无线传感器网络技术与应用课后习题部分答案

第一次作业

思考题与习题1

1）简述什么是WSN？

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络具有以下特点：大规模网络、自组织网络、动态网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心。

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。

无线传感器网络是由数据获取网络、数据分布网络以及管理控制中心三大部分组成。主要组成部分是由传感器、数据处理单元和通信模块组成的无线传感器节点。各节点对数据进行采集和优化后再经分布式网络将数据传送给信息处理中心。

8）简述WSN的应用领域。

无线传感器网络的应用领域主要集中在以下几个方面：军事方面、环境、生态观测和智能农业、医疗护理、智能家居等。
（1）军事应用
利用WSN可以快速部署、自行组织网络、隐蔽性强、高容错性的特点。可以在战场上广泛应用。
包括：对敌军兵力、武器的监测、战场实时监视、目标定位与锁定、战果评估等。
（2）紧急和临时场合
当遭受自然灾难打击后、固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定或预设的网络设备通信。这些情况，都可以利用WSN的快速展开和自组织特点来解决。
（3）环境监测
比如：农田灌溉情况监控、土壤成分监测、环境污染情况监测、森林火灾报警、水情监测、气温监测、关照时间数据的采集等许多场合。
（4）医疗护理
包括：患者生理数据采集、医疗器材的管理、药品的发放以及关键人员的跟踪、定位等。
（5）智能家居
在家电和家居中嵌入WSN的传感器节点，并与互联网连接在一起。可以提供更舒适、方便、更具人性化的家居环境。
（6）工厂监控
比如：化工、石油、电力、机械加工、纺织印染等等行业采用WSN技术可以很方便的进行监测。

思考与习题2

3）无线通信系统由哪几部分组成？简述各部分功能。

无线通信系统（Wireless Communication System）：也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、传输媒体（无线信道）三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统。其各部分的作用如下：

1、发送设备

（1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。

（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。

（3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。

2、传输媒体——电磁波

在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c = f λ式中: c为光速, f 和λ分别为无线电波的频率和波长, 因此, 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段。

不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而它们的分析方法和应用范围也不同。无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。

电磁波从发射机天线辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。

根据无线电波在传播过程所发生的现象 , 电波的传播方主要有绕射（地波），反射和折射（天波），直射（空间波）。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。

沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。绕射传播。传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。

超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离通信也利用地波传播。

天波：利用天空的电离层折射和反射而传播的电波，也叫天空波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信。

两个突出特点：一是传播距离远，同时产生中间静区地带，二是传播不稳定，随昼夜和季节的变化而变化。因此，短波通信要经党更换波段，以保证质量。

空间波又称为直射波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。

在地面进行直射波通信，其接收点的场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。

限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量高架。

3、接收设备

接收是发射的逆过程

（1）接收天线：将空间传播到其上的电磁波→高频电振荡。

（2）接收机：高频电振荡→电信号。

（3）变换器（换能器）：电信号→所传送信息。

无线通信系统按照无线通信系统中关键部分的不同特性，主要有以下一些类型：

1、按照工作频段或传输手段分类

有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频（RF）频率。射频实际上就是“高频” 的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。

2、按照通信方式来分类

主要有（全）双工、半双工和单工方式。所谓单工通信，指的是只能发或只能收的方式；半双工通信是一种既可以发也可以收但不能同时收发的通信方式；而双工通信是一种可以同时收发的通信方式。第一个图的例子是半双工方式，将天线开关换成双工器就成了双工方式。

3、按照调制方式的不同来划分

有调幅、调频、调相以及混合调制等。

4、按照传送的消息的类型分类

有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。

各种不同类型的通信系统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的，遵从同样的规律。本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路，认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其他类型的通信系统。

12）简述多路复用技术原理及分类。

在数据通信系统或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术。频分多路复用FDM 和时分多路复用TDM 是两种最常用的多路复用技术。常见的多路复用技术包括频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDMA）其中时分多路复用又包括同步时分复用和统计时分复用。

FDM、TDM、WDM、CDM的基本原理：

频分多路复用的基本原理是在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各路信道的载波频率互不重叠，这样一条通信线路就可以同时传输多路信号。

时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现，因此时分多路复用更适用于数字信号的传输。它又分为同步时分多路复用和统计时分多路复用。

波分多路复用是光的频分多路复用，它是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。

码分多路复用也是一种共享信道的方法,每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干扰能力强.码分多路复用技术主要用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(Personal Data Assistant, PDA) 以及掌上电脑(Handed Personal COmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。

22）简述WSN与Ad Hoc网络的区别。

无线传感器网络(WSN)是21世纪信息产业的三大支柱(计算、通信和传感器)相结合的产物。
自组织(Ad hoc，Self-organzing Network)网络是一种由移动节点组成的临时的、多跳的、对等的自治系统。

