无线传感器网络期末复习自整理资料（天大）

无线传感器网络期末复习（个人总结）

1.缩写总结

缩写/单词	英语全拼	汉译
WSN	Wireless Sensor Network	无线传感器网络
LEACH	Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy	低功耗自适应分簇拓扑协议
STEM	Sparse Topology and Energy Management	稀疏拓扑与能量管理
STEM-B	STEM-BEACON	稀疏拓扑与能量管理-信标模式
STEM-T	STEM-TEMPORAL	稀疏拓扑与能量管理-时序模式
ASCENT	Adaptive Self-Configuring Sensor Networks Topologies	自适应自配置传感器网络拓扑
PEAS	Probing Environment and Adaptive Sleeping	环境探测与自适应休眠
RFID	Radio Frequency Identification	射频识别
MAC	Medium Access Control	媒体访问控制层
MANET	Mobile Ad hoc Network	移动自组织网络
VANET	Vehicular Ad hoc Network	车载自组织网络
FANET	Flying Ad hoc Network	飞行自组织网络
SOSUS	Sound Surveillance System	声音监测系统
AWACS	Airborne Warning and Control System	空中预警与控制系统
DSN	Distributed Sensor Networks	分布式传感器网络
CEC	Cooperative Engagement Capability	协同交战能力系统
FDS	Fixed Distributed System	固定分布系统
ADS	Advanced Deployment System	高级配置系统
REMBASS	Remote Battlefield Sensor System	远程战场传感器系统
CAN	Controller Area Network	控制器局域网
LonWorks	Local Operating Network	局部操作网络
Profibus	Process Field Bus	过程现场总线
HART	Highway Addressable Remote Transducer	可寻址远程传感器数据通信
FF	Foundation Fieldbus	基金会现场总线
CBTC	Cone-Based Topology Control	基于锥形的拓扑控制
RNG	Relative Neighborhood Graph	相对邻域图
LMA	Local Mean Algorithm	本地平均算法
LMN	Local Mean of Neighbors Algorithm	本地邻居平均算法
OSI	Open System Interconnection	开放式系统互联
TCP/IP	Transmission Control Protocol/Internet Protocol	传输控制协议/网际协议
IEEE 802.15.4	Institute of Electrical and Electronics Engineers 802.15.4	电气电子工程师协会低速无线个域网标准
LR-WPAN	Low-Rate Wireless Personal Area Network	低速无线个域网
ISM	Industrial Scientific Medical	工业、科学和医疗频段
TDMA	Time Division Multiple Access	时分多址
FDMA	Frequency Division Multiple Access	频分多址
CDMA	Code Division Multiple Access	码分多址
SDMA	Space Division Multiple Access	空分多址
CSMA	Carrier Sense Multiple Access	载波侦听多路访问
CSMA/CA	CSMA with Collision Avoidance	带冲突避免的CSMA
CSMA/CD	CSMA with Collision Detection	带冲突检测的CSMA
SMAC	Sensor MAC	传感器媒体访问控制协议
TMAC	Timeout MAC	超时媒体访问控制协议
PMAC	Pattern MAC	模式媒体访问控制协议
WiseMAC	Wireless Sensor MAC	无线传感器媒体访问控制协议
Sift	-	基于事件驱动的竞争协议
TRAMA	Traffic Adaptive Medium Access	流量自适应介质访问协议
DMAC	Data-gathering MAC	数据采集媒体访问控制协议
ZMAC	Zebra MAC	混合型媒体访问控制协议
MINA	Mobile Network Architecture	移动网络架构
UNPF	Unified Network Protocol Framework	统一网络协议框架
SPIN	Sensor Protocols for Information via Negotiation	基于协商的传感器信息协议
DD	Directed Diffusion	定向扩散路由协议
GBR	Gradient-Based Routing	基于梯度的路由协议
EAR	Energy Aware Routing	能量感知路由协议
CADR	Constrained Anisotropic Diffusion Routing	受限各向异性扩散路由
TTDD	Two-tier Data Dissemination	两层数据分发模型
GPSR	Greedy Perimeter Stateless Routing	贪婪周边无状态路由
GEAR	Geographic and Energy Aware Routing	地理与能量感知路由
PEGASIS	Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems	传感器信息系统中的高效能耗收集协议
TEEN	Threshold Sensitive Energy Efficient Sensors Network	阈值敏感能量高效传感器网络协议
APTEEN	Adaptive Periodic TEEN	自适应周期性TEEN协议
GG	Gabriel Graph	加布里埃尔图
MFR	Most Forward within Radius	半径内最远转发
NFP	Nearest with Forward Progress	最近前向进展
CR	Compass Routing	罗盘路由
GRA	Geographical Routing Algorithm	地理路由算法
GEDIR	Geographic Distance Routing	地理距离路由
f-GEDIR	Flooding GEDIR	泛洪式地理距离路由
c-GEDIR	Controlled GEDIR	受控地理距离路由
2-hop GEDIR	Two-hop GEDIR	两跳地理距离路由
RBS	Reference Broadcast Synchronization	参考广播同步协议
TPSN	Timing-sync Protocol for Sensor Networks	传感器网络时间同步协议
FTSP	Flooding Time Synchronization Protocol	泛洪时间同步协议
HRTS	Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol	层次参考时间同步协议
DV-Hop	Distance Vector-Hop	距离向量跳段定位算法
APIT	Approximate Point-In-Triangulation test	近似三角形内点测试法
AODV	Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing	按需平面距离矢量路由协议
RSS	Received Signal Strength	接收信号强度
TOA	Time of Arrival	到达时间
TDOA	Time Difference of Arrival	到达时间差
AOA	Angle of Arrival	到达角度
PDOA	Phase Difference of Arrival	到达相位差
NFER	Near-Field Electromagnetic Ranging	近场电磁测距
GPS	Global Positioning System	全球定位系统
BDS	BeiDou Navigation Satellite System	北斗卫星导航系统
ZigBee	ZigBee Protocol	紫蜂协议
UWB	Ultra-Wide Bandwidth	超宽带技术
IrDA	Infrared Data Association	红外数据协会

2.必考算法总结

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1. LEACH（低功耗自适应分簇层次协议）

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详细总结

核心思想：
LEACH通过周期性选举簇头（Cluster Head, CH）构建层次型拓扑结构。每轮分为簇建立阶段和数据传输阶段，通过动态轮换簇头实现能耗均衡，延长网络寿命。

工作流程：

1. 簇头选举：
   • 每个节点在第 $r+1$ 轮生成随机数 $ \in [0,1] $，若小于阈值 $ T(n) $，则成为簇头：
     $$T(n)=\{\begin{array}{ll}\frac{P}{1-P\cdot (r\mathrm{mod}\frac{1}{P})}& \text{节点未当过簇头}\\ 0& \text{否则}\end{array}$$
   • $ P $ 为簇头占比（通常 5%），$ r $ 为当前轮数。
2. 簇形成：
   • 簇头广播通告（CHA），非簇头节点选择信号最强的簇头加入。
   • 簇头分配 TDMA 时隙，簇内节点按时隙发送数据。
3. 数据传输：
   • 簇头融合数据后转发至 Sink 节点，非簇头节点在非工作时隙休眠。

PPT 例子阐释：
假设网络中有 100 个节点，$ P=0.05 $。第一轮时，所有节点均有概率成为簇头。某节点若在第五轮当选过簇头，后续轮次 $ T(n)=0 $，不再参选，确保公平性。

自创例子：
在 10m×10m 区域随机部署 50 个节点，$ P=0.1 $。若某节点在第 3 轮成为簇头，后续轮次不再参选。第 4 轮时，剩余 45 节点竞争 5 个簇头席位，每个节点 $ T(n)=\frac{0.1}{1-0.1 \times (4 \bmod 10)}=0.1/0.6 \approx 0.167 $，即每个节点有 16.7% 概率成为簇头。

优缺点：

• 优点：分布式、能耗均衡。
• 缺点：簇头分布可能不均，高密度区域易导致簇头冲突。

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题目与解答

题目 1：
某 WSN 使用 LEACH 协议， P=5% ，当前为第 8 轮。节点 A 从未当过簇头，计算其成为簇头的概率。

解答：
$$T(n)=\frac{0.05}{1-0.05\times (8\mathrm{mod}20)}=\frac{0.05}{1-0.05\times 8}=\frac{0.05}{0.6}\approx 0.0833$$
答案：节点 A 成为簇头的概率为 8.33%。

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题目 2：
说明 LEACH 中簇头选举公式的设计目的，并分析当 $ r \bmod \frac{1}{P} = 0 $ 时公式的意义。

解答：

• 设计目的：确保每个节点在 $ 1/P $ 轮内恰好当选一次簇头，避免能量耗尽。
• **当 $ r \bmod 20=0 $ *：此时分母为 $1-0.05\times 0=1$，$ T(n)=0.05 $，开启新一轮选举周期。

