无线传感器网络原理及方法复习题分析

1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理CSMA/CA机制:当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。若信道空闲，且在DIFS时间内一直空闲，则发送这个数据帧。发送结束后，源站点等待接收ACK确认帧。如果目的站点接收到正确的数据帧，还需要等待SIFS时间，然后向源站点发送ACK确认帧。若源站点在规定的时间内接收到ACK确认帧，则说明没有发生冲突，这一帧发送成功。否则执行退避算法。2.802.11无线LAN提供的服务有哪些？•802.11规定每个遵从该标准的无线局域网必须提供9种服务，这些服务分为两类，5种分布式服务和4种站服务。分布式服务涉及到对单元（cell）的成员关系的管理，并且会与其它单元中的站点进行交互。由AP提供的5种服务将移动节点与AP关联起来，或者将它们与AP解除关联。•⑴建立关联：当移动站点进入一个新的单元后，立即通告它的身份与能力。能力包括支持的数据速率、需要PCF服务和功率管理需求等。AP可以接受或拒绝移动站点的加入。如果移动站点被接受，它必须证明它自己的身份。•⑵解除关联。无论是AP还是站点都可以主动解除关联，从而中止它们之间的关系•⑶重建关联。站点可以使用该服务来改变它的首选AP。•⑷分发。该服务决定如何将发送到AP的帧发送出去。如果目的站在同一个AP下，帧可以被直接发送出去，否则必须通过有线网络转发。•⑸集成。如果一个帧需要通过一个非802.11网络（具有不同的编址方案或帧格式）传输，该服务可将802.11格式转换成目的网络要求的格式站服务4种站服务用于管理单元内的活动。•⑴身份认证。当移动站点与AP建立了关联后，AP会向移动站点发送一个质询帧，看它是否知道以前分配给它的密钥；移动站点用自己所知道的密钥加密质询帧，然后发回给AP，就可以证明它是知道密钥的；如果AP检验正确，则该移动站点就会被正式加入到单元中。•⑵解除认证。一个以前经过认证的站想要离开网络时，需要解除认证。•⑶保密。处理加密和解密，加密算法为RC4。⑷数据传递。提供了一种数据传送和接收方法3.简述无线传感器网络系统工作过程无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户4.为什么无线传感器网络需要时间同步，简述RBS、TPSN时间同步算法工作原理？在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差，RBS同步协议的基本思想是多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送一方的时间不确定性。这种同步协议的缺点是协议开销大TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步。5.为什么无线传感器网络需要节点定位，简述基于距离的定位算法三边测量算法、三角测量算法的工作原理？传感器节点的自身定位是传感器网络应用的基础。许多应用都要求网络节点预先知道自身的位置，并在通信和协作过程中利用位置信息完成应用要求。若没有位置信息，传感器节点所采集的数据几乎是没有应用价值的。所以，在无线传感器网络的应用中，节点的定位成为关键的问题。基于距离的定位算法：通过测量节点与信标节点间的实际距离或方位进行定位三边测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标三角测量算法：已知A、B、C三个节点的坐标，节点D相对于节点A、B、C的角度，确定节点D的坐标；6.无线传感器网络体系结构包括哪些部分，各部分的功能分别是什么？无线传感器网络体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层和能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。7.简述基于ZigBee无线传感器网络架构?说明节点设备类型的不同与功能？基于ZigBee无线传感器网络节点的核心部件采用Chipcon公司生产的2.4GHz射频系统单芯片CC2430。该单芯片上整合了ZigBeeRF前端、内存和微控制器等。其结构框图如图所示。ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器和终端设备。协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点和存储各节点信息。路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型的物理设备。8.简述无线传感器应用的开发过程，系统仿真常用哪些软件平台？开发过程依据软件工程的思想，结合无线传感器网络及嵌入式系统开发的特征，总结在开发无线传感器网络应用过程中的经验，整个开发过程分为分析、设计、实现和测试四个阶段分析阶段:整个开发过程始于分析阶段，这个阶段显示系统应该做什么。指出系统要实现的目标，在分析阶段，要分析具体的应用背景及用户或用户代表对系统的期望，并给出明确的定义，在此基础上分析员要能够准确地定义系统的需求。设计阶段:依据系统需求，设计选用适合目标系统的硬件平台、软件系统等。使用模块化原则，使用结构图将系统应用程序先划分为较小的部分，以便能够容易理解和处理。在模块划分的过程中，要尽量达到模块间的松散藕合，以提高可重用性，使维护修改更容易，实现新的用户需求。实现阶段:完成系统软硬件平台的定制和创建实际的程序。根据目标系统的设计和需求，定制传感器节点的功能，并对WSN操作系统(软件平台)进行裁减，剔除开发目标系统所不需要的部分，以节省有限的空间，提高系统运行效率。测试阶段:将编译成功的应用程序导人节点进行测试。目前无线传感器网络使用的仿真工具主要有NS2、TinyOS、OPNET、OMNET++等等。其中TinyOS是专门针对无线传感器网络的特点而研究开发的。NS2:NS是一种可扩展、以配置和可编程的时间驱动的仿真工具,它是由REAL仿真器发展而来.