⑶輸出通道連接被控裝置的執行機構，各種電磁干擾會經通道進入被控裝置，因此必須在輸出通道中采取抗干擾措施。3-30電橋電路的主要作用是什么？可以分為哪幾種？答：電橋電路是傳感器檢測電路中經常使用的電路，主要用來把傳感器的電阻、電容、電感變化轉換為電壓或電流。分為直流電橋、交流電橋和放大電路3-31繪出根本放大電路的電路圖。答：略。3-32放大電路有哪3種形式?輸出信號的表達形式分別是什么？答：反向放大：同向放大：差動放大：第4章答案4-1傳感器節點在實現各種網絡協議和應用系統時，存在哪些現實約束？答：傳感器節點在實現各種網絡協議和應用系統時，存在以下一些現實約束。1.電源能量有限傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。由于傳感器節點個數多、本錢要求低廉、分布區域廣，而且部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡面臨的首要挑戰。如何讓網絡通信更有效率，減少不必要的轉發和接收，不需要通信時盡快進入睡眠狀態，是傳感器網絡協議設計需要重點考慮的問題。2.通信能力有限無線通信的能量消耗與通信距離的關系為：其中，參數n滿足關系2<n<4。n的取值與很多因素有關，例如傳感器節點部署貼近地面時，障礙物多干擾大，n的取值就大；天線質量對信號發射質量的影響也很大。考慮諸多因素，通常取n為3，即通信能耗與距離的三次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗將急劇增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。由于節點能量的變化，受高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響，無線通信性能可能經常變化，頻繁出現通信中斷。在這樣的通信環境和節點有限通信能力的情況下，如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信需求是傳感器網絡面臨的挑戰之一。3.計算和存儲能力有限傳感器節點是一種微型嵌入式設備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節點需要完成監測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答會聚節點的任務請求和節點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務成為傳感器網絡設計的挑戰。4-2舉例說明無線傳感器網絡的應用領域。答：傳感器網絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業園區的平安監測等領域。隨著傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。1.軍事應用傳感器網絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特點，因此非常適合在軍事上應用。利用傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監控、戰場的實時監視、目標的定位、戰場評估、核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索等功能。通過飛機或炮彈直接將傳感器節點播撒到敵方陣地內部，或者在公共隔離帶部署傳感器網絡，就能夠非常隱蔽而且近距離準確地收集戰場信息，迅速獲取有利于作戰的信息。傳感器網絡是由大量的隨機分布的節點組成的，即使一局部傳感器節點被敵方破壞，剩下的節點依然能夠自組織地形成網絡。傳感器網絡可以通過分析采集到的數據，得到十分準確的目標定位，從而為火控和制導系統提供精確的制導。利用生物和化學傳感器，可以準確地探測到生化武器的成分，及時提供情報信息，有利于正確防范和實施有效的還擊。2.環境觀測和預報系統隨著人們對于環境的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣泛。傳感器網絡在環境研究方面可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽的環境狀況和大面積的地表監測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監測等，還可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復雜度的研究等。類似地，傳感器網絡可實現對森林環境監測和火災報告，傳感器節點被隨機密布在森林之中，平常狀態下定期報告森林環境數據，當發生火災時，這些傳感器節點通過協同合作會在很短的時間內將火源的具體地點、火勢的大小等信息傳送給相關部門。3.醫療護理傳感器網絡在醫療系統和健康護理方面的應用包括監測人體的各種生理數據，跟蹤和監控醫院內醫生和患者的行動，醫院的藥物管理等。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節點，如心率和血壓監測設備，醫生利用傳感器網絡就可以隨時了解被監護病人的病情，發現異常能夠迅速搶救。將傳感器節點按藥品種類分別放置，計算機系統即可幫助識別所開的藥品，從而減少病人用錯藥的可能性。