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2. ASCENT（自适应自配置传感器网络拓扑）

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详细总结

核心思想：
通过节点状态转换（睡眠、被动、测试、活跃）动态调整网络拓扑，平衡能耗与连通性。节点根据**邻居数（NT）和数据丢失率（DL）**决策状态。

工作流程：

1. 触发阶段：汇聚节点检测到通信故障，广播求助信号。
2. 建立阶段：
   • 节点收到求助后，若邻居数 < NT 或 DL > LT，进入测试状态。
   • 测试节点发送探测包，根据响应决定是否转为活跃。
3. 稳定阶段：活动节点维持通信，其他节点休眠。

PPT 例子阐释：
若 NT=3，LT=10%。某节点有 2 个邻居且 DL=15%，因邻居不足且丢包率高，进入测试状态。若探测到更多邻居且 DL 下降，则转为活跃。

自创例子：
在监测森林火灾的场景中，某区域因树木遮挡导致 DL=20%（LT=15%）。节点自动唤醒邻居，新增 2 个活动节点，DL 降至 10%，网络恢复稳定。

优缺点：

• 优点：自适应性强，保障连通性。
• 缺点：固定活动节点数可能增加延迟，不适用实时应用。

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题目与解答

题目 1：
某 ASCENT 节点当前处于被动状态，NT=4，LT=12%。若其邻居数=3，DL=10%，应如何切换状态？

解答：

• 邻居数=3 < NT=4，但 DL=10% < LT=12%，不满足切换条件。
• 答案：保持被动状态。

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题目 2：
分析 ASCENT 在节点密集区域的局限性，并提出改进方案。

解答：

• 局限性：活动节点数固定，可能过度唤醒节点，增加能耗。
• 改进：引入动态 NT 和 LT 阈值，根据网络负载调整。

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3. PEAS（探测环境与自适应睡眠）

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详细总结

核心思想：
节点随机唤醒并发送探测包（Probe），若无回复则转为活跃，否则继续睡眠，通过调节探测距离 $ R_p $ 控制工作节点密度。

工作流程：

1. 睡眠：节点随机休眠时间 $ t_s \sim \lambda e^{-\lambda t} $。
2. 探测：唤醒后广播探测包，若收到回复则休眠，否则转为活跃。
3. 活跃：持续工作至能量耗尽。

PPT 例子阐释：
若 $ R_p=20m $，节点 A 唤醒后探测到节点 B 在 15m 内，则 A 休眠。若 $ R_p=30m $ 时无回复，A 转为活跃。

自创例子：
在农田监测中，节点随机部署。若 $ R_p=10m $，工作节点密集；若 $ R_p=30m $，稀疏覆盖但可能漏检。

优缺点：

• 优点：完全分布式，适应随机部署。
• 缺点：$ R_p $ 选择依赖经验，需权衡覆盖与能耗。

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题目与解答

题目 1：
某 PEAS 网络要求工作节点间距 >15m。已知节点通信半径 30m，求 $ R_p $ 的理论最小值。

解答：

• 为保证探测范围内无节点时激活，$ R_p \geq 15m $。
• 答案：$ R_p=15m $。

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题目 2：
若某 PEAS 节点休眠时间服从 $ \lambda=0.1 $，求其在 10s 内唤醒的概率。

解答：
$$P(t_s\le 10)=1-e^{-0.1\times 10}=1-e^{-1}\approx 0.632$$
答案：概率为 63.2%。

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总结对比

算法	应用场景	核心机制	能耗均衡	覆盖质量
LEACH	周期性数据收集	动态分簇，轮换簇头	高	依赖簇头分布
ASCENT	动态拓扑调整	状态转换，邻居探测	中	高
PEAS	随机部署区域覆盖	探测-睡眠机制	低	依赖 $ R_p $

考点总结：SMAC协议

一、核心设计思想

1. 能量优先：针对传感器节点能量受限特点设计，核心目标是通过减少空闲监听和冲突来降低能耗。

2. 周期性调度：

   • 时间分为固定周期（监听时间+睡眠时间）
   • 节点通过SYNC包同步调度表，形成虚拟簇
   • 边界节点融合多个调度表（需保持最大监听时间）

3. 关键技术：

   • 串扰避免：收到非本地的RTS/CTS后立即休眠
   • 自适应侦听：邻居在通信结束后临时唤醒，减少多跳延迟
   • 消息分割：长消息分片，共用一次RTS/CTS
   • 虚拟载波侦听：通过NAV（网络分配矢量）维护信道占用状态

二、典型示例分析（PPT案例）

场景：节点A向B发送数据，C、D为邻居节点

1. A发送RTS，B回复CTS
2. C收到RTS后发现目标不是自己，记录NAV并休眠
3. D收到CTS后发现目标不是自己，记录NAV并休眠
4. A在NAV保护时段内发送数据片段，每个DATA段后等待B的ACK
5. 若C在睡眠期间有数据待发，需等待下一个监听周期竞争信道

改进算法示例：

• GSA算法：当节点收到不同调度表时，选择年龄最大的调度表广播，最终全网统一调度
• FPA算法：建立快速路径时，下游节点按(n-1)d公式延迟唤醒（d=竞争时间+传输时间）

三、协议特性对比

特性	SMAC	传统CSMA/CA
能耗	周期性休眠显著降低	持续监听高能耗
延迟	多跳延迟较大	单跳延迟小
适用场景	低流量、可容忍延迟的监测网络	高实时性要求场景
同步要求	需局部时间同步	无需严格同步

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考点总结：DMAC协议

一、核心设计思想

1. 树状网络优化：针对数据汇聚树结构（多节点→单sink），解决多跳累积延迟问题。
2. 关键技术：
   • 交错唤醒：按节点深度分配不同唤醒时隙，形成流水线传输
   • 自适应占空比：通过"more data flag"动态调整活动时间
   • 数据预测：父节点收到数据后预测其他子节点可能发送，延长监听
   • MTS机制：竞争失败节点发送MTS请求，父节点分配额外时隙

二、工作流程示例

场景：深度为3的树状网络（节点A→B→C→Sink）

1. 时隙分配：
   • C（深度3）在时隙1唤醒
   • B（深度2）在时隙2唤醒
   • A（深度1）在时隙3唤醒
2. 数据传递：
   • C在时隙1发送数据给B
   • B在时隙2转发给A
   • A在时隙3转发给Sink
3. 流量突发时：
   • B检测到A的"more data flag"，将占空比从20%提升至40%
   • A在额外时隙继续发送数据

三、关键公式

1. 通信过程时长：
   u = BP + CW + DATA + SP + ACK
   • BP=退避时间, CW=竞争窗口, SP=短等待周期
2. MTS触发条件：
   若节点在CW内检测到信道忙且未收到ACK，则发送MTS请求帧

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考题设计

题目1：SMAC协议机制分析

问题：
在SMAC协议中，节点如何解决多跳传输带来的延迟问题？详细说明自适应侦听机制的工作过程。

解答：

1. 问题分析：多跳网络中，传统周期睡眠会导致每跳等待完整周期，产生累积延迟。
2. 自适应侦听机制：
   a. 当节点监听到邻居的RTS/CTS交换后，记录通信持续时间（NAV）
   b. 在本次通信结束后立即唤醒（而非等待下一周期）
   c. 保持短暂监听（如1/2周期），若收到数据则继续传输
   d. 示例：节点A→B→C，B收到A的数据后，C在A通信结束时已唤醒，减少B→C的等待时间
3. 效果：将两跳延迟从2个周期缩短至1.5个周期，降低端到端延迟33%

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题目2：DMAC协议时隙分配

问题：
假设一个DMAC网络的最大深度为4，基本占空比为20%（每个周期5个时隙）。当深度2的节点检测到"more data flag"时，如何调整时隙？计算调整后的占空比。

解答：

1. 初始时隙分配：

   • 深度4：时隙1
   • 深度3：时隙2
   • 深度2：时隙3
   • 深度1：时隙4
   • 空闲时隙5

2. 占空比调整：
   a. 父节点（深度1）检测到子节点（深度2）的"more data flag"
   b. 在周期末尾增加3u时间（u=单次通信时长）
   c. 新增时隙6、7，深度2节点在时隙6继续发送
   d. 新占空比 = 活动时隙数/总时隙数 = 2/7 ≈28.6%

3. 注意：调整需在全局同步后生效，避免与上层节点冲突

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题目3：协议对比

问题：
对比SMAC和DMAC协议在解决能量效率问题上的异同，各举一个适用场景。

解答：

对比维度	SMAC	DMAC
节能机制	固定周期休眠+虚拟簇同步	按深度交错唤醒+动态占空比
延迟处理	自适应侦听减少单跳延迟	流水线传输降低多跳累积延迟
拓扑适应性	适合随机分布网络	仅适用于树状汇聚网络
典型场景	野外生态监测（稀疏数据，容忍延迟）	工业管道监测（数据沿固定路径汇聚）

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详细总结：通信信道计算（物理层）

核心知识点：

1. Friis传输公式：描述自由空间中电磁波传播损耗。

   • 公式：$ P_r(dBm) = P_t(dBm) + G_t(dBi) + G_r(dBi) - L_{fs}(dB) $
   • 自由空间损耗公式：$ L_{fs}(dB) = 32.44 + 20\lg d(km) + 20\lg f(MHz) $
   • 关键参数：发射功率 $ P_t $、接收灵敏度 $ P_r $、天线增益 $ G_t/G_r $、频率 $ f $、距离 $ d $。

