无线传感器网络课后习题答案

1、无线传感器网络课后习题答案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。01.3无总穫器R疇的塞观事tt叢tt1- 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(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

2、两种信息 的发送和接收。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，传感器网络结点的休系山分偿的网络通信协议、网皓管理平台 和应川支»平台三个部井组成(如图1.7所示)口】。 甩円i撑平合 而亦kif r- rr-£MC路山IB洛連I廿丿刈洛岂理屮亡011.7无»替©醤网堵结点的怵羸殂成(1)网络通信协议：类似于传统In ter net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

3、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:无线传感器网络课后习题答案特征：平面结构的网络比较简单，所有

4、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。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XX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

5、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)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ih敏感元件S转换元件利基木转换电路组成如图所示.敏感冗件是传 感需中fin感爱或响应被测献的吕阳r转换尤件址将嫩扌蘇元件感爱或响应的卡皮测转换成适 于传愉或测虽的信号（一般指电信号）的部分；蓬車转换吐路可以对我得的徽崩Hi倍号进行 放大、运算调制等.対外基本转

6、换电路T柞时必须右轴助电珮：雲!应儿件忆换儿卄1县;11：荐雎|1坚ME2-5.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XX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。无线传感器

7、网络课后习题答案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

8、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。无线传感器网络课后习题答案掘3.2描述JL役传憊器网络结点曾遍Hl用的一种劉州址协姑构，I n 丁 H前还丫殳召 成标冷比的物理U结拘，所门亦实际说计时幡足布该物理Jz!範结构的塔础

9、卜.迸n改进，累需昇传«襦网鋼物E1孱的輔第构4宇、Y1宇节i字恂可变快度曲导#3W头抽1：虔C7比特）課留位PS1XJ同出头軌的任睦，星尢为1ZS字PPHY负载物理恤的曲-个字段出M导啊.字节数-腔取4.用于收；器进行科片或肾符号的同 步第二个字段足秋久尺度適常为个字懊衣示同步詰來、数拥包开始传输"帧头与前 导妈构成门刈妙头.軸氏度宁战通常山=个字节的低7俺衣示Jt值就足后般嗣物理R PHY负級的获吐. 因此它的后绽PHY负戟的托度不会超过1?7宁节物理锁PHY的Ci喪艮度町变-称为物虺服务数据单元（FHY Service Data Utute- PSnU携带PHY数据包

10、的數据.PSDU城足物理层励载倩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勺基木访问机制。并说明随机退避时间的计算方法。根据（ A协攻当结点募传輸 个仆组时它苜itf贞听信逍状态；如果倍迫奢 闱I加n经过 亍帧间间时间DIFS后仃逋仍然空hj.则站点；f即开始髓過仃患.如果 信

11、逍忙呵站点冶终就听信迪1'1到信逍刖空W时间趙过DIFS.巧信道最终字闲卜束的时 权结点进 步悝用1谨制也il?f算蟄.进人iB谶状态来毬见疑生确播 图3. 2描述了这种 CSMA/CAiOJiAfU,制.阳机退ie时网按下mi公式逬n计百.(3.1)皿避IbJiPiJ =Ra（idotn（ ） XaSlottime:M玄道临I和加火干I-山忤DiriiME用信祈PIE詈/*SIFS'/倍晅忙r -口” I'nJK 3.2 CSMA CA的星本i/j阿肌骼在竟窗H内均匀井布的伪随机整数；CW垦整数瑚机数它的散值位十标准规琏的曲Wmm和aCW皿盖之间；a乩niime是一个

12、时W时间*包插塩射动 吋间、介a鶴播时延.检测信迺的响应时阿等。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(DCF、点协调功能(PCF，期中DCF是基本访问控制方式。PCF工柞办式蹇堆r优先级的无竟牛访问办贰-它通过访问按人Access Point. Am来协劉结点的数据收发采用轮ifij方式杏11号I商哪此結点冇数据发送的请求.井在必枣 吋绻予数据畫送权.<tDCF 卜载波俺听机制適过物用.戦3別削斤和Jtfe拟载幾帧听来确定尢线信適的狀态.拘理载波帧听eNM层摄供店掘戦瀝(贞卩斤由知.久展挝低如图3.1所示.如卑3-10.通

13、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。(

14、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。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

15、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。TPSN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

16、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、至肚时间差、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

