基于NS2无线传感器网络MAC协议的分析及改进
摘要无线传感器网络(WSN)被称为全球未来的三大高科技产业之一，被广泛应用于军事、医疗、环保等方面。介质访问控制(MAC)协议决定了无线通信信道的使用方式，由于无线传感器网络有自己的特性，传统的无线网络MAC协议不能直接应用于无线传感器网络，所以设计良好的MAC协议以减少网络的能量消耗和数据延迟成无线传感器网络亟待解决的问题。研究WSN 的MAC协议要考虑到其能量效率问题，本文针对现有的MAC协议进行比较分析，提出了一种低时延低能耗的DMAC协议改进方法。通过对DMAC数据采集树算法的分析，对其数据传输方式进行研究，针对其负载不均衡，提出一种消息节点睡眠机制和退避策略，然后通过在NS2平台上的仿真，可发现对能量消耗和网络延迟有部分改善。
关键词无线传感器网络，介质访问控制协议，能量效率，NS2
ABSTRACT
Wireless sensor networks(WSN) is one of the three high-tech industries of the world in the future. It is widely used in many fields such as military affairs, medical care, environmental protection.Medium access control(MAC) protocol directly controls the way of nodes using the wireless channel, Because of the wireless sensor network's distinct characteristics, the MAC protocol used in traditional wireless networks can't be used in wireless sensor networks directly,so design MAC protocols to reduce energy consumption and latency becomes an
urgent problem in wireless sensor networks. To study wireless sensor networks must think about its energy efficient.Based on the compares and analysis in the existing MAC, an improved low-latency and energy efficient DMAC protocol was proposed. With the analysis of data gathering tree of DMAC and the research of its data transmission,a node sleep scheduling mechanism and retreats strategy is proposed according to its imbalance load. With the simulation in the simulation environment of NS2, an improved low-latency and energy efficient could be found.
Key Words:WSN, MAC, Energy efficient, NS2
目录
1. 绪论 (1)
1.1 研究背景与研究意义 (1)
1.2 研究内容 (2)
2. MAC协议的原理及分析 (4)
2.1 MAC协议原理 (4)
2.1.1 无线传感器网络结构 (4)
2.1.2 MAC协议设计问题 (5)
2.2 MAC协议理论分析 (6)
2.2.1 基于竞争的MAC协议分析 (6)
2.2.2 基于调度算法的MAC协议分析 (8)
2.2.3 其它MAC协议分析 (9)
2.3 MAC协议比较 (10)
2.4 MAC协议改进可行性分析 (10)
2.4.1数据采集树调度机制 (10)
2.4.2 采集树分析 (12)
3. 仿真实验及协议改进 (13)
3.1 仿真环境搭建 (13)
3.2 MAC协议改进 (15)
3.3 NS2网络仿真 (17)
3.3.1 参数设置 (18)
3.3.2 协议的实现 (19)
总结 (26)
参考文献 (28)
致谢 (29)
1.绪论
1.1 研究背景与研究意义
近年来，随着半导体技术、通信技术、微系统技术和计算机技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN) [1]技术在世界范围内引起了人们的关注，它被广泛地应用于军事，医疗，工业，环保等各个领域，被称为影响人类未来生活的十大新兴技术之首[2]。随着无线传感器网络的深人研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
在军事方面，军方可以在预定的监控区域散布大量微型廉价的传感器节点，通过这些传感器节点实时地监测周围环境的变化，如温度、湿度、人员活动密度等，然后可以通过卫星等方式将这些数据发送回基地，通过这些数据可以取到监控到敌军活动的情况；在医疗方面[3]，在人体身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护者的情况，进行病情的及时处理；在工业领域，监控工作地区环境的变化，如空气中瓦斯等有害气体的含量，以保障人员的财产及人身安全；在环保领域，检测空气质量的变化，监测大面积的海洋、森林的污染，监测保护动物的生活环境等。
关于于无线网络的应用美国军方有包括网状传感器系统CEC、C4KISR 计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信等研究。我国也开展了这一领域的研究工作，具体内容包括无线传感器结点的覆盖控制技术、操作系统、节能技术、网络路由技术、硬件设计等。但仅限于有限的几间大学内所作的
