无线传感器网络试题库1教学内容.docx

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无线传感器网络试题库1教学内容

无线传感器网络试题库1

《无线传感器网络》

一、填空题（每题4分，共计60分）

1.传感器网络的三个基本要素：

传感器、感知对象、用户（观察者）

2.传感器网络的基本功能：

协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息3、

3.无线传感器节点的基本功能：

采集数据、数据处理、控制、通信

4.无线通信物理层的主要技术包括：

介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术

5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：

直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频

6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：

兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段

7.无线传感器网络特点：

大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络

8.无线传感器网络的关键技术主要包括：

网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术

9.IEEE802.15.4标准主要包括：

物理层。

介质访问控制层

10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：

后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。

11.数据融合的内容主要包括：

多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测

12.无线传感器网络可以选择的频段有：

_800MHz___915M__、2.4GHz、___5GHz

13.传感器网络的电源节能方法：

_休眠（技术）机制、__数据融合

14.传感器网络的安全问题：

（1）机密性问题。

（2）点到点的消息认证问题。

（3）完整性鉴别问题。

15.802.11规定三种帧间间隔：

短帧间间隔SIFS，长度为28s

a）、点协调功能帧间间隔PIFS长度是SIFS加一个时隙（slot）长度，即78s

b）分布协调功能帧间间隔DIFS，DIFS长度=PIFS+1个时隙长度，DIFS的长度为128s

16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：

1、6、11频道。

17.802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：

接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等

18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成

19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成

20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖万物的网络。

RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。

二、基本概念解释（每题5分，共40分）

1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理

CSMA/CA机制:

当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。

若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。

发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。

如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。

若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。

否则执行退避算法。

2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？

•802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。

分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。

由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。

•⑴建立关联：

当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。

能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。

AP可以接受或拒绝移动站点的加入。

如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。

•⑵解除关联。

无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系

•⑶重建关联。

站点可以使用该服务来改变它的首选AP。

•⑷分发。

该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。

如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。

•⑸集成。

如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式

站服务4种站服务用于管理单元内的活动。

•⑴身份认证。

当移动站点与AP建立了关联后，AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。

•⑵解除认证。

一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。

•⑶保密。

处理加密和解密，加密算法为RC4。

⑷数据传递。

提供了一种数据传送和接收方法

3.简述无线传感器网络系统工作过程

无线传感器网络（WSN）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，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户

4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？

在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。

不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差，

RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。

这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。

这种同步协议的缺点是协议开销大

TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。

5.为什么无线传感器网络需要节点定位，简述基于距离的定位算法三边测量算法、三角测量算法的工作原理？

传感器节点的自身定位是传感器网络应用的基础。

许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置，并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。

若没有位置信息，传感器节点所采集的数据几乎是没有应用价值的。

所以，在无线传感器网络的应用中，节点的定位成为关键的问题。

基于距离的定位算法：

通过测量节点与信标节点间的实际距离或方位进行定位

三边测量算法：

已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标

三角测量算法：

已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标；

6.无线传感器网络体系结构包括哪些部分，各部分的功能分别是什么？

无线传感器网络体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层和能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

7.简述基于ZigBee无线传感器网络架构?

说明节点设备类型的不同与功能？

基于ZigBee无线传感器网络节点的核心部件采用Chipcon公司生产的2.4GHz射频系统单芯片CC2430。

该单芯片上整合了ZigBeeRF前端、内存和微控制器等。

其结构框图如图所示。

ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器和终端设备。

协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点和存储各节点信息。

路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。

终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型的物理设备。

8.简述无线传感器应用的开发过程，系统仿真常用哪些软件平台？

开发过程

　　依据软件工程的思想，结合无线传感器网络及嵌入式系统开发的特征，总结在开发无线传感器网络应用过程中的经验，整个开发过程分为分析、设计、实现和测试四个阶段

分析阶段:

整个开发过程始于分析阶段，这个阶段显示系统应该做什么。

指出系统要实现的目标，在分析阶段，要分析具体的应用背景及用户或用户代表对系统的期望，并给出明确的定义，在此基础上分析员要能够准确地定义系统的需求。

设计阶段:

依据系统需求，设计选用适合目标系统的硬件平台、软件系统等。

使用模块化原则，使用结构图将系统应用程序先划分为较小的部分，以便能够容易理解和处理。

在模块划分的过程中，要尽量达到模块间的松散藕合，以提高可重用性，使维护修改更容易，实现新的用户需求。

实现阶段:

完成系统软硬件平台的定制和创建实际的程序。

根据目标系统的设计和需求，定制传感器节点的功能，并对WSN操作系统（软件平台）进行裁减，剔除开发目标系统所不需要的部分，以节省有限的空间，提高系统运行效率。

测试阶段:

将编译成功的应用程序导人节点进行测试。

目前无线传感器网络使用的仿真工具主要有NS2、TinyOS、OPNET、OMNET++等等。

其中TinyOS是专门针对无线传感器网络的特点而研究开发的。

 NS2:

NS是一种可扩展、以配置和可编程的时间驱动的仿真工具,它是由REAL仿真器发展而来.在NS的设计中,使用C++和OTCL两种程序设计语言, C++是一种相对运行速度较快但是转换比较慢的语言，所以C++语言被用来实现网络协议, 编写NS底层的仿真引擎; OTCL是运行速度较慢,但可以快速转换的脚本语言,正好和C++互补,所以OTCL语言被用来配置仿真中各种参数,建立仿真的整体结构, OTCL的脚本通过调用引擎中各类属性、方法,定义网络的拓扑,配置源节点、目的节点建立链接,产生所有事件的时间表,运行并跟踪仿真结果,还可以对结果进行相应的统计处理或制图.NS可以提供有线网络、无线网络中链路层及其上层精确到数据包的一系列行为仿真。

NS中的许多协议都和真实代码十分接近,其真实性和可靠性是非常高的

OPNET主要特点包括以下几个方面:

（1）采用面向对象的技术,对象的属性可以任意配置,每一对象属于相应行为和功能的类,可以通过定义新的类来满足不同的系统要求； 

（2）OPNET提供了各种通信网络和信息系统的处理构件和模块；（3） OPNET采用图形化界面建模,为使用者提供三层（网络层、节点层、进程层）建模机制来描述现实的系统；（4） OPNET在过程层次中使用有限状态机来对其它协议和过程进行建模,用户模型及OPNET内置模型将会自动生成C语言实现可执行的高效、高离散事件的模拟流程；（5） OPNET内建了很多性能分析器,它会自动采集模拟过程的结果数据；（6）OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型,如均匀分布、泊松分布等

TinyOS是专门针对传感器研发出的操作系统。

使用的语言为nesC语言。

TinyOS操作系统中常用的仿真平台主要是TOSSIM和Avrora

（1）TOSSIM（TinyOS simulation）是一个支持基于TinyOS的应用在PC机上运行的模拟器.TOSSIM运行和传感器硬件相同的代码,仿真编译器能直接从TinyOS应用的组件表中编译生成仿真程序。

（2）Avrora是一种专门为Atmel和Mica2节点上以AVR单片机语言编写的程序提供仿真分析的工具。

9.无线传感器网络的路由协议有哪些类型？

路由协议的设计要求？

由协议主要分为四类:

基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量感知路由协议

现有的无线传感器网络路由协议设计以节能、延长网络生命周期为主要目的。

（1）QoS路由。

目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上,而在未来的研究中可能还需要解决由视频和成像传感器以及实时应用引起的QoS问题。

（2）支持移动性。

目前的WSNs路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差,如何在控制协议开销的前提下,支持快速拓扑感知是一个重要挑战。

　　（3）安全路由。

由于WSNs的固有特性,其路由协议极易受到安全威胁,是网络攻击的主要目标,设计简单、有效、适用于WSNs的安全机制是今后努力的方向。

　　（4）有效功耗。

WSNs中数据通信最为耗能,今后尽量通过使用数据融合技术、数据传输中采用过滤机制来减少通信量,并通过让各节点平均消耗能量来保持通信量的负载均衡。

（5）容错性。

由于WSNs节点容易发生故障,应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由,以确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复,可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性

10.无线传感器网络常用操作系统有哪些？

各有哪些特点？

WSN的操作系统（WSNOS）是WSN系统的基本软件环境，是许许多多的WSN应用软件开发的基础。

WSNOS不是特定的系统/用户界面，也不是特定的一系列系统服务，而是定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务和实现；它提供框架的模块化，以便适应硬件的多样性，同时允许应用程序重用通用的软件服务和抽象。

