一．填空题：
传感器网络三大基本要素：传感器、感知对象、用户/观测者。
传感器节点的基本功能模块包括 数据采集模块 、数据处理和控制模块 、通信模块 、供电模块 四个，其中 通信模块 能量消耗最大。
传感器节点通信模块的工作模式有 发送 、 接收 、空闲 、睡眠。
无线传感器网络拓扑控制主要通过 功率调节 和 睡眠调节机制 两种方式实现。
传感器网络中的平面路由协议主要有 洪泛路由协议（floodding） 、 闲聊协议（Gossiping） 、 SPIN 协议 等。
传感器网络中的路由协议按照节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为 平面路由协议 和 层次路由协议 。
K-连通 指至少去掉k个节点才能使网络不连通。
目标定位 是确定网络覆盖范围内其他目标节点的坐标位置。
无线传感器网络经典MAC协议是S-MAC协议，它主要特征是 节省能量。
无线传感器网络根据覆盖目标不同，将覆盖算法分为 点覆盖 、 面覆盖 、栅栏覆盖 三种类型。
传感器网络拓扑结构包括 平面网络结构 、 分级网络结构 、 混合网络结构 、 Mesh网络结构 四种。
洪泛 路由协议是无线传感器网络中最基本、最简单的平面路由协议。
传感器网络中的路由协议按照传输过程中采用的路径多少分为： 单路经路由协、多路径路由协议。
无线传感器网络中节点部署方式主要分为 确定性部署 、 随机性部署 、 混合式部署 三种。
实现传感器节点时间同步的同步消息包括 单向消息交换 、双向消息交换 、接收端-接收端同步三种。
无线传感器网络时间同步协议TPSN实现包括 级别探测阶段和 同步阶段 两个阶段。
节点覆盖感知模型主要有 布尔感知模型 和 概率感知模型 。
混合网络拓扑结构中包括基本的 平面 和 分级 两种网络结构。
典型的覆盖算法包括 最佳与最坏情况覆盖 、 圆周覆盖 和 连通传感器覆盖 等。
无线通信介质主要包括 无线电波、红外线、光波 。
传感器网络中的路由协议按照传输过程中采用的路径的条数多少分为： 单路径路由
和 多路径路由 。
列举三个与距离无关的定位方法 质心定位算法 、 凸规划定位算法 、 APS定位算法、APIT算法 。
无线传感器网络传输层协议主要实现 event-to-sink 和 sink-to-sensors 两种方式消息的传送。
根据信息的抽象程度，数据融合分为 数据级融合 、 特征级融合 、 决策级融合 。
传感器网络节能的主要策略有 休眠机制 、 数据融合机制 。
常用的短距离无线通信技术包括 蓝牙 、 zigbee 、 UWB 、Wifi等。
无线传感器网络接入Internet网络的方式有 应用层网关、延时容忍网络、TCP/IP覆盖传感器网络协议栈、传感器网络协议栈覆盖TCP/IP、移动代理、有线电视网等。
二．名词解释：（只要给出缩写的全名中文意思，不需要解释）
WSN、ISO、MAC、RSSI、ToA、TDoA、LoS、TDMA、SNEP、MST、LMST、RNG、DRNG、ARQ、AP、CSMA/CA、PCF、DCF、RTS/CTS、WPAN、SNEP
WSN 无线传感器网络 Wireless Sensor Networks
ISO : 国际标准化组织 International Organization for Standardization
MAC ： 介质访问控制 Medium Access Control
RSSI: 到达信号强度测量法 Received Signal Strength Indication
TOA : 基于到达时间的定位机制 Time Of Arrival
TDOA : 基于到达时间差的定位机制 Time Difference Of Arrival
LOS ：同步丢失 Loss of Synchronization
TDMA : 时分多址
SNEP : 安全网络加密协议 Secure Network Encryption Protocols
LMA：本地平均算法 Local Mean Algorithm
LMN：本地邻居平均算法 Local Mean of Neighbors Algorithm
CBTC： 基于锥形的分布式拓扑控制 cone-Based Distributed Topology Control
MST : 最小生成树 Minimum Spanning Tree
LMST : 本地最小生成树 Local Minimum Spanning Tree
DLMST： Directed Local Minimum Spanning Tree
RNG : 相对领近图 Relative Neighborhood Graph
DRNG : 定向相对领近图 Directed Relative Neighborhood Graph
LEACH：低能量自适应聚簇层次结构 Low Energy Adaptive Clustering Hierarvhy
ARQ : 自动重传请求协议 Automatic Repeat Request
AP : 接入点 Access Point
CSMA：载波监听多点接入 Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CD : 带有碰撞检测的载波监听多点接入 CSMA/Collision Detect
CSMA/CA : 带有碰撞避免的载波监听多点接入 CSMA/Collision Avoidance
