无线传感器网络 复习大纲

1. 传感器（chapter1/10）

一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。 

2. 无线传感器网络

传感器节点之间通过无线方式，采用自组织多跳的形式组成一个传感器网络，利用各类集成化微型传感器实施监测、感知和采集各种环境信息或监测对象的信息。将收集到的信息以无线方式通过多跳路径传送到用户终端，传输过程中会对信息进行各种处理，使其能够满足特定对象的需求（如以图表等形式出现在人们眼前等），从而实现物理世界、计算世界和人类社会的连通。

3. 传感器节点包括：数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块、供电模块。

4. 无线传感器网络的关键性能指标：网络工作寿命、网络覆盖范围、网络的搭建成本和难易程度、网络响应时间。

5. 数据融合：对收集到的多份数据或信息进行处理，组合出更高效、更符合用户需求的数据的过程。

数据融合的作用：节省能量、获取更准确信息、提高数据收集效率。

第二章

1. WSN的四类基本实体对象，它们之间的关系是怎样的？（p.11）

 4类基本实体对象：目标、传感器节点、汇聚节点和监测区域。

关系：在网络中，大量传感器节点随机部署在目标的邻近区域，通过自组织方式构成网络，形成对目标的监测区域。传感器节点对目标进行检测了，获取的数据经本地简单处理后，再通过邻近传感器节点采用无线多跳的方式传输到汇聚节点。汇聚节点再通过有线或无线方式将信息传递到外部网络。

2. 汇聚节点在WSN中的两种角色

网内： 

作为信息收集点，被授权监听和处理网络的事件消息和数据 

作为控制者，可向网络发出查询请求或派发任务 

网外： 

作为网关，通过各种有线或无线链路连接到远端控制单元和用户 

3. 无线传感器网络的3种网络结构及其优缺点。

（1）平面网络结构

所有节点地位平等，每个节点能和通信范围内所有节点通信，完全连接的网络 

优点：容错性强，少数节点失效不影响网络正常工作 

缺点：每个节点要维护庞大的路由记录，占用有限网络带宽

（2）聚类分层的网络结构 

将网络分成若干个簇（cluster），每个簇包含一个簇头节点和多个簇成员。簇头节点可以预先指定，也可根据分簇算法自动选举产生。 

优点：可扩充性好；容错性强 

缺点：需执行复杂的分簇算法，簇头可能成为瓶颈

（3）Mesh网络结构

规则分布的网络，节点只能和最近的邻居直接通信，网内节点一般都是相同的（也称为对等网。

优点：对单个节点或单条链路故障有较强的容错能力和鲁棒性。虽然节点都相同，但仍能指定某个节点为簇头，执行额外功能，一旦簇头失效，另一个节点能立刻接管原簇头执行的额外功能。

4. 传感器节点设计的基本原则： 

采用尽量灵敏的传感器 

采用功耗尽可能低的器件 

采用效率尽可能高的信号处理方法 

采用持久力尽可能长的电源 

5. 传感器节点中消耗能量的模块有哪些？无线通信模块有几种状态？其能量消耗的大小关系如何？

传感器节点中消耗能量的模块： 传感器模块、 处理器模块、 无线通信模块(消耗绝大多数能量)。

无线通信模块4种状态：发送、接收、空闲、和 睡眠。能耗大小：发送＞接收≈空闲＞睡眠。

6. ISO7层参考模型有哪7层？简述每层功能。

（1）应用层

作用：为应用软件提供接口，从而使得应用程序能够使用网络服务。 

（2）表示层

作用：应用程序和网络之间的翻译官，将数据转换为网络能识别的格式 

（3）会话层

作用：在网络中不同用户、节点之间建立和维护通信通道，同步两个节点之间的会话，决定通信是否被中断以及中断时决定从何处重新发送。 

（4）传输层

作用：负责建立端到端的连接，对数据进行分段、重组

（5）网络层

作用：路由选择和转发

（6）数据链路层

作用：数据链路的建立、维持和释放（相邻节点，一跳范围）；流量控制； 媒体访问和差错控制（MAC协议）。 

（7）物理层

作用：产生并检测电压发送和接收带有数据的电气信号 

7. 无线传感器网络协议结构模型包括哪几部分？

应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面。

8. 无效能耗来源有哪些？主要来源是什么？ 

空闲侦听 （主要来源）、竞争冲突 、串扰和控制开销。

9. WSN与现有网络的区别？

传统无线网络：节点通常高速移动，首要设计目标是为用户提供高性能的服务质量保证，最大化带宽利用率。以传输数据为目的。 

无线传感器网络：节点不具备很高移动性，核心问题是通过实现节点负载均衡及采取一系列节能措施以平衡节点能量消耗，延长网络生命周期。以数据为中心，终端不关心单个节点的数据情况，只是关心区域融合之后的数据结果。 