研究,而市场上并没有生产出成熟的产品。方面此技术的诞生始于2001年,国内了解此技术的人还不多，还处于研究和开发阶段，另外国内在移动终端用户的通信，比如说手机通信上做的开发研究比较多,在工商业方面无线技术开发较少。我国的经济正处在一个高速发展的阶段，对无线传感器网络的应用要求也越来越大，因而开展此类的研究，对我国的军事、经济各个领域都有重大的意义。
1.2 研究内容
在无线传感器网络当中，介质访问控制[4]（Medium Access Control,MAC）协议决定着使用无线通信信道的方式，在传感器的节点之间无线通信资源的分配是有限的，用这些有限资源来架构网络系统的底层结构，是保证网络高效通信的关键网络协议之一。
传统的传感器网络设计过分注重节点节能而牺牲了整个网络性能，传感器网络MAC协议在降低传感器节点能量消耗的目标下也应考虑网络性能。通过评价无线传感器网络性能方面的指标，可知节点高能效是MAC协议要解决的重要问题。无线传感器网络MAC层主要负责信道的接入，针对无线传感器网络的标准，以构建低能量消耗、低速率传输、低成本的无线网络。通过对MAC层协议工作机制的分析，研究在不同网络环境下对MAC层协议的要求，研究人员提出了许多MAC协议，有基于竞争的，有基于调度的……，针对网络的能量消耗和数据的传输延迟提出了DMAC协议。通过研究MAC层协议的数据通信机制，针对其中基于调度的DMAC协议进行分析，可发现如果在节点采样频率加大的情况下，DMAC协议会出现节点能耗和网络延迟加大，更多的冗余消息被发送的问题。为了确保可靠的数据通信，并减少时间延迟和
节省能量开销，可以从降低节点冲突、提高链路利用率、流量自适应等方面进行优化。
本文通过对MAC协议的学习，通过对分析了无线传感器网络区别于其它传统网络的本质不同，指出MAC 协议设计时要考虑的各个因素。研究分析了现有的经典传感器网络MAC协议，分析了协议所采用的机制及其对网络性能的影响。从能量效率，延长网络生存期[5]的角度出发，鉴于数据采集树的网络拓扑本身存在的缺陷，经过仿真看到在网络节点采样频率过快，网络负载较大的情况下，低深度节点承载了过多的数据包，更容易发生碰撞，造成丢包现象。从而提出了一种节点睡眠调度机制，用它来均衡网络中的流量。当网络中负载较大的时候，调节源节点进入睡眠状态，尽量避免数据冲突，从而使全网负载均衡，延长了网络生存期。
2.MAC协议的原理及分析
2.1 MAC协议原理
2.1.1 无线传感器网络结构
无线传感器网络包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点(Manager node)，如图2.1所示。
图2.1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络的协议栈采用5层的分层结构[6]，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。在网络协议栈中，MAC子层位于数据链路层，直接与物理层接口，负责控制和接入物理介质，如图2.2所示。提供无线传感器网络中节点到节点的连接方式，确保传感器节点间通信资源分配的公平性和有效性。
图2.2
无线传感器网络协议栈
2.1.2 MAC 协议设计问题
MAC 协议需要考虑节点的能量效率问题，节点计算、存储、通信能力都受到限制，节点只能根据局部网络的拓扑信息转发数据，因此，在设计MAC 协议时，要将节点的能量效率问题作为设计协议的重要原则。图2.3显示了传感器节点几种状态下的能量消耗。
图2.3 无线传感器网络能量消耗
传统考虑的网络性能主要是如何最小化降低时延、最大化提高吞吐量及公平性，因此传统的无线网络MAC 层协议无法满足传感器MAC 层设计的要求。而在无线传感器网络中，由于其节点的限制，MAC 层协议要更多考虑如
何最大化能量有效利用率的问题。另外，无线传感器网络的不同应用也对MAC层协议的设计有不同的要求。无线传感器网络MAC层协议设计要解决以下一些主要问题：
1. 能量效率，当节点能量耗尽时，节点便从网络中死亡，很难得以重复利用。在满足应用要求的前提下MAC层协议应节省能源，提高节点能源有效利用率，以保证传感器网络的生命期。
2. 可扩展性，由于无线传感器网络具有动态变化性，网络拓扑结构可能会因为新节点的加入，节点能量耗尽或其它原因发生变化。因此MAC协议要具有自适应性以适应这种动态变化的拓扑结构。
3. 网络效率，网络效率网络吞吐量、网络的实时性、公平性以及带宽利用率等。
2.2 MAC协议理论分析
由于无线网络中的MAC协议无法直接应用到传感器网络中，目前研究人员为传感器网络设计很多MAC协议，主要按照以下三种方式进行划分[7]：(1)所用信道数：单信道体积小，成本低；双信道和多信有利于减少冲突和重传。
(2)接收节点通知方式：按照数据包传递到接收节点时的通知方式可分为监听、唤醒和调度三种MAC协议。(3)竞争方式：这是划分MAC协议最重要的根据，即节点接入信道时是通过调度的还是随机竞争的。基于竞争的MAC协议和基于调度算法的MAC协议是无线传感器网络MAC协议的两大分类。
2.2.1 基于竞争的MAC协议分析
S-MAC(sensor MAC) [8]协议是针对IEEE802.11中节点处于侦听状态，消
耗大量能量的问题，提出的周期性的休眠/活动调度机制。S-MAC由一个开始的同步时间段开始，交换SYNC消息形成虚拟簇。相同虚拟簇下的节点可以传输数据。节点只有在活动阶段才发送消息，如图2.5 SMAC采用数据传递机制，通过这种周期性的修眠/活动工作机制，节点降低了闲置侦听，降低了能耗。
图2.5 SMAC数据传递机制
采用以上机制，SMAC协议有以下几点好处：(1)采用周期性睡眠/侦听占空比，控制节点进入睡眠状态，降低了节点能耗；(2) RTS / CTS 机制降低通信范围节点间的碰撞概率；(3) NAV避免串音现象，降低了能耗。
SMAC协议相比IEEE802.11提高了能量的效率，但是也存在一些不足，节点采用周期性的侦听和睡眠调度机制，数据在发送时有延迟；邻居节点频繁交换SYNC信息会导致节点消耗更多的能量；当网络负载较低时，过高的占空比会导致空闲侦听会造成能量浪费，当负载较高时，又会造成网络延迟；节点为了节省能量进入睡眠状态，增大了睡眠延时。
2. TMAC
TMAC (timeout MAC)根据SMAC存在的不足，提出了自适应的占空比机制，在网络负载不均衡时，T-MAC可以获得很好的网络性能。TMAC中的数据发送时槽可以根据网络流量的情况自动调整自己的占空比，T-MAC 和