同其他操作系统一样，WSNOS是为了方便开发应用，提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现。

它的独特性在于，资源极端受限（处理器速度、存储器大小、内存大小、通讯带宽、资源数量以及电源受限），设备特殊性和缺乏一致的抽象层次。

因此，WSNOS的设计策略必须是一个资源库，从中抽取一部分组成应用。

它致力于提供有限资源的并发，而不是提供接口或形式。

伯克利开发的TinyOS正是这样一套WSNOS系统

ØTinyOS2.0：

美国加州大学伯克利分校开发，事件驱动，基于组件，使用nesC编写，nesC:

使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法，增加了组件（component）和接口（interface）的关键字定义，定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系的方法，目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置

ØMantisOS0.9.5（MultimodalNetworksofIn-situSensors）：

美国克罗拉多大学开发，轻量级的基于抢占的多线程无线传感器网络操作系统，编程语言为c语言，整个内核占用的RAM小于500个字节，适合于无线传感器网络中处理复杂任务（例如加密解密，数据融合，定位，时间同步等）的需求

ØSOS1.7：

美国加州大学洛杉矶分校开发，提供了很好的动态增加和删除模块的功能，内核和应用程序模块中都使用动态存储，实现了优先级调度，使用标准C语言和编译器

11.WSN和Ad-hoc网络、传统无线宽带网络相比的差异，以及WSN的特点。

WSN是Adhoc网络的一种典型应用，但WSN与传统的Adhoc网络存在以下区别：

1、WSN节点数量更为庞大，分布更为密集；2、WSN节点更容易失效，网络拓扑变化频繁；3、WSN主要使用广播通信机制，而Adhoc网络是基于点对点的通信；4、WSN节点的动力能源、运算能力、存储器大小均受局限；5、WSN不必拥有全球统一标识符；6、WSN以数据为中心。

正是由于WSN与Adhoc网络存在以上的显著区别，导致Adhoc网络的许多研究成果不能适用于WSN，也导致两者的应用存在着显著差别。

由于Adhoc网络具有节点对等、多跳无中心接入、不依赖网络基础设施、抗毁性强等特点，使得它的应用领域与普通的通信网络有着非常大的区别。

12.传感器节点的组成和特点。

结构：

节点可以组成三种拓朴结构：

星型结构、网状结构（Mesh）和簇状结构（Clustertree）。

节点以自组织形式构成网络、每个节点都可以自主采集数据，数据通过单跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点（Sink节点）。

汇聚节点将收集的数据发送到远程的控制中心，或通过RS232接口把数据发送给PC机进行数据处理和存储。

特点：

（1）网络节点密度高，数量大；

（2）节点的计算和存储能力有限；（3）节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，节点能量有限；（4）通信能力有限，传感器网络的通信带宽较窄，节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米，因此在有限的通信能力下如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题；（5）各传感器节点位置随机分布，具有自组织特性。

13.S-MAC协议的实现手段和特点

基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（CSMA）接入方式。

在无线局域网IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA）协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。

CSMA/CA机制:

在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。

这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。

14.MAC层中共享介质避免冲突的主要方法

在802.11无线局域网协议中，冲突的检测存在一定的问题，这个问题称为"Near/Far"现象，这是由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。

鉴于这个差异，在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）或者DCF（DistributedCoordinationFunction）。

CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。

15.目前无线传感器网络采用的主要传输介质有哪些？

各有何特点？

目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。

（1）无线通信的介质包括电磁波和声波。

电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。

根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。

（2）无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。

无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。

16.什么是mesh网络？

mesh网络有何特点？

无线mesh网络，由meshrouters和meshclients组成，其中meshrouters构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为meshclients提供多跳的无线internet连接。

无线Mesh网络（也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

特点：

1.快速部署和易于安装。

2.非视距传输（NLOS）。

3.健壮性。

4．结构灵活。

5．高带宽。

17.什么是调制技术？

为什么WSN物理层要进行调制机制设计？

a）调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。

它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。

数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。

它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。

b）调制技术的最终目的就是使得调制以后的信号对干扰有较强的抵抗作用，同时对相邻的信道信号干扰较小，解调方便且易于集成。

18.调制方式BPSK、O-QPSK是什么含义？

（1）BPSK全称：

BinaryPhaseShiftKeying。

把模拟信号转换成数据值的转换方式之一。

是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相方式的一种。

BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值（1比特）的信息。

由于最单纯的键控移相方式虽抗噪音较强但传送效率差，所以常常使用利用4个相位的QPSK和利用8个相位的8PSK。

（2）偏移四相相移键控信号简称“O-QPSK”。

全称为offsetQPSK，也就是相对移相方式OQPSK。

它具有一系列独特的优点，已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。

在数字信号的调制方式中QPSK四相移键控是最常用的一种卫星数字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单。