WSN是Ad hoc网络的一种典型应用，但WSN与传统的Ad hoc网络存在以下区别：
WSN节点数量更为庞大，分布更为密集，节点常处于固定状态，自组织网络节点时常处于快速移动状态；
WSN节点更容易失效，网络拓扑变化频繁；
WSN主要使用广播通信机制，而Ad hoc网络是基于点对点的通信；
WSN节点的动力能源、运算能力、存储器大小均受局限；
WSN不必拥有全球统一标识符；
WSN以数据为中心。
正是由于WSN与Ad hoc网络存在以上的显著区别，导致Ad hoc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。

基于传感器网络技术，使对于人或物的情况、周边环境的感知、针对不同使用者提供各种各样的服务成为可能。WSN不仅能满足人们从信息的传递及检索到信息获取的新需求，而且未来通信的主体将是机器到机器(M2M)，WSN将在很大程度上满足这一新的通信需求。

由于Ad hoc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。到目前为止，军事应用仍是Ad hoc 网络的一个主要应用领域，但是民用方面，自组和多跳的特性使其与现有的各种移动通信系统逐步融合起来，呈现了非常广泛的应用前景。

第二次作业

思考与习题4

1）短距离无线通信具有哪些特点？　

短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。

2）ZigBee技术特点有哪些？

Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，进行数据传输（包括典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据）的应用。Zigbee的基础是IEEE802.15.4，但是Zigbee并不等于802.15.4 IEEE802.15.4。由于IEEE仅处理低级的MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对网络层协议和应用层进行了标准化设定。Zigbee作为一种无线通信技术具有以下特点：低功耗、低成本、大容量、可靠、时延短、灵活的网络拓扑结构。

14）简述RFID系统组成。

RFID应用系统由读写器、标签和高层等部分组成。读写器和标签可以构成一个简单的应用系统，例如公交车上的消费系统。复杂的应用需要一个读写器同时读取n个标签。更复杂的应用系统需要解决读写器的高层处理问题。

16）简述RFID系统工作方式。

RFID系统由读写器、标签和应用系统组成。其主要的工作原理简单描述如下：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号；当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量，电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置的射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理；读写器的应用系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成相应的读写操作。

射频识别系统的基本工作方式分为全双工（Full Duplex）和半双工（Half Duplex）系统以及时序（SEQ）系统。全双工表示射频标签与读写器之间可在同一时刻互相传送信息。半双工表示射频标签与读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息。

在全双工和半双工系统中，射频标签的响应是在读写器发出的电磁场或电磁波的情况下发送出去的。

时序方法则与之相反，阅读器的辐射出的电磁场短时间周期性地断开。这些间隔被射频标签识别出来，并被用于从射频标签到阅读器的数据传输，是一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在阅读器发送间歇时，射频标签的能量供应中断，这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。

21）简述现代无线通信网络的组织结构。

通信网的基本结构

任何通信网络都具有信息传送、信息处理、信令机制、网络管理功能。因此，从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网、传送网、支撑网。

（一）业务网

1)功能：业务网负责向用户提供各种通信业务，如基本话音、数据、多媒体、租用线、VPN(Virtual Private Network, 虚拟专用网络)等。

2)构成一个业务网的主要技术要素包括网络拓扑结构、交换节点设备、编号计划、信令技术、路由选择、业务类型、计费方式、服务性能保证机制等。

3) 交换节点设备

.其中交换节点设备是构成业务网的核心要素。采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。

.业务网交换节点的基本交换单位本质上是面向终端业务的，粒度很小，例如一个时隙、一个虚连接。

.业务网交换节点的连接在信令系统的控制下建立和释放。

（二）支撑网

支撑网负责提供业务网正常运行所必需的信令、同步、网络管理、业务管理、运营管理等功能，以提供用户满意的服务质量。支撑网包含同步网、信令网、管理网三部分。

（三）传送网

1)传送网又称基础网。传送网为各类业务网提供业务信息传送手段，负责将节点连接起来，并提供任意两点之间信息的透明传输。传送网是由传输线路、传输设备组成的网络，所以又称之为基础网。

2)功能：具有电路调度网络性能监视、故障自动切换等相应的管理功能。

3)构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等。

现代无线通信网络基本组织结构可以概括为以核心网为主干连接网，完成卫星通信网与移动蜂窝网络的互联，然后通过控制网与各接入点相连，接入点通过网桥向计算机终端提供WLAN服务，接入点通过多媒体接口向电话、传真机、其他多媒体设备提供服务。

第三次作业

1）什么是时间同步，简述时间同步的分类。

2）简述TinyOS的功能。

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