无线传感作业题.docx
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无线传感作业题
数据管理技术以及通信标准作业题：
1、无线传感器网络与分布式数据库相比较，其特殊性体现在哪些方面？
答：
无线传感器网络处理的是无限、连续、实时、流式的数据。
传感器节点上的存储、计算和能量资源非常有限，只有节省有限能量资源才能延长节点的使用期。
数据传输路径上的中间传感器节点具有对本身采集的数据和其他节点转发来的数据进行融合、缓存、转发的能力，可以减少冗余数据在传输中耗费的网络资源。
相邻节点采集的数据通常具有相似性，是从不同监测点得到的同一事件的相关数据，所以数据存在冗余性。
网络中的数据源是大规模分布的传感器节点，节点采用与IP地址类似的全局编址或者局部标识，且标识一般与节点物理位置无关。
2、无线传感器网络数据管理的关键技术主要包括哪三个方面？
答：
无线传感器网络数据存储结构、数据查询处理技术、数据压缩和融合技术
3、现有的无线传感器网络数据存储结构主要有哪四个类型？
各自基本思想是什么？
答：
网外集中式存储方案、网内分层存储方案、网内本地存储方案、以数据为中心的存储方案
①网外集中式存储方案:
感知数据从数据普通节点通过无线多跳传送到网关节点，再通过网关传送到网外的基站节点，由基站保存到感知数据库中。
②网内分层存储方案:
这种网络中有两类传感器节点，一类是大量的普通节点，另一类是少量的有充足资源的簇头节点,用于管理簇内的节点和数据。
簇头之间可以对等通信，网关节点是簇头节点的根节点，其他簇头都作为它的子节点处理。
③网内本地存储方案:
数据源节点将其获取的感知数据就地存储。
④以数据为中心的存储方案:
以数据中心，将网络中的数据按内容命名，并路由到与名称相关的位置。
4、数据查询可以根据查询要求的时间特性分成哪三种类型？
对无线传感器网络而言，用户最经常使用的查询是哪种？
答：
①历史查询；②快照查询；③连续查询。
连续查询是用户最经常使用的查询。
5、无线传感器网络查询系统是由哪两部分构成的？
答：
全局查询处理器和局部查询处理器
6、已有的无线传感器网络查询处理方案有哪三种？
答：
①采用广播发布查询的方法；②采用特定路由方式；③采用定向扩散技术。
7、IEEE802.15.4标准的主要特征有哪些？
答：
IEEE802.15.4标准的主要特征：
•工作在ISM频段上，其中在2450MHz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；
•实现20kbps、40kbps、250kbps不同的传输速率；
•支持星型和点到点两种拓扑结构；
•在网络中采取两种地址方式：
16位地址和64位地址。
其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；
•采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；
•支持ACK机制以保证可靠传输；
8、什么是全功能器件和简化功能器件？
全功能器件可以按哪三种方式工作？
答：
全功能器件（FFD）：
能实现所有MAC层功能，既可以作为网络协调器，也可以用作一组简功能设备的通用协调器。
简功能设备（RFD）是具有简单处理、存储和通信能力的终端设备，能够实现MAC层的部分功能。
其只能与已存网络相连接，并依赖于全功能设备进行通信。
全功能器件的三种方式工作：
个人域网协调器、协调器、器件。
9、IEEE802.15.4物理层的主要功能是什么？
•激活和休眠无线电收发器
•当前信道的能量检测
•接收数据包的链路质量指示
•信道频率选择
•数据的发送和接收
•空闲信道评估
10、IEEE802.15.4物理层以及MAC层各自的帧结构的格式。
MAC层的4种基本帧结构是哪些？
答：
物理层帧结构：
MAC层帧结构：
MAC层4种基本帧结构：
1信标帧结构：
②数据帧结构：
③确认帧结构：
④命令帧结构：
11、IEEE802.15.4MAC层的主要功能有哪些？
答：
•MAC通用部分子层提供数据服务，保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发。
•MAC子层管理实体提供管理服务，维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
12、描述MAC子层的两种服务，即数据服务和管理服务时用到的4个类型的原语是什么？