PCF : 点协调功能 Point Coordination Function
DCF : 分布式协调功能 Distributed Coordination Function
RTS/CTS : 请求发送/允许发送协议 Request To Send/Clear To Send
WPAN ：无线个人局域网 Wireless Personal Area Network
三．简答题：
简述无线传感器网络的定义及特点。
定义：无线传感网络是由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。
特点：自组织性；以数据为中心；应用相关性；动态性；
网络规模大；可靠性集成化；协作方式执行任务
简述无线传感器网络的关键技术包含哪些。
时间同步、节点定位、数据融合、能量管理、容错技术、安全技术。
简述无线传感器网络拓扑定义的定义及评价指标有哪些。
定义：拓扑控制是一种协调节点间各自传输范围的技术，用以构建具有某些期望的全局特性的网络拓扑结构，同时减少节点的能耗或增加网络的传输能力。
评价指标：覆盖性、连通性、网络生命期、吞吐能力、干扰和竞争、网络延迟、
简述无线传感器网络协议结构及各层功能。
类似TCP/IP协议体系，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
(1)物理层：负责信号的调制解调和数据的收发，信道编码、无线传输
(2)数据链路层：负责数据成帧、帧检测、介质访问和差错控制。介质访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信，差错控制保证源结点发出的信息可以完整无误地到达目标结点。
(3)网络层：负责路由发现和维护，连接/无连接、可达量，通常大多数结点无法直接与网络通信，需要通过中间结点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚结点。
(4)传输层：负责数据流的传输控制、可靠性、吞吐量
(5)应用层：应用业务和安全性
简述无线传感器网络安全需求有哪些。
数据保密性、数据认证、数据完整性、数据实时性、秘钥管理、真实性、扩展性、可用性、自组织性、鲁棒性等方面
简述S-MAC协议工作方式以及优势与不足。
S-MAC协议是在IEEE802.11MAC协议的基础上，针对于传感器网络的节省能量的需求而提出的传感器网络的MAC协议; 通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟;
工作机制：周期性侦听和睡眠、流量自适应侦听机制、串音避免、消息传递。
优点：
（１）S-MAC很好的通过周期性的侦听与睡眠机制解决了无线传感网络中的能量问题：
高负载：当信道处于高负载的时候，侦听阶段得意充分利用；
低负载：睡眠阶段更好的节省了能量。
（２）使用CSMA协议中的RTS/CTS，DATA／ACK消息传递机制，有效避免了冲突；
缺点：
S-MAC协议中的占空比是固定不变的，信道中出现极端情况：
（１）负载过高时，休眠时间太长，不利于数据的传递；
（２）当负载过低时，侦听时间长，还是不能有效利用有限的能量，浪费能量。
简述WSN接入Internet的实现方式。
应用层网关
延时容忍网络
TCP/IP覆盖传感器网络协议栈
传感器网络协议栈覆盖TCP/IP
移动代理
简述WSN路由协议的分类及分类标准有哪些（至少3种）。
1） 按源节点获取路径的方法：主动路由协议、按需路由协议、混合路由协议。
2） 按节点参与通信的方式：直接通信路由协议、平面路由协议、层次路由协议。
3） 按路由的发现过程：以位置信息为中心的路由协议、以数据为中心的路由协议。
4） 按路由选择是否考虑服务质量约束
四．应用题：
画出无线传感器网络系统功能结构图，简单叙述各组成部分的功能及相关关系。
传感器节点：需要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
（1）数据采集者
（2）数据中转站
（3）簇头节点
汇聚节点：负责传感器网与与外网的连接。（差不多和基站同等）
管理节点：对网络节点进行实时监控和操作。
相关关系：传感器节点和汇聚节点通过自组织的方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区的信息，并通过多跳的方式经由汇聚节点链路将整个区域的信息传送到远程控制管理中心。反之，远程控制管理中心也可以对网络节点进行实时监控和操作。
画出传感器网络的平面网络拓扑结构图（包含基站与普通节点），说明网络节点的工作方式，及优缺点。
平面网络结构：
(1)平面网络结构所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。
(2)这种网络拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性，事实上就是一种AdHoc网络结构形式。
(3)由于没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂。
画出传感器网络的层次结构拓扑结构图（包含基站与普通节点），说明网络节点的工作方式，及优缺点。
分级网络结构（层次网络结构）：
(1)网络分为上层和下层两个部分：上层为中心骨干节点互连形成的子网拓扑，下层为一般传感器节点互连形成的子网拓扑。