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人體的生理數據，這些數據對了解人體活動機理和研制新藥品都是非常有用的。4.智能家居傳感器網絡能夠應用在家居中。在家電和家具中嵌入傳感器節點，通過無線網絡與Internet連接在一起，將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環境。利用遠程監控系統，可完成對家電的遠程遙控，例如可以在回家之前半小時翻開空調，這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、電話機、電視機、錄像機、電腦等家電，按照自己的意愿完成相應的煮飯、燒菜、查收電話留言、選擇錄制電視和電臺節目以及下載網上資料到電腦中等工作，也可以通過圖像傳感設備隨時監控家庭平安情況。利用傳感器網絡可以建立智能幼兒園，監測孩童的早期教育環境，跟蹤孩童的活動軌跡，可以讓父母和老師全面地研究學生的學習過程。5.建筑物狀態監控建筑物狀態監控（StructureHealthMonitoring，SHM）是利用傳感器網絡來監控建筑物的平安狀態。由于建筑物不斷修補，可能會存在一些平安隱患。雖然地殼偶爾的小振動可能不會帶來看得見的損壞，但是也許會在支柱上產生潛在的裂縫，這個裂縫可能會在下一次地震中導致建筑物倒塌。用傳統方法檢查，往往要將大樓關閉數月。采用傳感器網絡，可以讓大樓、橋梁和其他建筑物能夠自身感覺并意識到它們本身的狀況，使得安裝了傳感器網絡的智能建筑自動告訴管理部門它們的狀態信息，并且能夠自動按照優先級來進行一系列自我修復工作。未來的各種摩天大樓可能就會裝備這種類似紅綠燈的裝置，從而建筑物可自動告訴人們當前是否平安、穩固程度如何等信息。6.其他方面的應用復雜機械的維護經歷了“無維護〞、“定時維護〞以及“基于情況的維護〞三個階段。采用“基于情況的維護〞方式能夠優化機械的使用，保持過程更加有效，并且保證制造本錢仍然低廉。其維護開銷分為幾個局部：設備開銷、安裝開銷和人工收集分析機械狀態數據的開銷。采用無線傳感器網絡能夠降低這些開銷，特別是能夠去掉人工開銷。尤其是目前數據處理硬件技術的飛速開展和無線收發硬件的開展，新的技術已經成熟，可以使用無線技術防止昂貴的線纜連接，采用專家系統自動實現數據的采集和分析。傳感器網絡可以應用于空間探索。借助于航天器在外星體撒播一些傳感器節點，可以對星球外表進行長時間的監測。這種方式本錢很低，節點體積小，相互之間可以通信，也可以和地面站進行通信。4-3傳感器節點由哪幾局部組成？答：傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供給模塊四局部組成。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供給模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。4-4簡述無線傳感器網絡各層協議和平臺的功能。答：協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議相對應。另外，協議棧還包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。這些管理平臺使得傳感器節點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節點移動的傳感器網絡中轉發數據，并支持多任務和資源共享。各層協議和平臺的功能如下：物理層提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和過錯控制；網絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數據流的傳輸控制，是保證通信效勞質量的重要局部；應用層包括一系列基于監測任務的應用層軟件；能量管理平臺管理傳感器節點如何使用能源，在各個協議層都需要考慮節省能量；移動管理平臺檢測并注冊傳感器節點的移動，維護到會聚節點的路由，使得傳感器節點能夠動態跟蹤其鄰居的位置；任務管理平臺在一個給定的區域內平衡和調度監測任務。4-5無線傳感器網絡具有何顯著特點？答：無線傳感器網絡具有以下的特點：1.大規模網絡為了獲取精確信息，在監測區域通常部署大量傳感器節點，傳感器節點數量可能到達成千上萬，甚至更多。傳感器網絡的大規模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節點分布在很大的地理區域內，如在原始大森林采用傳感器網絡進行森林防火和環境監測，需要部署大量的傳感器節點；另一方面，傳感器節點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節點。傳感器網絡的大規模性具有如下優點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監測的精確度，降低對單個傳感器節點的精度要求；大量冗余節點的存在，使得系統具有很強的容錯性能；大量節點能夠增大覆蓋的監測區域，減少洞穴或者盲區。2.自組織網絡在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定，節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域。