17、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测距的原理是什么？RS刃测距的愎理如下*接收机通过測竝时極信号的能at-tffj定4S送机的距离，无 线们号的烷射功率和接收功率之H的关系如式4 5）斯小，罠中P,是无线们号的接收功 礪是无线侑巧的®射功率绘收发单元之何的距离传播W C传播W r的数值大小 取决于无线倩号传播的环境.4-10.简述ToA测距的原理。ToA机制是U知信号的传播速度，根据信号的传播时同来计算结点问的距禽图4,4 缔出r展于ToA测距的ffi单实现过程示例*采用伪噪声序列信0作为声波们根

18、据声波 的传播吋间來测粧結点之间的距离图4.4 ToAffl甌原理的过E示例4-11.举例说明TDoA的测距过程。无线传感器网络课后习题答案在基f- TDoA的宦位机制屮绘射结点同时发咐两种不同传播速度的无线信町接收 站点根据两种fTf号到达的吋间汕决这两种trf号的传播速度汁算闯亍站点之间的距离,.,如图4*5所示，发射结点同时股射无线射*恢佶時和制声彼信号接收结点记朵卜这«种 給号的到达时间八、珀，lA炖无线射频信号和趙声波的传播i來度为门、5 那么两点之间的 距离为（几一丁）5 * H冲 S=f 】S tVj <2）4-12.举例说明AoA测角的过程。在基1： AqA的定

19、位机制中接收结点通过天线昨列或多个ffi声波接收机束幔知处射 结点信号的列达方向*il3接收结点和发射结点之间的W对疗位和角度.耳通过二ft测计算结点的位？?，如I图4. 6所/J；我收结点通过麦克风阵列我测魏知结点V的列达方向.AqA崖位 不仅陡够确定结点的坐标述能够确定结点的方（<（,；&.但是AoA関甌肢术蜴受外界环境 影响.需塑麵外理件它的锁件尺1和功桎指标不适用T大规模的传感器网络虚臬些应 用领域可以发挥作用、一V圈 46 AoA 示例4-13 .试描述传感器网络多边定位法的原理。无线传感器网络课后习题答案雾边宦位辻垂r距离测量(如RSSLToA TDoA的结果.确星二

20、雅坐标至少具档二 个结点至锚点的那离伉：硏是二堆坐标则爲四牛此类测跆.伉假设已刻I信标锚点A. A； . .A,. .1八的坐杯依次分圳为5 * ¥1 )、( 丁X M ) * (巧於 Q如几即各隔点位讨为(£灼】“=12*3宀.如杲侍世业结点的牛标为J几并且 已知它至齐锚点的测距段ffi为乩可野L<i 丿夕-H (yj =擀fO- "汕一代扎中为恃求的耒知坐标.将第前可一1牛等式诚灰绘菇等式;丄专=aj = 2(.Il =並"I yf = yl = 2(y,=讥).v = df =倉f+. 10)y ,11 r： 2【心_./ J-r'

21、+ .V；- yi 2(y,-i 几_¥ 疋 用庚阵和向竝盘达为形式心=筑其忆2<-ri 工J2、 -恥厂j-i -.疋十yi 疋十世一诱1 *27* I 兀)*42<v. L -一 vJ=-b-ri-r； i.! u 1 yt 1, y! ' 疋一di 1根址小均方估计(Minimum Mean Square Error * MMSEJ的方法必理*可U求得解 为左=(*2-*4.当矩阵求逆不能计算时这种方程不适Hb否则可«功衍刊位賈佔计 h从上述过程可看出*这种定位方法本质匕就是最小二乘估计.4-14.简述Min-max定位方法的原理。多边定位法的淳点

22、运袜曲大*讣nftft岛是位是根懈若干锚点悅代ftl 特求纳点杓海更借创建念个进界梶.所仃址岸掖的茂麹为一範聘取此J9i殛前1心圧为 持定位结点的坐标14 这种宦位方法计算商单后人多以此为華础衍生出n己的定位 方案R1 4.8为采用三A锚点进Min-max；/法示例即必呆错点H f = 1,23坠掠 5八y >为地仙加J:或誡止测趾位乩*戟fij锚A t的边界fr；：心一必一认j K 斗十/ 阳+"丄呑所冇位S点工一必加+討P取杲小伉、所有斗一乩*卩一乩1屮城毘大伉+则交圭 形収 fVi |liJiax(. f/,)- iiiiix(;) =<A. )J X iXjinC

