【文章內容簡介】 點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。在傳感器網(wǎng)絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。3．多跳路由網(wǎng)絡中節(jié)點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內，節(jié)點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。網(wǎng)絡的多跳路由使用網(wǎng)關和路由器來實現(xiàn)，而無線傳感器網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節(jié)點既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉發(fā)者。傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通；③傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨淋，甚至遭到無關人員或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)唯一取決于網(wǎng)絡通信協(xié)議的設計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構成的傳感器網(wǎng)絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。不同的應用背景對傳感器網(wǎng)絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議必然會有很大差別。所以傳感器網(wǎng)絡不能像Internet一樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺。對于不同的傳感器網(wǎng)絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發(fā)傳感器網(wǎng)絡應用中，更關心傳感器網(wǎng)絡的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應用，才能做出最高效的目標系統(tǒng)。針對每一個具體應用來研究傳感器網(wǎng)絡技術，這是傳感器網(wǎng)絡設計不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的顯著特征。46基于距離的定位的方法分為：基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等，比較這四種方法的優(yōu)缺點。答：基于TOA的定位精度高，但要求節(jié)點間保持精確的時間同步，因此對傳感器節(jié)點的硬件和功耗提出了較高的要求。TDOA技術對硬件的要求高，成本和能耗使得該種技術對低能耗的傳感器網(wǎng)絡提出了挑戰(zhàn)。但是TDOA技術測距誤差小，有較高的精度。AOA定位不僅能確定節(jié)點的坐標，還能提供節(jié)點的方位信息。但AOA測距技術易受外界環(huán)境影響，且AOA需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡。在實驗環(huán)境中RSSI表現(xiàn)出良好的特性，但是在現(xiàn)實環(huán)境中，溫度、障礙物、傳播模式等條件往往都是變化的，使得該技術在實際應用中仍然存在困難。47無線傳感器網(wǎng)絡為什么要使用時間同步機制，時間同步機制的主要性能參數(shù)包括哪些？答：在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中，單個節(jié)點的能力非常有限，整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能需要網(wǎng)絡內所有節(jié)點互相配合共同完成。時間同步在無線傳感器網(wǎng)絡中起著非常重要的作用。在分布式系統(tǒng)中，不同的節(jié)點都有自己的本地時鐘。由于不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度變化和電磁波干擾等，即使在某個時刻所有節(jié)點都達到時間同步，它們的時間也會逐漸出現(xiàn)偏差，而分布式系統(tǒng)的協(xié)同工作需要節(jié)點間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統(tǒng)基礎框架的一個關鍵機制。傳感器網(wǎng)絡應用的多樣性導致了對時間同步機制需求的多樣性，不可能用一種時間同步機制滿足所有的應用要求。傳感器網(wǎng)絡的時間同步機制的主要性能參數(shù)如下：（1）最大誤差：一組傳感器節(jié)點之間的最大時間差量，或相對外部標準時間的最大差量。通常情況下，最大誤差隨著需要同步的傳感器網(wǎng)絡范圍的增大而增加。（2）同步期限：節(jié)點間需要一直保持時間同步的時間長度，傳感器網(wǎng)絡需要在各種時間長度內保持時間同步，從瞬間同步到伴隨網(wǎng)絡存在的永久同步。（3）同步范圍：需要節(jié)點間時間同步的區(qū)域范圍，這個范圍可以是地理范圍，如以米度量的距離；也可以是邏輯距離，如網(wǎng)絡的跳數(shù)。（4）可用性：指在范圍內的覆蓋完整性，有些時間同步機制能夠同步區(qū)域內的每個節(jié)點，基于網(wǎng)絡的機制通常能夠同步每個節(jié)點，而有些機制對硬件要求高，僅能同步部分節(jié)點，如GPS系統(tǒng)。（5）效率：達到同步精度所經(jīng)歷的時間以及消耗的能量。需要交換的同步消息越多，經(jīng)歷的時間越長，消耗的網(wǎng)絡能量就越大，同步的效率相對就越低。（6）代價和體積：時間同步可能需要特定硬件，在傳感器網(wǎng)絡中需要考慮部件的價格和體積，這對傳感器網(wǎng)絡非常重要。48無線傳感器網(wǎng)絡的安全研究要解決哪些問題？答：無線傳感器網(wǎng)絡的安全和一般網(wǎng)絡安全的出發(fā)點是相同的，都要解決如下問題：（1）機密性問題。所有敏感數(shù)據(jù)在存儲和傳輸?shù)倪^程中都要保證其機密性，讓任何人在截獲物理通信信號的時候不能直接獲得消息內容。（2）點到點的消息認證問題。網(wǎng)絡節(jié)點在接收到另外一個節(jié)點發(fā)送過來的消息時，能夠確認這個數(shù)據(jù)包確實是從該節(jié)點發(fā)送出來的，而不是別人冒充的。（3）完整性鑒別問題。網(wǎng)絡節(jié)點在接收到一個數(shù)據(jù)包的時候，能夠確認這個數(shù)據(jù)包和發(fā)出來的時候一模一樣，沒有被中間節(jié)點篡改或者在傳輸中通信出錯。（4）新鮮性問題。數(shù)據(jù)本身具有時效性，網(wǎng)絡節(jié)點能夠判斷最新接收到的數(shù)據(jù)包是發(fā)送者最新產生的數(shù)據(jù)包。造成新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網(wǎng)絡多路徑延時的非確定性導致數(shù)據(jù)包的接收錯序而引起，二是由惡意節(jié)點的重放（replay）攻擊而引起。（5）認證組播/廣播問題。認證組播/廣播解決的是單一節(jié)點向一組節(jié)點/所有節(jié)點發(fā)送統(tǒng)一通告的認證安全問題。認證廣播的發(fā)送者是一個，而接收者是很多個，所以認證方法和點到點通信認證方式完全不同。在SPINS安全框架中將詳細分析廣播認證問題。（6）安全管理問題。安全管理包括安全引導和安全維護兩個部分。安全引導是指一個網(wǎng)絡系統(tǒng)從分散的、獨立的、沒有安全通道保護的個體集合，按照預定的協(xié)議機制，逐步形成統(tǒng)一完整的、具有安全信道保護的、連通的安全網(wǎng)絡的過程。49與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有哪些特點？