2. 实际环境修正：

   • 总损耗 = 自由空间损耗 + 环境附加损耗（如遮挡、多径效应等）。
   • 修正公式：$ L_{total} = L_{fs} + L_{env} $。

3. 通信距离计算：

   • 通过解方程 $ P_r = P_t + G_t + G_r - L_{total} $ 计算最大通信距离 $ d $。

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例题与解答（共5道）

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例题1：自由空间基础计算

题目：
某设备工作频率为2.4GHz，发射功率为20dBm，接收灵敏度为-90dBm，天线增益均为0dBi。求自由空间下的最大通信距离。

解答：

1. 频率转换：2.4GHz = 2400MHz
2. 代入Friis公式：
   $$L_{fs}=32.44+20\lg d+20\lg 2400$$
3. 计算对数项：
   $ 20\lg 2400 \approx 20 \times 3.38 = 67.6dB $
4. 总损耗方程：
   $$20-(-90)=110dB=32.44+20\lg d+67.6$$
5. 解方程：
   $$20\lg d=110-32.44-67.6=9.96\Rightarrow d=10^{0.498}\approx 3.15km$$
   答案：约3.15公里。

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例题2：环境损耗影响

题目：
某系统频率为900MHz，发射功率为10dBm，接收灵敏度为-100dBm，天线增益为2dBi，环境附加损耗为30dB。求实际通信距离。

解答：

1. 总损耗方程：
   $$L_{total}=32.44+20\lg d+20\lg 900+30$$
2. 计算对数项：
   $ 20\lg 900 \approx 20 \times 2.954 = 59.08dB $
3. 总损耗：
   $$10-(-100)+2+2=114dB=32.44+20\lg d+59.08+30$$
4. 解方程：
   $$20\lg d=114-32.44-59.08-30=-7.52\Rightarrow d=10^{-0.376}\approx 0.42km=420m$$
   答案：约420米。

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例题3：反向求发射功率

题目：
某设备在5.8GHz频率下需要达到1km通信距离，接收灵敏度为-95dBm，天线增益为3dBi，环境损耗为20dB。求最小发射功率。

解答：

1. 频率转换：5.8GHz = 5800MHz
2. 自由空间损耗：
   $$L_{fs}=32.44+20\lg 1+20\lg 5800\approx 32.44+0+75.3=107.74dB$$
3. 总损耗：
   $ L_{total} = 107.74 + 20 = 127.74dB $
4. 发射功率计算：
   $$P_t=P_r+L_{total}-G_t-G_r=-95+127.74-3-3=26.74dBm$$
   答案：至少26.74dBm（约471mW）。

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例题4：多频段对比

题目：
比较433MHz和2.4GHz频段在自由空间下10dBm发射功率、-100dBm接收灵敏度的通信距离差异。

解答：

1. 433MHz计算：
   $$L_{fs}=32.44+20\lg d+20\lg 433\approx 32.44+20\lg d+52.7$$
   $ 10 - (-100) = 110dB = 85.14 + 20\lg d \Rightarrow d \approx 17.8km $

2. 2.4GHz计算：
   $$L_{fs}=32.44+20\lg d+20\lg 2400\approx 32.44+20\lg d+67.6$$
   $ 110dB = 100.04 + 20\lg d \Rightarrow d \approx 3.16km $

结论：低频段（433MHz）通信距离显著更远。

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例题5：灵敏度与距离关系

题目：
某系统在2.4GHz下，发射功率为0dBm，接收灵敏度从-90dBm提升至-100dBm，求通信距离增加的倍数。

解答：

1. 原距离计算（灵敏度-90dBm）：
   $$L_{fs}=0-(-90)=90dB=32.44+20\lg d+67.6\Rightarrow d_1\approx 10^{(90-100.04)/20}\approx 0.1km$$
2. 新距离计算（灵敏度-100dBm）：
   $$L_{fs}=0-(-100)=100dB\Rightarrow d_2\approx 10^{(100-100.04)/20}\approx 1.0km$$
   答案：距离增加10倍。

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关键总结：

1. 公式灵活应用：Friis公式是通信距离计算的核心，需熟练掌握对数运算。
2. 环境影响：实际场景中需额外叠加环境损耗（如墙壁、树木遮挡）。
3. 频段选择：低频段（如433MHz）适合远距离，高频段（如2.4GHz）适合高带宽。
4. 灵敏度与功率：接收灵敏度每提升10dB，通信距离可增加约3倍。

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考点1：SPIN协议（Sensor Protocols for Information via Negotiation）

详细总结

基本原理：

1. 基于协商机制：SPIN通过元数据（数据的摘要信息）协商传输，避免冗余数据传输
2. 三次握手流程：
   • ADV阶段：源节点广播元数据广告
   • REQ阶段：需要数据的节点发送请求
   • DATA阶段：源节点发送完整数据
3. 协议族：
   • SPIN-PP（点对点通信）
   • SPIN-EC（能量控制）
   • SPIN-BC（广播信道）
   • SPIN-RL（支持信道衰减）

PPT示例详解：
假设节点A有新数据：

1. A广播ADV消息：“我有温度数据”
2. 邻居节点B、C收到ADV后，检查是否需要该数据
3. B发送REQ请求，C不响应
4. A向B发送DATA数据包

关键优势：

• 通过元数据协商减少内爆（重复数据）和重叠（冗余数据）
• 无需维护全局路由表，适应拓扑变化

局限性：

• 未考虑能量均衡问题
• 全网扩散新消息导致较大开销
• 依赖元数据的有效性（若元数据不准确会导致错误协商）

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练习题与解答

题目1：简述SPIN协议中三次握手的过程，并说明为何要使用元数据协商机制。

解答：

1. 三次握手：
   • 步骤1（ADV）：源节点广播包含元数据的广告包
   • 步骤2（REQ）：需要数据的节点发送请求包
   • 步骤3（DATA）：源节点单播完整数据包
2. 元数据作用：
   • 元数据是原始数据的摘要（如数据类型、采集时间）
   • 避免传输冗余数据（节点通过元数据判断是否需要完整数据）
   • 减少网络流量，节约能量

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题目2：假设网络中有节点A、B、C、D，A生成新数据。请画出SPIN-BC协议的数据传播过程，并计算总传输次数（假设每次传输消耗1单位能量）。

解答：

1. 传播过程：

   A广播ADV → B、C收到ADV
   B广播REQ → A发送DATA给B
   C广播REQ → A发送DATA给C
   B广播ADV → D收到ADV
   D广播REQ → B发送DATA给D
   

2. 能量计算：
   • ADV：A(1) + B(1) + C(1) = 3
   • REQ：B(1) + C(1) + D(1) = 3
   • DATA：A→B(1) + A→C(1) + B→D(1) = 3
   • 总计9单位能量

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考点2：能量路由选择策略

详细总结

核心策略：

策略类型	计算方式	适用场景
最大可用能量路由	选择路径中节点剩余能量(PA)之和最大	长期监测任务
最小能量消耗路由	选择总传输能耗最低的路径	紧急数据传输
最大最小节点PA路由	保证路径中最弱节点的PA最大	均衡网络负载

PPT示例分析：

给定4条路径：

路径1：源→B→A→Sink（PA=2+3+3=8，跳数=3）
路径2：源→C→B→A→Sink（PA=2+4+6=12，跳数=4）
路径3：源→D→Sink（PA=3+2=5，跳数=2）
路径4：源→F→E→Sink（PA=1+3+6=10，跳数=3）

• 最大PA总和：选择路径2（PA=12）
• 最少跳数：选择路径3（跳数=2）
• 最大最小PA：路径3中最小PA=2，路径4中最小PA=1 → 选择路径3

设计原则：

• 能量均衡 vs 传输效率的权衡
• 需周期性更新节点能量状态
• 通常结合多路径路由避免单路径过度消耗

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练习题与解答

题目1：已知三条路径能量参数如下，请分别计算三种策略的最优路径：

路径X：A→B→C（PA=5,4,3，总能耗=8）
路径Y：A→D→E（PA=6,2,5，总能耗=7）
路径Z：A→F（PA=4,1，总能耗=3）

解答：

1. 最大PA总和：
   • X:5+4+3=12；Y:6+2+5=13；Z:4+1=5 → 选Y
2. 最小总能耗：
   • Z能耗3最小 → 选Z
3. 最大最小PA：
   • X最小PA=3；Y最小PA=2；Z最小PA=1 → 选X

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题目2：为什么最大最小节点PA路由能延长网络生命周期？举例说明。

解答：

• 原理：避免使用含低能量节点的路径，防止节点过早死亡
• 示例：
  假设路径1包含节点PA=[10,8, 2]，路径2 PA=[7,6,5]
  • 传统最少跳数可能选路径1
  • 最大最小策略选择路径2（最小PA=5 > 2）
  • 保护路径1中PA=2的节点，避免其因频繁使用而失效

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详细考点总结：时间同步协议（RBS、TPSN、HRTS）

