无线传感课程报告答案.docx
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无线传感课程报告答案
课程名称：
无线传感器网络技术
考试形式：
□专题研究报告□论文√大作业□综合考试
学生姓名：
学号：
序号
分项类别
得分
序号
分项类别
得分
序号
分项类别
得分
1
题目一
11
题目十一
21
题目二十一
2
题目二
12
题目十二
22
题目二十二
3
题目三
13
题目十三
23
题目二十三
4
题目四
14
题目十四
24
题目二十四
5
题目五
15
题目十五
25
题目二十五
6
题目六
16
题目十六
26
题目二十六
7
题目七
17
题目十七
27
题目二十七
8
题目八
18
题目十八
28
题目二十八
9
题目九
19
题目十九
29
题目二十九
10
题目十
20
题目二十
总分
（1）分析WSN和ADhoc网特征的相同之处和不同点。
不同点：
ad hoc可以用于没有武宣基础设施存在或出于费用和安全方面考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被不知在近地环境中，地波吸收现象不能忽视，并且高密度布置的传感器网络中断多用户接口也造成了很高的误比特率。
Ad hoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的输出模型更偏向于分层次模型。
相同点：
都是自组织网络，网络自动配置，动态拓扑结构，需要考虑网络的安全性等。
不同点：
无线传感器网络作为一种分布式传感器网络和移动Adhoc网络有相似点，但又有很多不同。
移动Adhoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。
作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动adhoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。
一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。
（2）WSN和传统无线宽带网络在设计中，各自的首要设计目标是什么。
WSN：
节约能源、扩展性和适应性
无线宽带：
高QoS和高效的带宽利用
（3）无线传感器网络的特点？
1、传感器节点体积小、能量有限：
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
由于传感器节点数目庞大，成本要求低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。
如何在使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。
2、通信能力有限：
传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。
传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。
由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。
如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，是传感器网络面临的挑战之一。
3、节点存储和计算能力有限：
传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。
如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
4、网络规模大、分布广：
传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。
此外，传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。
传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足传感器网络的功能要求。
其他：
大规模、自组织、可靠性、以数据为中心、集成化、具有密集的节点布置、协作方式执行任务、自组织方式等。
（4）802.15.4协议的特点，包括主要针对的应用场合、解决传输误码问题的方法，说明和ZIGBEE、6LoWPAN的层次关系？
802.15.4协议的主要特点：
1.工作频段和数据速率 ；2.支持简单器件 ；3.信标方式和超帧结构；4.数据传输和低功耗；5.安全性6.自配置
IEEE 802.15.4/ZigBee协议主要包括开放系统互连（OSI）五层模型的物理层、介质访问控制层、网络层、传输层，以及应用层。
（5）了解ISM波段含义，说明802.15.4协议所占ISM无线波段，以及各个波段的信道数。
