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
1、绪论
IEEE802系列标准把数据链路层分成MAC（Media Access Control，介质访问控制）和LLC （Logical Link Control，逻辑链路控制）两个子层。上面的LLC子层实现数据链路层与硬件无关的功能，比如流量控制、差错恢复等；较低的MAC子层提供LLC和物理层之间的接口。其中MAC子层定义了数据包怎样在介质上进行传输。在共享同一个带宽的链路中，对连接介质的访问是“先来先服务”的。物理寻址在此处被定义，逻辑拓扑（信号通过物理拓扑的路径）也在此处被定义。线路控制、出错通知（不纠正）、帧的传递顺序和可选择的流量控制也在这一子层实现[1]。
在无线传感器网络中，为了应对可能出现多个节点设备同时接入信道，从而导致分组之间相互冲突，使接收方无法分辨出接收到的数据，浪费信道资源，吞吐量显著下降。为了解决这些问题，就需要MAC（介质接入控制）协议，而MAC协议指的就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质，它决定了节点什么时候允许发送分组，而且通常控制对物理层的所有访问。
在无线传感器网络中，为了实现多点通信，由MAC（Medium Access Control）介质访问控制层协议决定了局部范围无线信道的使用方式，以及多跳自组织无线传感器网络节点之间的通信资源分配，也就是说必须实现两大基本功能目标：在传感器分布的现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源[2]。
2、无线传感器网络MAC协议
2.1、引言
MAC协议位于OSI七层协议中数据链路层，数据链路层分为上层LLC（Logical Links Control，逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。
MAC协议的主要功能则是避免多个节点同时发送数据产生冲突，控制无线信道的公平合理使用，构建底层的基础网络结构。MAC 协议最重要的功能是确定网上的某个站点占有信道，即信道分配问题。
在设计无线传感器网络的MAC 层协议时，下面三个方面问题最值得重点关注[3]：能量感知和节省；网络效率（包括公平性、实时性、网络吞吐率和带宽利用率等）；可扩展性。尽管蓝牙（Bluetooth）、移动自组织网络（MANET）和无线传感器网络在通信基础设施上有相似的地方，但由于网络寿命的制约，没有哪个现存的蓝牙或移动自组织网络MAC 协议可以直接用在无线传感器网络。除了节能和有效节能外，移动性管理和故障恢复策略也是无线传感器网络MAC 协议首要关注的问题之一。尽管移动蜂窝网络、Ad-hoc 和蓝牙技术是当前主流的无线网络技术，但它们各自的MAC 协议不适合无线传感器网络，如GSM 和CDMA 中的介质访问控制主要关心如何满足用户的QoS 要求和节省带宽资源，能耗是第二位的；Ad-Hoc 网络则考虑如何在节点具有高度移动性的环境中建立彼此间的链接，同时兼顾一定的QoS 要求，能耗也不是其首要关心的；而蓝牙采用了主从式的星型拓扑结构，这本身就不适合传感器网络自组织的特点。综上所述，需要为为无线传感器网络设计符合其自身特点的MAC 层协议。
2.2、无线传感器网络MAC协议分类
MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。WSNs网络的MAC协议可以按以下几种不同的方式进行分类：
1）根据采用分布式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集中控制的协议。这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常采用分布式的协议。
2）根据使用的信道数，即物理层所使用的信道数，可分为单信道、双信道和多信道，如S-MAC，LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。使用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂性。
3）根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。基于TDMA的固定分配类MAC层协议，通过把时分复用（TDMA）和频分复用（FDMA）或者码分复用（CDMA）的方式相结合，实现无冲突的强制信道分配，如下面要讨论的C-TDMA 协议；以竞争为基础的MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干扰，如S-MAC。混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA 的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等，如Z-MAC[4]。
4）根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。在发送节点有数据需要传递时，接收节点的不同工作方式直接影响数据传递的能效性和接入信道的时延等性能。接收节点的持续侦听，在低业务的WSNs网络中，造成节点能量的严重浪费。通常采用周期性的侦听睡眠机制以减少能量消耗，但引入了时延。为了进一步减少空闲侦听的开销，发送节点可以采用低能耗的辅助唤醒信道发送唤醒信号，以唤醒一跳的邻居节点，如STEM协议[5]。在基于调度的MAC 协议中，接收节点接入信道的时机是确定的，知道何时应该打开其无线通信模块，避免了能量的浪费。
5）根据不同的用户应用需求，可分为基于竞争的MAC协议、基于固定分配的MAC协议以及基于按需分配的MAC协议三类。其中基于竞争的MAC协议，即节点在需要发送数据时采用某种竞争机制使用无线信道。这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。基于固定分配的MAC协议，即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较成熟的机制是时分复用（TDMA）。基于按需分配的MAC协议，即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。