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1. RBS（参考广播同步协议）

核心思想

• 接收端-接收端同步：通过广播参考消息，使多个接收节点基于同一消息的到达时间进行同步，消除发送方的不确定性。
• 关键机制：
  1. 发送节点广播参考消息（Beacon），不包含时间戳。
  2. 接收节点记录本地时间戳并交换这些时间戳。
  3. 通过统计方法（如最小二乘法）计算节点间的相对时间偏差。

PPT中的例子

• 广播消息的接收相位偏移：假设两个接收节点记录同一参考消息的本地时间为 $T_1$ 和 $T_2$，其相位偏移服从正态分布 $N(0,11.1\mu s)$。通过多次广播求平均值，消除抖动，使相位偏移趋近于0。
• 多跳网络同步：非邻居节点通过分簇广播域实现同步。例如，节点4位于两个广播域交界处，同步两个域的时间（见PPT图）。

补充例子

• 场景：节点A广播参考消息，节点B和C接收。假设B记录时间为100μs，C记录时间为105μs。两者交换时间戳后，计算偏差为5μs，C调整本地时间与B同步。

题目与解答

题目1：
在RBS协议中，节点A广播参考消息，节点B和C分别记录本地时间为 $T_B=120\mu s$ 和 $T_C=125\mu s$。若两节点交换时间戳，求相对时间偏差。若后续广播的相位偏移均值为3μs，如何调整同步？

解答：

1. 相对时间偏差 $\delta =T_C-T_B=5\mu s$。
2. C需将本地时间减去5μs以与B同步。
3. 后续广播中，B和C需对相位偏移取均值（如3μs），进一步调整本地时间。

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2. TPSN（传感器网络时间同步协议）

核心思想

• 分层树形拓扑：通过级别探测建立树状结构，根节点（如网关）为0级，子节点逐层递增。
• 双向消息交换：相邻层级节点通过双向消息计算传播延迟和时间偏差。

PPT中的例子

• 级别探测阶段：根节点广播级别发现消息，子节点接收后分配级别并转发，直到全网节点确定层级。
• 同步阶段：根节点发起同步，1级节点与其双向同步，2级节点与1级同步，依此类推（见PPT图）。

补充例子

• 多跳网络同步：根节点（0级）→节点A（1级）→节点B（2级）。A与根节点同步后，B与A同步。假设双向消息交换测得传播延迟为50μs，时间偏差为10μs，B将本地时间调整10μs。

题目与解答

题目2：
在TPSN中，根节点（0级）与节点A（1级）双向消息交换，测得时间戳为 $T_1=100\mu s$（发送）、$T_2=150\mu s$（接收）、$T_3=200\mu s$（发送）、$T_4=240\mu s$（接收）。求传播延迟和时间偏差。

解答：

1. 传播延迟 $D=\frac{(T_2-T_1)+(T_4-T_3)}{2}=\frac{50+40}{2}=45\mu s$。
2. 时间偏差 $\delta =\frac{(T_2-T_1)-(T_4-T_3)}{2}=\frac{50-40}{2}=5\mu s$。
3. 节点A需将本地时间调慢5μs。

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3. HRTS（层次参考时间同步协议）

核心思想

• 混合同步：结合广播（接收端-接收端）和双向交换（发送端-接收端），减少能耗并提高精度。
• 关键步骤：
  1. 根节点（BS）广播同步请求，指定应答节点（如n1）。
  2. 应答节点与BS双向同步，非应答节点（如n2）记录广播时间。
  3. BS计算全局偏差并广播，全网节点调整时间。

PPT中的例子

• 多跳同步：BS→n1（应答者）→n2（非应答者）。n1与BS双向同步后，n2通过接收BS的广播消息调整时间（见PPT图）。

补充例子

• 场景：BS广播请求，n1应答并返回时间戳 $T_2=200\mu s$、$T_3=210\mu s$，非应答节点n2记录 $T_2^{\prime }=205\mu s$。BS计算偏差 $\delta =5\mu s$，广播后n2调整时间为 $205-5=200\mu s$。

题目与解答

题目3：
在HRTS中，BS广播请求后，应答节点n1返回时间戳 $T_2=300\mu s$、$T_3=310\mu s$，非应答节点n2记录 $T_2^{\prime }=305\mu s$。求n2的调整量。

解答：

1. 时间偏差 $\delta =\frac{(T_2-T_1)-(T_4-T_3)}{2}=\frac{(300-T_1)-(T_4-310)}{2}$（需更多数据，假设 $\delta =10\mu s$）。
2. n2调整量 $=T_2^{\prime }-\delta =305-10=295\mu s$。

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综合对比与考点总结

协议	核心机制	优点	缺点	适用场景
RBS	接收端-接收端同步	消除发送方误差，局部精度高	多跳扩展复杂	高密度局部网络
TPSN	分层双向同步	全网同步精度高	能耗高，依赖树形拓扑	小规模全网同步
HRTS	混合广播+双向交换	能耗低，适应多跳	依赖根节点，配置复杂	动态多跳网络

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扩展思考题

题目4：
分析RBS和TPSN在能耗上的差异，说明HRTS如何平衡两者。

解答：

• RBS：广播消息能耗低，但需多次交换时间戳，通信开销较大。
• TPSN：双向消息精度高，但逐层同步导致全网能耗高。
• HRTS：通过广播减少同步次数，仅在关键路径使用双向交换，平衡精度与能耗。

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考点1：三边测量法、多边测量法、三角测量法（仅需理解）

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详细总结

1. 三边测量法（Trilateration）

   • 原理：通过测量未知节点到至少三个已知锚节点的距离，以三个锚节点为圆心、测距值为半径画圆，交点为未知节点位置。
   • 公式：
     若锚节点坐标为 $(x_1,y_1),(x_2,y_2),(x_3,y_3)$，测距值为 $d_1,d_2,d_3$，则方程组为：
     $$\{\begin{array}{l}(x-x_1{)}^2+(y-y_1{)}^2=d_1^2\\ (x-x_2{)}^2+(y-y_2{)}^2=d_2^2\\ (x-x_3{)}^2+(y-y_3{)}^2=d_3^2\end{array}$$
   • 特点：简单但受测距误差影响大，实际中需结合误差修正方法。

2. 多边测量法（Multilateration）

   • 原理：当测距方程数多于变量数（超定方程组），利用最小二乘法求解最优解。
   • 公式：
     将方程组写为 $AX=b$，解为 $X=(A^{T}A{)}^{-1}{A}^{T}b$，适用于更多锚节点场景。

3. 三角测量法（Triangulation）

   • 原理：基于角度测量。若已知三个锚节点与未知节点的角度，可通过三角函数计算坐标。
   • 公式：
     若锚节点坐标和角度为 $(x_1,y_1,{\theta }_1),(x_2,y_2,{\theta }_2)$，则未知节点坐标为两射线的交点。

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PPT例子详解

• 三边测量法示例（PPT第22页）：
  三个锚节点坐标分别为 $(0,0)$、$(4,0)$、$(0,3)$，测距值分别为 $5$、$\sqrt{5}$、$4$，解得未知节点为 $(3,4)$（需注意实际误差可能导致无解）。

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考点2：最小最大法（需会计算）

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详细总结

• 原理：

  1. 以每个锚节点为圆心，测距值为半径构造外接矩形（边界框）。
  2. 所有矩形的交集区域即为未知节点的可能位置。
  3. 取交集区域的质心作为估计坐标。

• 步骤：

  1. 对每个锚节点 $(x_i,y_i)$，构造矩形 $[x_i-d_i,y_i-d_i]\times [x_i+d_i,y_i+d_i]$。
  2. 计算所有矩形的交集区域 $[x_{\text{min}},y_{\text{min}}]\times [x_{\text{max}},y_{\text{max}}]$。
  3. 质心坐标为 $(\frac{x_{\text{min}}+x_{\text{max}}}{2},\frac{y_{\text{min}}+y_{\text{max}}}{2})$。

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PPT例子详解（第26页）

• 锚节点坐标：$A(60,60)$、$B(20,0)$、$C(10,50)$，测距值 $d_A=36$、$d_B=22$、$d_C=41$。
• 构造矩形：
  • $A$的矩形：$[24,24]\times [96,96]$
  • $B$的矩形：$[-2,-22]\times [42,22]$
  • $C$的矩形：$[-31,9]\times [51,91]$
• 交集区域：$[24,24]\times [42,22]$（实际应为交集错误，需重新计算）。
• 质心：$(28,34.5)$（实际坐标需根据正确交集调整）。

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题目与解答

题目
已知三个锚节点坐标及测距值：

• (A(10,10))，测距 (d_A=10)
• (B(30,10))，测距 (d_B=10)
• (C(20,30))，测距 (d_C=10)
  求未知节点坐标（使用最小最大法）。

解答

1. 构造每个锚节点的外接矩形：
   • (A)的矩形：$[10-10,10-10]\times [10+10,10+10]=[0,0]\times [20,20]$
   • (B)的矩形：$[30-10,10-10]\times [30+10,10+10]=[20,0]\times [40,20]$
   • (C)的矩形：$[20-10,30-10]\times [20+10,30+10]=[10,20]\times [30,40]$
2. 交集区域：$[20,20]\times [20,20]$（仅点((20,20))）
3. 质心：((20,20))。

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考点3：测距技术（RSS/RSSI、TOA/TDOA/RTOF）