10. 无线传感器网络的特点

节点资源有限；网络节点拓扑变化频繁；寻址以数据为中心 ；多跳路由通信 ；网络的分布式特性；网络节点密度高。 

第三章

1. 路由协议？

负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。有两方面功能：寻找源节点到目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。

2. 洪泛路由协议基本思想？

节点接收到消息之后，只要自己不是目的节点，就无条件的将消息广播出去（不包括发送该消息的节点，每个节点只转发1次）。

3. 洪泛路由的不足？（要求画图说明）

（1） 信息爆炸(Implosion)：即将同一个数据包多次转发给同一个节点的现象，这极大浪费节点能量。 

（2） 部分重叠(Overlap)：这是无线传感器网络特有的，如图，节点A和C感知范围发生了重叠，重叠区域的事件被相邻的两个节点探测到，那么同一事件被传给它们共同的邻居节点B多次，这也浪费能量。

（3） 盲目使用资源，即洪泛法不考虑各节点能量可用状况因而无法作出相应的自适应路由选择。

4. 闲聊路由基本思想？

当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的某一个节点，而不是所有节点。

5. SPIN协议定义？

SPIN是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制和资源自适应机制来解决Flooding协议中的内爆和重叠问题。

6. 元数据

对节点感知数据的抽象，是原始感知数据的压缩，可以描述原始感知数据。

7. SPIN的3种协议消息？

ADV： (Advertise，消息广播包)：当一个节点要传输数据DATA时，先对外广播ADV（包含DATA的元数据，比DATA小得多） 

REQ： (Request，数据请求包)：节点收到ADV时，若对此ADV描述的DATA感兴趣，则发送REQ

DATA： (Data transfer，数据包)：传感器节点采集的原始感知数据

8. SPIN协议工作过程？

（1） 在发送DATA数据包之前，传感器节点首先向邻居节点广播ADV数据包； 

（2） 如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向该节点发送一个REQ数据包，节点收到REQ包之后，向该邻居节点发送DATA数据包 

9. LEACH协议基本思想？

通过随机循环地选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而降低网络能源消耗，提高网络整体生存时间。 

10. LEACH协议中“轮”的思想？每一轮有哪几个阶段？

每一轮按要求的比例选择一批簇头，下一轮再重新换一批，使节点轮流担当簇头。 

两个阶段： 初始化：簇头的选择和簇的形成 ；稳定阶段：发送数据 。

11. LEACH协议簇头选择？

设网络中簇头所占百分比为p（事先设定好的），节点总数为N，则每一轮都随机选择不同的N*p个节点作为簇头，经过1/p轮后，所有节点都担任过一次簇头。再重新开始选择簇头。 

12. PEGASIS协议基本思想？

将网内所有节点构成一条链路； 每个节点只需和其链路上的邻居节点进行通信； 每个节点轮流担当leader，直接和sink节点通信。 

13. 简述PEGASIS协议的成链阶段和数据传输阶段。

（1）成链阶段

从离基站最远的节点开始 ，各节点依次找到与其最近的节点，该节点就作为链上的下一节点（已经在链上的节点不再继续参与后续的成链过程） ，依次最终遍历全网形成链 。数据传输只在链上相邻的两个节点之间进行。

（2）数据传输阶段（控制令牌(token)方式） 

由leader控制token，每轮开始时，由leader将token传到端节点；由端节点开始，各节点沿链传输数据和token，得到token 的节点才能将数据传到下一邻节点；当数据收集完毕，token 回到leader 时，由leader 最后将数据传向基站，到此完成此轮的数据收集。 

14. TEEN协议中硬门限和软门限的含义？

硬门限：根据用户对感兴趣数据的范围设定，达不到该门限的数据无效，不发送。 

软门限：表示感应到的有效数据与之前数据的变化大小，如果低于软门限，表示变化不大，数据不发送。 

15. 4种主要能量路由策略。（给出一个图要回选择路径）

第三章ppt 57~59页 理解

16. 能量多路径路由基本思想？

路径建立：在源节点和目的节点之间根据能量代价建立多条路径（去掉能量代价过大的邻居节点，其余节点均可作为下一跳节点） 

数据传播：每次节点选择下一跳节点时，根据邻居节点的能量代价，依概率选择（代价大的概率小）

17. 定向扩散路由基本思想？

Sink节点周期性地广播一种称为“兴趣”（interest）的分组，告诉其他节点，我所感兴趣的消息/事件是什么。兴趣在扩散的过程中也反向建立了路由路径，与“兴趣”匹配节点通过建立的路径传送相应数据到Sink节点。