S-MAC 相比由于采用了适应网络流量的占空比，更大程度地减少了空闲侦听所消耗的能量，并且维持网络吞吐量。
T-MAC也存在一些问题，其中最为明显的就是早睡问题。当信道上有多个数据要发送的时候，当节点A首先赢得信道，获得发送时间，此时A首先发送一个RTS请求帧，节点B收到RTS后，如果处于空闲状态就返回一个CTS 应答给A。这时节点C也侦听到信道上的CTS消息，并且知道A有数据要发送，将自己调度进入休眠状态，在NAV结束时再醒来侦听信道。而C的后一跳节点D由于不知道链路中有数据的存在，调节自己进入睡眠状态，这样，节点C不能在这一周期内发送数据，造成了网络时间延迟。
2.2.2 基于调度算法的MAC协议分析
无线网络中基于时隙调度的MAC层协议主要有时分多址接入(timing division multiple access ：TDMA)和频分多址接入(frequency division multiple access ：FDMA)、码分多址接入(coding division multiple access ：CDMA)
等等。在TDMA中，节点在通信的时候使用整个信道，而FDMA是将信道分成多个部分，不同节点可以同时在信道中进行通信，而不会产生通信冲突。就数据通信而言，TDMA网络同步时间开销大，通信时间较短。
1. DEANA协议
分布式能量感知节点活动(Distributed Energy-Aware Node Activation，DEANA) [9]协议为每个节点分配了固定的时隙用于数据的传输，与传统、TDMA协议不同，在每个节点的数据传输时隙前加入了短控制时隙，用于知相邻节点是否需要接收数据，如果不需要就进入休眠态。
DEANA协议在节点得知不需要接收数据时，进入休眠状态，从而能够
解决串音的问题，延长节点的休眠时间。但是，它对时间的同步精度要求高，可扩展性差。
2. DMAC协议
Gang Lu等人提出的DMAC协议，通过调度数据采集树中上下两层父子节点间的发送接收周期，避免了数据发送冲突。DMAC 协议可以解决其他MAC协议网络时延的问题，并且也取得了能量高效性。DMAC 协议的数据采集树是在分析了S-MAC 和T-MAC 协议自适应工作/休眠策略基础上，发现了数据转发中断问题而提出来的。
DMAC协议的网络拓扑是基于从感知节点到汇聚节点形成一棵数据汇
聚树，传感器节点感应到数据后，将要传送的数据直接发送给自己的父节点，父节点也知道子节点有数据要发送，保持在活动状态。因此，DMAC协议对网络中时间同步的要求较高，并且对网络拓扑的变更不能良好地适应。
3. TRAMA协议
TRAMA协议是一种网络流量自适应协议（traffic adaptive medium access）。将时间划分为多个时隙，根据节点信息，选举分配给每个节点不同的时隙，从而避免冲突。TRAMA协议可以根据网络流量的情况，将时隙分配给有数据流的节点，而没有数据要发送的节点和接收的节点进入睡眠状态从而节省能量。
2.2.3 其它MAC协议分析
虽然实现方便，扩展性好，但是竞争碰撞增大了数据传输的能量消耗不利于网络性能的提升，在网络负载不大，节点竞争少的时候网络性能好。而
基于调度的协议可以完全避免节点冲突，信道利用率高，但是网络扩展性不好。这就产生了基于两种接入方式混合的MAC协议和跨层的MAC协议的产生，如SMACS/EAR协议、AIMRP协议、Z-MAC协议。
2.3 MAC协议比较
在基于竞争的MAC协议中，数据竞争共享信道，可能存在碰撞，处于同一通信范围内的节点可能同时有数据要发送，此时产生了碰撞。和基于调度的MAC协议相比，基于竞争的MAC协议由于要处理数据发送冲突导致的重传消耗了更多的能量和时间。
协议接入
方式能量
效率
信道
利用率
同步
要求
延迟可扩
展性
适应性吞吐量
SMAC 竞争较好较好一般一般好较好较好TMAC 竞争较好较好一般高好较好好DEANA 调度较好较好高较低较好较好较好DMAC 调度好较好高低差差较好TRAMA 调度好较好高高一般一般较好
在基于调度的MAC协议中，给每个节点都分配了接入时隙，节点按照事先分配好的时隙访问无线信道，节点之间可以无竞争共享信道。但是调度的MAC协议实现比较复杂，而且簇头节点的能耗往往过大，节点能耗不均衡。网络的扩展性也不是很好。表2.1反映了各种MAC层协议的网络性能。
2.4 MAC协议改进可行性分析
2.4.1数据采集树调度机制
由以上对MAC协议的分析可知，相比传统的MAC协议，DMAC协议在
网络时延和节能方面都有不错的表现。DMAC在保证节点传输时延的前提下节省了网络能量消耗，从而达到了时延和能耗的平衡。但由于DMAC协议是基于数据采集树的拓扑结构，在特定的网络环境下，低深度节点可能需要处理更多的数据，从而导致网络拥塞。当网络负载较高时，低深度节点会产生更多的数据冲突，从而导致数据丢失。如能够像TMAC、SMAC或其他一些MAC协议一样，数据在传输时能自动选择下一个网络状况较好的节点，就避免了额外的冲突。
因此，在高负载情况下，数据采集树的拓扑结构降低了网络性能，通过控制网络中的数据流量，可以在不增加延迟的前提下节省网络能量，维持了DMAC协议中时延和能耗的平衡，可改进网络性能。在树形结构的网络拓扑中，距离汇聚节点较近的中间节点要把从边缘节点采集到的数据转发传送给下一跳节点，因此，中间节点承担了更多的传输任务。由于在传感器网络中，传输数据消耗的能量对整个网络能量消耗占有很大比例，因此，距离汇聚节点较近的中间节点能量消耗更快，为了延长节点生命周期，保证网络拓扑的连通性，可以选定参考节点，当参考节点的剩余能量达到门限值时，启动采集树更新程序。流程如图2.7所示，
图2.7 采集树流程图
2.4.2 采集树分析
本文是针对无线传感器网络的MAC协议的研究，主要是针对DMAC协议对节能和时延的要求。由此，在仿真中的网络为基于树形结构的网络拓扑，即所有子节点都能和其父节点进行通信，并且逐跳地将数据转发出去。为有效的考察MAC协议的节能和时延的网络性能，对仿真条件提出假设：节点采用相同的配置且资源受限；不考虑节点的移动问题；节点能量是一固定值；节点能够知道自己的能量的剩余情况。
