无线传感网络大作业Word文档格式.docx
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题目二十九
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题目十
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题目二十
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评阅人：
时间：
1.分析WSN和Adhoc网络特征的相同之处和不同点。
答：
相同点：
基本不需要人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，二者都是自组织网络，网络自动配置，动态拓扑结构，需要考虑网络的安全性。
二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计。
不同点：
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，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。
Adhoc网络拓扑结构动态变化，而WSN网络拓扑结构是静态的。
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的首要设计目标是能源的高效利用。
通常传感器节点都由能量有限的电池提供能量,且在实际应用中由于传感器节点数量多,分布广,部署环境复杂,因而在大多数部署环境中通过更换电池或充电的方式来补充能量是不可行的。
能量有限是WSN发展的一个瓶颈。
因此,如何合理有效地使用现有能量最大化WSN的生命周期便成了首要的设计目标。
其中生命周期是指从网络开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽所经历的时间。
无线宽带网络的首要设计目标传统宽带无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源。
3.无线传感器网络的特点？
无线传感器网络有以下一些特点：
（1）计算和存储能力有限。
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，传感器节点需要利用有限的计算和存储资源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。
（2）动态性强。
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变，环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；
环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；
传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三个要素都可能具有移动性；
新节点的加入。
这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
（3）网络规模大、密度高。
为了获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的监测区域内，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。
大规模网络通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；
通过大量冗余节点的协同工作，使得系统具有很强的容错性并且增大了覆盖的监测区域，减少盲区。
（4）可靠性。
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。
传感器节点往往采取随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。
这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。
由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。
传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。
因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
（5）应用相关。
不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。
只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。
针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
（6）以数据为中心。
在传感器网络中人们只关心某个区域某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，以数据为中心的特点要求传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点检测到目标。
事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置信息。
4.802.15.4协议的特点，包括主要的针对的应用场合、解决传输误码的方法，说明和ZIGBEE、6LoWPAN的层次关系。
802.15.4协议的特点：
（1）802.15.4是一个低数据率的WPAN（LR-AN）标准，它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输。
（2）IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
两个物理层都基于直接序列扩频（DSSS），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
（3）IEEE802.15.4支持多种网络拓扑结构。
最简单的一种是星型网，只有一个网络协调器，连接多个从设备。
为了降低系统成本，IEEE802.15.4定义了两种物理设备—完整功能设备（FFD）和部分功能设备（RFD）。
FFD支持各种拓扑结构，可以作为网络协调器，可以与任何其他设备对话;
RFD仅支持星型结构，不能作为网络协调器，只能与网络协调器对话，但是实现非常简单。
在星型网中只有网络协调器是FFD，其他均为RFD。
另一种网络结构是对等网络，它的覆盖范围很大，有成千上万个节点。
网络中的每一个FFD也可作为路由器，通过路由协议来优化最短和最可靠的路径，同时路由协议还可根据情况动态变化。
802.15.4协议的应用场合：
IEEE802.15.4特别适合应用于嵌入式系统、微处理器等领域，希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网的场合。
802.15.4协议解决误码的方法：
在802.15.4标准中提到了两种机制解决误码问题。
一种机制是使用短帧格式（小于128B）以减少单个帧出错的概率；
另外一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的数据是否出错。
MAC帧的校验码长16位，使用ITU标准的16位校验生成算法生成。
802.15.4协议和ZigBee、6LoWPAN层次关系：
IEEE802.15.4标准具有可扩展性，只规定了底层:
为单一的媒体访问控制（MAC）层和多样的物理层，至于MAC层以上的协议，可以采用不同的方案。
