(2020年7月整理)无线传感器网络课后习题答案解析

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。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(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。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件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?(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、(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缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要特征：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。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。2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么?2-5.集成传感器的特点是什么?2-7.传感器的一般特性包括哪些指标?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。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。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。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。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。3-9.IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式?每种方式是如何工作的?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（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。（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。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: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。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。4-10.简述ToA测距的原理。4-11.举例说明TDoA的测距过程。4-12.举例说明AoA测角的过程。4-13.试描述传感器网络多边定位法的原理。4-14.简述Min-max定位方法的原理。4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。★4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。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）①节省整个网络的能量②增强所收集数据的准确性③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?4-20.常见的数据融合方法有哪些?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?（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，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?4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程4-28.SPINS安全协议簇能提供哪些功能?SPINS安个协议簇是最早的无线传感器网络的安全框架之一。包含了SNEP和μTESLA两个安全协议。SNEP协议6-3.低速无线个域网具有哪些特点?低速无线个域网是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无15.4标准为低速无线个域网制定了物理层和MAC子层协议。6-7.简述ZigBee的技术特点(2)有效范围小。有效似盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。(3)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4G