节点传输数据冗余增大，DMAC要消耗更多的能量；由于更改后的MAC 避免了过多的控制帧的开销，提高了链路信道的有效利用率，降低了能耗，并且在保证能量高效的同时也控制了网络中的时间开销，取得了时间和能耗的平衡。实验表明，更改后的在不增大网络延迟的基础上减少了节点能量消耗，能够在节点能耗和时间平衡方面得到一定的改善。
3.仿真实验及协议改进
3.1 仿真环境搭建
本实验采用的是windows XP+VirtualBox3.2.0+Ubuntu8.04+ns2-2.29环境，在XP系统中安装完乌邦图虚拟机之后，在Ubuntu操作系统中安装NS2，搭建网络仿真平台。
VirtualBox 原先是德国一家软件公司InnoTek所开发的虚拟系统软件而且性能也很优异。VirtualBox 可以在Linux 和Windows 主机中运行，并支持多种操作系统。
Ubuntu[10]由马克·舍特尔沃斯创立，是一个以桌面应用为主的Linux操作系统，意思是“人性”，其首个版本于2004年10月20日发布，并以Debian 为开发蓝本。因为其主要使用自由与开源软件，而其他的发行版则会附带很多闭源的插件。
NS[11]是一个由位于美国加州的劳伦斯伯克利(LawrenceBerkeley)国家实验室于1989年开始开发的软件。它是一个完全免费的软件，主要用来对各种网络进行仿真。NS2是一个面向对象的网络仿真工具，对其系统中一些通用的实体进行了建模，因此，人们使用NS2丰富的构建库可以完整地仿真整个网络环境，从而大大提高了用户的效率。NS2已经自带了一些协议，如SMAC、TMAC、IEEE802.11等众多协议，人们也可以根据自己的研究需要添加自己的协议，现有的NS版本中并不带有DMAC协议，需要添加DMAC 协议才能进行仿真。这里的DMAC协议是在802.11MAC协议上面修改来的。
搭建虚拟机后，在ubuntu系统中搭建仿真平台，现在Ubuntu和NS2都
出现了高一些的版本但是NS2新版本对旧版本的兼容性不是很好，在低版本下修改的协议如果使用高版本的NS2仿真会有很多错误，一般make后在linux终端会报错，根据错误提示可以修改成功。安装的主要过程如下：
(1)安装库文件sudo apt-get install build-essential
（2）安装tk,tcl
sudo apt-get install tcl8.4
sudo apt-get install tcl8.4-dev
sudo apt-get install tk8.4
sudo apt-get install tk8.4-dev
（3）sudo apt-get install libxmu-dev，是和nam有关的东西。
（4）安装g++包sudo apt-get install make gcc g++
（5）安装ns2.29
$ tar xzf ns-allinone-2.29.tar.gz
$ cd ns-allinone-2.29
$ ./install
设置环境变量：安装提示成功之后，会出现环境变量的路径，在终端运行sudo gedit ~/.bashrc ，将出现的路径拷贝到文件末即可。
安装过程当中会出现一些问题，如无声明变量、有多余限定成员的问题，可根据安装提醒用Linux命令回到相应文件当中进行更改。修改后保存即可。可以运行一个例子检验是否安装正确，在终端运行命令ns home/lsl/ns-allinone-2.29/ns-2.29/ns-tutorial/examples/example2.tcl 出现模型图即安装正确。
3.2 MAC协议改进
针对上一章节的理论分析及仿真分析结果，在此提出了一种能量高效机制，让数据发生节点具有周期性的睡眠循环来减轻树节点中的网络流量。在该机制中，当网络流量过大时，节点调整自己进入一个周期的睡眠状态，而不是持续发送数据到网络中去。通过调整一部分节点进入睡眠状态，从而降低网络中数据包的碰撞，降低了节点能源消耗。由于在无线传感网络中，数据总是从源节点经过树形拓扑汇聚到sink节点，从而造成离根节点深度较低的节点网络负载过重，根据节点在数据生成树中的不同深度，调整节点竞争窗口，有效地减轻了低深度节点间的数据碰撞，平衡网络负载，避免了数据因为重传而过多消耗能量。当网络负载过大时，节点转换到睡眠模式，每隔n个周期节点就调整自己进入一个睡眠状态。这样，节点通过减少发送的数据量，降低了网络中的负载，对发送频率更高的低深度的中间节点来说，降低了占空比，减少了节点通信碰撞概率和丢包概率，提高了网络性能。本协议中网络流量根据排队的分组数来变化。当节点中队列分组数目达到阈值时，节点判断网络中数据流量变大，更新时间表，看链路是否处于繁忙状态，如果此时链路繁忙，则告诉该节点需要进入睡眠状态，启动睡眠模式来调整网络中的流量，减少碰撞冲突。此时，节点每隔n个侦听睡眠周期进入一个额外的完全睡眠周期，如图3.1所示。
图3.1 节点睡眠调度机制
同时针对协议当中的调度机制，产生的无法完全避免数据包的冲突的问题。优化MAC协议中的退避算法，使其可以有效地减少网络中的碰撞概率和能量损失，从而平衡网络中的负载，达到提高网络性能的目的，退避算法可以根据各节点的实时性要求或流量负载等因素等的不同而变化，基于数据采集树的拓扑结构，本文提出一种基于节点深度的退避时隙改进策略，每个节点都知道在其树中的深度。随机退避时间如公式3.1所示：
退避时间=Random（）*aSlottime (3.1) 其中，Random（）是计算机生成的一个随机分布的整数，他的取值在(0 ,CW )之中。CW为竞争窗口的大小，aSlottime为一个时隙的时间长度。在DMAC中，CW 值是固定的,所以当竞争频繁时，冲突会很大，从而增加重传次数，增加能量消耗。而当竞争过小时，由于退避时间又相对过长，
无线传感器网络技术试 题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议
17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D. 4.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构，下列哪种不是。D A．星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A．定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A．能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限