這樣就要求傳感器節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絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。3．多跳路由網絡中節點通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內，節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點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。網絡的多跳路由使用網關和路由器來實現，而無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節點既可以是信息的發起者，也可以是信息的轉發者。4.動態性網絡傳感器網絡的拓撲結構可能因為以下因素而改變：①環境因素或電能耗盡造成的傳感器節點出現故障或失效；②環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新節點的參加。這就要求傳感器網絡系統要能夠適應這種變化，具有動態的系統可重構性。4.可靠的網絡傳感器網絡特別適合部署在惡劣環境或人類不宜到達的區域，傳感器節點可能工作在露天環境中，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。傳感器節點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發射炮彈到指定區域進行部署。這些都要求傳感器節點非常鞏固，不易損壞，適應各種惡劣環境條件。由于監測區域環境的限制以及傳感器節點數目巨大，不可能人工“照顧〞每個傳感器節點，網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和平安性也十分重要，要防止監測數據被盜取和獲取偽造的監測信息。因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。5.以數據為中心的網絡傳感器網絡是任務型的網絡，脫離傳感器網絡談論傳感器節點沒有任何意義。傳感器網絡中的節點采用節點編號標識，節點編號是否需要全網唯一取決于網絡通信協議的設計。由于傳感器節點隨機部署，構成的傳感器網絡與節點編號之間的關系是完全動態的，表現為節點編號與節點位置沒有必然聯系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網絡，而不是通告給某個確定編號的節點。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據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絡是一個以數據為中心的網絡。6.應用相關的網絡傳感器網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。不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統也有多種多樣的要求。不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然會有很大差異。所以傳感器網絡不能像Internet一樣，有統一的通信協議平臺。對于不同的傳感器網絡應用雖然存在一些共性問題，但在開發傳感器網絡應用中，更關心傳感器網絡的差異。只有讓系統更貼近應用，才能做出最高效的目標系統。針對每一個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統網絡的顯著特征。4-6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缺點。答：基于TOA的定位精度高，但要求節點間保持精確的時間同步，因此對傳感器節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，本錢和能耗使得該種技術對低能耗的傳感器網絡提出了挑戰。但是TDOA技術測距誤差小，有較高的精度。AOA定位不僅能確定節點的坐標，還能提供節點的方位信息。但AOA測距技術易受外界環境影響，且AOA需要額外硬件，在硬件尺寸和功耗上不適用于大規模的傳感器網絡。在實驗環境中RSSI表現出良好的特性，但是在現實環境中，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。4-7無線傳感器網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包括哪些？答：在無線傳感器網絡系統中，單個節點的能力非常有限，整個系統所要實現的功能需要網絡內所有節點互相配合共同完成。時間同步在無線傳感器網絡中起著非常重要的作用。在分布式系統中，不同的節點都有自己的本地時鐘。由于不同節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點都到達時間同步，它們的時間也會逐漸出現偏差，而分布式系統的協同工作需要節點間的時間同步，因此時間同步機制是分布式系統基礎框架的一個關鍵機制。