答：
请求：
由上层产生，向MAC层请求特定的服务
指示：
由MAC层产生，通知上层与特定服务相关的事件发生
响应：
由上层产生，通知MAC层结束先前请求的服务。
确认：
由MAC层产生，向上层通告先前服务请求的结果。
13、ZigBee的主要特征是什么？
答：
低速率、低功耗、低成本、短延迟、近距离通信、免许可无线通信频段、三级安全模式
14、ZigBee支持的三种网络拓扑结构是什么？
答：
星形、网状、树形
15、ZigBee协议栈的核心部分是什么？
它的主要功能是什么？
答：
ZigBee协议栈的核心部分是网络层。
网络层的主要功能：
1）确定网络的拓扑结构，拓扑结构的构建和维护、命名等；
2）负责为加入和离开网络机制、应用安全帧的机制发现和保持设备之间的路径；
3）有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
16、ZigBee的应用层主要包含哪三个部分？
答：
应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络，主要包含3部分：
1）应用支持子层（APS）：
维护设备绑定表，具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息；其次是设备发现，能发现在工作范围内操作的其他设备。
2）应用框架（AF）：
为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，为每个应用对象提供给了键值对KVP服务和报文MSG服务供数据传输使用。
3）ZigBee设备对象（ZDO）：
特殊应用层的端点，是应用层其他端点与应用子层管理实体交互的中间件。
定义网络内其他设备的角色、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制等。
拓扑控制、数据融合、定位和时间同步作业题：
1、什么叫拓扑控制技术？
在无线传感器网络中，拓扑控制设计目标是什么？
（书后题）
答：
拓扑控制技术是在保证网络的连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干网节点的选择算法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个节能高效的数据转发网络拓扑结构。
拓扑控制设计目标：
能量优化、覆盖度、连通性、算法的分布式程度、网络延迟、干扰和竞争、对称性、鲁棒性和可扩展性
2、拓扑控制协议基本的分类以及各自的基本原理和优缺点？
答：
（1）基于功率控制的拓扑控制：
基本思想：
在满足网络连通度的前提下，通过节点功率控制或动态调整节点的发送功率，精简节点间的无线通信链路，保留生成一个高效的数据转发网络拓扑结构，在保证网络拓扑结构连通的基础上，使得网络中节点的能量消耗最小。
优点：
节点发送功率控制达到节省通信能量，减少通信干扰的目的
缺点：
计算最小发送功率算法一般比较复杂，生成的拓扑结构复杂、稳定性差等。
（2）基于层次结构的拓扑控制：
基本思想：
将所有的传感器节点分成一定的簇结构形式来控制网络拓扑，构建分层拓扑结构。
优点：
簇内节点只与簇头通信，簇内节点的通信能量消耗大大减少，拓扑结构性好。
缺点：
簇头节点的能量消耗大大增加，需要轮换当簇头，但是这样又会出现大量计算和协议开销，使得网络总体能量的消耗增大。
3、简述层次型拓扑控制的关键技术和分簇机制？
答：
关键技术
层次分簇算法的核心是如何选择簇头集合，并把剩余的节点划分到已经产生簇头集合中。
分簇机制
通过簇头对簇内节点间的相关信息融合及转发机制减少数据的传输量和距离,进而降低通信能量,达到网络节能的目的。
4、LEACH协议中TDMA、CDMA机制是如何在MAC层中应用的？
答：
TDMA解决簇内信道分配、CDMA解决簇间信道分配
5、LEACH协议的优缺点？
HEED算法对LEACH的主要改进是什么？
答：
优点：
1、簇头进行数据融合，减少冗余数据量；
2、在MAC层中使用了TDMA、CSMA、CDMA等机制来共同处理簇内与簇间的冲突问题；
3、采用选举簇头算法，保证WSN能量消耗平均负载到各节点上；
4、采用层次路由，路由路径选择比较简单，不需要存储很大的路由信息。
缺点：
1、簇头选举随机性很强，可能会出现簇头集中在某一个区域的现象，造成簇头分布不均匀。
2、信息的融合和传输都是通过簇头节点来进行，造成了簇头节点能量消耗过快的问题；