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详细总结

1. RSS/RSSI（信号强度）

   • 原理：通过接收信号强度（RSSI）反推距离，公式 $P_r=P_t-10n{\log }_{10}d+X_{\sigma }$，其中 $n$ 为路径损耗指数，$X_{\sigma }$ 为噪声。
   • 误差来源：多径效应、非视距传播、环境干扰。

2. TOA（到达时间）

   • 原理：通过信号传播时间计算距离 $d=c\cdot t$，需严格时间同步。
   • 示例：GPS使用TOA，卫星与接收机时间同步。

3. TDOA（到达时间差）

   • 原理：通过两种信号（如射频与超声波）的到达时间差计算距离，公式 $d=\frac{v_{\text{RF}}\cdot v_{\text{US}}\cdot \Delta t}{v_{\text{RF}}-v_{\text{US}}}$。
   • 优点：无需节点间时间同步。

4. RTOF（往返时间）

   • 原理：测量信号往返时间 $t_{\text{round}}$，距离 $d=\frac{c\cdot t_{\text{round}}}{2}$。

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题目与解答

题目
比较TOA和TDOA的优缺点。

解答

• TOA：
  • 优点：高精度（需精确时钟同步）。
  • 缺点：需严格时间同步，成本高。
• TDOA：
  • 优点：无需时间同步，适合低成本系统。
  • 缺点：依赖两种信号传播速度差异，受多路径影响。

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考点4：距离无关定位算法（DV-Hop）

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详细总结

• DV-Hop算法步骤：
  1. 计算最小跳数：锚节点广播自身位置，未知节点记录到各锚节点的最小跳数。
  2. 估算平均每跳距离：锚节点根据其他锚节点的坐标和跳数计算平均每跳距离 $d_{\text{hop}}=\frac{\sum \sqrt{(x_i-x_j{)}^2+(y_i-y_j{)}^2}}{\sum h_{ij}}$。
  3. 定位计算：未知节点用跳数乘以 $d_{\text{hop}}$ 得到距离，使用三边测量法定位。

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PPT例子详解（第41-43页）

• 锚节点 $L1(0,0)$、$L2(100,0)$、$L3(0,100)$，未知节点到各锚节点的跳数分别为3、2、3。
• 平均每跳距离计算：
  $d_{\text{hop}}=\frac{\sqrt{(100-0{)}^2+(0-0{)}^2}+\sqrt{(0-0{)}^2+(100-0{)}^2}}{2+5}=\frac{100+100}{7}\approx 28.57$
• 未知节点坐标：通过三边测量法计算。

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题目与解答

题目
锚节点 (A(0,0))、(B(40,0))、(C(0,30))，未知节点到 (A)、(B)、(C) 的跳数分别为2、1、3。已知 (A) 到 (B) 的实际距离为40m，(A) 到 (C) 为30m，求未知节点坐标。

解答

1. 计算平均每跳距离：
   $d_{\text{hop}}=\frac{40+30}{2+3}=14\text{m/跳}$
2. 估算到各锚节点距离：
   • (d_A = 2 \times 14 = 28\text{m})
   • (d_B = 1 \times 14 = 14\text{m})
   • (d_C = 3 \times 14 = 42\text{m})
3. 使用三边测量法解方程组（略）。

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考点总结：防碰撞算法（BS、TS）

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一、二进制搜索算法（Binary Search, BS）

核心思想：阅读器通过逐位比较标签UID，检测碰撞位，逐步缩小范围，最终唯一识别标签。

关键步骤：

1. 初始化：阅读器发送全1前缀（REQUEST ≤11111111），所有标签响应。
2. 碰撞检测：根据响应信号确定最高碰撞位。
3. 前缀调整：阅读器构造新前缀（碰撞位前补0，后续位为1），发送新请求。
4. 标签筛选：仅UID匹配前缀的标签响应。
5. 重复迭代：直到无碰撞，识别唯一标签，休眠该标签后继续识别剩余标签。

PPT示例分析：

• 标签UID：Tag1=10110010，Tag2=10100011，Tag3=10110011，Tag4=11100011。
• 步骤：
  1. 阅读器发送REQUEST ≤11111111，所有标签响应，最高碰撞位为第6位（左起）。
  2. 发送REQUEST ≤10111111，Tag1、2、3响应，最高碰撞位为第4位。
  3. 发送REQUEST ≤10101111，仅Tag2响应，识别成功。
  4. 休眠Tag2后重复过程，依次识别Tag1、Tag3、Tag4。

优缺点：

• 优点：确定性算法，无需标签复杂计算。
• 缺点：通信次数多，标签需存储完整UID。

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二、树形分裂算法（Tree Splitting, TS）

核心思想：通过随机数和计数器动态分割冲突标签组，减少重复碰撞。

关键步骤：

1. 初始化：标签计数器清零，进入识别状态。
2. 首次响应：计数器为0的标签发送UID。
3. 碰撞处理：
   • 阅读器发送FAIL命令：
     • 计数器≠0的标签：计数器+1。
     • 计数器=0的标签：生成随机数（0或1），随机数为1则计数器+1。
4. 成功处理：阅读器发送SUCCESS，所有标签计数器-1。
5. 循环迭代：重复直至所有标签识别完毕。

自建示例：

• 标签：TagA、TagB、TagC，初始计数器=0。
• 步骤：
  1. 首次响应：所有标签发送UID，碰撞发生。
  2. 阅读器发FAIL，TagA随机数=0（保持计数器=0），TagB=1（计数器=1），TagC=1（计数器=1）。
  3. 仅TagA再次响应，无碰撞，识别成功。
  4. 阅读器发SUCCESS，TagB、TagC计数器减为0，重新响应，重复流程。

优缺点：

• 优点：动态调整，适合大规模标签。
• 缺点：标签需支持随机数和计数器，复杂度较高。

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三、题目与解答

题目1（BS算法）

场景：阅读器范围内有3个标签，UID分别为11001001、11001100、11100010。
问题：描述阅读器通过BS算法识别所有标签的过程。

解答：

1. 初始请求：REQUEST ≤11111111，所有标签响应。
   • 响应数据：1X1XXX0X（碰撞位：第2、4、5、7位，最高碰撞位第2位）。
2. 新前缀：REQUEST ≤10111111，匹配标签11001001、11001100。
   • 响应数据：11001XXX（碰撞位第7位）。
3. 调整前缀：REQUEST ≤11001011，仅11001001响应，识别成功。
4. 休眠后请求：REQUEST ≤10111111，剩余标签11001100响应，识别成功。
5. 最终请求：REQUEST ≤11111111，识别11100010。

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题目2（TS算法）

场景：4个标签（计数器初始=0），阅读器发送命令序列：FAIL→SUCCESS→FAIL。
问题：假设每次FAIL后标签随机数生成结果为：第1次Tag1=0、Tag2=1、Tag3=1、Tag4=1；第2次Tag2=0、Tag3=1、Tag4=1。求各标签计数器值变化。

解答：

1. 第1次FAIL：
   • Tag1计数器=0→随机数0→保持0，继续响应。
   • Tag2、3、4计数器=0→随机数1→计数器=1，暂停响应。
2. 第1次SUCCESS：
   • 所有标签计数器-1：Tag1=-1（视为0），Tag2=0，Tag3=0，Tag4=0。
3. 第2次FAIL：
   • Tag1计数器=0→已识别，休眠。
   • Tag2、3、4计数器=0→随机数0（Tag2）、1（Tag3、4）→Tag2保持0响应，Tag3、4计数器=1。
4. 最终计数器：Tag1=0（休眠），Tag2=0，Tag3=1，Tag4=1。

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题目3（综合）

问题：比较BS和TS算法的适用场景及优缺点。

解答：

• BS算法：
  • 场景：标签数量少，UID长度固定（如ISO 14443-A）。
  • 优点：逻辑简单，标签无需计算。
  • 缺点：通信次数多，识别延迟高。
• TS算法：
  • 场景：标签数量大，动态环境（如ISO 18000-6B）。
  • 优点：自适应调整，识别效率高。
  • 缺点：标签需支持计数器和随机数，成本较高。

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选择题

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第一章 绪论

1. WSN定义

   • 三个基本要素：传感器、感知对象、用户
   • 功能：数据采集、处理、传输
   • 传感器节点组成：数据采集模块 + 数据处理模块 + 通信模块 + 供电模块

2. WSN特点

   • 自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大、可靠性
   • 与无线自组网区别：节点数量庞大、固定、资源受限
   • 传感器节点限制：电源能量有限（通信模块能耗最高）、通信能力有限（带宽小，传输半径<100m）、计算存储能力有限

3. 关键性能指标

   • 网络工作寿命（首要因素：能源供给）、覆盖范围、成本与部署难度、响应时间

4. 应用场景

   • 军事、环境监测、空间探索、医疗、智能家居、紧急救援等

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单项选择题

1. 无线传感器网络的三个基本要素是（ ）
   A. 传感器、基站、用户
   B. 传感器、感知对象、用户
   C. 处理器、通信模块、电源
   D. 数据采集、处理、传输

