.锚点广播其坚标位宣.当黠.点接受到新的广播消息时如果跳数小于存舗的數 tlhJWJS新并艘播该跳数不定型尊法采用类似原理，憾点坐标在全网内洪泛蜡点维护剎 锚点的跳数根据捲養的貓点代置和跳数计算自身览BP*：如图4冷所示T巳知锚点b与之间的距縄和趾敕 Lx计算得到检正值即T均毎跳距离

27、）为伽* 751：（2-1-5=16.4201何i殳传感器网錯中的持定位站点A从S获得校 正值则它与3个锚点之阿的距离分别是1A = 3X16,42tO?=2X1S. 42 = 3X16,42 后使用多边测址肚确宦结点片的位=、蚪It 4,9 DV Hep算憩定位过秤的示惭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

28、）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？该方沐是把来门多伞传感器的众多孜据进行综合丫岀h它ififflTM类传憋器检测同个枪测目际-这处聚简申、址咸观的数抿融合方法.麼力法将一细传感器提拱的冗余信慰 进行加I权平均*銷果件为融合債，如果对一个检测冃祐进行了 i次检测、则综台平均的结果为二C4. 12其中W为分配皓第f次检测的权朮4-20.常见的数据融合方法

29、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

30、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？

31、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 ？信息衣金就足翌保讪阿络中传输信息前安余杵对于无线传礦器网络面右NL体的信患安金需求内容包话如Ft 数舉的机密性一保址网貉内传输的怕息不襁菲辻窃听= 数据罄别一保让用户收到的信息来自己方结点而非人侵结点° 数皓的完整性一保证数据霍传输过程屮诜有楼恶意星改，®数抵的实效性一保证数据在时效范围内皱传输给用户。4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程（5' Wormhole JV击 这种攻击眉常需輕対个悲盘结点相彳串谐.合谟进行以击 图414所屁 在适常情况下一个恶懸结点位于sink（Hfl簇结点）附近，另一牛