3、发射机和接收机必须严格遵守时隙的要求，避免在时间上互相重叠，然而，维持时间同步又增加了一些额外的信令通信量。
节点的时间表可能会需要较大的存储器。
4、LEACH要求节点之间和节点与Sink点之间都能进行直接通信，网络的扩展性差，对于大规模网络而言，节点直接进行通信需要消耗大量的能量。
并且采用单跳路由方式，增加了交换数据的能量。
HEED优于LEACH之处：
HEED算法采用了一种对普通节点和簇头节点都统一的机制来衡量簇内通信的代价，而不是LEACH算法所使用的节点和簇头间的距离作为是否加入该簇的指标，这样可以协调簇头覆盖范围内所有节点的能量消耗，从而产生比较均匀的簇头分布。
在簇头选举中考虑了节点的剩余能量情况，让剩余能量占初始能量比例更大的节点有更多的机会成为簇头，使得选出的簇头更适合担任数据转发任务，形成的网络拓扑结构更为合理，全网能量消耗更加均匀。
6、GAF算法的基本思想？
答：
根据节点的地理位置信息和节点的无线发射半径将网络部署区域划分为若干虚拟单元格，将节点按照其位置信息划分到相应的单元格中，相邻单元格的任意两个节点可直接通信。
每一虚拟单元格内，定期选举并保持一个节点作为簇头，代表本单元格向相邻单元格转发数据，且只有簇头节点处于工作状态，其他节点均进入休眠状态。
7、拓扑控制中的休眠调度技术的基本机制是什么，有何优点？
答：
（1）STEM：
STEM算法包含两种不同的机制：
STEM-B和STEM-T。
STEM算法使节点在整个生命周期中的多数时间内处于睡眠状态，适用于类似环境监测或者突发事件检测等应用。
（2）ASCENT算法是另一种节点唤醒机制，其重点在于均衡网络中骨干节点的数量，并保证数据通路的畅通。
8、无线传感器网络中为什么要进行数据融合？
其基本思想是什么？
答：
在无线传感器网络的信息收集过程中，采用各节点单独传送数据到汇聚节点的方法不太合适。
相邻的节点采集的信息往往存在相似性（形成冗余数据），各个节点单独传送冗余数据会定程度将浪费过多的通信带宽，消耗过多的能量，缩短整个网络的生存时间。
数据融合的基本思想是：
在从各个节点收集数据的过程中，利用节点本地的计算和存储能力处理数据，去除冗余数据，尽量减少网络内的数据传输量，提高数据采集效率，达到减少能源的消耗，延长网络生命期的目的。
9、简述数据融合根据不同角度的分类？
答：
根据节点处理的层次分为：
分布式融合和集中式融合
根据融合前后数据信息量的变化分为：
无损融合和有损融合
根据信息抽象层次分为：
数据级融合、特征级融合、决策级融合
10、数据融合技术对无线传感器网络带来的其他方面性能的牺牲包括哪些，为什么？
答：
时延性牺牲、鲁棒性的牺牲
时延性代价：
在数据传送过程中，寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这些都可能增加网络的平均延迟。
鲁棒性的代价：
无线传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率及数据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据也会损失信息，因此降低了网络的鲁棒性。
11、TAG融合算法中查询处理过程分为哪两个阶段，各自阶段的工作是什么？
答：
在TAG系统中整个查询处理分为两个阶段：
查询分发阶段和数据收集阶段。
查询分发阶段：
使用一个直接连接到工作站或基站的传感器节点作为汇聚节点，汇聚节点将把Tiny-SQL语句表示的查询请求分发到整个网络中，并在分发查询请求的过程中建立起一棵用于传输数据的生成树。
在数据收集阶段：
每个节点将自己采集到的数据与从子节点中收集到的数据融合起来，将融合后的结果通过生成树发送给汇聚节点。
12、试用TinySQL查询语句表示：
计算传感器网络中所有磁力强度（mag）大于x的节点的最大亮度值（light）,采样间隔是8s（不需掌握）.
13、简述以地址为中心（AC）的路由和以数据为中心（DC）的路由的不同？
答：
以地址为中心的路由（Address-CentricRouting,AC路由）追求的是信息传递路径最短，对于数据融合的考虑基本没有，信息源采到数据之前其传输路由就已经形成，而这一路由是全局的最短路径或最优的逼近。
以数据为中心的路由（data-centricrouting，DC路由）加入数据融合,在数据转发的路途中，节点会依据其内容，对来自多源的数据进行融合，源节点没有形成最短路径.
