武汉理工大学期末无线传感网络复习资料.docx

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武汉理工大学期末无线传感网络复习资料

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无线传感网络复习提纲

一．填空题。

（40分）

1.无线传感器网络的标准定义是，无线传感网络是大量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。

2.无线网络可以分为有基础设施网和无基础设施网；无基础设施网又可以分为移动AdHoc网络和无线传感器网络。

3.传感器组网的六个特点：

自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大、可靠性。

4.无线传感网络的拓扑结构，按照其组网形式和方式来看，有集中式、分布式和混合式。

5.无线传感器网络通常可以分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构以及Mesh网络结构。

6.从无线网的角度看，传感器网络节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3个部分组成。

（p32）

7.OSI参考模型的七层分别为：

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

8.在分布式系统中，时间同步涉及到物理时间和逻辑时间另个不同的概念，物理时间表示人类社会使用的绝对时间，而逻辑时间体现了事件发生的顺序关系，是一个相对的概念。

（P53）

9.无线传感器网络的定位问题的含义是指自组织的网络通过特定的方法提供节点的位置信息，这种自组织的网络的定位可分为节点的自身的定位和目标的定位，节点的自身定位是确定节点的自身位置的过程，目标定位是确定网络覆盖区域内的一个事件或者一个目标的坐标的位置。

（P58）

10.位置信息有多种分类的方法，通常位置信息有物理位置和符号位置两大类。

物理位置是指目标在特定的坐标系下的位置数值，表示目标的相对或绝对的位置，符号位置指目标与一个基站或多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的联通关系，提供目标大致的所在的范围。

（P58）

11.在多传感器系统中所用到的传感器可以分为有源传感器和无源传感器两种，有源传感器发射某种形式的信息，然后接收环境和目标对该信息的反射或散射信息，无源传感器不发射任何形式的信息，完全靠接收环境和目标的辐射俩形成源信息。

（P66）

12.根据融合前后数据的信息含量进行分类，可分为无损失融合和有损失融合；

13.根据融合操作的级别，可分为数据集融合、特征级融合和决策级融合。

14.节点的故障检测：

根据检测过程是否集中进行，节点故障检测可分为集中式故障检测和分布式故障检测两种。

（P91）

15.ZigBee主要定义了网络、安全和应用框架层，通常它的网络支持三种拓扑结构，包括星型结构（Star）、网状结构（Mesh）和簇树型结构（ClusterTree）。

星型网络最常见，可提供很长的电池使用寿命。

网状网络可有多条传输路径，具有较高的可靠性。

簇树型网络结合可星型和网状节后的特点，既有较高的可靠性，有能节省电池电量。

16.蓝牙可以提供点对点和点对多点的无线通信。

在基于蓝牙的网络中，所有设备的地位、都是平等的。

17.按照源节点获取路径的方法来分类，无限传感器网络路由协议可以分为：

主动路由协议、按需路由协议、混合路由协议。

按照节点参与通信的方式来分类，可以分为直接通信路由协议、平面路由协议、层次路由协议。

按照路由的发现过程可以分为以位置信息为中心的路由协议和以数据为中心的路由协议。

18.保证QoS的路由协议是指在路由建立时，考虑时延、丢包率等QoS参数，从多条可行的路由中选择一条最适合QoS应用要求的路由。

二、简述题、简答题。

1.现代信息技术与无线传感器网络之间的关系（图见P21-2）

根据传感器的定义，传感网落有实现数据采集、处理和传输的三种功能，而正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术，它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和神经三个部分。

因此，无线传感网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。

此外，由定义可得，传感器、感知对象和用户是传感器网络的三个基本和要素。

无线网络是传感器之间、传感器与用户之间最常用的通信方式，用于在传感器和用

分级网络结构，也叫层次网络结构，是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑网络，网络层分为上层和下层两部分。

上层为中心骨干的节点，下层为一般传感器节点。

通常，网络可能存在一个或者多个骨干节点，骨干节点之间或者一般传感器节点之间采用的是平面网络结构。

具有汇聚功能节点和一般传感器网络节点之间采用的是分级网络结构。

所有骨干节点均为对等结构，骨干节点和一般节点有着不同的功能特性，每个骨干节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能协议，而一般传感器节点一般没有路由、管理和汇聚的功能。

这种分级网络通常以簇的形式存在，按照功能分为簇首，即具有汇聚功能的骨干节点，称之为clusterhead，以及成员节点，即一般传感器节点，称之为member。

这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设的成本，提高网络覆盖率和可靠性。

但是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能直接通信。

4.