由此就产生了多种不同的技术，ZigBee和6LoWPAN就是其中的两个。
ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。
应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。
网络层将采用基于AdHo。
技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的IEEE802.15.4标准同样省电。
6LoWPAN技术也采用的是IEEE802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6LoWPAN技术使用IETF规定的IPv6功能，采用IPv6协议栈。
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（IndustrialScientificMedicalBand）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（FreeLicense）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。
在美国，ISM频段是由美国联邦通信委员会（FCC）定义出来的，其他大多数政府也都已经留出了ISM频段，用于非授权用途。
目前，许多国家的无线电设备（尤其是家用设备）都使用了ISM频段，如车库门控制器、无绳电话、无线鼠标、蓝牙耳机以及无线局域网等。
802.15.4协议所占ISM无线频段为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
传感器节点的主要组成：
控制器、通信装置、传感器/驱动器、存储器、能量供应
。
传感器节点的特点：
传感节点体积小、成本低、传感节点数量大、具有自适应能力。
传感器节点的限制条件：
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？
路由协议的作用是将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。
路由协议主要有两个功能：
（1）寻找源节点和目的节点间的优化路径；
（2）将数据分组沿着优化路径正确转发。
WSN路由协议独特特征：
（1）能量优先。
传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量消耗问题。
由于无线传感器网络的节点能量有限，延长整个网络的生存周期是传感器网络路由协议设计的重要目标，因而需要考虑节点的能量能量消耗和网络能量均衡使用的问题；
（2）基于局部拓扑信息。
传感器网络为了节省通信能量，通常采用多跳的通信方式，而结点有限的存储资源和计算资源，使得结点不能存储大量的路由信息。
在结点只能获取局部拓扑信息和资源有限的情况下，如何实现简单、高效的路由机制，是传感器网络运行的一个基本问题；
（3）以数据为中心。
传统的路由协议通常以地址作为结点的标识和路由的依据，而传感器网络的结点是随机部署的，人们所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个结点获取的信息，网络运行不依赖于全网唯一的标识。
传感器网络通常包含多个传感器结点到少数汇聚结点的数据流，它是以数据为中心形成探测信息的转发路径；
（4）应用相关。
传感器网络的应用环境千差万别，导致数据通信模式会有所不同，没有统一的路由机制可以适合于所有的应用问题，这是传感器网络应用相关性的一个具体体现。
设计人员需要针对每一个具体应用的需求，设计实现或者移植与之适应的特定路由机制。
8.WSN路由协议的四种分类。
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型，四种类型的路由协议分别是：
（1）能量感知路由协议。
高效利用网络能量是传感器网络路由协议的一个显著特征，早期提出的一些传感器网络路由协议往往仅考虑了能量因素。
为了强调高效利用能量的重要性，在此将它们划分为能量感知路由协议。
能量感知路由协议从数据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题。
（2）基于查询的路由协议。
在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据，汇聚节点（查询节点）发出任务查询命令，传感器节点向查询节点报告采集的数据。
在这类应用中，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点的采样信息在传输路径上通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量。
（3）地理位置路由协议。
在诸如目标跟踪类应用中，往往需要唤醒距离跟踪目标最近的传感器节点，以得到关于目标的更精确位置等相关信息。
在这类应用中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。
把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。
（4）可靠的路由协议。
无线传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，如可靠性和实时性等。
而在无线传感器网络中，链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现服务质量保证，需要设计相应的可靠的路由协议。
9.简要说明SPIN、DirectedDiffusion、TTDD、LEACH、LAR、P-MAC协议的最基本的工作思想。
SPIN协议：
该协议假定网络中所有节点都是Sink节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所以只要发送其他节点没有的数据。
SPIN协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送；
此外，SPIN协议有权访问每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网络的生存期。
DirectedDiffusion协议：
它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。
该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。
TTDD协议：
一个层次路由协议，主要是解决网络中存在多sink点及sink点移动问题。
当多个节点探测到事件发生时，选择一个节点作为发送数据的源节点，源节点以自身作为格状网（grid）的一个交叉点构造一个格状网。
LEACH协议：
是以循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络生存时间。
簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。
LAR协议：
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协议：
采用交换预约包的方式完成信息交换。
为了节能，节点周期性监听/休眠，每个节点任意设定开启时间，避免了全网同步对定时的精确要求。
节点通过周期广播的方式通知邻节点自己的开启策略。
节点通过周期探测与预测结合的方式存储并更新邻节点信息表。
10.说明SPIN、DirectedDiffusion和LEACH的工作流程。
SPIN：
采用了3种数据包来通信：
ADV用于新数据的广播，当节点有数据要发送时，利用该数据包向外广播；
