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1、無線傳感器網(wǎng)絡》試題 一、 填空題(每題 4 分，共計 60 分) 1 、傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素： 傳感器，感知對象，觀察者 2、傳感器網(wǎng)絡的基本功能： 協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息 3、無線傳感器節(jié)點的基本功能： 采集、處理、控制和通信等 4、傳感器網(wǎng)絡常見的時間同步機制有： 5、無線通信物理層的主要技術包括： 介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術和擴 頻技術 6 擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種： ：直接序列擴頻、跳頻、跳時、寬帶線性調(diào)頻擴頻 7、定向擴散路由機制可以分為三個階段 ：周期性的興趣擴散、梯度建立和路 徑加強 8、無線傳感器網(wǎng)絡特點： 大規(guī)模

2、網(wǎng)絡、自組織網(wǎng)絡、可靠的網(wǎng)絡、以數(shù)據(jù)為 中心的網(wǎng)絡、應用相關的網(wǎng)絡 9、無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術主要包括 ：網(wǎng)絡拓撲控制、網(wǎng)絡協(xié)議、時間同 步、定位技術、數(shù)據(jù)融合及管理、網(wǎng)絡安全、應用層技術等 10、IEEE 802.15.4 標準主要包括：物理層和 MAC層的標準 11、簡述無線傳感器網(wǎng)絡 后臺管理軟件結構與組成： 后臺管理軟件通常由數(shù)據(jù) 庫、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件四個部分組成。 12、數(shù)據(jù)融合的內(nèi)容主要包括： 多傳感器的目標探測、數(shù)據(jù)關聯(lián)、跟蹤與識別、 情況評估和預測 13、無線傳感器網(wǎng)絡可以選擇的頻段有 ：868MHZ、 915MHZ、 2.4GHZ 5GHZ

3、14、傳感器網(wǎng)絡的電源節(jié)能方法 ：休眠機制、數(shù)據(jù)融合等， 15、傳感器網(wǎng)絡的安全問題 ： (1) 機密性問題。 (2) 點到點的消息認證問題。 (3) 完整性鑒別問題。 16、802.11 規(guī)定三種幀間間隔 ：短幀間間隔 SIFS，長度為 28 s 、點協(xié)調(diào)功能幀間間隔 PIFS長度是 SIFS 加一個時隙 (slot) 長度，即 78 s 分布協(xié)調(diào)功能幀間間隔 DIFS ，DIFS長度=PIFS +1個時隙長度， DIFS 的長度 為 128 s 17、 任意相鄰區(qū)域使用無頻率交叉的頻道是， 如： 1、 6、11 頻道 。 18、802.11 網(wǎng)絡的基本元素 SSID標示了一個無線

4、服務， 這個服務的內(nèi)容包括了 ： 接入速率、工作信道、認證加密方法、網(wǎng)絡訪問權限等 19、傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置， 傳感器一般由 敏感元件、 轉(zhuǎn)換元 件、轉(zhuǎn)換電路 三部分組成 20、傳感器節(jié)點由 傳感器模塊 、處理器模塊 、無線通信模塊 和 能量供應模塊 四 部分組成 二、 基本概念解釋（每題 5分，共 40 分） 1. 簡述無線網(wǎng)絡介質(zhì)訪問控制方法 CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA 機制 : 當某個站點（源站點）有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時，檢測信道。若信道空閑，且在 DIFS 時間內(nèi) 一直空閑，則發(fā)送這個數(shù)據(jù)幀。發(fā)送結束后，源站點等待接收 ACK 確認幀。如果目的 站

5、點接收到正確的數(shù)據(jù)幀，還需要等待 SIFS 時間，然后向源站點發(fā)送 ACK 確認幀。若 源站點在規(guī)定的時間內(nèi)接收到 ACK 確認幀，則說明沒有發(fā)生沖突，這一幀發(fā)送成功。 否則執(zhí)行退避算法。 2、802.11無線 LAN 提供的服務有哪些？ ? 802.11 規(guī)定每個遵從該標準的無線局域網(wǎng)必須提供 9 種服務， 這些服務分為兩類， 5 種分布式服務 和 4 種 站服務 。 分布式服務 涉及到對單元（ cell）的成員關系的管理，并且會與其它單元中的站 點進行交互。 由 AP 提供的 5 種服務將移動節(jié)點與 AP 關聯(lián)起來，或者將它們與 AP 解除 關聯(lián)。 ? ⑴ 建立關聯(lián) ：當移動站點