14、定位的基本含义是什么？
节点定位的基本术语。
答：
定位就是确定位置。
节点定位的基本术语：
信标节点、未知节点、邻居节点、跳数、跳段距离、基础设施、到达时间、到达时间差、接收新信号强度指示、到达角度、视线关系、非视线关系
15、常见的测距技术包括哪些以及各自如何实现？
（简单了解）
答：
到达时间测量法（TOA）、到达时间差测量法（TDOA）、基于到达角度测量法（AOA）、到达信号强度测量法（RSSI）
16、节点位置估算方法有哪些？
答：
三边定位法、多边极大似然估计法、角度定位法
17、书后P72上第12题（无需掌握）
18、简述基于测距的AHLos算法的基本过程？
AHLos算法中的3中定位方式包括哪些？
答：
基本过程：
信标节点首先向其相邻节点广播自身的位置信息，未知节点接收相邻信标节点的位置信息并测量与信标节点之间的距离。
当相邻信标节点数目大于或等于3个时，未知节点采用最大似然估计法计算自身的位置。
在自身位置确定后，未知节点将转化为信标节点，并向相邻节点广播其自身的位置信息。
这样，网络总信标节点的数目将逐渐增多，从而使得原本相邻信标节点数据不足3个的那些未知节点能够拥有足够的信标节点来估计它们的位置。
3种定位方式：
原子多边方式、迭代多边方式以及协作多边方式。
19、无需测距的定位技术主要有哪些算法？
答：
质心算法、DV-Hop算法、APIT算法、不定形定位算法
20、说明DV-Hop的距离计算步骤。
答：
（1）计算未知节点与每个信标节点的最小跳数；
（2）估算平均每跳的距离，利用最小跳数乘以平均每跳距离，得到未知节点与信标节点之间的估计距离；
（3）利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。
21、简述无线传感器网络中时间同步的必要性以及时间同步的基本原理？
答：
必要性：
没有空间和时间信息的采集数据是没有任何意义的。
分布式的网络系统。
基本原理：
被同步的时钟选择一个可以参考的时钟，然后彼此交换时间信息，传递各种有关参数，通过一定的运算，使被参考时钟的时间漂移和时间偏移得到修正，从而两者达到同步。
22、传统的时间同步技术NTP、GPS是否可以直接用在WSN中，为什么？
答：
NTP不适用WSN：
无线传感器节点的体积、计算能力和存储空间存在限制
传输方式不同：
无线而非有线
目标不同：
局部最优而非全局最优
GPS不适用WSN：
室内、功耗、安全性、分布式等特点决定了GPS不适用于WSN
23、节点本地时钟模型以及其三种类型。
答：
1）速率恒定模型2）漂移有界模型3）漂移变化有界模型
24、画出同步消息中时间延迟示意图，以及解释其中各自时延内容？
协议发送时延：
发送节点构造并装配以及向MAC层发送时间同步消息所用时间。
e.g.,系统调用时间；内核调度时间；消息从主机发送到网络接口时间。
接入时延：
消息等待传输信道空闲的时间
传输时延：
发送节点在无线链路的物理层发送包的时间
传播时延：
发送节点传输到接收节点所经历的时间
接收时延：
接收节点从物理层接收数据包，重装该消息并交给上层所用时间。
接收处理时延：
接收节点处理收到的数据包，并通知相应程序所需要的时间。
25、时间校正技术包括哪些内容以及各自如何实现?
答：
单程报文传递，双向报文交换，广播参考报文和参数拟合技术。
P55
26、简要说明质心算法？
答：
质心算法：
是一种典型的基于网络连通性的室外定位算法，其基本思想是基于计算几何学中的质心计算原理。
质心定位算法首先确定包含未知节点的区域，计算这个区域的质心，并将其作为未知节点的位置。
27、简要说明APIT方法的四个步骤。
答：
（1）信标交换
（2）三角形内点测试
（3）交集运算计算三角形的重合区域
（4）重心计算求节点的位置
物理层、MAC协议、路由协议以及传输协议作业题：
1、在无线传感器网络中，其物理层设计目标是什么？
需要考虑的问题有哪些？
答：
设计目标：
以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量
物理层需要考虑的问题：
通信频段、编码调制技术、通信速率
2、在无线传感器网络中，物理层中可以利用的传输介质有哪些？
其中最主要采用的是哪个，为什么？
答：
无线电波、红外线、光波。
无线电波。
由于红外线与光波对非透明物体的透过性极差。
3、在无线传感器网络中，采用的无线电波频段是什么？
为什么？
答：
ISM频段。
对所有无线电系统都开放，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证。
4、请写出至少2-3个无线传感器网络中常用的调制技术？
答：
窄带调制技术、扩频调制技术、超宽带UWB调制技术
5、在无线传感器网络中，传感器能量的主要消耗是什么？
造成网络能量浪费的主要原因有哪些？
答：
无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者
造成网络能量浪费的主要原因：
（需要知道每种原因具体是什么）
冲突（是什么）
串扰（串音）（是什么）
空闲监听（降低占空比）
控制开销
6、为什么传统网络的MAC协议不适用于无线传感器网络？
答：
传统网络的MAC协议重点考虑如何让节点公平的使用带宽、提高带宽利用率及增加网络的实时性，而无线传感网络的MAC协议首先考虑如何节省能量。
7、针对用户不同的应用需求，将传感器网络分成哪三类，各自的基本思想是什么？
答：
基于竞争的MAC协议：
传感器节点发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送。
基于固定分配的MAC协议：
：
将一个物理信道分为多个子信道，并将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，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，这样以来就避免了冲突。
基于按需分配的MAC协议：
：
网络按照某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送，如果有则立即发送，否则网络立即转向下一个终端。
8、简述CSMA/CA机理，以及为何在无线环境中采用CSMA/CA而不用CSMA/CD技术？
答：
送出数据前，先送一段小小的请求传送封包給目标端，等待目标端回应封包後，才开始传送.