18. 定向扩散路由基本思想？

（1）数据命名 

在DD协议中，首先要对想要查询的任务进行描述，选择属性组命名机制来描述任务，构成兴趣消息（interest）。 

（2）兴趣扩散和梯度建立 

Sink节点发起兴趣的扩散，将interest以洪泛的形式传递到整个网络； 

每个节点保存一个兴趣列表，列表中每一项包含该interest的内容，收到该interest的时间戳，以及发送该interest的邻居节点信息（可能会有多个邻居节点）； 

根据兴趣列表中的内容，为表项中每个邻居节点建立一个梯度 ；

当一个兴趣在整个网络扩散之后，便建立起兴趣源到sink节点的梯度场。 

（3）数据传播（路径测试） 

当传感器节点采集到与兴趣匹配数据时，根据梯度列表将数据转发给梯度指向的邻居节点； 

这个阶段同一个数据会从多条路径到达sink节点 

（4）路径加强 

sink节点从若干条返回路径中选择一条最优路径作为加强路径，后续的数据将沿着加强路径以较高的速率发送到sink节点。 

19. 谣传路由核心思想？

欧式平面图上任意两条曲线交叉几率很大，路由建立由sink节点和源节点共同发起并完成。

20. GEAR路由基本思想？

采用基于查询的数据传送模式，根据事件区域的地理位置信息，建立Sink节点到事件区域的优化路径，避免泛洪查询消息，从而减少路由建立的开销。

21. GEAR路由通过查询消息的传播建立路由的过程？ 

阶段一：查询命令传输到目标区域内距sink节点最近的节点（最重要的过程） 

阶段二：查询命令传播到目标区域内所有其他节点

22. GEAR路由路由空洞的含义？解决办法？

定义：邻居节点传输代价都比本地节点大

解决办法：选择邻居节点中代价最小的Nmin作为转发节点，修改本地节点的转发代价为 

                        C(N ,R)= C(Nmin,R)+C(N,Nmin)

         C(N,Nmin)表示将数据包从N传送到Nmin的代价 

23. GAF路由基本思想？

将网络划分为若干固定区域，形成虚拟网格。节点通过GPS得知自身在网格中的位置，处于同一网格的节点是等价的，等价节点只需一个处于工作状态，其余节点可进入睡眠状态，从而节约网络能量。

24. GPSR协议有哪几种转发方式？

贪婪转发和周界转发。

理解贪婪转发下一跳节点选择；周界转发的右手规则。给出图要能确定下一跳节点。

第四章 

1. MAC协议

决定无线信道的使用方式，即决定节点什么时候可以发送数据，占用信道，它公平有效地分配有限的无线通信资源，提高网络整体性能（如能耗、QoS保证）。

2. IEEE 802.11 CSMA机制一次完整的数据发送过程？

发送站发出data； 

接收站接收到后，返回确认帧ack； 

发送站收到ack帧，知道对方已接收； 

发送站如果超时仍未收到ack，则重  发data。 

3. 简述CSMA工作机制。

（1）发送站 

如监听到信道空闲, 等待DIFS 时间后则发送整个帧； 

如果监听到信道忙，则坚持监听到不忙时，经DIFS时间后进入竞争期（竞争方法：二进制指数退避） 

如果发后未收到ACK(超时)，则重发帧 

（2）接收站 

如果接收正确，则等待SIFS时间后应答一个ACK帧 

（3）其他站 

监听到信道上在发送数据，则推迟访问信道的时间

4. 无线站点监听时，如何判定信道“忙”？ 

（1） 物理载波监听 

通过检测信道上载波信号的强度，来判断信道上是否有其他节点在发送信息。 

（2）虚拟载波监听 

发送站将它还要占用信道的时间（包括目的站发回确认ack帧所需时间）写入其发送的MAC帧中； 其他所有站检测到该MAC帧后，会在这段时间都停止发送数据, 这样大大减少了冲突的机会。 