(2)通常网络可能存在一个或多个骨干节点，骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构；具有汇聚功能的骨干节点和一般传感器节点之间采用的是分级网络结构。
(3)所有骨干节点为对等结构，骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性，也就是说每个骨干节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能协议，而一般传感器节点可能没有路由、管理及汇聚处理等功能。
(4)优点：扩展性好，便于集中管理，降低系统建设成本，提高网络覆盖性和可靠性。
(5)缺点：集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能够直接通信。
简述LEACH协议实现过程。
LEACH是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。
簇的建立阶段：相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头
数据通信阶段：簇内节点把数据发给簇头，簇头进行数据融合并把结果发给汇聚节点。
簇头耗能大，所以需要等概率选取簇头。使整个网络的能量负载达到均衡。
LEACH拓扑图：
过程：节点产生0~1的数，如果这个数小于阈值Tn，则发布自己是簇头的消息；在每轮循环中，如果节点已经当选过簇头，则把Tn置0，这样该节点不可能再当选簇头。
p：期望的簇头在所有节点中所占的百分比
r：选举轮数
r mod (1/p)：这一轮循环中当选过簇头节点的个数
Gr：这一轮循环中未当选过簇头的节点集合
对于没有当选过簇头的节点，其当选簇头的概率是Tn，并随着当选过节点的数目的增加，Tn随之增大。
简述基于节点度的功率控制算法实现过程（或伪代码），以本地平均算法为例说明。
给定节点度的上限和下限需求，动态调整节点的发射功率，使得节点的度数落在上限和下限之间。基于节点度的算法利用局部信息来调整相邻节点的连通性，从而保证整个网络的连通性，同时保证节点间的链路具有一定的冗余性和可扩展性。
LMN( local mean of neighbors algorithm)-本地邻居平均算法
与LMA不一样的地方是，LMN的邻居节点的数目依据于所有邻居的邻居节点数求平均值作为自己的邻居节点数
简述无线传感器网络时间同步协议（TPSN）实现过程。（P134）
时间同步有两种，一种是外部的，一种是内部的。
外部同步：指所有节点的时钟都与一个外部时间源同步。
内部同步：指在没有外部参考时钟支持的情况下，所有节点的时钟之间互相同步。 网络中所有节点的时间都一样
TPSN:使用树结构组织网络的“发射端-接收端”同步方式。有两个过程：
1）级别探测阶段
第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i－1）级的节点通信；
2）同步阶段
实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i－1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。
相邻级别节点间的同步机制
邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。
边节点S在T1时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。节点R在T2时间收到分组，T2=T1+d+△，然后在T3时间发送应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应答，T4=T3=d- △此可以推导出下面算式：
△:偏移量 d：延迟
节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。
掌握基于RSSI、TOA、TDOA、AOA测距的理论基础及计算过程。（P144)
基于测距定位算法：精度上有可取之处，但需要硬件支持，不适用低功耗低成本的应用领域。
基于测距的定位机制通过测量相邻节点间的距离或角度信息，然后再使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位计算方法来计算节点位置。
测距定位过程分为以下三个阶段。
(1)测距阶段，未知节点测量到邻近锚节点的距离或角度。
(2)定位阶段，计算出未知节点与三个或三个以上锚节点得到距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或最大似然估计法计算未知节点的坐标。
(3)矫正阶段，对计算得到的节点的坐标进行循环求精，减少误差，提高定位算法的精度。
基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）的定位： 基于接收信号强度指示的定位。已知发送节点的发送信号强度，通过测量接收信号强度，计算信号的传播损耗，根据理论或经验信号传播衰减模型将传播损耗转化为距离。得到锚节点与未知节点之间的距离信息后，采用三边测量法或最大似然估计法可计算出未知节点的位置。