REQ用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发送该报文；
DATA包含带有Meta-data头部数据的数据报文；
当一个传感器节点在发送一个DATA数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV数据包，如果一个邻居希望接收该DATA数据包，则像该节点发送REQ数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA数据包。
DirectedDiffusion：
首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建立传输梯度。
数据沿着建立好的梯度路径传输。
LEACH：
不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：
一是簇的建立，即包括簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。
二是传输数据的稳定阶段。
每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知整个网络，完成簇的建立。
在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信息融合后送给汇聚点。
一段时间后，重新建立簇，不断循环。
11.MAC协议的作用，按分配信道方式分类的类型？
MAC协议的主要作用是决定无线信道的使用，建立传感器网络的基础结构，为了能够使传感器节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突。
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主要工作机理：
1）送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，才送出数据。
由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。
2）送出数据前，先送一段小小的请求传送报文（RTS:
RequesttoSend）给目标端，等待目标端回应CTS:
CleartoSend报文后，才开始传送。
利用RTS-CTS握手（handshake）程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。
同时由于RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。
特点：
带有冲突避免的载波监听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”。
13.说明混合型MAC协议中ZMAC协议的主要思想。
ZMAC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。
ZMAC引入了时间帧的概念，每个时间帧又分为若干个时隙。
在ZMAC中，网络部署时每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法。
时隙分配结束后，每个节点都会在时间帧中拥有一个时隙。
分配了时隙的节点称为该时隙的所有者：
所有者在对应的时隙中发送数据的优先级最高。
在ZMAC中，节点可以选择任何时隙发送数据。
节点在某个时隙发送数据需要先监听信道的状态，但是该时隙的所有者拥有更高的发送优先级。
发送优先级的设置通过设定退避时间窗口的大小来实现。
时隙的所有者被赋予一个较小的时间窗口，所以能够抢占信道。
时隙在被所有者闲置时还能被其他的节点使用，从而提高信道利用率。
此机制还隐含了根据信道的竞争情况在CSMA机制和TDMA机制间切换的方法。
ZMAC协议将顺序执行步骤：
邻居发现；
时隙分配；
本地时间帧交换；
全局时间同步。
14.了解传输延时中不确定性时间分布情况。
所有的无线传感器网络的无线消息传输时延都可以分解为以下几个部分：
（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。
传输时延和接收时延又可以细分为以下几个部分的时延：
（1）中断处理时延。
无线芯片发起中断信号和微处理机响应这个中断所需的时间，这个延时远小于几微秒。
但是如果中断无效的话，这个时延就很大了。
（2）编码时延。
无线芯片把要传输的信息编码转换成无线电波所消耗的时间。
（3）解码时延。
无线芯片把接收到的无线电波消息转换为比特数据所花费的时间。
（4）字节序列校正时延。
接收端无线芯片得到的字节序列可能会与发送端的不同，因此还需要字节序列校正时间，这个时间是确定的。
15.说明时间同步协议中FTSP、单挑RBS、HRTS、TPSN的基本工作思想。
（1）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）：
洪泛时间同步协议，属于典型的发送端/接收端单向时间同步模式。
它实现了全网了时间同步，并且能够很好地适应网络拓扑结构的动态变化，FTSP采用以下措施来处理多种传输时延，提高同步精度。
1）节点在消息发送和接收的时候记录MAC层时间标，就可以直接消除消息传递过程中的发送时延、访问时延及接收处理时延。
2）在发送方传输同步信息和接收方接收同步信息的过程中，节点在同步字节发送后在MAC层给以后的每个字节记录时间标。
3）用线性回归法来确定是在漂移率。
FTSP协议能够实现多跳的时间同步，它根据节点的ID号动态的选举出一个根节点，作为时钟源节点，所有的节点的时间都痛不欲根节点的时间，根节点和已经同步的节点周期性地发送同步信息。
（2）RBS
根据无线信道的广播特性，消息对所有接收节点而言是同时发生到信道上的。
RBS算法中正是利用这一特性来消除发生时间和访问时间引入的时间同步误差，从而提高时间同步精度。
RBS算法中，参考节点周期性地向邻居节点广播时间同步消息，接收到这个消息的组节点记录消息达到时各自的本地时间，然后相互交换本地时间戳信息，这样这组节点就可以计算出相互间的时钟偏差。
RBS算法中广播的时间同步消息并不包括真是的时间戳信息，消息的准确发送时刻并不重要，它也并不关心消息到达每个节点的传播时间，而是关心这些传播时间之间的差值。
RBS算法最简单的情形是参考节点广播一个时间同步消息，广播域中的两个节点接收到这个信息，并记录消息达到时的本地时间，然后交换各自记录的时间。
RBS算法把两个接收时间的差值作为两个节点的实在偏差，其中一个节点可以根据接收时间差值来修改其本地时间，从而实现两个节点之间的同步。
（3）HRTS
（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）是基于“发送者-接收者”时间同步机制。
该同步机制主要通过“发送者”和“接收者”之间的三次数据通信来达到“发送者”和“接收者”时间同母的目地。
在第一次数据通信中，“参考节点”（发送者）广播一个同步请求命令帧F1，并记录下发送该帧的时刻t1。
该同步请求命令帧的载荷中含有“参考节点”在其邻居表中随机选择的一个“应答节点”，该“应答节点”完成和“参考节点”的通信过程。
在“参考节点”广播范围内的所有节点在接收到这个同步请求命令帧时都记录下接收到该帧的时间，但是只有“应答节点”会回复该命令帧。
其中，邻居节点J将该接收时刻记录为t2j，“应答节点”将其接收到同步命令帧的时刻记为t2。
在第二次同步通信过程中，“应答节点”向“参考节点”回复的同步响应命令帧（记为F2）中包含的是“应答节点”接收到同步请求命令帧F1的时刻t2以及发送同步响应命令帧F2的时间t3，“参考节点”把收到同步响应命令帧尺的时刻记为t4。
HRTS同步算法在
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