ISM频段（Industrial Scientific Medical Band）主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段。
ISM频段属于无许可（Free License）频段，使用者无需许可证，没有所谓使用授权的限制。
ISM频段允许任何人随意地传输数据，但是对所有的功率进行限制，使得发射与接收之间只能是很短的距离，因而不同使用者之间不会相互干扰。
ISM频段为902-928MHZ，2.4-2.4835GHZ，5.725-5.850GHZ
在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道。
（6）传感器节点的主要组成，以及WSN中传感器节点的特点和限制条件？
组成：
控制器、通信装置、传感器/驱动器、存储器、能量供应
特点：
传感节点体积小、成本低、传感节点数量大、具有自适应能力
限制条件：
电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限
（7）路由协议的作用和功能？
WSN路由协议独特特征？
无线传感器网络（WSN）的路由协议设计是无线传感器自组网中的一个核心环节，路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括寻找源节点和目的节点间的优化路径、并沿此优化路径正确转发数据包等两个方面的功能。
用于建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包的动态路由协议，比如：
RIPV1,IGRP,OSPF等，可路由选择协议（Routedprotocols）:
已选择动态路由协议由最终节点使用,以将数据和网络层地址分配信息一起封装在数据包中,目的是它可以通过互连网络进行中继。
AppleTalk、IP和IPX都是已选择路由协议。
路由器使用路由选择协议（routingprotocols）,以建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包，动态路由协议使路由器可以了解没有直接连接的网络的状态和与其他的路由器通信,以了解它们所关心的网络，这种通信不断进行,这样当互连网络中发生变化时，路由选择表中的信息可以随时更新。
WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节点的机制，在网络层进行，负责路由 发现和维护。
路径选择:
寻找源节点和目的节点间的优化路径；数据转发：
将数据沿优化 路径正确转发。
（8）WSN路由协议的四种分类。
1、以数据为中心的路由：
在无线传感器网络应用中，终端用户往往只关心采集的数据，而不关心这些数据是从那个节点传送的。
2、基于层次节后的路由协议，基于层次的网络结构致力于解决如何节省网络节点的能量消耗，均摊网络能量，延长网络寿命。
3、基于地理信息路由协议。
合理利用节点的地理信息，从而将数据分组转发给一个特定区域而不是整个网络，减少网络能耗。
4、基于多路径的路由协议。
多路径路由协议能够提高网络的可靠性，并且可以将传输能耗分摊在更多的节点上。
（9）简要说明SPIN、DirectedDiffusion、TTDD、LEACH、LAR、P-MAC协议的最基本工作思想。
SPIN基本思想：
SPIN协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。
关键问题是通过节点之间的协商解决Flooding协议和Cossiping协议的内爆和重叠现象。
DirectedDiffusion：
DD协议用一组属性值命名它生成的数据。
为建立路由，sink节点在整个网络或部分区域内flooding包含查询任务的Interest消息；沿途节点按需对各Interest进行缓存与合并，并根据Interest计算、创建包含数据上报率、下一跳等信息的梯度，从而建立多条指向sink点的路径。
TTDD：
一个两层数据发布方式，以解决多个移动接收器的问题。
而不是从每个传播查询信息沉到所有的传感器来设置数据的转发信息，TTDD设计采用网格结构，使得只有位于网格点的传感器需要获取转发信息。
LEACH：
LEACH在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。
每个回合可以分成两个阶段：
簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。
LAR：
LAR协议是一种基于源路由的按需路由协议。
它的思路是利用移动节点的位置信息来控制路由查询范围，从而限制路由请求过程中被影响的节点数目，提高路由请求的效率。
它利用位置信息将寻找路由的区域限制在一个较小的请求区域（requestzone）内，由此减少了路由请求信息的数量。
LAR在操作上类似于DSR。
在路由发现过程中，LAR利用位置信息进行有限的广泛搜索，只有在请求区域内的节点才会转发路由请求分组。
若路由请求失败，源节点会扩大请求范围，重新进行搜索。