（1）无线环境中不容易检测出是否发生冲突
（2）存在“隐终端”问题
9、S-MAC协议的主要思想？
答：
、采用周期性的休眠/侦听方法减少空闲侦听带来的能量损耗;
、当有节点收发数据时，与此无关的邻居节点进入休眠减少冲突与串音带来的能量损耗；
、采用消息传递机制，减少控制消息带来的能量损耗；
、采用自适应的侦听机制，减少消息传输延迟。
10、SMACS协议是利用了哪两种多址技术，其基本思想是什么？
答：
TDMA、FDMA
SMACS协议基本思想：
、结合TDMA、FDMA的基本思想
、假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换
、发现邻居后立即分配信道
、每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点
、将每个双向信道定义为两个时间段
11、什么是路由协议，其主要功能是什么？
答：
无线传感器网络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。
功能：
搜索从源节点到目的节点的优化路径（确定最佳路径）；
转发数据分组。
（交换数据）
12、Flooding路由协议的基本思想以及主要缺陷是什么？
答:
基本思想：
节点在任何时刻产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或达到目的地才停止传播。
主要缺陷：
内爆现象、重叠现象、资源利用不合理
13、定向扩散路由协议的主要思想以及组成的三阶段是什么？
答:
主要思想：
汇聚节点根据不同的应用需求定义不同的兴趣请求消息，汇聚节点周期地通过泛洪方式广播这种兴趣消息，告诉网络节点需要搜集何种信息。
兴趣在网络中扩散的同时建立从源节点到汇聚节点的路由路径（梯度Gradients）。
通过兴趣扩散阶段建立的路径，源节点将数据消息传送到汇聚节点。
汇聚节点选择一条最优的路径进行强化，后续的数据沿着这条路径传输。
三个阶段:
兴趣消息扩散、数据传输梯度建立和路径加强。
14、LEACH是属于哪种路由协议？
简述其基本思想以及执行过程中的两个构成阶段。
答：
LEACH是第一个低功耗自适应分簇路由协议。
基本思想：
将节点组织成簇结构形式，每个簇有一个簇头节点（ClusterHeadNode）,其他节点作为非簇头节点，所有非簇头节点只与本簇的簇头节点通信，而簇头节点收集簇内非簇头节点的数据，进行融合后传输到汇聚节点。
两个阶段：
（1）簇的建立阶段：
节点分簇
随机产生簇头节点，邻居节点动态地形成簇。
（2）簇的稳定状态阶段：
数据传送
簇头节点收集簇内非簇头节点的数据并进行数据融合，然后把融合后的结果发送给汇聚节点。
15、什么是基于多路径的路由协议？
答：
首先建立从数据源到汇聚节点的主路径，然后再建立多条备用路径；数据通过主路径进行传输，同时利用备用路径低速传输数据来维护路径的有效性；当主路径失败时，从备用路径中选择次优路径做为新的主路径。
16、无线传感器网络中的网络数据传输过程中两个主要问题是什么？
答：
拥塞控制和差错控制
17、无线传感器网络中传输协议根据功能可以划分为哪三类？
答：
拥塞控制协议、可靠传输协议、混合传输协议
18、拥塞控制可以分成哪两种机制，各自可以以何种方法来实现或组成？
答：
拥塞避免：
通过速率分配或传输控制等方法来避免在局部或全网范围内出现拥塞；
拥塞消除：
在网络发生拥塞后通过采用速率控制、丢包等来缓解拥塞，并进一步消除拥塞。
19、什么是可靠传输，其实现的基本机制是哪些？
答：
可靠传输的主要作用是解决传输过程中的数据包丢失问题，保证目的节点能够获得完整有效的数据信息或能够准确地还原出原始事件状态从而完成感知任务。
其实现的基本机制：
丢包恢复、冗余传输和速率控制
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