傳感器網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。傳感器網絡的時間同步機制的主要性能參數如下：（1）最大誤差：一組傳感器節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絡范圍的增大而增加。（2）同步期限：節點間需要一直保持時間同步的時間長度，傳感器網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絡存在的永久同步。（3）同步范圍：需要節點間時間同步的區域范圍，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，如網絡的跳數。（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域內的每個節點，基于網絡的機制通常能夠同步每個節點，而有些機制對硬件要求高，僅能同步局部節點，如GPS系統。（5）效率：到達同步精度所經歷的時間以及消耗的能量。需要交換的同步消息越多，經歷的時間越長，消耗的網絡能量就越大，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，在傳感器網絡中需要考慮部件的價格和體積，這對傳感器網絡非常重要。4-8無線傳感器網絡的平安研究要解決哪些問題？答：無線傳感器網絡的平安和一般網絡平安的出發點是相同的，都要解決如下問題：（1）機密性問題。所有敏感數據在存儲和傳輸的過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。網絡節點在接收到另外一個節點發送過來的消息時，能夠確認這個數據包確實是從該節點發送出來的，而不是別人冒充的。（3）完整性鑒別問題。網絡節點在接收到一個數據包的時候，能夠確認這個數據包和發出來的時候一模一樣，沒有被中間節點篡改或者在傳輸中通信出錯。（4）新鮮性問題。數據本身具有時效性，網絡節點能夠判斷最新接收到的數據包是發送者最新產生的數據包。造成新鮮性問題一般有兩種原因：一是由網絡多路徑延時的非確定性導致數據包的接收錯序而引起，二是由惡意節點的重放（replay）攻擊而引起。（5）認證組播/播送問題。認證組播/播送解決的是單一節點向一組節點/所有節點發送統一通告的認證平安問題。認證播送的發送者是一個，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平安框架中將詳細分析播送認證問題。（6）平安管理問題。平安管理包括平安引導和平安維護兩個局部。平安引導是指一個網絡系統從分散的、獨立的、沒有平安通道保護的個體集合，按照預定的協議機制，逐步形成統一完整的、具有平安信道保護的、連通的平安網絡的過程。4-9與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有哪些特點？答：與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：（1）能量優先。傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量消耗問題。而無線傳感器網絡中節點的能量有限，延長整個網絡的生存期成為傳感器網絡路由協議設計的重要目標，因此需要考慮節點的能量消耗以及網絡能量均衡使用的問題。（2）基于局部拓撲信息。無線傳感器網絡為了節省通信能量，通常采用多跳的通信模式，而節點有限的存儲資源和計算資源，使得節點不能存儲大量的路由信息，不能進行太復雜的路由計算。在節點只能獲取局部拓撲信息和資源有限的情況下，如何實現簡單高效的路由機制是無線傳感器網絡的一個根本問題。（3）以數據為中心。傳統的路由協議通常以地址作為節點的標識和路由的依據，而無線傳感器網絡中大量節點隨機部署，所關注的是監測區域的感知數據，而不是具體哪個節點獲取的信息，不取決于全網唯一的標識。傳感器網絡通常包含多個傳感器節點到少數會聚節點的數據流，按照對感知數據的需求、數據通信模式和流向等，以數據為中心形成消息的轉發路徑。（4）應用相關。傳感器網絡的應用環境千差萬別，數據通信模式不同，沒有一個路由機制適合所有的應用，這是傳感器網絡應用相關性的一個表達。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。4-10四種類型的路由協議分別是什么？答：從具體應用的角度出發，根據不同應用對傳感器網絡各種特性的敏感度不同，將路由協議分為四種類型。四種類型的路由協議分別是：（1）能量感知路由協議。高效利用網絡能量是傳感器網絡路由協議的一個顯著特征，早期提出的一些傳感器網絡路由協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議。能量感知路由協議從數據傳輸中的能量消耗出發，討論最優能量消耗路徑以及最長網絡生存期等問題。（2）基于查詢的路由協議。在諸如環境檢測、戰場評估等應用中，需要不斷查詢傳感器節點采集的數據，會聚節點（查詢節點）發出任務查詢命令，傳感器節點向查詢節點報告采集的數據。在這類應用中，通信流量主要是查詢節點和傳感器節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節點的采樣信息在傳輸路徑上通常要進行數據融合，通過減少通信流量來節省能量。