LAR确定请求区域的方案有两种：
一是由源节点和目的节点的预测区域确定的矩形区域；二是距离目的节点更近的节点所在的区域。
P-MAC：
基于竞争随机访问的MAC协议是节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。
多数分布式MAC协议采用载波侦听或冲突避免机制并采用附加的信令控制消息来处理隐藏和暴露节点问题。
（10）说明SPIN和DirectedDiffusion和LEACH的工作流程。
SPIN工作流程：
发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据包，如果某一个节点希望接受要传来的数据信息，则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包，因此，便建立起发送节点和接受节点的联系，发送节点便向接受节点发送DATA数据包，SPIN协议的工作流程如下图所示。
DirectedDiffusion工作流程：
整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强三个阶段。
LEACH的工作流程：
LEACH协议分为两个阶段：
类准备阶段和数据传输阶段。
类准备阶段和就绪阶段所持续的时间总和称为一个轮回。
（11）MAC协议的作用，按分配信道方式分类的类型？
MAC好比身份证代表网卡的专一使用代号，他在互联网内是独立、唯一的，不管任何的角落基本上都能找到。
进行计算机的底层数据交换。
MAC协议可分为3类：
1、基于竞争的MAC协议。
即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道。
2、基于固定分配的MAC协议。
即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行。
3、基于按需分配的MAC协议。
即根据节点在网络中所承担数据量的大小决定其所占用信道的时间。
（12）说明CSMA/CA主要工作机理，以及特点。
CSMA/CA协议的工作流程是:
一个工作站希望在无线网络中传送数据，如果没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片继续探测，如果无线网路中仍旧没有活动的话，就将数据发送出去。
接受端的工作站如果受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，如果这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，如果发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。
1.使用如RTS，CTS等控制消息预留信道
2.首先站点执行CSMA算法
3.如果确定了用于传送的适当时间，站点发送RTS，然后目标回应CTS消息。
缺点：
在RTS上仍然可能会发生碰撞
（13）说明混合型MAC协议中ZMAC协议的主要思想。
Z-MAC协议综合CSMA和TDMA二者各自的优点，Z-MAC将信道使用物化为时间帧的同时，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只是有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送信息帧，当节点之间产生碰撞之后，时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。
Z-MAC并不需要精确的时间同步，有着较好的信道利用率和网络扩展性。
协议达到即时的适应网络负载的变化的同时，TDMA和CSMA机制的同步和互换会产生较大的能量耗损和网络延迟问题。
用CSMA解决低业务下节点间对信道的竞争。
可提高信道利用率并降低延时，Z-MAC协议是一个分布式的协议，具有良好的可扩展性，对节点的存储能力要求也较低，但Z-MAC协议的执行很复杂。
它是一种混合型的MAC协议，采用CSMA机制作为基本方法，在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题。
（14）了解传输延时中不确定性时间分布情况。
传感器节点的时钟并不完美，会在时间上发生漂移，所以观察到的时间对于网络中的节点来说是不同的。
但很多网络协议的应用，都需要一个共同的时间以使得网路中的节点全部或部分在瞬间是同步的。
1、发送时延。
发送方节点在应用层组装信息及向MAC层发起发送请求所需的时间，此时延是高度可变的，取决于操作系统的调度和当前节点的处理器的负载。
2、访问时延。
数据包达到MAC层后，等待信道空闲所需的时间，访问时延取决于当前无线网络的负载，是导致消息传递时延的最关键因素。
3、传输时延。
物理层传输比特数据所需的时间，可以通过数据包的大小和无线通信速率估算出来，是确定的。
4、传播时延。