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
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet 网络，WLan 网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA
2012年第12期福建电脑 一种层次型无线传感器网络的集中式节能分簇算法 陈振华 （钦州学院广西钦州535000） 【摘要】：无线传感器网络节点受能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点的限制，需要设计高效节能的路由协议来延长网络的生存时间。本文提出一种集中式分簇算法CEEC，采用“定簇异头，集中控制”的方式，均匀分布各个簇，由基站根据各节点的能量状态和位置信息，选取簇内通信代价最小的节点作为簇头，使整个网络的能量开销最小，从而延长了网络的生存时间。 【关键词】：无线传感器网络；LEACH；簇头；CEEC；能量开销 0．引言 随着微机电系统（MEMS，Micro－Electro－Mechanism System）、片上系统（SOC，System On Chip）和无线通信技术高速发展，一种新的信息获取和处理模式：无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）产生并得到了快速的发展。无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络[1]。传感器节点具有能量有限、计算能力弱、存储空间小等特点，受这些特点的限制，设计高效节能的路由算法，减少网络能量消耗，延长网络的生存时间是设计无线传感器网络协议必须首先考虑的问题。 LEACH是一个较早提出的优秀的层次型无线传感器网络分簇协议，通过自适应分布式成簇和TDMA技术，可以有效地降低能耗，延长网络生存时间。但由于其簇头的选择是基于一个随机数来判断，并且没有实时考虑节点能量状态，能量的分布具有很大的随机性，容易出现能量分布不均匀、网络负载不平衡等问题，影响了网络的效率。本文在LEACH成簇思想的基础上，考虑了各节点的能量状态和能耗因素，提出了一种集中式节能分簇算法，由基站根据各节点的能量状态和位置集中选择簇头，使网络总能耗最小化，从而有效地延长了网络的生存时间。 1．LEACH算法简介 LEACH(low-energy adaptive clustering hierarchy)[2]是由MIT的Heinzelman等人提出的一种层次型网络分簇协议，其基本思想是通过随机地循环选择簇头,将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。 LEACH算法建立在网内所有节点都是同构且无线电信号的传送能耗各向同性的的假设上。在LEACH算法中,节点自组织形成不同的簇,每个簇只有一个簇头。所有非簇头节点将自己的数据发给所在簇的簇头节点,簇头节点在将数据融合后发送给基站。每个非簇头节点只需要知道自己所在簇的簇头信息即可，无须与周围节点通信，簇头也只需要维持很小的路由表。 LEACH的执行过程是周期性的,每轮循环的基本过程由簇头选择、簇的形成、时刻表的创建、数据传输阶段四个阶段组成。节点在［0，1］之间产生一个随机数，该随机数如果比系统中预设定的阈值大，则该节点在当前轮竞选成为簇头。节点成为簇头后，向周围节点广播自己成为簇头的消息，等候周围节点申请加入形成一个簇。簇头根据簇内节点的数量创建TDMA时刻表并通知每个节点何时开始传输数据。在经历一段时间后，新的一轮又从新开始。上述过程循环进行，直到所有节点失效。 LEACH算法是较早提出的一种层次型无线传感器网络的分簇算法,其思想影响了以后很多算法的设计。和平面路由算法相比,LEACH算法可以延长将近30%的网络生存时间[3]。但是,由于LEACH算法中簇头的产生具有极大的随机性,可能会出现部分簇头相距过近或部分区域的节点离簇头太远的情况,大大增加了节点的传输能耗,故不能有效地延长网络生存时间。而且由于簇头选举的随机性使得网络的簇头需要负担的节点数不 基金项目：广西自然科学基金（桂科自09236004） 13
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的X围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of puter science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点
《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3、 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带 线性调频扩频 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、 应用相关的网络 8.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、 数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理 引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和 预测 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、、___5GHz 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整 性鉴别问题。 15.规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作 信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电 路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖 万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 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。
