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1、无线传感网南京工程学院1.无线传感网:WSN(wireless sensor networks)、现场总线控制系统(FCS)、分布式控制系统(DCS) 2.传感网的三要素:传感器、感知对象、观察者 3.传感器网络节点的组成:传感单元、处理和存储单元、无线通信单元、能源供给。 4.什么是无线传感网?答:是由一组无线传感器节点以Ad hoc(自组织)方式组成的无线网络,其中包括普通节点和汇聚节点,目的是协作地感知、收集、处理传感网所覆盖的地理区域中感知对象的信息,并传递给观察者。 5.传感器节点的限制因素:电源能量有限、计算处理能力有限、通信能力有限 6.无线传感网协议栈的组成:应用层、传输层(帮

2、助维护WSN应用所需的数据流)、网络层(解决传输层提供的数据的传输路由问题)、数据链路层、物理层(解决调制、发送、接收技术问题)、功率管理平面、移动管理平面、任务管理平面(分别监视传感器节点之间的移动、任务分配,帮助传感器节点协调感知任务和降低总功耗)。 7.无线传感网的特点?答:传感网规模大,密度高传感器节点的能量、计算能力和存储容量有限无线传感网的拓扑结构易变化,具有自组织能力网络的自动管理和高度的协作性传感节点具有数据融合能力以数据为中心的网络安全性问题严重 8.无线传感网的关键技术及应用?答:网络拓扑控制网络协议网络安全时间同步定位技术数据融合数据管理无线通信技术嵌入式操作系统应用层技

3、术。应用:军事、环境监测、工业、智能医疗、智能家居、建筑物和大型设备安全状态的监控、应急救援 9.无线传感网发展的三阶段?答:传统的传感器系统传感网节点集成化多跳自组网 10.通信过程中造成能量损耗主要体现在几个方面(无线传感网MAC协议设计面临的问题) (1)空闲监听(idle listenning)(2)冲突重传(3)控制开销(4)串扰 11.基于争型MAC协议类型(四种),区别,优点,特点 答:IEEE802.11MAC协议:有分布式协调(DCF)和点协调(PCF)两种访问控制方式,其中DCF方式是IEEE802.11MAC协议的基本访问控制方式。由于在无线信道中难以检测到信号的碰撞,因

4、而只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率。在DFC工作方式下,节点在侦听到无线信道忙之后,采用CSMA;CA机制和随机退避机制,实现无线信道的共享。BCF工作方式是基于优先级的无竞争访问,是一种可选的控制方式。IEEE802.11MAC 协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。 S-MAC协议:通过采用低占空比的周期性监听和睡眠的调度,减少了节点空闲监听的能量损耗;通过采用串扰避免和消息传递机制,减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗;但是周期性睡眠给数据传输带来额外的延迟,减少了系统吞吐量。 T-MAC协议:在S-MAC协议基本思想上,通过采用自适应调度方法,能较好地适应网络流量的

5、变化提高了网络吞吐量。 Sift协议:是一种非常新颖的竞争型MAC协议,它充分考虑了无线传感器网络的业务特点,特别适合冗余,竞争与空间相关的应用场景。Sift协议实现简单,关键在于在固定长度的竞争窗口中选择时隙时需要用到一种递增的非均匀概率分布,而不是传统协议中可变长度竞争窗口。Sift协议提高了事件消息的实时性和网络的带宽利用率,但是没有充分考虑能量效率。 第4 章 1、IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议,其定义的LR-WPAN网络具有如下特点: (1)在不同的载波频率下实现了20Kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输频率; (2)支持

6、星型和点对点两种网络拓扑结构; (3)有16位和64位两种地址格式,其中64位地址是全球唯一的扩展地址; (4)支持冲突避免的载波多路侦听技术; (5)支持确认(ACK)机制,保证传输可靠性。 2、IEEE802.15.4物理层数据服务包括以下五方面的功能: (1)激活和休眠射频收发器; (2)信道能量检测(energy detect); (3)检测接收数据包的链路质量指示(link quality indication LQI) (4)空闲信道评估(clear channel assessment CCA); (5)收发数据; 3、ZigBee定义多少个信道? IEEE802.15.4协议物