消息在两个节点之间的传输介质中的传播时间，这个时间主要取决于节点之间的距离，这个时延是确定的。
5、接收时延。
物理层接收比特数据所花费的时间，与传输时延对应，并与传输时延有重叠。
6、接收处理时延。
接收方处理接收到的消息包并传递到应用层所需的时间，与发送时延类似。
（15）说明时间同步协议中FTSP、单挑RBS、HRTS、TPSN的基本工作思想。
FTSP：
FTSP算法是使用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步，算法实现步骤如下：
（1）FTSP算法在完成SYNC字节发射后给时间同步消息标记时间戳t并发射出去；SYNC字节类似DMTS算法中的Start symbols。
时间戳t为当前时间减去包含时间戳t的消息数据部分的发射时间， 消息数据部分的发射时间可通过数据长度和发射速率得出。
（2）接收节点记录SYNC字节最后到达时间rt，并计算位偏移。
在收到完整消息后， 接收节点计算位偏移产生的时间延迟bt，这通过偏移位数与接收速率得出。
（3） 接收节点计算与发送节点间的时钟偏移量；然后调整本地时钟和发送节点时钟同步。
单挑RBS：
RBS采用接收者与接收者之间进行同步的方法进行节点间的同步， 排除了发送方对同步精度的影响，中间节点利用物理层广播周期性地向网络中其它节点发送参照广播，广播域中的节点收到参照广播后，就用自身的本地时钟记录收到的时间,然后相互交换各自的记录时间。
HRTS：
存在于双绞线中一条导线上的电压信号，相对于另一条导线而言。
信号电压直接由主设备产生。
从现场设备来的电流信号网络电阻转换为电压信号。
TPSN：
分为两个阶段，第一阶段一层次发现阶段，该阶段主要在网络中产生一个分层的拓扑结构，使每个节点被赋予一个层次号。
首先选取一个节点作为根节点并赋予层次号0，然后由它广播一个level-discovery包，其中封装有发送者的标识和层次号, 根节点的直接相邻节点收到这个包后将包中的层次号加1作为自身的层次号，然后它们再广播一个新的level-discovery包，重复这个过程直至网络中的每个节点都赋予一个层次号。
第二阶段同步阶段，在这个阶段中, 从根节点开始与其下一层节点进行成对同步, 接着属于i层的节点与i-1层的节点进行成对同步。
最终每个节点都同步于根节点并获得了网络的全局时间同步。
（16）ZigBee协议的拓扑结构类型，节点可以分为哪几类和相互关系。
从网络结构上看，Zigbee网络有星形，树形，网状3种模式。
星型网络的各节点只能通过协调器相互通信。
树状网把各个通信节点串成了一条线路，各节点只能延着这条线路，以传递的方式进行通信。
前两种通信方式只能进行一些简单的应用，这里不加讨论。
网状网具有强大的功能，网络各节点之间可灵活的进行相互通信，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。
按照网络节点功能划分可分为终端节点（ep）、路由器节点（rp）和协调器节点（cp）3种。
（17）WSN中的故障模型分类和区别？
WSN中的故障模型分为网络模型和数据模型：
网络模型：
无线传感器网络中节点的状态可分为正常和故障。
故障是“永久”和“静态”的，所谓“永久”是指故障节点将持续故障直到该节点被维修或替代，所谓“静态”是指在节点故障诊断过程中不产生新故障。
无线传感器网络的节点故障分为两类：
硬故障和软故障。
数据模型：
在无线传感器网络中，节点和其邻节点之间具有空间的相似性，即网络中无故障的相邻传感器节点之间具有相同或相似的测量值。
因此，可以通过邻节点感知的传感数据来诊断当前节点的状态。
（18）TOA/TDOA/RTOF的工作原理，计算公式？
TOA：
已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。
d=[（T3-T0）-（T2-T1）]*V/2
TDOA：
发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置。
d=（T2-T1）*C1C2/（C1-C2）
RTOF：
RTOF对时间的同步要求不是很高，测量范围与TOA类似。
这种测量非常类似一个雷达，被测量的目标节点收到基点发出的测量信号后，随即将信号返回，基点根据信号发出到返回的时间来估算目标点的位置。
在这种测量方案中，基准测量点无法获得信号在中途被干扰延误的时间和接收点处理信号返回所需要的时间，这些可能造成一定的误差。
如果这些时间延误与信号传输的总体时间相比较小时，误差将在可以接受的范围内。
（19）测距方式对精度的影响，尤其是各种物理信号用于测量距离时，可以达到的定位精区别？
采用射频信号，设TOA达到时钟精度为1ms，则测距精度是多少。
第一种是基于时间的方法， 包括基于信号传输时间的方法（TOA）和基于信号传输时间差的方法（TDOA），测距的前提是发送节点和接收节点之间没有障碍物阻隔， 在有障碍物的情况下会出现声波的反射、折射和衍射， 此时得到的实际传输时间将变大， 在这种传输时间下估算出的距离也将出现较大的误差； 第二种是基于信号角度的方法（AOA）； 第三种是基于信号接收信号强度的方法（RSSI）方法。