答：與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有以下特點：（1）能量優(yōu)先。傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量消耗問題。而無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡的生存期成為傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議設計的重要目標，因此需要考慮節(jié)點的能量消耗以及網(wǎng)絡能量均衡使用的問題。（2）基于局部拓撲信息。無線傳感器網(wǎng)絡為了節(jié)省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節(jié)點有限的存儲資源和計算資源，使得節(jié)點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節(jié)點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現(xiàn)簡單高效的路由機制是無線傳感器網(wǎng)絡的一個基本問題。（3）以數(shù)據(jù)為中心。傳統(tǒng)的路由協(xié)議通常以地址作為節(jié)點的標識和路由的依據(jù)，而無線傳感器網(wǎng)絡中大量節(jié)點隨機部署，所關注的是監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，而不是具體哪個節(jié)點獲取的信息，不取決于全網(wǎng)唯一的標識。傳感器網(wǎng)絡通常包含多個傳感器節(jié)點到少數(shù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉發(fā)路徑。（4）應用相關。傳感器網(wǎng)絡的應用環(huán)境千差萬別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有一個路由機制適合所有的應用，這是傳感器網(wǎng)絡應用相關性的一個體現(xiàn)。設計者需要針對每一個具體應用的需求，設計與之適應的特定路由機制。410四種類型的路由協(xié)議分別是什么？答：從具體應用的角度出發(fā)，根據(jù)不同應用對傳感器網(wǎng)絡各種特性的敏感度不同，將路由協(xié)議分為四種類型。四種類型的路由協(xié)議分別是：（1）能量感知路由協(xié)議。高效利用網(wǎng)絡能量是傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的一個顯著特征，早期提出的一些傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議往往僅考慮了能量因素。為了強調高效利用能量的重要性，在此將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗出發(fā)，討論最優(yōu)能量消耗路徑以及最長網(wǎng)絡生存期等問題。（2）基于查詢的路由協(xié)議。在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點（查詢節(jié)點）發(fā)出任務查詢命令，傳感器節(jié)點向查詢節(jié)點報告采集的數(shù)據(jù)。在這類應用中，通信流量主要是查詢節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時傳感器節(jié)點的采樣信息在傳輸路徑上通常要進行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能量。（3）地理位置路由協(xié)議。在諸如目標跟蹤類應用中，往往需要喚醒距離跟蹤目標最近的傳感器節(jié)點，以得到關于目標的更精確位置等相關信息。在這類應用中，通常需要知道目的節(jié)點的精確或者大致地理位置。把節(jié)點的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點路由功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護路由協(xié)議的能耗。（4）可靠的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡的某些應用對通信的服務質量有較高要求，如可靠性和實時性等。而在無線傳感器網(wǎng)絡中，鏈路的穩(wěn)定性難以保證，通信信道質量比較低，拓撲變化比較頻繁，要實現(xiàn)服務質量保證，需要設計相應的可靠的路由協(xié)議。411在設計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議時，需要著重考慮哪幾個方面？答：在設計無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議時，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節(jié)省能量。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量，而且電池能量通常難以進行補充，為了長時間保證傳感器網(wǎng)絡的有效工作，MAC協(xié)議在滿足應用要求的前提下，應盡量節(jié)省使用節(jié)點的能量。（2）可擴展性。由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布密度等在傳感器網(wǎng)絡生存過程中不斷變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡的問題，所以無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構具有動態(tài)性。MAC協(xié)議也應具有可擴展性，以適應這種動態(tài)變化的拓撲結構。（3）網(wǎng)絡效率。網(wǎng)絡效率包括網(wǎng)絡的公平性、實時性、網(wǎng)絡吞吐量以及帶寬利用率等。412在無線傳感器網(wǎng)絡中可能造成網(wǎng)絡能量浪費的主要原因包括哪幾方面？答：可能造成網(wǎng)絡能量浪費的主要原因包括如下幾方面：（1）如果MAC協(xié)議采用競爭方式使用共享的無線信道，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，可能會引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)產生碰撞。這就需要重傳發(fā)送的數(shù)據(jù)，從而消耗節(jié)點更多的能量。（2）節(jié)點接收并處理不必要的數(shù)據(jù)。這種串音（over hearing）現(xiàn)象造成節(jié)點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。（3）節(jié)點在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時一直保持對無線信道的空閑偵聽（idle listening），以便接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。這種過度的空閑偵聽或者沒必要的空閑偵聽同樣會造成節(jié)點能量的浪費。（4）在控制節(jié)點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網(wǎng)絡能量。413按照采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式可將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為哪三類？答：按照下列條件分類MAC協(xié)議：第一，采用分布式控制還是集中控制；第二，使用單一共享信道還是多個信道；第三，采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。按照第三種分