23、 J', I tA > umii( v. + ) j * 二牛锚;点用同形成 交叉矩形矩1质心即为所求黠点的佔计位骨.4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。我们怀道.在计n几何学蚩劣辿形的儿何中心称为质心多边形顶点半标的年均俺就是 尿t结点的坐标，仪址爭边脳応点位置的坐标向g捷爪为P =（也.Vr）'-卿这4、參边丿目的 质心坐标"*屮为SW-（+» +»）例如r加果网边舷ABt'P的頂点坐标分別为（r,） + （也曲昇*（ 0 .M. gM n则它的厢心出标计算如下：亠-:些+斗卫、+丹:力亠户）辽种方仏的计n U尖现部罪常简单

24、根据閘塔的连迪性确定H1U标牯点附M的f；标参 丐结点J直接求解侑标霑丐结点徇成的边形的质心°在传蟒器阿络贏4定位系统的实规中.幡点周期件地向临近结点广播分组信息*陲信息 包倉锚点的标讲和位西"当:如结点接收到来n不同鼻点的分纽信世数城过泉门隈 或在接收一定时问之后就可以计算这坐舗点所细成的名边册的质心作为确定出n 位 置.由皿心棵法完全基j网黑11通件无需禍点和未卿站点之间的协作和交成通信协 涮-丙而励于实现。在传感器网络质心定伸系统的实现中.带点周期性地向临近结点广播分甜侑总.战信息 但齊了锚点的标识和何賈，未知结点接收到来门不同锚点的分组舊息數址1过某门限 或亦捷收

25、矩时闾之肩.就可口计算这些描点所纽|戍的号沟形的质心.作为确足岀自身侑 耆 由于质心算檢完仝草于网络连诵性.尤需锚点和未旬结点之伺的协作和交忙式通信协 则r因廊易于实现质上髯忖并法虽然实现简单、迎信开销小*但仅能实现粗料度定齿於望信标锚点U冇 较為的密度备禍点部艸的位置也对定位蛙果有影响。4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。DV-Hop算法解底r低锚点密度引发的何題*它根1距离-先域路由协i丈的原理在全网 抠用内广播眺数和位S. M个給点改电 个至各谕点廉小眺数的计數器粮据接受的用i血 新计數需.锚点广播其坐杯付曽平结点接受列新的广播涓息时如黒跳数小于存储的数 frt 则更新并转

26、皤谀跳數.不進旳舞址釆用娶似京理.锚心:坐标出仝网内辛比泛.结点维护劃 锚恵的跳数根折捲忧的锚点付置和跳数计算n砒位臂W如图4. 9祈示已钏锚虽L,打U J.,之间的距离和跳ft L： i|弟再列胶止值即甲均 邯跳距离）为40* 75）/（2 + 5）-：1£.42皿"i用设传感器网貉中的侍定位站点人从4荻得栓 正值、则它与3个梆点之间的!/离仆别是D,=3X16.+2JJz=2XlS. 42 ./J, = 3 X Ifi, 42.然 麻tUH多辺测虽法确定酷点八的位直一.4DV-Hop耳袪定过忸的示例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)

27、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(2)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？该方法是把来n乡牛传感器的众多数据进行塚令甲均.它适用

28、丁同擔传感器检测同 个检测rt标.这是最和单、衆的数躺融合方法该方法将=组传感黠捉供的冗金信恵 进行加权平均结果作力融件值.如果对一牛椅胡；n标进行了员次检测则综合平均的结骼为为分配给第/次检测的权璽.4-20.常见的数据融合方法有哪些？综合平均法、卡尔曼滤波法、XX估计法、D-S证据推理法、统计决策理论、模糊 逻辑法、产生式规则法、神经网络方法。4-21.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么？它反映出传感器网络数据传输的 什么特点？(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

29、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

30、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XX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？信息咬令就忌要保iiE网络中传输信息的安全Fh对于无线传感器M络而言体的信 息女全需求旳容包站如卜： 敬据的机密性保LL网络内传输的i；i息不诫菲法窃听. 数抵鉴别保用户呼£到的信息来口己方结直Ifri非人结点， 数据的完整性课ii散据在佟辎过程屮汝仃被恋总蝕改°数错的宣效性保证数据在时做范围内破传输沿用门，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.这种攻击通常需婪胸牛悲盘结点相出通*合谋进行攻击.如 图4.14所爪=住通常情况下一个恶意结山位于帥Is（即摸失结加附近.另一金恶S结M 离对皿较远“校远前那个洁点面称冃己和衬nk附近的结点町以建立低时延和?带宽的 链略-从血吸川出由结点将垃据包发賂它，在