7、理层定义了27个物理信道,具体包括2.4GHz ISM频段的16个信道, 915MHz频段的10个信道,以及868MHz频段的1个信道。 4、物理层的帧结构 物理层数据帧由同步头、物理帧头和物理层负荷三部分。 (1)同步头:由前导码和数据包帧起始分隔符组成,其中前导码被收发机用来从输入码流中获得同步,它由32个二进制“0”组成,帧起始分隔符(SFD)字段长度为一个字节,其固定值为0xA7,标识一个物理帧的开始。 (2)物理帧头:占1个字节,其中7bit用来表示帧的长度,1bit保留。帧长度取值范围为0到物理层最大分组长度,值为5时,表示MAC层业务数据单元(MPDU)的负载类型为MAC确认帧,

8、为8到物理层最大分组长度时,表示为一般数据分组。 (3)物理层负荷:即物理层业务数据单元(PSDU),也即MAC帧,长度可变,最大127字节。 5、IEEE802.15.4中规定的MAC帧包括四种类型: (1)信标帧:信标帧的负载数据单元由四部分组成:超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据 (2)数据帧:用来传输上层发到MAC子层得数据,它的负载字段包含了上层需要传送的数据。数据负载传送至MAC子层时,被称为MAC服务数据单元(MSDU) (3)确认帧 (4)命令帧:MAC命令帧用于组建PAN网络,传输同步数据等 6、ZigBee协议主要特征 (1)省电(2)可靠

9、(3)廉价(4)短时延(5)大网络容量(6)安全 7、网络层功能 网络层在MAC层与应用层之间提供合适的接口,通过激发MAC层得动作执行寻址和路由功能。主要任务包括: (1)发起一个网络并且分配网络地址(网络协调器); (2)向网络中添加设备或从网络中移除设备; (3)将消息路由到目的节点; (4)对发送的数据进行加密; 在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表 1.WSN路由协议的特点:能量优先;基于局部拓扑信息;以数据为中心;应用相关。 2.路由协议分类:按源节点获取路径策略划分(主动路由协议,按需路由协议,混合路由协议)。按通信的逻辑结构划分(平面路由协议,层次路由协议)。按路由的发现过程

10、划分(以位置信息为中心的路由协议) 3.能量路由:能量路由是最早提出的传感网路由协议之一,它根据节点的可用能量(PA) 或传输路径上的能量需求,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。 4.能量路由策略:最大PA路由,最小能量消耗路由,最小跳路路由,最大最小PA节点路 由。 源节点: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。能量多路径路由协议包括:路径建立,数据传播,路由维护三个过程 5.能量多路径路由的主要过程:发起路径建立过程,判断是否转发路径建立消息,计算能量 代价,节点加入路径条件,节点选择概率计算,代价平均值计算。 6.洪泛路由协议的定义:

11、洪泛路由协议是一种最早的路由协议,接收到消息的节点以广播的 形式转发报文给所有的邻居节点。 洪泛法的优点和缺点:优点是不用维护网络拓扑结构和路由计算,实现简单,适用于健壮性要求高的场合。缺点是存在信息内爆,重叠(重叠现象)以及资源盲点等问题。 7.SPIN(基于信息协商机制的传感网)协议:是一种以数据为中心的自适应路由协议。考虑了WSN中数据冗余问题 SPIN协议基本概念(工作原理):元数据是原始感知数据的一个映射,用来描述原始感知数据。SPIN协议采用三次握手协议来实现数据的交互,协议运行过程中使用三种报文数据,分别为ADV,REQ和DATA。SPIN协议有两种工作模式:SPIN1和SPIN

12、2。SPIN协议特点:SPIN协议下,节点不需要维护邻居节点的信息,一定程度上能适应节点移动移动的情况。在能耗方面,比传统模式减少一半以上。不适用于高密度节点分布的情况。由于SPIN协议通过节点之间的协商,解决了flooding协议的内爆和重叠现象。 SPIN协议不需要了解网络拓扑结构,适合在节点可以移动的WSN中使用。SPIN协议通过使用协商机制和能量自适机制,节省了能量,解决了内爆的问题。SPIN协议引入了元数据的概念,通过这种数据压缩方法来减少数据的传输量。 8.层次路由协议:LEACH协议,PEGASIS协议,TEEN协议。 LEACH协议:低功耗自适应聚类分级(LEACH)协议采用层