2.3、无线传感器网络MAC协议的设计思想
传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC 协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计无线传感器网络的MAC 协议时[6-7]，需要着重考虑以下几个方面：
（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能量通常难以进行补充，为了长时间保证传感器网络的有效工作，MAC 协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。
（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC 协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。
（3）冲突避免。冲突避免是MAC协议的一项基本任务。它决定网络中的节点何时、以何种方式访问共享的传输媒体和发送数据。在WSNs 网络中，冲突避免的能力直接影响节点的能量消耗和网络性能。
（4）信道利用率。信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移动通
信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中，带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信。相比之下，WSNs 网络中处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSNs网络中处于次要的位置。
（5）延迟。延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据包所经历的时间。在WSNs 网络中，延迟的重要性取决于网络的应用。
（6）吞吐量。吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量。网络的吞吐量受到许多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSNs网络的应用。在WSNs 网络的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间，允许适当牺牲数据传输的延迟和吞吐量等性能指标。
（7）公平性。公平性通常指网络中各节点、用户、应用，平等地共享信道的能力。在传统的语音、数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标。因为网络中每一个用户，都希望拥有平等发送、接收数据的能力。但是在WSNs网络中，所有的节点为了一个共同的任务相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其他节点拥有大量的数据需要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每个节点平等发送、接收数据的能力来评价。
由于现在传感器节点的能量供应问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量，节约能量成为传感器网络MAC 协议设计首要考虑的因素。在传统网络中，节点能够连续地获得能量供应，如在办公室有稳定的电网供电，或者可以间断但及时地补充能量，如笔记本电脑和手机等；整个网络的拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小。因此，传统网络的MAC 协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率以及增加网络的实时性。而传感网的MAC 协议于传统网络的MAC 协议所注重的因素正好相反，这意味着传统网络的MAC 协议不适用于传感器网络，需要研究和提出新的适用于传感器网络的MAC 协议。
在无线传感器网络中，造成网络能量浪费的主要原因包括以下几个方面[6-7]：
（1）消息碰撞（Message collision）。如果MAC 协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
（2）窃听（Overhearing）。无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量被浪费掉了。因此从节能考虑，这时应
将其无线传输模块关闭。
（3）空闲侦听（Idle listening）。网络中的节点，由于不能预知它的邻节点什么时候会向其发送数据，所以将其无线收发模块始终保持在接收模式，节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。这种过度或没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。原因在于典型的无线收发模块处于接收模式时消耗的能量，比其处于睡眠模式时要多几个数量级。
（4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。
（5）控制报文开销（Control-packet overhead）。在MAC协议的头字段和控制消息包（ACK/RTS/CTS）中没有包含有效的数据，因此可认为是一种损耗。为了提高能效应该尽可能减少控制消息。
（6）发送失效（Overemitting）。在目的节点没有准备好接收时，发送节点发送了消息，造成能量的浪费。
结合上述因素，在MAC 协议的设计，通常应该简单高效，避免协议本身开销大，消耗过多能量。
2.4、无线传感器网络MAC协议分析
（1）S-MAC协议
图1
S-MAC协议。S-MAC（Sensor medium ac-cess control）协议[11]是Wei 等在IEEE 802.11协议的基础上，针对WSNs网络的能量有效性而提出的专用于WSNs网络的节能MAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是减少能量消耗，提供良好的可扩展性。它针对WSNs网络消耗能量的主要环节，采用了以下三方面的技术措施来减少能耗：a）周期性侦听和休眠。如图1所示，每个节点周期性地转入休眠状态，周期长度是固定的，节点的侦听活动时间也是固定的。如图2所示，图中向上的箭头表示发送消息，向下的箭头表示接收消息。上面部分的信息流，表示节点一直处于侦听方式下的消息收发序列；下面部分的信息流，表示采用S-MAC 协议时的消息收发序列。节点苏醒后进行侦听，判断是否需要通信。为了便于通信，相邻节