距离无关的算法主要有质心算法、DV—hop算法等。
多路径反射、非视线问题等因素都会影响距离测量的精度。
相比之下，基于距离的定位算法测量精度较高，距离无关的定位算法对硬件要求较低。
比较各种基于距离的测距算法，TOA需要精确的时钟同步，TDOA需要节点配备超声波收发装置，AOA需要有天线阵列或麦克风阵列，这三种算法对硬件要求较高。
ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。
若采用射频信号，TOA的时钟精度为1ms，则测距精度是为
。
（20）简要说明三边定位、质心算法？
设未知节点D的坐标
A、B、C3个信标节点的坐标分别为
、
、
，它们到D的距离分别为
，则可得如下方程组：
式
（1）减式（3），式
（2）减式（3）后联立方程
可解得D点的坐标
。
三边测距算法确定未知节点的坐标的思想可用下图来表示。
由于三边测距算法基于两条直线的交点来估算未知节点的坐标，没有充分利用A、B、C3个节点的坐标信息，使估算的未知节点的坐标可能存在比较大的误差。
基于三边测量法，由A（x1,y1），B（x2,y2），C（x3,y3），三点构成的三角形形成了未知节点的所在区域，但不能确定具体的节点坐标。
然而由于已经确定未知节点在圈定的该区域中，本文以该区域的质心即三角形的质心O来估算未知节点的具体坐标，以此来减小三边测量法的误差。
（21）说明DV-Hop的距离计算步骤。
DV-Hop算法的核心思想是：
用平均每跳距离与未知节点到信标节点跳数的乘积，表示未知节点到信标节点的距离。
算法的整个过程是：
首先，网络中所有的信标节点，使用距离矢量交换协议，将信标节点的位置信息和跳数信息广播到整个网络中，使网络中的所有的节点获取与信标节点的跳数。
其次，信标节点根据正确接收到的跳数信息，计算该信标节点的平均每跳距离，并将其广播到整个网络中。
非信标节点利用接收到的跳数信息和平均每跳距离值计算与信标节点的距离。
最后，非信标节点执行三边测量实现定位。
（22）简要说明APIT方法的四个步骤。
在APIT算法中，一个未知节点从它所有能够与之通信的锚节点中选择3个节点，测试它自身是在这3个锚节点所组成的三角形内部还是在其外部；然后再选择另外3个锚节点进行同样的测试，直到穷尽所有的组合或者达到所需的精度。
如果未知节点在某三角形内部，称此三角形包含未知节点；最后，未知节点将包含自己的所有三角形的相交区域的质心作为自己的估计位置。
1、收集信息：
未知节点收集邻近信标节点的信息，如位置、标识号、接收到的信号强度等，邻居节点之间交换各自接收到的信标节点的信息；
2、APIT测试：
测试未知节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部；
3、计算重叠区域：
统计位置节点是否在不同的信标节点组合成的三角形内部；
4、计算未知节点位置：
计算重叠区域的质心位置，作为未知节点的位置。
（23）M&S模型的同步实质。
建模与仿真（M&S）复杂程度的增加，M&S的正确性和置信度的问题显得非常重要。
M&S必须经过严密的校核、验证和确认（VV&A），以确保M&S达到预期的目的。
仿真系统还必须经过测试与评估（Test and Evaluation）来支持仿真系统的确认。
（24）概述GPS、Galileo和北斗导航定位系统的简要知识。
1、GPS是一种可以通过定时和测距进行空间交会定点的导航系统，从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，与1994年全面建成。
GPS不仅可以向全球用户提供连续、实时高精度的三维位置、三维速度和时间信息，为陆、海、空三军提供精密的导航，还可以用于情报收集、核爆监测、应急通知和卫星定位的一些军事目的。
GPS同样由导航卫星、地面监控设备和GPS接收机组成。
其导航卫星分布在6个地球椭圆轨道平面上，有24颗工作卫星（其中3颗是在轨备用星），卫星均匀分布于倾角为55°的6个轨道面上，各个轨道面之间夹角为60°，轨道平均高度为20200千米，用户在任何地方都可以再短短的几秒到十几秒的时间内确定自己的位置和精确的时间并获得相关的导航数据。
地面监控设备由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。
GPS接收机的任务是对发送导航、定位指令进行计算，得到用户所在的位置、速度和时间。
2、伽利略卫星导航定位系统（GALILEO）是欧洲自主、独立的全球多模式卫星导航定位系统，由欧盟空间局和欧盟发起并提供主要资金支持他是世界上第一个基于民用的全球卫星导航服务系统，能够提供高精度、高可靠性的定位服务，实现完全的非军方的控制、管理，可以进行覆盖全球的导航
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