13、次路由算法。 LEACH节约能量的主要原因:它运用了数据压缩技术和分簇动态路由技术,通过本地的联合工作来提高网络的可扩展性和鲁棒性,通过数据融洽来减少发送的数据量,通过把节点随机的设置成“簇头节点”来达到在网络内部负载均衡的目的,防止簇头节点的过快死亡。 分簇式路由协议的执行过程是以轮为单位的,每轮循环的基本过程是: 簇的建立阶段,数据传输阶段,重新成簇。 LEACH协议的工作分为两个阶段:簇的建立阶段:负责簇的形式和簇头的选举 稳定阶段:负责收集数据和给簇头传输数据 LEACH协议的特点(优点):利用了将区域划分成簇,簇内本地化协调和控制的形式有效的进行了数据收集;独特的选簇算法;首次运用了

14、数据融合的方式。 LEACH协议的缺点:由于簇头节点负责接受簇内成员节点发送的数据,进行数据融合,然后将数据传送到基站,簇头消耗能量比较大,是网络中的瓶颈。 LEACH协议中簇头选举是随机循环选举。 簇头选举没有根据节点的剩余能量以及位置等因素。 LEACH协议要求节点之间以及汇聚节点之间均可以直接通信,网络的扩展性不强。PEGASIS协议:高能效采集传感器信息系统TEEN协议:阈值敏感的高效传感器网络协议9.定向扩散路由:定向扩散(DD)路由协议是一种基于查询的路由方法。 定向扩散路由机制包括四个阶段:周期性的兴趣扩散,梯度建立,数据传播与路径加强。 10.地理位置路由:优点:利用位置信息缺

15、点:路由空洞,死胡同 11.传感网路由协议分为四类:能量感知路由协议,平面路由协议,层次路由协议,基于查 询的路由协议以及地理位置路由协议。 六 无线传感网定位问题含义?指网络通过特定方法提供节点位置信息 定位技术的方法及分类?答:基于距离的定位算法、与距离无关的定位算法。分类:依是否依靠测量距离,分基于测距的定位和不需要测距的定位依部署的场合不同,分为室内定位和室外定位依信息收集的方式,网络收集传感器数据用于节点定位被称为被动定位,节点主动发出信息用于定位被称为主动定位。 基于距离的定位方式的测距方法及特点?答:测距方法:接收信号强度指示(RSSI)到达时间(ToA)到达时间差(TDoA)到

16、达角(AoA)节点定位计算方法:三边测量法三角测量法极大似然估计法 与距离无关的定位算法主要有?答:质心算法、距离向量-跳数(DV-Hop)算法、DV-Distance 算法、近似三角形内点测试法(APIT算法) 简述基于距离的定位和无距离的定位方式的优缺点?答:基于距离的定位机制通过实际测量节点间的距离或角度,定位精度相对较高,但对节点的硬件有很高要求,定位过程中消耗的能量相对多。距离无关的定位机制无需实际测量节点间的绝对距离或方位就能够计算未知节点的位置,对节点硬件要求低,使节点成本更适合于大规模的传感网,定位性能受外界环境影响小,定位误差相应较大,但精度能够满足多数传感网使用的要求,是目

17、前关注的定位机制。 第9章 1、数据融合也被称作信息融合,是一种多源信息处理技术。它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成,获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程,这个过程是对多源数据进行检测、互联、估计和组合,并以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别,以及完整的姿态估计和威胁评估,为用户提供有用的决策信息。 2、传感器网络中数据融合的作用:(广义) (1)提高信息的准确性和全面性 (2)降低信息的不确定性 (3)提高系统的可靠性 (4)增加系统的实用性 3、传感网中数据融合的作用:(1)节省能量(2)增强所收集数据的难确性(3)提高数据的收集效率 4、数据融合技术的分类 (1)根据融合前后数据的信息含量分类:无损失融合、有损失融合 (2)根据数据融合与应用层数据语义之间的关系分类:依赖于应用的数据融合(ADDA)、独立于应用的数据融合(AIDA)、结合以上两种技术的数据融合 (3)根据融合操作的级别分类:数据融合、特征级融合、决策级融合 5、数据融合的主要方法 (1)综合平均法(2)卡尔曼滤波法(3)贝叶斯估计法(4)D-S证据推理法(5)统计决策理论(6)模糊逻辑法(7)产生式规则法(8)神经网络方法