艺术馆问题：

设想艺术馆的业主需要摆放照相机，防止小偷盗窃。

为了实现这个算法需要回答两个问题：

首先，到底需要多少个相机；其次，相机应当放在什么地方可以保证馆内每一个节点都至少能够被一台相机监测到。

假定相机可以有360度视角并且可以以极大的速度旋转，相机可以监视任意地方，视线不受影响。

问题优化就是要实现所需相机数量的最小化。

在这个问题中，艺术馆通常被建模成一个二维平面的简单多边形，一个简单的办法就是把多边形划分成为不重叠的三角形，每个三角形里面放置一个相机。

通过三角测量法可以将多边形分成若干个三角形，这样可以让任意一个多边形都被分成n/3个相机所监视到，这里n表示多边形包含的三角形个数。

这也是最糟糕的结果。

在上面的图中，放置两个相机足够覆盖整个艺术馆了。

5.数据融合的主要方法（P71）

通常，数据融合的大致过程如下，首先将被测对象的输出结果转换为电信号，然后经过A/D转换形成数字量。

接下来，数字电信号经过预处理，滤除数据采集过程中的干扰和噪声，接着对经过处理后有用的信号进行特征提取，实现数据融合，或者直接对信号进行融合处理，最后输出融合结果。

A．综合平均法：

该方法是把来多个传感器的众多的数据进行综合的平均，适合同类传感器检测同一目标的情况，这是最简单最直观的数据融合的方法，该方法将一组传感器提供的冗余信息进行加权平均，并将融合的结果作为融合值。

假设对一检测目标进行了K次检测，则综合平均的结果是：

其中Wi为分配给第i次检测的权重。

B．卡尔曼滤波法：

用于融合低层的实时动态多传感器的冗余数据，该方法利用测量模型的统计特性，递推地确定数据融合的估计，该估计在统计意义上是最优的。

如果系统可以用一个线性模型来描述，且系统与传感器的误差均值符合高斯白噪声模型，则卡尔曼滤波将为数据融合提供唯一统计意义上的最优估计。

卡尔曼的滤波特性使得它特别适合在那些不具备大量数据存储能力的系统中使用。

应用卡尔曼滤波后对n个传感器测量数据进行融合后，既可以获得系统当前状态估计，又可以预报系统未来的状态。

对所估计的系统状态可以表示移动机器人的当前位置、目标位置和速度、从传感器数据中抽样的特征或者实际测量值本身。

6.基于测距的定位技术（Min-Max定位方法）P63

锚点：

指通过其他的方式预先获得位置坐标的节点，有时也被称作信标节点。

多边定位法的浮点运算量大，计算代价高。

Min-max定位根据若干锚点位置和至待求节点的测距值，创建多个边界框，所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作为待定位节点的坐标。

这种定位方法计算简单，后人多以此为基础衍生出自己的定位方案。

7.传感器网络实例（P168-P169）

8.洪泛路由协议（简答/简述）

洪泛路由协议（FloodingProtocol）是一种最早的路由协议，接收到消息的节点以广播的彤式转发报文给所有的邻居节点。

源节点S希望发送数据给目的节点D，首先要通过网络将数据分组传送给它的一个邻居节点，各个邻居节点又将其传输给各自的邻居节点，除了刚刚给它们发送数据分组的节点S外。

如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止，或者为该数据所设定的生命期限为0为止，或者所有节点拥有此数据分组位置。

洪泛法的优点和缺点都十分突出，其优点是实现简单，适用于健壮性要求高的场合；其缺点是存在信息爆炸问题、出现部分数据交迭的现象和盲目使用资源等。

9.能量路由（计算）P195

能量路由是最早提出的传感器网络路由机制之一，根据节点的可用能量（PowerAvailable，PA）或传输路径上链路的能量需求，选择数据的转发路径。

节点可用能量就是节点当前的剩余能量。

在如图7-6所示的网络中，源节点是一般功能的传感器节点，完成数据采集工作。

汇聚节点是数据发送的目标节点。

大写字母表示节点，如节点A，节点右侧括号内的数字表示节点的可用能量。

图中的双向线表示节点之间的通信链路，链路上的数字表示在该链路上发送数据消耗的能量。

在图中，从源节点到汇聚节点的可能路径有4条。

路径1：

源节点—B—A—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为4，在该路径上发送分组需要的能量之和为3；

路径2：

源节点—C—B—A—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为6，在该路径上发送分组需要的能量之和为6；

路径3：

源节点—D—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为3，在该路上发送分组需要的能量之和为4；

路径4：

源节点—F—E—汇聚节点，路径上所有节点PA之和为5，在该路径上发送分组需要的能量之和为6。

能量路由选择策略主要有以下几种：

最大可用能量路由、最小能量消耗路由、最少跳数路由和最大最小PA节点路由。

10.无线传感器网络硬件结构及分类（简答/简述）

无线传感器网络中主要涉及三类硬件平台：

传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（又称基站、网关节点、Sink节点）及管理结点。

1．传感器节点

传感器节点兼作传统网络的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

2．汇聚节点

汇聚节点实现两个通信网络之间数据的交换，实现两种协议栈之间的通信协议转换，它发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。

其既可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。

3．管理结点

管理结点对整个网络进行监测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备。

11.传感器集结点开发实例（设计）P249