（3）地理位置路由協議。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點的精確或者大致地理位置。把節點的位置信息作為路由選擇的依據，不僅能夠完成節點路由功能，還可以降低系統專門維護路由協議的能耗。（4）可靠的路由協議。無線傳感器網絡的某些應用對通信的效勞質量有較高要求，如可靠性和實時性等。而在無線傳感器網絡中，鏈路的穩定性難以保證，通信信道質量比較低，拓撲變化比較頻繁，要實現效勞質量保證，需要設計相應的可靠的路由協議。4-11在設計無線傳感器網絡的MAC協議時，需要著重考慮哪幾個方面？答：在設計無線傳感器網絡的MAC協議時，需要著重考慮以下幾個方面：（1）節省能量。傳感器網絡的節點一般是以干電池、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絡的有效工作，MAC協議在滿足應用要求的前提下，應盡量節省使用節點的能量。（2）可擴展性。由于傳感器節點數目、節點分布密度等在傳感器網絡生存過程中不斷變化，節點位置也可能移動，還有新節點參加網絡的問題，所以無線傳感器網絡的拓撲結構具有動態性。MAC協議也應具有可擴展性，以適應這種動態變化的拓撲結構。（3）網絡效率。網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量以及帶寬利用率等。4-12在無線傳感器網絡中可能造成網絡能量浪費的主要原因包括哪幾方面？答：可能造成網絡能量浪費的主要原因包括如下幾方面：（1）如果MAC協議采用競爭方式使用共享的無線信道，節點在發送數據的過程中，可能會引起多個節點之間發送的數據產生碰撞。這就需要重傳發送的數據，從而消耗節點更多的能量。（2）節點接收并處理不必要的數據。這種串音（overhearing）現象造成節點的無線接收模塊和處理器模塊消耗更多的能量。（3）節點在不需要發送數據時一直保持對無線信道的空閑偵聽（idlelistening），以便接收可能傳輸給自己的數據。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點能量的浪費。（4）在控制節點之間的信道分配時，如果控制消息過多，也會消耗較多的網絡能量。4-13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絡的MAC協議分為哪三類？答：按照以下條件分類MAC協議：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。按照第三種分類方法，將傳感器網絡的MAC協議分為三類：（1）采用無線信道的時分復用方式，給每個傳感器節點分配固定的無線信道使用時段，從而防止節點之間的相互干擾；（2）采用無線信道的隨機競爭方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，重點考慮盡量減少節點間的干擾；（3）其他MAC協議，如通過采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道的分配。4-14在傳感器網絡中，為什么要對網絡進行拓撲結構控制與優化。答：在傳感器網絡中，網絡的拓撲結構控制與優化有著十分重要的意義，主要表現在以下幾個方面：（1）影響整個網絡的生存時間。傳感器網絡的節點一般采用電池供電，節省能量是網絡設計主要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網絡能量，延長整個網絡的生存時間。（2）減小節點間通信干擾，提高網絡通信效率。傳感器網絡中節點通常密集部署，如果每個節點都以大功率進行通信，會加劇節點之間的干擾，降低通信效率，并造成節點能量的浪費。另一方面，如果選擇太小的發射功率，會影響網絡的連通性。所以，拓撲控制中的功率控制技術是解決這個矛盾的重要途徑之一。（3）為路由協議提供基礎。在傳感器網絡中，只有活動的節點才能夠進行數據轉發，而拓撲控制可以確定由哪些節點作為轉發節點，同時確定節點之間的鄰居關系。（4）影響數據融合。傳感器網絡中的數據融合指傳感器節點將采集的數據發送給骨干節點，骨干節點進行數據融合，并把融合結果發送給數據收集節點。而骨干節點的選擇是拓撲控制的一項重要內容。（5）彌補節點失效的影響。傳感器節點可能部署在惡劣環境中，在軍事應用中甚至部署在敵方區域中，所以很容易受到破壞而失效。這就要求網絡拓撲結構具有魯棒性以適應這種情況。4-15傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是什么？答：傳感器網絡拓撲控制主要研究的問題是：在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，剔除節點之間不必要的通信鏈路，形成一個數據轉發的優化網絡結構。具體地講，傳感器網絡中的拓撲控制按照研究方向可以分為兩類：節點功率控制和層次型拓撲結構組織。功率控制機制調節網絡中每個節點的發射功率，在滿足網絡連通度的前提下，均衡節點的單跳可達鄰居數目。層次型拓撲控制利用分簇機制，讓一些節點作為簇頭節點，由簇頭節點形成一個處理并轉發數據的骨干網，其他非骨干網節點可以暫時關閉通信模塊，進入休眠狀態以節省能量。4-16LR-WPAN具有哪些特點？答：低速WPAN(LR-WPAN)是按照IEEE802.15.4標準，為近距離聯網設計的。