6、進入一個新的單元后， 立即通告它的身份與能力。 能力包 括支持的數(shù)據(jù)速率、需要 PCF服務和功率管理需求等。 AP 可以接受或拒絕移動站 點的加入。如果移動站點被接受，它必須證明它自己的身份。 ? ⑵ 解除關聯(lián) 。無論是 AP 還是站點都可以主動解除關聯(lián)，從而中止它們之間的關系 ? ⑶ 重建關聯(lián) 。站點可以使用該服務來改變它的首選 AP 。 ? ⑷ 分發(fā) 。該服務決定如何將發(fā)送到 AP 的幀發(fā)送出去。 如果目的站在同一個 AP 下， 幀可以被直接發(fā)送出去，否則必須通過有線網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)。 ? ⑸ 集成 。如果一個幀需要通過一個非 802.11 網(wǎng)絡（具有不同的編址方案或幀格式） 傳輸，該服務

7、可將 802.11 格式轉(zhuǎn)換成目的網(wǎng)絡要求的格式 站服務 4 種站服務用于管理單元內(nèi)的活動。 ? ⑴ 身份認證 。當移動站點與 AP 建立了關聯(lián)后， AP 會向移動站點發(fā)送一個質(zhì)詢幀， 看它是否知道以前分配給它的密鑰；移動站點用自己所知道的密鑰加密質(zhì)詢幀，然 后發(fā)回給 AP ，就可以證明它是知道密鑰的；如果 AP 檢驗正確，則該移動站點就 會被正式加入到單元中。 ? ⑵ 解除認證 。一個以前經(jīng)過認證的站想要離開網(wǎng)絡時，需要解除認證。 ? ⑶ 保密 。處理加密和解密，加密算法為 RC4 。 ⑷ 數(shù)據(jù)傳遞 。提供了一種數(shù)據(jù)傳送和接收方法 3. 簡述無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)工作過程，傳感器節(jié)點

8、的組成及其功能是什么 無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方 式構成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地域內(nèi)感知對象 的監(jiān)測信息，并報告給用戶 2. 為什么無線傳感器網(wǎng)絡需要時間同步， 簡述 RBS、TPSN時間同步算法工作原 理？ 在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡應用中， 每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。 不同節(jié)點的晶 體振蕩器頻率存在偏差， 以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡節(jié)點之間的運行時間偏 差， RBS同步協(xié)議的基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點 之間進行同步。 這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時間不確

9、定性。 這種同步協(xié)議的 缺點是協(xié)議開銷大 TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡結構，首先將所有節(jié)點按照層次結構進行分級，然后每個節(jié)點 與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步 。 3、為什么無線傳感器網(wǎng)絡需要節(jié)點定位，簡述基于距離的定位算法三邊測量 算法、三角測量算法的工作原理？ 傳感器節(jié)點的自身定位是傳感器網(wǎng)絡應用的基礎。 許多應用都要求網(wǎng)絡節(jié)點預先知道自身 的位置，并在通信和協(xié)作過程中利用位置信息完成應用要求。若沒有位置信息，傳感器節(jié) 點所采集的數(shù)據(jù)幾乎是沒有應用價值的。所以，在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，節(jié)點的定位 成為關鍵的問題。 通過測量節(jié)點與信標節(jié)點間的實際距離或方位

10、進行定位 三邊測量算法： 已知 A、B、C 三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點 D的距離，確定節(jié)點 D的 坐標 三角測量算法： 已知 A、B、C 三個節(jié)點的坐標，節(jié)點 D相對于節(jié)點 A、B、C 的角度，確定 節(jié)點 D 的坐標； 3. 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構包括哪些部分，各部分的功能分別是什么？ 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層和能量管理 平臺、 移動管理平臺和任務管理平臺。 這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的 方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享 。 5. 簡述基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡架構， ?說

11、明節(jié)點設備類型的不同與功能？ 基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點的核心部件采用 Chipcon 公司生產(chǎn)的 2.4GHz 射頻系統(tǒng) 單芯片 CC2430 。該單芯片上整合了 ZigBee RF 前端、內(nèi)存和微控制器等。其結構框圖如 圖所示。 ZigBee 的邏輯設備按其功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。 協(xié)調(diào)器的作用在于啟動網(wǎng)絡初始化、組織網(wǎng)絡節(jié)點和存儲各節(jié)點信息。 路由器設備的作用是管理每對節(jié)點的路由信息。 終端設備相當于網(wǎng)絡中的葉節(jié)點，可以是任意類型的物理設備。 6. 簡述無線傳感器應用的開發(fā)過程，系統(tǒng)仿真常用哪些軟件平臺？