一种符合无线传感器网络特征的MAC层协议设计 1. 无线传感器网络 无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）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，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 2. 无线传感器网络特征 1) 传感节点体积小,成本低,计算能力有限。 2) 传感节点数量大、易失效,具有自适应性。 3) 通信半径小,带宽很低。 4) 电源能量是网络寿命的关键。 5) 数据管理与处理是传感器网络的核心技术。 3. MAC层协议设计 3.1 MAC层协议设计的考虑 无线传感器网络是应用相关的网络，不同应用网络，对MAC协议的考虑也不尽相同，不存在一个适用于所有无线传感器网络的通用MAC协议。MAC协议设计时，需要着重考虑以下几个方面： 节省能量传感器网络节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，电池能量通常难以补充，MAC协议在满足应用要求前提下，应尽量节省节点的能量。可扩展性传感器网络中网络节点数目一般较大。另外，由于节点死亡、新节点加入、节点移动导致节点数目、分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化。因此，MAC协议应具有可扩展性，以适应动态变化的拓扑结构。 兼顾网络性能网络性能包括网络的公平性、实时性、吞吐量以及带宽利用率。不同应用的传感器网络产生不同特征的流量，要求不同的性能参数，所以MAC 协议应能兼顾好这些网络性能。 3.2 传感器网络能耗浪费问题 经过大量实验和理论分析，人们发现可能造成传感器网络能量浪费的主要原因包
第36卷第4期自动化学报Vol.36,No.4 2010年4月ACTA AUTOMATICA SINICA April,2010 一种低能耗层次型无线传感器网络拓扑控制算法 康一梅1李志军2胡江3董吉昌4 摘要提出一种低能耗层次型拓扑控制算法(A low-power hierarchical wireless sensor network topology control algo-rithm,简称LPH算法).该算法是一种支持多跳网络、降低能耗的多级组网控制算法.它将拓扑控制分为组网和拓扑维护两个阶段,其中组网阶段包括选择簇头、标识簇头及簇内节点、优化拓扑三个任务,算法在各个阶段、各个任务中都考虑了节能.同时,在簇头选择时考虑了簇头节点分布均衡问题,通过优化拓扑降低簇内通信能耗.其次,通过静态地址与动态地址结合的方式提高网络层次及可维护性.本文详细介绍了LPH算法及其思想,给出算法的空间复杂度、时间复杂度及能耗分析,并基于NS2仿真工具,对LEACH、PEGASIS和LPH三种算法分别进行了模拟仿真,说明LPH算法的性能与优势. 关键词拓扑控制算法,多跳网络,分簇拓扑算法,低能耗,网络生存期 DOI10.3724/SP.J.1004.2010.00543 A Low-power Hierarchical Wireless Sensor Network Topology Control Algorithm KANG Yi-Mei1LI Zhi-Jun2HU Jiang3DONG Ji-Chang4 Abstract In this paper,a low-power hierarchical wireless sensor network(WSN)topology control algorithm,which is called LPH,is presented.LPH is a multi-level topology control algorithm.In this algorithm,the topology control is divided into two phases:network building and network maintaining.The phase of network building includes three tasks: cluster head election,cluster head and nodes identi?cation,and topology optimization.LPH provides solutions to reduce energy consumption in every phase and every task.LPH also provides a solution to balance the distribution of the cluster head nodes.On the other hand,the algorithm extends the network-level and improves the maintainability of WSN by using combination of the static address and dynamic address.The paper analyzes space complexity,time complexity and energy consumption of LPH.Finally,this paper introduces the simulation of LEACH,PEGASIS and LPH algorithms based on NS2,and analyzes the simulation results. Key words Topology control algorithm,multi-hop network,clustered topology algorithm,low power,network life cycle 网络拓扑结构是自组织无线传感器网络中路由算法、MAC协议、数据融合、时间同步和目标定位等的基础,好的网络拓扑控制算法能够提高通信效率和网络拓扑结构的鲁棒性、节省能量,并延长网络的生存期. 