IEEE802.15.4標準包括工業監控和組網、辦公和家庭自動化與控制、庫存管理、人機接口裝置以及無線傳感器網絡等。網絡具有如下特點：實現250kbit/s，40kbit/s，20kbit/s三種傳輸速率。支持星形或者點對點兩種網絡拓撲結構。具有16位短地址或者64位擴展地址。支持沖突防止載波多路偵聽技術（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）。用于可靠傳輸的全應答協議。低功耗。能量檢測（EnergyDetection，ED）。鏈路質量指示（LinkQualityIndication，LQI）。在2450MHz頻帶內定義了16個通道；在915MHz頻帶內定義了10個通道；在868MHz頻帶內定義了1個通道。4-17簡述IEEE802.15.4定義的LR-WPAN網絡中具有的兩種拓撲結構。答：IEEE定義了兩種不同類型的設備：一種是完整功能設備（Full-FunctionalDevice，FFD），另一種是簡化功能設備（Reduced-FunctionalDevice，RFD）。全功能設備（FFD）具有以下幾個特點：能夠在任何拓撲結構中工作；能夠成為網絡中的主協調器；能夠成為一個協調器；能夠同任何其他設備進行通信。簡化功能設備（RFD）具有以下幾個特點：被限制在星形網絡拓撲中；不能夠成為網絡協調器；只能夠同網絡中的協調器進行通信；實現起來非常簡單。由于RFD非常簡單，就像一個電燈開關或者一個紅外線傳感器，它們不需要發送大量的數據，并且一次只能同一個FFD關聯，因此，RFD能夠使用很少的資源和存儲空間。4-18簡述ZigBee協議與IEEE802.15.4標準的聯系與區別。答：IEEE802.15.4僅定義了物理層和MAC層的標準。基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低本錢的無線通信技術。ZigBee協議棧建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層標準之上。它實現了網絡層和應用層。IEEE802.15.4標準有IEEE負責制定，而ZigBee協議由ZigBee聯盟制定。4-19數據融合具有哪些顯著特點。答：數據融合具有如下4個顯著特點：1）信息的冗余性：同一個信號可能被不同傳感器捕獲，去除不必要的重復信息；2）信息的互補性：一種傳感器捕獲一種特征，多種特征的結合將獲得更全面信息；3）信息處理的及時性：多傳感器的并行采集與處理；4）信息處理的低本錢性：為獲得準確信息，可用多種廉價的傳感器協作來代替單個功能強大但高價的傳感器。4-20根據多傳感器數據融合模型定義方法和無線傳感器網絡自身特點，數據融合可劃分為哪些不同的型式？答：根據多傳感器數據融合模型定義方法和無線傳感器網絡自身特點，數據融合可根據節點處理層次、融合前后的數據信息量、信息抽象層次的不同而劃分為不同的型式。根據節點處理的層次，可分為集中式融合和分布式融合。根據融合前后數據信息量的變化，可分為無損融合和有損融合。根據信息抽象層次，可分為數據級融合、特征級融合、決策級融合。第5章答案5-1請簡述M2M技術的定義。答：隨著各種信息通信手段（如Internet、遙感勘測、遠程信息處理、遠程控制等）的開展，加之地球上各類設備的不斷增加，人們開始越來越多的關注于如何對設備和資產進行有效監視和控制，甚至如何用設備控制設備——“M2M〞理念由此起源。M2M（Machine/Man-to-Machine/Man）是一種以機器智能交互為核心的、網絡化的應用與效勞。簡單地說，M2M是指機器之間的互聯互通。廣義上來說，M2M可代表機器對機器、人對機器、機器對人、移動網絡對機器之間的連接與通信，它涵蓋了所有實現在人、機器、系統之間建立通信連接的技術和手段。5-2為什么電聯組織ITU要大力推廣M2M技術，認為M2M技術是物聯網核心技術？ 答：各種技術的開展使得網絡及其應用變得無所不能，未來網絡將會是通信網、互聯網、物聯網的融合。物聯網是一個具有創新的潛力無限的領域，被看作是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，已被世界各國當作應對經濟危機、振興經濟的重點技術之一。5-3M2M的業務模型是什么？答：M2M的業務模型由三局部組成：行業終端、移動通信網絡、M2M應用平臺。各局部的功能如下：行業終端1.符合相關行業標準，具備入網證、合格證等相關檢測合格證書2.符合行業生產、管理需求、集成數據采集和數據傳輸功能的設備移動通信網絡1.能平安、高效承載數據業務的中國移動通信網絡2.TD-SCDMA，具有高寬帶、高速率及抗干擾等技術優勢的第三代移動通信網絡M2M應用平臺1.實現各行業移動信息化需求的業務平臺集合2.具有良好的可擴展性，易于新業務平臺的接入5-4M2M的技術標準體系是什么？答：雖然各大標準化組織及運營商積極制定相應的標準，但是現在并沒有啟動統一的標準。M2M的系統架構可參考圖5-2所示。5-5M2M架構包含哪五個重要技術局部？答：機器（具備信息感知、信息加工能力的設備）、M2M終端（進行信息的提取，傳送到通信網絡）、通信網絡（信息傳送的通道）、中間件(在通信網絡和應用間起橋接作用)、應用(對獲得數據進行加工分析)。5-6簡述M2M兩種應用模式的異同。答：M2M應用分為管理流–業務流并行模式和管理流–業務流別離模式（P2P模式）。