12、 開發(fā)過程 依據(jù)軟件工程的思想，結合無線傳感器網(wǎng)絡及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特征，總結在開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡應 用過程中的經(jīng)驗，整個開發(fā)過程分為分析、設計、實現(xiàn)和測試四個階段 分析階段 : 整個開發(fā)過程始于分析階段，這個階段顯示系統(tǒng)應該做什么。指出系統(tǒng)要實現(xiàn) 的目標， 在分析階段， 要分析具體的應用背景及用戶或用戶代表對系統(tǒng)的期望， 并給出明確 的定義，在此基礎上分析員要能夠準確地定義系統(tǒng)的需求。 設計階段 : 依據(jù)系統(tǒng)需求，設計選用適合目標系統(tǒng)的硬件平臺、軟件系統(tǒng)等。使用模塊化 以便能夠容易理解和處理。 在模塊 原則， 使用結構圖將系統(tǒng)應用程序先劃分為較小的部分， 劃分的過程中， 要盡量達到

13、模塊間的松散藕合，以提高可重用性， 使維護修改更容易， 實現(xiàn) 新的用戶需求。 實現(xiàn)階段 : 完成系統(tǒng)軟硬件平臺的定制和創(chuàng)建實際的程序。 根據(jù)目標系統(tǒng)的設計和需求， 定制傳感器節(jié)點的功能，并對 WSN 操作系統(tǒng) (軟件平臺 ) 進行裁減，剔除開發(fā)目標系統(tǒng)所不 需要的部分，以節(jié)省有限的空間，提高系統(tǒng)運行效率。 測試階段 : 將編譯成功的應用程序?qū)斯?jié)點進行測試。 (WSN 應用 ,包括操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議棧 ,能夠仿真數(shù)量眾多的節(jié)點 ,能夠觀察由不可預 測的干擾和噪聲引起的難以琢磨的節(jié)點間的相互作用 ,獲取節(jié)點間詳細的細節(jié) , 從而提高節(jié) 點投放后的網(wǎng)絡成功率 ,減少投放后的網(wǎng)絡維護工作。目前

14、 無線傳感器 網(wǎng)絡使用的仿真工具 主要有 NS2 、 TinyOS 、 OPNET 、OMNET++ 等等。其中 TinyOS 是專門針對 無線傳感器 網(wǎng)絡的特點而研究開發(fā)的。 NS2:NS 是一種可擴展、 以配置和可編程的時間驅(qū)動的仿真工具 ,它是由 REAL 仿真器發(fā) 展而來 .在 NS 的設計中 ,使用 C++ 和 OTCL 兩種程序設計語言 , C++ 是一種相對運行速度 較快但是轉(zhuǎn)換比較慢的語言，所以 C++ 語言被用來實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議 , 編寫 NS 底層的仿真引 擎; OTCL 是運行速度較慢 ,但可以快速轉(zhuǎn)換的腳本語言 ,正好和 C++ 互補,所以 OTCL 語言 被用來配置仿

15、真中各種參數(shù) ,建立仿真的整體結構 , OTCL 的腳本通過調(diào)用引擎中各類屬性、 方法 ,定義網(wǎng)絡的拓撲 ,配置源節(jié)點、目的節(jié)點建立鏈接 ,產(chǎn)生所有事件的時間表 ,運行并跟蹤 仿真結果 ,還可以對結果進行相應的統(tǒng)計處理或制圖 .NS 可以提供有線網(wǎng)絡、 無線 網(wǎng)絡中鏈 路層及其上層精確到數(shù)據(jù)包的一系列行為仿真。 NS 中的許多協(xié)議都和真實代碼十分接近 , 其真實性和可靠性是非常高的 OPNET 主要特點包括以下幾個方面 :(1) 采用面向?qū)ο蟮募夹g , 對象的屬性可以任意 配置 ,每一對象屬于相應行為和功能的類 , 可以通過定義新的類來滿足不同的系統(tǒng)要 求； (2)OPNET 提供了各種

16、通信網(wǎng)絡和信息系統(tǒng)的處理構件和模塊； (3) OPNET 采用 圖形化界面建模 ,為使用者提供三層 (網(wǎng)絡層、節(jié)點層、進程層 ) 建模機制來描述現(xiàn)實的 系統(tǒng)； (4) OPNET 在過程層次中使用有限狀態(tài)機來對其它協(xié)議和過程進行建模 ,用戶模 型及 OPNET 內(nèi)置模型將會自動生成 C 語言實現(xiàn)可執(zhí)行的高效、 高離散事件的模擬流程； (5) OPNET 內(nèi)建了很多性能分析器 , 它會自動采集模擬過程的結果數(shù)據(jù)； (6)OPNET 幾 乎預定義了所有常用的業(yè)務模型 , 如均勻分布、泊松分布等 TinyOS 是專門針對 傳感器研發(fā)出的操作系統(tǒng)。 使用的語言為 nesC 語言。 TinyOS 操作