在NS的设计中,使用C++和OTCL两种程序设计语言,C++是一种相对运行速度较快但是转换比较慢的语言，所以C++语言被用来实现网络协议,编写NS底层的仿真引擎;OTCL是运行速度较慢,但可以快速转换的脚本语言,正好和C++互补,所以OTCL语言被用来配置仿真中各种参数,建立仿真的整体结构,OTCL的脚本通过调用引擎中各类属性、方法,定义网络的拓扑,配置源节点、目的节点建立链接,产生所有事件的时间表,运行并跟踪仿真结果,还可以对结果进行相应的统计处理或制图.NS可以提供有线网络、无线网络中链路层及其上层精确到数据包的一系列行为仿真。NS中的许多协议都和真实代码十分接近,其真实性和可靠性是非常高的OPNET主要特点包括以下几个方面:(1)采用面向对象的技术,对象的属性可以任意配置,每一对象属于相应行为和功能的类,可以通过定义新的类来满足不同的系统要求；(2)OPNET提供了各种通信网络和信息系统的处理构件和模块；(3)OPNET采用图形化界面建模,为使用者提供三层(网络层、节点层、进程层)建模机制来描述现实的系统；(4)OPNET在过程层次中使用有限状态机来对其它协议和过程进行建模,用户模型及OPNET内置模型将会自动生成C语言实现可执行的高效、高离散事件的模拟流程；(5)OPNET内建了很多性能分析器,它会自动采集模拟过程的结果数据；(6)OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型,如均匀分布、泊松分布等TinyOS是专门针对传感器研发出的操作系统。使用的语言为nesC语言。TinyOS操作系统中常用的仿真平台主要是TOSSIM和Avrora（1）TOSSIM(TinyOSsimulation)是一个支持基于TinyOS的应用在PC机上运行的模拟器.TOSSIM运行和传感器硬件相同的代码,仿真编译器能直接从TinyOS应用的组件表中编译生成仿真程序。（2）Avrora是一种专门为Atmel和Mica2节点上以AVR单片机语言编写的程序提供仿真分析的工具。9.无线传感器网络的路由协议有哪些类型？路由协议的设计要求？由协议主要分为四类:基于聚簇的路由协议、以数据为中心路由协议、基于地理位置路由协议和能量感知路由协议现有的无线传感器网络路由协议设计以节能、延长网络生命周期为主要目的。(1)QoS路由。目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上,而在未来的研究中可能还需要解决由视频和成像传感器以及实时应用引起的QoS问题。(2)支持移动性。目前的WSNs路由协议对网络的拓扑感知能力和移动性的支持比较差,如何在控制协议开销的前提下,支持快速拓扑感知是一个重要挑战。(3)安全路由。由于WSNs的固有特性,其路由协议极易受到安全威胁,是网络攻击的主要目标,设计简单、有效、适用于WSNs的安全机制是今后努力的方向。(4)有效功耗。WSNs中数据通信最为耗能,今后尽量通过使用数据融合技术、数据传输中采用过滤机制来减少通信量,并通过让各节点平均消耗能量来保持通信量的负载均衡。(5)容错性。由于WSNs节点容易发生故障,应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由,以确保在路由出现故障时能够尽快得到恢复,可采用多路径传输来提高数据传输的可靠性10.无线传感器网络常用操作系统有哪些？各有哪些特点？WSN的操作系统(WSNOS)是WSN系统的基本软件环境，是许许多多的WSN应用软件开发的基础。WSNOS不是特定的系统/用户界面，也不是特定的一系列系统服务，而是定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务和实现；它提供框架的模块化，以便适应硬件的多样性，同时允许应用程序重用通用的软件服务和抽象。同其他操作系统一样，WSNOS是为了方便开发应用，提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现。它的独特性在于，资源极端受限（处理器速度、存储器大小、内存大小、通讯带宽、资源数量以及电源受限），设备特殊性和缺乏一致的抽象层次。因此，WSNOS的设计策略必须是一个资源库，从中抽取一部分组成应用。它致力于提供有限资源的并发，而不是提供接口或形式。伯克利开发的TinyOS正是这样一套WSNOS系统TinyOS2.0：美国加州大学伯克利分校开发，事件驱动，基于组件，使用nesC编写，nesC:使用C作为其基础语言，支持所有的C语言词法和语法，增加了组件（component）和接口（interface）的关键字定义，定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系的方法，目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置MantisOS0.9.5(MultimodalNetworksofIn-situSensors)：美国克罗拉多大学开发，轻量级的基于抢占的多线程无线传感器网络操作系统，编程语言为c语言，整个内核占用的RAM小于500个字节，适合于无线传感器网络中处理复杂任务（例如加密解密，数据融合，定位，时间同步等）的需求SOS1.7：美国加州大学洛杉矶分校开发，提供了很好的动态增加和删除模块的功能，内核和应用程序模块中都使用动态存储，实现了优先级调度，使用标准C语言和编译器11.WSN和Ad-hoc网络、传统无线宽带网络相比的差异，以及WSN的特点。WSN是Adhoc网络的一种典型应用，但WSN与传统的Adhoc网络存在以下区别：1、WSN节点数量更为庞大，分布更为密集；2、WSN节点更容易失效，网络拓扑变化频繁；3、WSN主要使用广播通信机制，而Adhoc网络是基于点对点的通信；4、WSN节点的动力能源、运算能力、存储器大小均受局限；5、WSN不必拥有全球统一标识符；6、WSN以数据为中心。正是由于WSN与Adhoc网络存在以上的显著区别，导致Adhoc网络的许多研究成果不能适用于WSN，也导致两者的应用存在着显著差别。由于Adhoc网络具有节点对等、多跳无中心接入、不依赖网络基础设施、抗毁性强等特点，使得它的应用领域与普通的通信网络有着非常大的区别。12.传感器节点的组成和特点。结构：节点可以组成三种拓朴结构：星型