管理流指承載M2M終端管理相關信息的數據流，業務流是指承載M2M應用相關的數據流。對于終端管理流，兩種模式都由終端發送給M2M平臺，或再由M2M平臺轉發給應用。對于業務流，在管理流–業務流并行模式下，業務流通過終端傳遞到M2M平臺，再由M2M平臺轉發給M2M應用業務平臺或者對端的M2M終端；在管理流–業務流別離模式下，業務流直接從終端送到M2M應用業務平臺或者對端的M2M終端，不通過M2M平臺轉發。5-7簡述WMMP的作用。答：WMMP規定了在M2M業務系統中所涉及的M2M終端鏟平運行WMMP的根本要求，供中國移動集團公司內部和合作廠商共同使用，是M2M業務開展、終端設備開發方面的技術依據，適用于GSM/GPRS網絡環境。使用WMMP便于管理終端,提高通信的平安性，提高M2M終端的兼容性。5-8給出搭建一個M2M應用系統的步驟。答：（1）使用P2P模式選擇需要的終端與M2M模塊，通過移動運營商接入通信網絡，與自己架設的M2M網關交互信息（管理信息與業務信息），同時制定應用完成期望的功能。（2）使用M2M平臺的方案選擇需要的終端M2M模塊，接入運營商的M2M平臺，管理流與業務流的格式需要符合M2M平臺的標準（如WMMP），M2M應用業務平臺通過M2M平臺管理M2M終端并獲取業務信息。5-9M2M模塊與手機通信模塊有什么區別？答：廣義的M2M模塊是使用AT指令或M2M協議進行數據通信的設備。而現有的M2M模塊很大一局部與先有的手機通信模塊無太大區別，甚至就是普通的手機模塊，有一局部對M2M應用進行了相應的改良，比方縮小體積，取消不需要的功能（如語音通話），能夠適應較為嚴苛的工作環境，內置M2M協議等。使用AT指令的GPRS模塊和內置M2M協議的模塊都是M2M模塊。但是，目前較為成熟應用的是使用AT指令的GPRS模塊。內置M2M協議的模塊將會得到越來越多的應用。5-10M2M終端通過M2M模塊接入互聯網有哪幾種方法，有何優缺點？答：第一種方法：按照AT指令的規定，使用相應的AT指令接入網絡，發送接收信息。優點：對終端的要求比較低，只要可以進行串口變成的終端均可使用這種方法。缺點：功能單一，需要某些復雜功能時編程難度大。第二種方法：對于安裝有PPP協議的終端，可以用PPP協議與模塊連接實現對網絡的透明鏈接，此時模塊相當于DTU(DataTransferunit)數據傳輸單元，這時在終端上即可進行相應的網絡編程。優點：使用方便，對于現有的一些通信程序可以方便的移植，可以實現較為復雜的功能。缺點：對終端的要求較高，一般都需要終端上運行操作系統。5-11請寫出常用的AT指令集。答：M2M模塊常用的AT指令：功能AT指令詳細撥號命令ATD后面緊跟撥打電話號碼掛機命令ATH掛機短消息格式AT+GMGF選擇短消息模式（TEXT或PDU）讀取短消息AT+CMGR讀取短消息新消息提示AT+CNMI選擇新消息到來時的提示方式發送短消息AT+CMGS發送短消息TCP/UDP連接初始化AT^IPINIT初始化TCP/UDP連接建立TCP/UDP連接AT^IPOPEN與設定的IP建立TCP/UDP連接效勞器偵聽命令AT^IPLISTEN翻開效勞器偵聽功能TCP/UDP數據發送AT^IPSEND選定鏈路發送數據TCP/UDP接收數據緩存查詢AT^IPGETDATA查詢某鏈路是否有數據到達TCP/UDP數據到達指示AT^IPDATA當有數據到達時可主動上報關閉TCP/UDP連接AT^IPCLOSE關閉指定的連接第6章答案6-1簡述云和云計算的根本概念。答：云也叫做資源池，是一些可以自我維護和管理的虛擬計算資源，通常是一些大型效勞器集群，包括計算效勞器、存儲效勞器和寬帶資源等。云計算是一種基于互聯網的、群眾參與的計算模式，其計算資源（計算能力、存儲能力、交互能力）是動態、可伸縮、且被虛擬化的，以效勞的方式提供。6-2簡述私有云、公用云和混合云的根本概念。答：私有云也叫做專用云，是由單個客戶所擁有的按需提供基礎設施，該客戶控制哪些應用程序在哪里運行，擁有效勞器、網絡和磁盤，并且可以決定允許哪些用戶使用基礎設施。公用云是由第三方運行的云，第三方可以把來自許多不同客戶的作業在云內的效勞器、存儲系統和其他基礎設施上混合在一起。最終用戶不知道運行其作業的同一臺效勞器、網絡或磁盤上還有哪些用戶。混合云把公用云模式與私有云模式結合在一起。客戶通過一種可控的方式對云局部擁有，局部與他人共享。6-3簡述云計算的四個本質特征。答：云計算的本質包括：虛擬化，即把軟件、硬件等IT資源進行虛擬化，抽象成標準化的虛擬資源，放在云計算平臺中統一管理，保證資源的無縫擴展；多粒度和多尺度，即靈活的面對需求，提供不同的效勞；不確定性，因為云計算是一個人參與的計算，是群體智能的表達，表現出自然界不確定性特征；軟計算，即如何讓網絡明白一些定量、定性的轉換，如一些大約的量詞等。6-4簡述云計算與并行計算的關系。答：并行計算式云計算的萌芽階段。在并行計算中，為了獲得高速的計算能力，人們不惜采用昂貴的效勞器和購置更多的效勞器。因此，強大的并行計算能力需要巨額的投資。并且，傳統的并行計算機的使用是一個相當專業的工作，需要使用者具有較高的專業素質。而云計算將效勞器等設施集中起來，最大程度地做到資源共享，能夠動態地為用戶提供計算能力和存儲能力，隨時滿足用戶的需求。6-5簡述分布式計算的根本原理，并指出云計算與分布式計算的關系。答：分布式計算研究如何把一個需要非常巨大的計算能力才能解決的問題分成許多小的局部，然后把這些局部分配給許多計算機進行處理，最后把這些計算結果綜合起來得到最終的結果。