19.什么是贪婪（贪心）算法？

贪心算法（又称贪婪算法）是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。

也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。

贪心算法不是对所有问题都能得到整体最优解，但对范围相当广泛的许多问题他能产生整体最优解或者是整体最优解的近似解。

贪婪算法（Greedyalgorithm）是一种对某些求最优解问题的更简单、更迅速的设计技术。

用贪婪法设计算法的特点是一步一步地进行，常以当前情况为基础根据某个优化测度作最优选择，而不考虑各种可能的整体情况，它省去了为找最优解要穷尽所有可能而必须耗费的大量时间，它采用自顶向下，以迭代的方法做出相继的贪心选择，每做一次贪心选择就将所求问题简化为一个规模更小的子问题，通过每一步贪心选择，可得到问题的一个最优解，虽然每一步上都要保证能获得局部最优解，但由此产生的全局解有时不一定是最优的，所以贪婪法不要回溯。

　　贪婪算法是一种改进了的分级处理方法。

其核心是根据题意选取一种量度标准。

然后将这多个输入排成这种量度标准所要求的顺序，按这种顺序一次输入一个量。

如果这个输入和当前已构成在这种量度意义下的部分最佳解加在一起不能产生一个可行解，则不把此输入加到这部分解中。

这种能够得到某种量度意义下最优解的分级处理方法称为贪婪算法。

　　对于一个给定的问题，往往可能有好几种量度标准。

初看起来，这些量度标准似乎都是可取的，但实际上，用其中的大多数量度标准作贪婪处理所得到该量度意义下的最优解并不是问题的最优解，而是次优解。

因此，选择能产生问题最优解的最优量度标准是使用贪婪算法的核心。

20.GPSR协议数据转发模式有哪些？

区别是什么？

传送模式：

贪婪转发模式和周边转发模式。

贪婪转发模式：

若节点是距离目的节点最近的一个中转节点，则源节点将分组转发至节点"，如果某个邻节点与网关接点的距离小于自身到网关的距离，则保持当前模式，同时转发给选定的邻节点，如果满足不了上述要求，则将数据分组中的模式判断标志位设置为就改变数据模式为周边转发模式

周边转发模式：

该模式使用简单的平坦图遍历算法）其执行的过程如图,所示）实际上，当一个数据分组在节点（处进入周边转发模式时，"#$%$&会在平坦图&/"上逐步靠近目的节点%的面上按照右手法则将该数据分组转发到该面的第一条边上，节点（同时也确定了用于转发该数据分组的第一个面，这样的面被节点（到节点%的连线（%所分割!

当一个数据分组进入到周边转发模式时，"#$%$&会记录下模式切换点$）的位置信息，并将它保留在数据分组中!

保存$）位置信息的目的是为了在后面的转发过程中判断数据分组是否可恢复为贪婪转发模式!

一旦某一节点收到了周边转发模式的数据分组，"#$%$&首先会对保存在数据分组中的位置信息$）和该节点的位置信息进行比较，如果该转发节点到目的节点%的欧氏距离比$）到目的节点%的欧氏距离小，则"#$%$&标志该数据分组为贪婪转发模式，重新进入模式-的转发执行过程）在周边转发模式中，如果所要遍历的面的下一条边在数据分组中已经有了记录，表明此时数据分组进入到了路由环路中，丢弃该数据分组

21.什么路由空洞？

如何产生的？

怎样解决？

使用贪婪转发策略会出现所谓路由空洞缺欠。

如图1所示S为源节点D为目的节点I、J是以T为圆心T的感应半径为半径的圆和以D为圆心TD为半径的圆的两个交点在这里我们称两个圆的交点为路由空洞的顶点。

按照贪婪算法思想从S选择离D最近的邻居A为下一跳同理A选择T为下一跳。

但是T的所有邻居都比