基于TOA（Time Of Arrival）的定位 : 基于到达时间的定位机制。已知信号的传播速度，通过测量信号传播时间来测量距离。需要锚节点与未知节点时间同步。
（1）测量信号单向传播时间，需要发送者和接收者时间同步。
（2）测量信号往返时间差，接收者处理延时无法避免。
基于TDOA （Time Difference Of Arrival）的定位：基于到达时间差的定位机制 。通过计算两种不同无线信号到达未知节点的时间差，再根据两种信号的传播速度来计算得到未知节点与锚节点之间的距离。需要锚节点之间同步。精度高，应用广。
两个信号向同一个方向发送。
基于AOA （Angle Of Arrival）的定位: 基于到达角定位机制。接收节点通过天线阵列或多个接收器结合来得到发射节点发送信号的方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过一定的算法得到节点的估计位置。利用信号传播的方向来测量到达角，到达角：信号传播方向与参考方向之间的夹角
掌握三边定位法、极大似然定位法理论基础及计算过程。(P142)
三边定位法：已知3个信标节点的坐标和其中1个未知节点到3个信标节点的距离，求该未知节点的坐标。未知节点坐标(x,y)：
极大似然定位法：寻找一个使测距距离与估计距离之间存在最小差异的点，并以该点作为未知节点的位置。
基本思想：假如一个节点可以获得足够多的信息来形成一个由多个方程式组成并拥有唯一解的超限制条件或限制条件完整的系统，那么就可以同时定位跨越多跳的一组节点。
已知3个以上的信标节点的坐标和它们到未知节点的距离，求解该未知节点的坐标。设节点1，2，3，4，…，n个节点的坐标分别为 (x1, y1)，(x2, y2)， 、…， (xn, yn) ，它们到未知节点D的距离分别为d1、d2、d3、…、dn，节点D的坐标为（x，y），则
从第一个方程开始分别减去最后一个方程可得如下线性方程：
简化为矩阵相乘的方式：AX=b
使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：
掌握DV-Hop定位实现过程。
DV-Hop 定位算法
DV-Hop定位算法是APS算法系列中使用最为广泛的定位方法， 其定位过程不依赖于测距方法， 利用多跳信标节点信息来参与节点定位， 定位覆盖率较大。DV-Hop 算法非常类似于传统网络中的距离向量路由机制， 在该定位机制中， 未知节点首先计算与信标节点的最小跳数， 然后估算平均每跳距离， 利用最小跳数乘以平均每跳距离， 估算得到未知节点与信标节点之间的距离， 再利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。
DV-Hop定位算法可以分为以下3个阶段：
（ 1） 计算未知节点与每个信标节点的最小跳数。
信标节点向邻居节点广播自身位置信息的分组， 其中包括跳数字段， 初始化为0.接收节点记录具有到每个信标节点的最小跳数， 忽略来自同一个信标节点的较大跳数的分组。然后将跳数值加1,并转发给邻居节点。通过这个方法网络中的所有节点能够记录下到每个信标节点的最小跳数。
（ 2） 计算未知节点与信标节点的实际跳段距离。
每个信标节点根据第1阶段中记录的其他信标节点的位置信息和相距跳数， 利用式（1）估算平均每跳的实际距离：
其中， （ xi, yi ）、（ xj, yj ）是信标节点i、j 的坐标， hj 是信标节点i与j（ i≠j）之间的跳段数。
然后， 信标节点将计算的每跳平均距离用带有生存期的字段的分组广播到网络中， 未知节点仅记录接收到的第1个每跳平均距离， 并转发给邻居节点。这个策略可以确保绝大多数未知节点从最近的信标节点接收每跳平均距离。未知节点接收到平均每跳距离后， 根据记录的跳数， 计算到每个信标节点之间的距离。
（ 3） 未知节点计算自身位置。
未知节点利用第2阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离， 利用三边测量法或极大似然估计法计算出自身坐标。
如图1所示， 经过第1和第2阶段， 能够计算出信标节点L1 与L2、L3 之间的距离和跳数。信标节点L2 计算得到校正值（即每跳平均距离）为（ 40 +75） / （ 2+ 5） = 16. 42.假设未知节点A 从L2 获得校正值， 则它与3 个信标节点之间的距离分别为L1: 3 ×16. 42, L2: 2 ×16. 42, L3: 3×16. 42, 最后可利用三边测量法确定节点A 的位置。
（ 3） 未知节点计算自身位置。
未知节点利用第2阶段中记录的到各个信标节点的跳段距离， 利用三边测量法或极大似然估计法计算出自身坐标。
如图1所示， 经过第1和第2阶段， 能够计算出信标节点L1 与L2、L3 之间的距离和跳数。信标节点L2 计算得到校正值（即每跳平均距离）为（ 40 +75） / （ 2+ 5） = 16. 42.假设未知节点A 从L2 获得校正值， 则它与3 个信标节点之间的距离分别为L1: 3 ×16. 42, L2: 2 ×16. 42, L3: 3×16. 42, 最后可利用三边测量法确定节点A 的位置。
[外链图片转存中…(img-dOCW2U7z-1607591292826)]
DV -Hop算法采用平均每跳距离来估算实际距离， 对节点的硬件要求低， 实现简单。其缺点是利用跳段距离代替直线距离， 存在一定的误差。