分布式計算依賴于分布式系統。分布式系統由通過網絡連接的多臺計算機組成。網絡把大量分布在不同地理位置的計算機連接在一起，每臺計算機都擁有獨立的處理器及內存。這些計算機互相協作，共同完成一個目標或者計算任務。分布式計算是一個很大的范疇。在當今的網絡時代，不是分布式計算的應用已經很少了。云計算是分布式計算的一種。6-6簡述云計算與網格計算的關系。答：通常意義的網格是指云計算以前實現的以科學研究為主的網格。網格計算不僅要集成異構資源，還要解決許多非技術的協調問題，非常重視標準標準，也非常復雜，但缺乏成功的商業模式。云計算是網格計算的一種簡化實用版本，有成功的商業模式推動。但如果沒有網格計算打下的基礎，云計算也不會這么快到來。所以說，云計算的成功也是網格的成功。6-7論述云計算與物聯網的關系。答：物聯網的規模足夠大之后，需要與云計算結合起來。云計算中心對接入網絡終端的普適性，最終解決了物聯網中M2M應用的廣泛性。物聯網的行業應用，如智能電網、環境檢測網等等，都需要借助云計算來解決海量信息和數據的管理問題。具體包括以下幾個方面：云計算解決了物聯網中效勞器節點的不可靠性問題，最大限度地降低效勞器的出錯率。物聯網中的海量數據和信息需要巨大數目的效勞器。隨著效勞器數目的增多，效勞器節點出錯的概率也會隨之變大。而利用云計算，云中有成千上萬、甚至上百萬臺效勞器，即使某些效勞器出錯了，也可以利用冗余備份等技術迅速恢復效勞，保障物聯網真正實現無間斷的平安效勞。云計算可以解決物聯網中訪問效勞器資源受限的問題。效勞器相關硬件的資源的承受能力是有限的，當訪問超過效勞器本身的限制時，效勞器就會崩潰。物聯網要求保障對效勞器有很高的訪問需求，來滿足數據和信息的爆炸性增長。但這種訪問需求是不確定的，它會隨著時間而發生變化。通過云計算技術，可以動態地增加或減少云中效勞器的數量和數目，隨時滿足物聯網中效勞器的訪問需求。云計算讓物聯網在更廣泛的范圍內進行信息資源共享。物聯網中的信息直接存放在云中，而每個云中的各個效勞器分布在全國乃至全世界的各個角落。物體只要具有傳感功能，就可以被感知到，云中的效勞器就可以接收到它的信息，實現物體最新信息的共享。云計算增強了物聯網中的數據處理能力，并提高了智能化處理程度。物聯網應用的不斷擴大，產生了大量的業務數據。通過云計算技術，云中大規模的計算機集群提供了強大的計算能力，通過龐大的計算機處理程序自動將任務分解成若干個較小的子任務，快速對海量業務數據進行存儲、處理、分析和挖掘，在短時間內提取出有價值的信息。因為云計算的核心就是以虛擬化的方式提供各種效勞，而物聯網的應用本身就是以“云〞的方式存在的，從這個意義上說，物聯網也是云計算的一個重要范疇。因此，物聯網需要借助于云計算技術解決某些問題，是云計算在現實中的一種應用形式。6-8簡述云計算效勞的三個層次。答：云計算的效勞層次是根據效勞類型即效勞集合來劃分的。在計算機網絡中每個層次都實現一定的功能，層與層之間有一定關聯。而云計算體系結構中的層次是可以分割的，即某一層次可以單獨完成一項用戶的請求而不需要其他層次為其提供必要的效勞和支持。IaaS(InfrastructureasaService,基礎設施即效勞)層位于云計算三層效勞的最底端，提供根本的計算和存儲能力。以計算能力的提供為例，其提供的根本資源就是效勞器，包括CPU、內存、存儲、操作系統及一些軟件。IaaS層通常按照所消耗資源的本錢進行收費。PaaS(PlatformasaService,平臺即效勞)層通常也稱為“云計算操作系統〞。它提供給終端用戶基于網絡的應用開發環境，包括應用編程接口和運行平臺等，并且支持應用從創立到運行整個生命周期所需的各種軟硬件資源和工具。在PaaS層面，效勞提供商提供的是經過封裝的IT能力，如數據庫、文件系統和應用運行環境等，通常按照用戶登錄情況計費。SaaS(SoftwareasaService,軟件即效勞)層提供最常見的云計算效勞，如郵件效勞等。用戶通過Web瀏覽器來使用網絡上的軟件，效勞提供商負責維護和管理這些軟件，并以免費或按需租用方式向用戶提供效勞。SaaS效勞模式是未來管理軟件的開展趨勢，它不僅減少甚至取消了傳統的軟件授權費用，而且效勞提供商將應用軟件部署在統一的效勞器上，免除了最終用戶的效勞器硬件、網絡平安設備和軟件升級維護的支出。6-9畫出MapReduce編程思想的模型示意圖。答：在MapReduce模型中，程序員通過Map函數指定對各分塊數據的處理過程，然后通過Reduce函數指定如何對分塊數據處理的中間結果進行歸約。這樣，程序員只需要指定map和reduce函數就可以編寫分布式并行程序。當在機群上運行MapReduce程序時，程序員不需要關心如何將輸入的數據進行分塊、分配和調度，系統還將自動處理機群內節點失敗以及節點間通信的管理等問題。6-10簡述云存儲的根本概念。答：云存儲(CloudStorage)是在云計算概念上延伸和開展出來的一個新的概念，是指通過集群應用、網格技術或分布式文件系統等功能，將網絡中大量各種不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作，共同對外提供數據存儲和業務訪問功能的一個系統。第7章答案7-1物聯網作為一個開放復雜智能系統，給我們帶來了新的挑戰，我們需要如何應對？答：物聯網作為一個復雜的系統，它的推廣與普及，給智能系統帶來了新的挑戰，促使我們在指導