基于分簇机制的层次型拓扑控制算法是目前常用的一类拓扑控制算法.层次型拓扑控制算法的关键在于推选出合适的簇头节点.近年来,研究人员提出了多种传感器网络的层次型拓扑控制算法[1?9]: Heinzelman等提出的LEACH层次型拓扑控制算法[1],在每个数据收集的周期开始,一小部分节点随机成为簇头,在数据传输阶段,簇头以单跳通信的方 收稿日期2008-07-10录用日期2009-09-19 Manuscript received July10,2008;accepted September19, 2009 1.北京航空航天大学软件学院嵌入式实验室北京100083 2.西门子(中国)研究院无线通信部北京100102 3.中国兵器工业计算机应用技术研究所北京100102 4.握奇数据系统有限公司平台开发中心北京100102 1.Embedded Software Laboratory,College of Software,Bei-hang University,Beijing100083 2.Wireless Communications Department of Siemens(China)Corporate Technology,Beijing 100102 3.Beijing Institute of Computer Application and Technology,Beijing100102 4.Platform Develop Department of Watchdata System Co,Ltd.,Beijing100102式将融合后的数据传输给Sink节点.为了提高簇的生成质量,Heinzelman等又提出了集中式的层次型拓扑控制算法LEACH-C以及考虑节点能量的算法[2].Lindsey等提出的PEGASIS算法将网络中的节点组织为链状,数据在链上经融合处理,最后传输至汇聚点[3],算法需要知道每个节点的位置信息,为了延长网络的生命周期,节点只需要和它们最近的邻居之间进行通信.节点与汇聚点间的通信过程是轮流进行的,这种轮流通信机制使得能量消耗能够统一地分布到每个节点上,因此降低了整个传输所需消耗的能量.Dasgupta等提出了一种基于分簇的启发式算法来最大化网络的存活时间,算法需要知道节点的位置信息和能量信息[4].Choi等提出两阶段分簇协议TCP,在簇内构造多跳路由链路以节约能量[5]. 近年来,国内也提出了很多新的拓扑控制算法: EEUC高效非均匀分簇算法通过以主动的方式来均衡网络中所有节点的能量消耗,特别是均衡簇头的能量消耗[6].EC-LEACH算法通过对LEACH算法中的簇头选举阈值的修改以及让簇头主动“让贤”的方法选择簇头,从而达到平衡网络节点消耗的目的[7].DCPC基于能量保护的分布式拓扑控制算法
无线传感器网络MAC协议 摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。本文从无线传感器网络MAC 协议角度出发，介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S-MAC和T-MAC无线传感器网络MAC 协议。最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。 关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性 Abstract In recent years, wireless sensor networks (WSNs), as a new research direction at home and abroad, has attracted the attention of many researchers and organizations. We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks, not only given the characteristic of WSN, we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol. Finally, the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized. Key words Wireless sensor networks (WSNs), MAC protocols, energy-efficiency
无线传感器网络技术试题及答案 一、填空题 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5.基站节点不属于传感器节点的组成部分 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8.NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.分布式系统协同工作的基础是时间同步机制
15.无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16.传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 协议 17.分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18.以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19.为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20.典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块C网络模块D 实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状B网络C直线D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D.