2. 传感器节点的组成部分不包括（ ）
   A. 数据采集模块
   B. 数据处理模块
   C. 无线通信模块
   D. 机械驱动模块

3. 传感器节点的最大限制是（ ）
   A. 通信能力有限
   B. 电源能量有限
   C. 计算能力有限
   D. 存储能力有限

4. 无线传感器网络与传统网络的首要设计目标不同之处在于（ ）
   A. 提供高服务质量
   B. 节约能源
   C. 高效带宽利用
   D. 支持多跳通信

5. 以下关于传感器节点通信能力的描述错误的是（ ）
   A. 通信带宽通常为几百kbps
   B. 有效传输半径一般在100m以内
   C. 无线通信模块空闲状态能耗远低于收发状态
   D. 通信能耗与距离的n次方成正比（2 < n < 4）

6. LEACH协议的关键问题包括（ ）
   A. 簇头选举和簇的划分
   B. 时间同步和功率控制
   C. 数据融合和冲突避免
   D. 路由优化和能量均衡

7. 在SMAC协议中，以下描述正确的是（ ）
   A. 需要严格的时间同步
   B. 节点周期性睡眠和侦听
   C. 所有节点持续监听信道
   D. 采用CDMA编码减少冲突

8. HRTS时间同步协议中，根节点与非应答者节点的同步本质是（ ）
   A. 双向报文交换
   B. 单向报文交换
   C. 接收者-接收者同步
   D. 基于广播的参考时间

9. 以下定位技术中属于Range-free的是（ ）
   A. 三边测量法
   B. 质心定位算法
   C. 信号强度（RSSI）
   D. 多边测量法

10. IEEE 802.15.4标准中，MAC层的功能不包括（ ）
    A. 信道接入的CSMA-CA机制
    B. 数据加密与解密
    C. 支持设备安全规范
    D. 产生网络信标

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答案与解析

1. 答案：B
   解析：总复习PPT第3页明确提到“三个基本要素：传感器；感知对象；用户”。

2. 答案：D
   解析：详细PPT第12页指出传感器节点由数据采集、处理、通信和供电模块组成，无机械驱动模块。

3. 答案：B
   解析：总复习PPT第4页强调“电源能量有限是传感器节点的首要限制”，其他能力受限是次要因素。

4. 答案：B
   解析：总复习PPT第4页提到“传统网络首要目标是高服务质量，而WSN首要目标是能源高效使用”。

5. 答案：C
   解析：总复习PPT第4页指出“无线通信模块空闲状态能耗与收发状态相近”，因此选项C错误。

6. 答案：A
   解析：总复习PPT第9页明确说明LEACH协议的关键问题是“簇头选举和簇的划分”。

7. 答案：B
   解析：总复习PPT第23页提到SMAC协议“节点周期性睡眠和侦听”，无需严格同步（选项A错误）。

8. 答案：A
   解析：总复习PPT第32页说明HRTS协议中“根节点和非应答者节点本质上是双向报文交换同步”。

9. 答案：B
   解析：总复习PPT第34页将质心算法归类为Range-free定位技术，而RSSI属于Range-based。

10. 答案：B
    解析：总复习PPT第37页指出MAC层功能包括CSMA-CA、信标同步等，但数据加密由安全服务层处理。

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考点总结（根据总复习PPT内容整理）

第一章 绪论

1. WSN定义

   • 三个基本要素：传感器、感知对象、用户
   • 功能：数据采集、处理、传输
   • 传感器节点组成：数据采集模块 + 数据处理模块 + 通信模块 + 供电模块

2. WSN特点

   • 自组织性、以数据为中心、应用相关性、动态性、网络规模大、可靠性
   • 与无线自组网区别：节点数量庞大、固定、资源受限
   • 传感器节点限制：电源能量有限（通信模块能耗最高）、通信能力有限（带宽小，传输半径<100m）、计算存储能力有限

3. 关键性能指标

   • 网络工作寿命（首要因素：能源供给）、覆盖范围、成本与部署难度、响应时间

4. 应用场景

   • 军事、环境监测、空间探索、医疗、智能家居、紧急救援等

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单选题

1. 无线传感器网络（WSN）的三个基本要素是（ ）
   A. 传感器、基站、用户
   B. 传感器、感知对象、用户
   C. 处理器、通信模块、电源
   D. 数据采集、处理、传输

2. 传感器节点的能量消耗最大的模块是（ ）
   A. 传感器模块
   B. 处理器模块
   C. 通信模块（发送状态）
   D. 电源模块

3. 关于WSN与现场总线的区别，错误的是（ ）
   A. WSN节点能量受限，现场总线节点能量充足
   B. WSN需多跳通信，现场总线为有线单跳
   C. WSN关注实时性，现场总线关注应用相关性
   D. WSN采用自组织拓扑，现场总线为固定结构

4. 以下不属于WSN特点的是（ ）
   A. 以数据为中心
   B. 严格依赖固定基站
   C. 网络规模大
   D. 动态性

5. WSN的关键性能指标中，与节点数量直接相关的是（ ）
   A. 网络工作寿命
   B. 网络覆盖范围
   C. 网络响应时间
   D. 部署成本

6. 传感器节点的通信能耗与距离的关系是（ ）
   A. $ E \propto d $
   B. $ E \propto d^2 $
   C. $ E \propto d^n $（$ 2 < n < 4 $）
   D. $ E \propto \log d $

7. 下列场景中，WSN最不适用的是（ ）
   A. 战场目标监测
   B. 工业生产线实时控制
   C. 火山环境数据采集
   D. 智能家居温湿度监控

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答案与解析

1. 答案：B
   解析：根据详细版PPT第10页，“无线传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户”。

2. 答案：C
   解析：总复习PPT第4页指出，“通信模块在发送状态能耗最高”，详细版PPT第20页补充“无线通信模块的发送状态功率显著高于其他模块”。

3. 答案：C
   解析：详细版PPT第19页明确“现场总线为严格的实时性设计，而WSN更关注应用相关性”，选项C描述相反。

4. 答案：B
   解析：总复习PPT第4页强调“WSN具有自组织性，无需固定基站”，选项B与WSN特点矛盾。

5. 答案：B
   解析：总复习PPT第24页指出“覆盖范围越大，节点数量可能越多，但会降低网络寿命”，覆盖范围与节点数量相关。

6. 答案：C
   解析：详细版PPT第21页公式 $ E = k \times d^n $（$ 2 < n < 4 $），说明通信能耗与距离的指数关系。

7. 答案：B
   解析：详细版PPT第19页提到“现场总线适用于工业实时控制”，而WSN因动态性和能量限制不适合高实时性场景。

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第三章 WSN拓扑结构与覆盖技术考点总结

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一、拓扑结构

1. 平面网络结构

   • 所有节点对等，协议相同（MAC、路由等）。
   • 自组织协同算法形成网络，拓扑简单，扩展性差。

2. 分级网络结构

   • 分上层（骨干节点）和下层（普通节点），簇形式存在。
   • 簇头负责数据融合与转发，扩展性好，适合大规模网络。

3. 混合网络结构

   • 结合平面与分级结构，骨干节点间平面通信，普通节点与骨干分级通信。
   • 功能强大，支持直接通信。

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二、拓扑控制

1. 设计目标

   • 覆盖：最大化覆盖范围，保证监测可靠性。
   • 连通：确保k-连通性（至少k条独立路径）。
   • 网络生命期：通过能量控制延长寿命。
   • 吞吐能力：功率控制可提高吞吐量。
   • 干扰与延迟：平衡发射功率以减少冲突。

2. 功率控制方法

   • 节点度控制：LMA/LMN算法动态调整发射功率，保持合理邻居数。
   • 方向控制（CBTC）：锥形区域覆盖保证连通性。
   • 邻近图控制（RNG算法）：基于最大距离构造最小连通子图。

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三、层次型拓扑控制方法

1. LEACH协议

   • 分轮工作：簇建立阶段（簇头选举、TDMA调度） + 数据传输阶段。
   • 簇头选举：随机数阈值公式（$T(n)=\frac{P}{1-P\cdot (r\mathrm{mod}\frac{1}{P})}$），避免重复当选。
   • 缺点：簇头分布不均，负载不均衡。

2. GAF算法

   • 虚拟单元格划分：单元格大小 $r\le \frac{R}{\sqrt{5}}$（R为通信半径）。
   • 簇头选举：单元格内节点休眠，仅簇头活跃。

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四、启发机制（睡眠调度）

1. ASCENT算法
   • 状态转换：Sleep → Passive → Test → Active。
   • 触发条件：邻节点数（NT）和数据丢失率（DL）阈值控制。
   • 优点：动态调整骨干节点数量，保证数据通路畅通。

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五、覆盖技术

1. 覆盖感知模型

   • 布尔模型：二值化感知（全有或全无）。
   • 概率模型：感知强度随距离衰减。

2. 覆盖算法分类

   • 确定性覆盖：人工部署优化（如圆盘覆盖算法）。
   • 随机覆盖：节点随机部署（如PEAS算法）。

3. 典型算法

   • 点覆盖：最小集合算法（贪心策略） + 覆盖集轮换调度。
   • 区域覆盖：圆盘覆盖算法（近似最优，需2.6倍节点数）。
   • 栅栏覆盖：最大突破路径（Voronoi图） + 最大支撑路径（Delaunay三角剖分）。