“虚拟”是指其他站并没有真正监听信道，而是检测到发送站MAC帧中的“持续时间”才不发送数据，这种效果好像是其他站都监听了信道。 

5. CSMA规定了哪几种帧间间隔？

（1）短帧间间隔 SIFS

最短的帧间间隔。 

用来分隔开属于一次对话的各帧 

（2）PCF 帧间间隔 PIFS

为了在开始使用 PCF 方式时优先获得信道使用权。

长度: 在SIFS基础上加一个时隙长度。

（3）DCF 帧间间隔DIFS

在 DCF 方式中开始一次完整对话前等待的时间。 

长度：比 PIFS 再增加一个时隙长度。 

（4）延长帧间间隔EIFS

最长的 IFS，站点在进行帧重发时所必须等待的时间。 

长度：至少等于DIFS再增加一个时隙长度。 

长度比较：SIFS < PIFS < DIFS < EIFS

6. CSMA使用二进制指数退避的原因？二进制指数退避具体算法？

原因：当信道从忙态变为空闲，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 间隔，  而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道， 这样就减少了发生冲突的概率（当多个站都打算占用信道时） 

802.11协议使用的二进制指数退避算法如下： 

 第 i 次退避时，在 2i+2 个时隙中随机选择一个。 

7. CSMA机制的隐藏终端效应。

（1）隐蔽站问题 ---- 发送方侦听不到 

A, C 不能互相听到，中间有障碍物、信号衰减，A、C 于是都发给 B，B处此时会产生冲突。 

（2）信号强度衰减问题 

C在发送，由于信号传输衰减，传到A处时，A 听不到，A以为听到信道闲，也发，接收站B 处此时产生冲突。 

8. CSMA机制的暴露终端效应。

当节点B向节点A发送数据时，节点C也希望向节点D发送数据。 

根据CSMA协议，节点C侦听信道，它将听到节点B正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点D发送数据； 

但实际上它的发送不会影响节点A的数据接收，这就导致节点C的暴露终端问题（暴露在B的通信范围）的出现。 

9. IEEE 802.11 CSMA/CA机制的信道预约机制？

发送站: 发出RTS帧（包含接收站地址和整个数据传输的持续时间）预约信道 

接收站: 应答CTS帧 (包含发送站地址和数据传输的持续时间)同意预约 

利用CTS帧为发送站保留信道, 起了通知其它(可能隐蔽的)站点的效果，避免了隐蔽站点造成的冲突。

第五章

1. S-MAC协议的基本思想（4种机制）？

（1）周期性睡眠和侦听机制：

在侦听时间段内若有数据需要传输则进行数据传输，否则侦听时间到后进入休眠，这大大节约了能耗。 

对周期性睡眠和侦听的调度进行同步，同步节点采用相同的调度，形成虚拟簇，同时进行周期性睡眠和侦听，适合大规模多跳网络。 

（2）流量自适应的侦听机制 

在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持侦听一段时间。如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，而不需要等到下一个侦听周期，从而减少了数据传输延迟。

（3）串音冲突和避免机制

当节点正在发送数据时，利用控制帧让每个与此次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量损耗。 

（4）数据分割和重组机制

将长的信息包分成若干个短数据，并将它们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS控制分组作为交互。

3. 串音冲突和避免机制的原则？

所有发送者和接收者的直接邻居节点在二者通信期间都要进入睡眠。

4. S-MAC SSDS（慢速递减时隙）协议的基本出发点？具体算法？

基本出发点：当网络内通信量较大时，网络内的竞争不会瞬间减小；使用快速递减竞争窗口不能缓解网络内的竞争局面；采用慢速递减的方法，可以让同一虚拟簇内的节点保持较好的碰撞回避状态。

具体算法：呈指数递减的办法使竞争窗口从CWmax减小到  CWmin ，与竞争过程正好相反。

5. T-MAC协议的自适应占空比机制？

每个节点都周期性地唤醒，进入活跃状态，以突发方式和邻居进行通信。 

如果在空闲侦听TA时间内，没有发生激活事件，则活动状态立即结束，进入睡眠状态。

6. T-MAC协议早睡问题？解决办法？

早睡：在采用周期性调度的MAC协议中，一个节点在邻居准备向其发送数据时已经进入了睡眠状态的现象。 

解决办法：

（1）预请求发送机制

如图，当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。

（2）满缓冲区优先

当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复    CTS，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送RTS，以建立数据传输。如图所示。B向C发送RTS，C因缓冲区快占满不发送CTS，而是发送RTS给D