点之间，应该尽量维持调度周期同步，从而形成虚拟的同步簇。同时每个节点需要维护一个
调度表，保存所有相邻节点的调度情况。在向相邻节点发送数据时唤醒自己。每个节点定期广播自己的调度，使新接入节点可以与已有的相邻节点保持同步。如果一个节点处于两个不同调度区域的重合部分，则会接收到两种不同的调度，节点应该选择先收到的调度周期。b）消息分割和突发传输。考虑到WSNs网络的数据融合和无线信道的易出错等特点，将一个长消息分割成几个短消息，利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息的时间，然后突发性地发送由长消息分割的多个短消息。发送的每个短消息都需要一个应答ACK，如果发送方对某一个短消息的应答没有收到，则立刻重传该短消息。c）避免接收不必要消息。采用类似于802.11的虚拟物理载波监听和RTS/CTS 握手机制，使不收发信息的节点及时进入睡眠状态。
图2 S-MAC协议
S-MAC协议同IEEE 802.11相比，具有明显的节能效果，但是由于睡眠方式的引入，节点不一定能及时传递数据，使网络的时延增加、吞吐量下降；而且S-MAC采用固定周期的侦听/睡眠方式，不能很好地适应网络业务负载的变化。针对S-MAC协议的不足，其研究者又进一步提出了自适应睡眠的S-MAC协议[12]。在保留消息传递、虚拟同步簇等方式的基础上，引入了如下的自适应睡眠机制：如果节点在进入睡眠之前，侦听到了邻居节点的传输，则根据侦听到的RTS 或CTS 消息，判断此次传输所需要的时间；然后在相应的时间后醒来一小段时间（称为自适应侦听间隔），如果这时发现自己恰好是此次传输的下一跳节点，则邻居节点的此次传输就可以立即进行，而不必等待；如果节点在自适应侦听间隔时间内，没有侦听到任何消息，即不是当前传输的下一跳节点，则该节点立即返回睡眠状态，直到调度表中的侦听时间到来。自适应睡眠的S-MAC在性能上通常优于S-MAC，特别是在多跳网络中，可以大大减小数据传递的时延。S-MAC和自适应睡眠的S-MAC协议的可扩展性都较好，能适应网络拓扑结构的动态变化。缺点是协议的实现较复杂，需要占用节点大量的存储空间，
这对资源受限的传感器节点，显得尤为突出。
（2）T-MAC协议
图3
T-MAC 协议[13]。T-MAC（Timeout MAC）协议，实际上是S-MAC协议的一种改进，如图3所示。S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主要依赖于消息速率。因此，为了保证消息的可靠传输，节点的周期活动时间必须适应最高的通信负载，从而造成网络负载较小时，节点空闲侦听时间的相对增加。针对这一不足，从而提出了T-MAC 协议。该协议在保持周期侦听长度不变的情况下，根据通信流量动态调整节点活动时间，用突发方式发送消息，减少空闲侦听时间。其主要特点是引入了一个TA时隙。如图4所示，图中箭头表示的意义与图2相同。若TA 期间没有任何事件发生，则节点进入睡眠状态以实现节能。与S-MAC相比，主要的不同点是：T-MAC同样引入串音避免机制，但在T-MAC 协议中，作为一个选择项，可以设置也可以不设置。T-MAC与传统无占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC 比较，在负载不变的情况下，T-MAC和S-MAC节能相仿，而在可变负载的场景中，T-MAC要优于S-MAC。但T-MAC协议的执行，会出现早睡眠问题，引起网络的吞吐量降低。为此，它采用了两种方法来提高早睡眠引起的数据吞吐量下降：a）未来请求发送机制，b）满缓冲区优先机制，但效果并不是很理想。总之，T-MAC协议在节能方面优于S-MAC，但要牺牲网络的时延和吞吐量。T-MAC的其他性能与S-MAC相似。
图4 T-MAC协议
3、未来展望
无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已经引起了学术界、工业界和军事部门的极大关注，成为当前热门的研究领域，其未来的广泛应用将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
在无线传感网络中，MAC 协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，处于传感器网络协议的物理层和路由层之间，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。因此，MAC 协议的效率对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。作为无线传感器网络的“基石”，对于构建网络拓扑，实现网络管理等诸多方面至关重要。
由于不同应用场合对网络的要求不同，对MAC协议来说，不存在一个适用于所有WSNs 网络应用的MAC协议，也没有一种协议在各方面明显强于其他协议，各种MAC协议在能量有效性和网络延迟等性能之间[14-17]，都存在不同程度的矛盾性，且受到多方面因素的制约，但能量有效性是设计一个好的MAC协议的关键因素，能量高效的MAC协议仍然是今后的一个开放性研究课题，在现有研究的基础上，将来WSNs网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势如下：
1.利用多信道和动态的信道分屏技术进行节能研究。随着微电子机械技术的发展，低能、低成本、集成具有多信道或两个不同频率无线模块的收发器已经成为可能。合理地使用多个信道的资源，基于局部节点协作的方法，进行信道的动态分配，可以实现节能和改进网络性能。信道分配技术利用调度算法，在发送时隙和节点之间建立起特定的映射关系，为我们进行节能协议的设计提供了良好的条件。
2.采用跨层优化设计。WSNs网络由于受到节点的资源限制，分层的协议栈已不适应能量、内存等节点资源的有效利用。将MAC层、物理层以及网络层的设计相结合，根据局部网络的拓扑信息，采用综合各层的设计方法，实现对节点工作模式的有效控制，减少控制开销，从而取得更好的网络性能[18-20]。