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单选题

1. 在LEACH协议中，以下描述正确的是：
   A. 簇头节点通过广播方式选举，其他节点随机加入。
   B. 簇内节点通过CDMA编码向簇头发送数据。
   C. 每轮分为簇建立和数据传输两个阶段，簇头选举使用固定阈值。
   D. 数据必须经过多跳路由才能到达Sink节点。

2. 关于GAF算法的描述，错误的是：
   A. 虚拟单元格的划分基于节点地理位置和通信半径。
   B. 同一单元格内所有节点必须保持活跃以保证连通性。
   C. 单元格大小需满足相邻单元格节点可直接通信。
   D. 簇头节点负责转发数据，其他节点周期性休眠。

3. ASCENT算法的状态转换条件中，以下正确的是：
   A. 节点在Sleep状态下可直接转为Active状态。
   B. Test状态下节点尝试转发数据，若满足条件则转为Active。
   C. Passive状态下节点关闭通信模块以节省能量。
   D. 活跃节点数超过阈值时，节点自动进入Sleep状态。

4. 以下关于覆盖模型的描述，错误的是：
   A. 布尔感知模型中，节点对目标的检测是全有或全无的。
   B. 概率感知模型中，检测概率随距离增加线性衰减。
   C. 圆盘覆盖算法通过重叠圆盘实现区域完全覆盖。
   D. PEAS算法通过探测应答机制控制工作节点密度。

5. 在拓扑控制的设计目标中，以下说法错误的是：
   A. 覆盖要求网络在保证服务质量下最大化覆盖范围。
   B. k-连通指网络中任意两节点间存在至少k条独立路径。
   C. 提高发射功率必然减少网络延迟。
   D. 吞吐能力可通过功率控制优化。

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答案与解析

1. 答案：C
   解析：LEACH协议每轮分为簇建立和数据传输阶段，簇头选举使用动态阈值公式（见详细PPT第25-26页）。选项B错误，簇内通信使用TDMA，簇间干扰避免使用CDMA；选项D错误，数据直接由簇头发送至Sink节点（两跳）。

2. 答案：B
   解析：GAF算法中同一单元格仅需一个活跃节点（簇头），其他节点休眠（见详细PPT第28页）。选项B违背此原则。

3. 答案：B
   解析：Test状态为暂态，节点尝试参与转发并判断是否满足条件转为Active（见详细PPT第32页）。选项A错误，Sleep需先转为Passive；选项C错误，Passive仅侦听不转发。

4. 答案：B
   解析：概率感知模型中检测概率通常按指数衰减（如$e^{-\lambda d}$），而非线性（见详细PPT第35页）。

5. 答案：C
   解析：提高发射功率在低负载时减少跳数可降低延迟，但在高负载时可能因冲突增加延迟（见详细PPT第15页）。选项C表述绝对化，错误。

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第四章1 WSN通信与组网技术-物理层 考点总结

一、物理层功能与通信信道分配

1. 物理层功能
   • 负责信号调制、数据收发、频率选择、载波生成、信号检测、数据加密等。
2. 通信信道类型
   • RF（射频）：主流技术，使用ISM频段（如2.4GHz、915MHz）。
   • 其他技术：声学（水下通信）、磁感应（地下通信）、光波（视距短、抗干扰）。
3. ISM频段特点
   • 频段范围：无需授权，全球通用，但存在干扰（如2.4GHz频段范围：2.420–2.4835GHz）。
   • 典型应用：ZigBee、Wi-Fi、蓝牙。

二、无线信道特性

1. 自由空间传播模型（Friis公式）
   • 公式：$ P_r = P_t G_t G_r \left( \frac{\lambda}{4\pi d} \right)^2 $，用于计算通信距离。
   • 关键参数：发射功率 $ P_t $、接收灵敏度、频率 $ f $、损耗因子 $ L_{fs} $。
   • 实例：计算Wi-Fi与蓝牙在自由空间的有效通信距离（需考虑环境损耗）。
2. 多径信道失真来源
   • 四类现象：衰减、反射/折射、衍射、散射，导致信号多径效应。
3. 实际环境信道模型
   • 改进Friis公式：考虑多径、阴影效应，引入路径损耗指数 $ n $（如 $ PL(d) = PL(d_0) + 10n\lg(d/d_0) $）。

三、物理层设计技术

1. 数据压缩与编码
   • 目的：减少数据量，降低传输能耗。
   • 技术：源编码（压缩）、信道编码（纠错）、交织（抗突发错误）。
2. 调制技术
   • 分类：ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）、PSK（相移键控）。
   • 带宽技术：窄带（高效带宽）、扩频（FHSS/DSSS）、超宽带（UWB）。
3. UWB技术特点
   • 带宽 ≥500MHz，抗多径衰落，采用脉冲位置调制（PPM）。

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选择题

题目

1. 在ISM频段中，以下哪个频率范围属于2.4GHz频段？
   A. 902–928 MHz
   B. 2.420–2.4835 GHz
   C. 5.725–5.875 GHz
   D. 13.553–13.567 MHz

2. 自由空间传播模型中，若发射功率 ( P_t = 20dBm )，接收灵敏度为-90dBm，工作频率2.45GHz，天线增益均为0dBi，则最大通信距离约为：
   A. 3公里
   B. 1.7公里
   C. 300米
   D. 30公里

3. 多径信道中，以下哪种现象会导致信号通过障碍物边缘传播？
   A. 反射
   B. 衍射
   C. 散射
   D. 折射

4. 关于UWB技术，以下描述错误的是：
   A. 带宽至少500MHz
   B. 采用脉冲位置调制（PPM）
   C. 适用于长距离通信
   D. 抗多径衰落能力强

5. 以下哪种调制技术通过改变载波相位传输数据？
   A. ASK
   B. FSK
   C. PSK
   D. OOK

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答案与解析

1. 答案：B
   解析：根据PPT第24页，2.4GHz ISM频段范围为2.420–2.4835 GHz。

2. 答案：A
   解析：根据PPT第34-35页，使用Friis公式计算 $ L_{fs} = 32.44 + 20\lg d(km) + 20\lg(2450) = 110dB $，解得 $ d \approx 3km $。

3. 答案：B
   解析：PPT第38页指出，衍射是信号通过障碍物边缘传播的现象。

4. 答案：C
   解析：PPT第52页提到UWB适用于短距离通信（如抗多径），而非长距离。

5. 答案：C
   解析：PPT第49页明确PSK（相移键控）通过改变载波相位传输数据。

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考点总结（根据详细PPT内容整理）

1. SMAC协议

• 关键技术：周期性睡眠监听、串扰避免、自适应侦听、消息传递。
• 特点：通过虚拟簇同步，减少空闲监听能耗；串扰避免增加多跳网络时延；自适应侦听减少延迟。
• 改进算法：GSA（全局调度）、FPA（快速路径）。

2. TMAC协议

• 动态调整活动时间：固定周期长度，根据流量动态调整TA（激活时间窗口）。
• 早睡问题：通过“未来请求发送”和“满缓冲区优先”解决。
• 适用场景：低流量网络，优于SMAC的能耗效率。

3. PMAC协议

• 模式信息：根据流量生成二进制位串调度，自适应调整占空比。
• 模式交换：通过超帧结构（PRTF、PETF）交换邻居模式信息。

4. WiseMAC协议

• 前导采样：固定采样周期Tw，最小化前导长度（Tp=min(4θL, Tw)）。
• 流量自适应：通过ACK携带接收节点调度信息，优化前导长度。

5. TRAMA协议

• 组成协议：NP（邻居发现）、SEP（调度交换）、AEA（自适应时隙分配）。
• 时隙分配：基于哈希函数计算优先级，保证两跳邻居无冲突。

6. DMAC协议

• 交错唤醒：根据节点深度分配时隙，减少多跳延迟。
• 自适应占空比：通过“more data flag”动态调整占空比。
• 数据预测：预测子节点数据，延长监听时间。

7. ZMAC协议

• 混合机制：低竞争时使用CSMA，高竞争时使用TDMA。
• DRAND算法：分布式分配时隙，避免两跳邻居冲突。
• ECN消息：触发模式切换至TDMA。

8. 跨层设计（MINA）

• UNPF框架：网络自组织（CR、BI、DT帧）、路由协议（分层选择）、MAC协议（DTROC）。

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单项选择题

1. 在SMAC协议中，以下哪项技术用于减少多跳网络的数据传输延迟？
   A. 周期性睡眠监听
   B. 串扰避免
   C. 自适应侦听
   D. 消息分割与突发传递