《无线传感器网络原理与应用》复习题 一、填空题： 1.无线传感器网络的三个基本要素是：、和。 2.无线传感器网络实现了、和的三种功能。 3.无线传感器网络包括四类基本实体对象：目标、观测节点、和 。 4.根据无线传感器网络系统架构，无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、和。 5.无线传感器节点通常包含四个模块，他们是：数据采集模块、、无线通信模块和。 6.无线传感器网络的协议栈包括物理层、、、传输层和，还包括能量管理、移动管理和任务管理等平台。 7.无线传感器网络的MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(IEEE)制定的协议。 8.无线通信物理层的主要技术包括、、调制技术和。 9.在无线通信系统中，有三种影响信号传播的基本机制：、绕射和。 10.无线传感器节点处于、接收状态、侦听状态和时单位时间内消耗的能量是依次减少的。 11.无线传感器网络MAC协议根据信道的分配方式可分为、 和混合式三种。 12.根据无线传感器网络不同的应用可以将其路由协议分为五类，你知道的有：、、。（任意给出3种）。 13. IEEE 标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即和。 14. Zigbee的最低两层即物理层和MAC层使用标准，而网络层和应用层由 Zigbee联盟制定。 15. Zigbee协议中定义了三种设备，它们是：、和Zigbee终端设备。
16.Zigbee支持三种拓扑结构的网络，它们是：、和。 17.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照网络应用的深度可以划分三种：、和。 18.无线传感器网络的时间同步方法有很多，按照时间同步的参考时间可以划分为和。 19.无线传感器网络的时间同步方法有很多，根据需要时间同步的不同应用需求以及同步对象的范围不同可以划分为和。 20.无线传感器网络定位技术大致可以划分为三类：、和 。 21.无线传感器网络典型的非测距定位算法有、 APIT算法、 以及等。 22.无线传感器网络的数据融合策略可以分为、以及。 23.无线传感器网络的故障可以划分为三个层次：、和 。 24. 根据网络提供服务的能力可以将QoS分为3种等级，分别是：、 和。 25. 传感器网络的支撑技术包括：、、及安全机制等。 26. 无线传感器节点的能耗主要集中在模块。 二、名词解释： 1.无线自组织网络 2.无线传感器网络(WSN) 3.基带信号 4.模拟调制 5.数字调制 6.物理信道 7.逻辑信道
1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络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。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平
面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构： 特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。 分级结构： 特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。 优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。 缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。 1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。 (1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。 (2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。 (3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。 2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么? 2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。 2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。 2-15.如何进行传感器的正确选型？ 1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。 2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。 3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。 4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。 5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。 6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。 2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。 磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。 3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法? （1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什
2010届无线传感器 网络论文 题目: 无线传感器网络的MAC协议综述 院系名称：通信学院 专业班级：电子与通信工程8班 学生姓名：郭鑫学号： S100131025 指导教师：王恒教师职称：教授 2010年12月26日 摘要： 无线传感网络作为汁算机、通信和传感器三项技术相结合的产物，已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支。进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，具有极为广阔的应用和发展前景。本文主要介绍了无线传感网MAC协议的特点以及分类，然后对其中MAC协议进行了一一介绍．并作了性能对比。最后阐明了无线传感网基于竞争的MAC协议的发展趋势。
关键词：无线传感网络 MAC协议性能对比 Title：General Analysis of Wireless Sensor Network MAC Protocols Abstract：Wireless sensor networks as juice calculate machine, communication and sensor three technical combination of computer and communication, has become an active field of research branch. Real-time detection, awareness and collecting network distribution area of all sorts of monitoring information about objects, is extremely broad application and development prospect. This article mainly introduced the wireless sensor network MAC protocols of characteristic and classification, and then to the one which MAC protocols are introduced. And performance comparison. At last illustrates wireless sensor network based on competition of MAC protocols development trend. Keyword：Wireless Sensor Network MAC protocols Comparative performance 1.绪论 1.1 研究本课题的意义 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的日益成熟，无线技术的迅猛发展和人们对检测需求的多样化，人们所希望的是能够检测一定区域内的各种环境变量和被监控对象的详尽信息，通过对这些信息的综合处理和传输，使用户获得所需要的各种信息，于是人们提出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)的概念。无线传感网能进行实时检测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，具有极为广阔的应用和发展前景。现已成为计算机与通信领域一个活跃的研究分支，受到人们的极大重视。 1.2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络是一种低成本、低功耗特殊的无线自组网，传感器网由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点组成，这些传感器节点不但能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，而且可以处理收集到的探测数据，并将处理后的数据以多跳无线传输的方式送到数据收集节点(sink node)或基地台(base station)，从而实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络在军事侦察、生物栖息环境监测、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建筑与家居、工业生产控制以及商业等领域都有着广泛的应用前景，是近年来军事部门、工业界、学术界极受关注的技术。