17、系統(tǒng)中常用的仿真平臺主要是 TOSSIM 和 Avrora (1)TOSSIM(TinyOS simulation) 是一個支持基于 TinyOS 的應用在 PC 機 上運行的模擬器 .TOSSIM 運行和 傳感器硬件相同的代碼 , 仿真編譯器能直接從 TinyOS 應用的組件表中編譯生成仿真程序。 ( 2 )Avrora 是一種專門為 Atmel 和 Mica2 節(jié)點上以 AVR 單片機語言編寫的程 序提供仿真分析的工具。 7. 無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議有哪些類型？路由協(xié)議的設計要求？ 由協(xié)議主要分為四類 :基于聚簇的路由協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心路由協(xié)議、基于地理位置路由協(xié)議和能量感知

18、 路由協(xié)議 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計以節(jié)能、延長網(wǎng)絡生命周期為主要目的。 (1) QoS 路由。目前傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究重點主要集中在能量效率上 , 而在未來的研究中可能還 需要解決由視頻和成像傳感器以及實時應用引起的 QoS 問題。 (2) 支持移動性。目前的 WSNs 路由協(xié)議對網(wǎng)絡的拓撲感知能力和移動性的支持比較差 , 如何在控制協(xié) 議開銷的前提下 ,支持快速拓撲感知是一個重要挑戰(zhàn)。 (3) 安全路由。由于 WSNs 的固有特性 ,其路由協(xié)議極易受到安全威脅 , 是網(wǎng)絡攻擊的主要目標 , 設計簡 單、有效、適用于 WSNs 的安全機制是今后努力的方向。 (4) 有

19、效功耗。 WSNs 中數(shù)據(jù)通信最為耗能 ,今后盡量通過使用數(shù)據(jù)融合技術、數(shù)據(jù)傳輸中采用過濾機 制來減少通信量 ,并通過讓各節(jié)點平均消耗能量來保持通信量的負載均衡。 (5) 容錯性。由于 WSNs 節(jié)點容易發(fā)生故障 ,應盡量利用節(jié)點易獲得的網(wǎng)絡信息計算路由 , 以確保在路 由出現(xiàn)故障時能夠盡快得到恢復 ,可采用多路徑傳輸來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃? 8. 無線傳感器網(wǎng)絡常用操作系統(tǒng)有哪些？各有哪些特點？ WSN 的操作系統(tǒng) (WSNOS) 是 WSN 系統(tǒng)的基本軟件環(huán)境，是許許多多的 WSN 應用軟件 開 發(fā)的基礎。 WSNOS 不是特定的系統(tǒng) / 用戶界面， 也不是特定的一系列系統(tǒng)服務， 而是

20、定義了 一套通用的界面框架， 允許應用程序選擇服務和實現(xiàn)； 它提供框架的 模塊化 ，以便適應硬件 的多樣性，同時允許應用程序重用通用的軟件服務和抽象。同其他操作系統(tǒng)一樣， WSNOS 是為了方便開發(fā)應用，提供物理設備的抽象和高協(xié)調(diào)性的通用函數(shù)實現(xiàn)。它的獨特性在于， 資源極端受限( 處理器 速度、存儲器 大小、 內(nèi)存大小、通訊帶寬、資源數(shù)量以及電源受限) ， 設備特殊性和缺乏一致的抽象層次。因此， WSNOS 的設計策略必須是一個資源庫，從中抽 取一部分組成應用。 它致力于提供有限資源的并發(fā)， 而不是提供接口或形式。 伯克利 開發(fā)的 TinyOS 正是這樣一套 WSNOS 系統(tǒng) Tiny OS

21、 2.0 ：美國加州大學伯克利分校開發(fā)， 事件驅(qū)動，基于組件，使用 nesC編寫， nesC:使用 C 作為其基礎語言，支持所有的 C 語言詞法和語法，增加了 組件 ( component)和 接口 ( interface )的關鍵字定義，定義了接口及如何使用接口表達 組件之間關系的方法，目前只支持組件的靜態(tài)連接，不能實現(xiàn)動態(tài)連接和配置 Mantis OS 0.9.5 (Multimodal Networks of In-situ Sensors) ：美國克羅拉多大學開發(fā)，輕 量級的基于搶占的多線程無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，編程語言為 c 語言，整個內(nèi)核占用 的 RAM 小于 500 個字節(jié)，適合于無線傳感器網(wǎng)絡中處理復雜任務(例如加密解密，數(shù) 據(jù)融合，定位，時間同步等)的需求 C語 SOS 1.7：美國加州大學洛杉磯分校開發(fā)，提供了很好的動態(tài)增加和刪除模塊的功 能 ，內(nèi)核和應用程序模塊中都使用動態(tài)存儲，實現(xiàn)了優(yōu)先級調(diào)度，使用標準 言和編譯器 簡述建設無線校園網(wǎng)的技術方案，畫出拓撲圖，給出必須得哪些設備。