参考文献
[1] 马祖长, 孙怡宁, 梅涛. 无线传感器网络综述[J]. 通信学报, 2004,25(4):114-123.
[2] 李瑞芳, 李仁发, 罗娟. 无线多媒体传感器网络MAC 协议研究综述[J].通信学报, 2008, 29(8):111-123.
[3] 蹇强，龚正虎，朱培栋等．无线传感器网络MAC协议研究进展[J]．软件学报，2008，19(2)：389—403
[4]. 郑国强,李建东,周志立.无线传感器网络MAC协议研究进展[J].自动化学报.2008
[5]. 刘晓杰.无线传感器网络MAC层协议研究[D].上海交通大学.2008
[6]. 孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社.2005
[7]. 崔莉,鞠海玲,苗勇等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展.2005，42(1)：163-174
[8]. 李哲涛,朱更明,王志强等.低占空比、低碰撞的异步无线传感器网络MAC 协议[J].通信学报.2013
[9]. 李哲涛,王志强,朱更明等.WSN中状态轮换分组的数据收集MAC协议[J].计算机研究与发展.2014，51（6）：1167—1175
[10]. 罗涛,赵明,李静叶等.认知无线电自组织网络MAC协议[J].计算机学报.2013
[11]. Ye W，Heidemann J，Estrin D. An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks. In: Proceedings of the 21st Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. New York，USA: IEEE，2002.1567—1576
[12]. Ye W，Heidemann J，Estrin D. Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks. IEEE/ACM Transactions on Networking，2004，12(3):493—506
[13]. Dam T V，Langendoen K. An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks. In: Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems. California，USA: ACM，2003. 171—180
[14]. Zorzi M, Rao R R. Geographic random forwarding (GeRaF)for ad hoc and sensor
networks: multihop performance.IEEE Transactions on Mobile Computing, 2003, 2(4): 337—348
[15]. Miller M J, Vaidya N H. An MAC protocol to reduce sensor network energy consumption using a wakeup radio. IEEE Transactions on Mobile Computing, 2005, 4(3): 228—242
[16]. Lu G, Krishnamachari B, Raghavendra C S. An adaptive energy-efficient and low-latency MAC for data gathering in sensor networks. In: Proceedings of the 18th International Conference on Parallel and Distributed Processing Symposium. Palmerston, USA: IEEE, 2004. 224—231
[17]. EI-Hoiydi A, Decotignie J D. WiseMAC: an ultra low power MAC protocol for the downlink of infrastructure wireless sensor networks. In: Proceedings of the 9th IEEE International Symposium on Computers and Communications. New York, USA: IEEE, 2004. 244—251
[18]. Tay Y C, Jamieson K, Balakrishnan H. Collision-minimizing csma and its applications to wireless sensor networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2004, 22(6):1048—1057
[19]. Rugin R, Mazzini G. A simple and efficient MAC-routing integrated algorithm for sensor networks. In: Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Communication.New Jersey, USA: IEEE, 2004. 3499—3503
[20]. Cui S G, Madan R, Goldsmith A J, Lall S. Joint routing,MAC, and link layer optimization in sensor networks with energy constraints. In: Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Communications. New Jersey, USA:IEEE, 2005. 725—729
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。