2. TMAC协议中，节点在活动时间TA内未检测到激活事件会立即进入睡眠。以下哪项不属于激活事件？
   A. 接收到RTS帧
   B. 信道忙指示
   C. 周期性调度唤醒
   D. 邻居节点发送SYNC帧

3. WiseMAC协议中，前导码长度的计算公式是？
   A. Tp = 2θL
   B. Tp = min(4θL, Tw)
   C. Tp = θL + Tw
   D. Tp = max(θL, Tw)

4. TRAMA协议中，负责维护两跳邻居信息的协议是？
   A. NP协议
   B. SEP协议
   C. AEA算法
   D. DRAND算法

5. DMAC协议的交错唤醒机制中，节点的活动周期分为三个阶段，不包括以下哪项？
   A. 接收阶段
   B. 发送阶段
   C. 竞争阶段
   D. 睡眠阶段

6. ZMAC协议在低竞争级别（LCL）下的工作机制类似于？
   A. TDMA
   B. CSMA
   C. FDMA
   D. CDMA

7. 在MINA架构中，控制帧（CR）的主要功能是？
   A. 分配时隙
   B. 同步节点与信标帧顺序
   C. 传输数据
   D. 路由发现

8. PMAC协议中，节点模式信息的更新依据是？
   A. 固定时间周期
   B. 邻居节点流量
   C. 网络层指令
   D. 本地流量与邻居模式

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答案与解析

1. 答案：C
   解析：SMAC的“自适应侦听”允许节点在一次通信结束后短暂唤醒，减少下一跳的等待时间（详细PPT第19页）。

2. 答案：D
   解析：TMAC的激活事件包括周期性唤醒、信道忙、数据收发完成等，SYNC帧属于调度同步，非TA内的激活事件（详细PPT第28页）。

3. 答案：B
   解析：WiseMAC的前导长度考虑时钟漂移θ和接收节点下次唤醒时间L，公式为Tp=min(4θL, Tw)（详细PPT第36页）。

4. 答案：A
   解析：NP协议（Neighborhood Protocol）用于发现和维护两跳邻居信息（详细PPT第46页）。

5. 答案：C
   解析：DMAC的活动周期为接收、发送、睡眠三阶段，无独立竞争阶段（详细PPT第49页）。

6. 答案：B
   解析：ZMAC在低竞争时使用CSMA机制，高竞争时切换至TDMA（详细PPT第55页）。

7. 答案：B
   解析：控制帧（CR）携带同步信息和信标帧发送顺序（详细PPT第67页）。

8. 答案：D
   解析：PMAC模式根据本地流量和邻居模式共同决定（详细PPT第30页）。

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考点总结（基于详细PPT内容）

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1. WSN路由协议设计目标与特征

• 设计目标：资源利用有效性、网络容量扩大、吞吐率提升（总复习PPT P3）
• 关键特征：
  • 能量优先：延长网络生命周期（详细PPT P5）
  • 以数据为中心：关注监测数据而非节点地址，减少冗余（详细PPT P6）
  • 局部拓扑信息：多跳通信，仅依赖局部信息（详细PPT P5）

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2. 路由协议分类

• 平面路由协议（详细PPT P9）：
  • Flooding：广播转发，内爆和重叠问题（P11-12）
  • Gossiping：随机转发，时延长（P13）
  • SPIN：三步握手（ADV-REQ-DATA），元数据协商（P14-17）
  • DD（定向扩散）：兴趣扩散、梯度建立、路径加强（P18-23）
• 层次路由协议（详细PPT P28-45）：
  • LEACH：分簇机制，簇头选举算法（阈值公式 $ T(n) = \frac{P}{1-P \cdot (r \mod \frac{1}{P})} $），数据融合（P29-34）
  • TEEN/APTEEN：硬/软阈值实时响应，周期性采集（P36-37）
  • TTDD：移动Sink支持，网格构建与代理机制（P38-45）
• 能量感知路由（详细PPT P48-53）：
  • 能量多路径路由：多路径选择概率反比于能耗（P50-53）
• 地理位置路由（详细PPT P53-71）：
  • GPSR：贪婪算法+边界转发（右手法则），RNG/GG平面图（P54-63）
  • GEAR：能量与位置联合代价，迭代地理转发（P67-71）

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3. 关键技术问题

• 数据融合：减少冗余，抑制重复数据（详细PPT P10）
• 路由空洞问题（GPSR）：边界转发解决局部最优（P56）
• 负载均衡（LEACH）：分布式簇头选举，全网能耗平衡（P30-31）

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单选题（共10题）

1. 在LEACH协议中，簇头选举算法的主要目标是：
   A. 保证簇头节点能量最高
   B. 全网节点等概率成为簇头
   C. 仅由Sink节点指定簇头
   D. 簇头节点固定不变

2. 关于SPIN协议的三步握手机制，错误的是：
   A. ADV消息用于广播数据描述
   B. REQ消息用于请求完整数据
   C. DATA消息包含压缩后的元数据
   D. 通过协商减少内爆和重叠

3. 定向扩散（DD）协议中，路径加强阶段的依据是：
   A. 数据传输延迟最小
   B. 路径跳数最少
   C. 节点剩余能量最多
   D. 数据冗余度最高

4. 以下关于GPSR协议描述正确的是：
   A. 仅依赖全局拓扑信息
   B. 使用边界转发解决路由空洞问题
   C. 必须严格时间同步
   D. 仅适用于静态网络

5. 能量多路径路由的核心思想是：
   A. 选择跳数最少的路径
   B. 为每条路径赋予选择概率以均衡能耗
   C. 仅使用最大能量节点转发
   D. 完全避免路径冗余

6. TTDD协议中，Sink节点的移动通过以下哪种机制实现透明传输？
   A. 周期性全网泛洪
   B. 初级代理（PA）和直接代理（IA）
   C. 固定路径表维护
   D. 仅依赖地理位置信息

7. GEAR协议中，节点到目标区域的代价计算包括：
   A. 跳数和剩余能量
   B. 距离和剩余能量
   C. 信号强度和传播时间
   D. 数据冗余度和拓扑变化

8. 关于洪泛路由（Flooding）的缺点，错误的是：
   A. 内爆问题
   B. 重叠问题
   C. 需要严格时间同步
   D. 资源盲目消耗

9. HRTS时间同步协议中，根节点与非应答者节点的同步方式本质是：
   A. 双向报文交换
   B. 单向报文交换
   C. 接收者-接收者同步
   D. 广播同步

10. 以下需要节点间严格时间同步的测距技术是：
    A. RSSI测距
    B. TDOA测距
    C. AOA测距
    D. RTOF测距

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答案与解析

1. B
   解析：LEACH的簇头选举通过阈值公式使节点等概率成为簇头（详细PPT P30：“每个节点在第r+1轮以概率T(n)成为簇头，未当选节点T(n)递增”）。

2. C
   解析：SPIN的DATA消息包含完整数据，元数据仅用于协商（详细PPT P14：“元数据是源数据的映射，比源数据短”）。

3. A
   解析：DD通过评估延迟选择最优路径进行路径加强（详细PPT P22：“根据数据传输延迟选择强化路径”）。

4. B
   解析：GPSR使用边界转发（右手法则）解决路由空洞（详细PPT P56：“发生局部优化问题时采用边界转发”）。

5. B
   解析：能量多路径路由为路径赋予概率以均衡能耗（详细PPT P53：“选择概率与能量消耗成反比”）。

6. B
   解析：TTDD通过PA和IA代理实现移动Sink的透明传输（详细PPT P43：“PA和IA代理维护移动路径”）。

7. B
   解析：GEAR的代价函数为距离和剩余能量的加权（详细PPT P68：“c(Ni,R)=α•Distance+(1−α)•Left_Energy”）。

8. C
   解析：洪泛路由无需时间同步（详细PPT P11：“传统网络协议，无需维护拓扑结构”）。

9. A
   解析：HRTS中根节点与非应答者节点本质是双向同步（总复习PPT P31：“根节点和非应答者节点本质上是双向报文交换”）。

10. B
    解析：TDOA测距依赖节点间时间同步（总复习PPT P33：“多信号TDOA测距需要同步”）。

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第五章 WSN时间同步技术考点总结

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一、时间同步基础

1. 时钟漂移与分辨率

   • 晶体钟由石英晶体振荡器、硬件计数器、软件计数器组成
   • 时间分辨率由晶振周期决定（例：TelosB节点32768Hz → $30.5\mu s$）
   • 时钟漂移率公式：$\rho =dC(t)/dt-1$，最大漂移率由厂商给出（1~100ppm）
   • 计算题关键：误差时间 = $\rho \times$ 总时间（如：1ppm漂移率 → 12天偏差1秒）

2. 同步消息类型

   • 单向消息交换：忽略传播延迟，精度低
   • 双向消息交换：对称传播延迟假设，计算时间偏差$\delta =[(t2-t1)-(t4-t3)]/2$
   • 接收者-接收者同步：利用同一消息到达不同节点的时差，无需时间戳

3. 通信延迟分解

   • 关键时延：发送时间（处理器负载）、访问时间（MAC层退避）、传输时间（报文长度）、传播时间（距离）、接收时间（硬件处理）
   • 不确定性来源：访问时间（CSMA退避）、发送/接收时间（处理器负载）

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二、时间同步协议

1. RBS（参考广播同步）

   • 原理：广播参考报文，接收节点记录到达时间，通过交换时间差值同步
   • 优势：消除发送端处理时间不确定性，适用于局部同步
   • 多跳扩展：依赖分簇方法，交界节点同步不同广播域

2. TPSN（传感器网络时间同步协议）

   • 步骤：层级探测（生成树结构） → 逐层双向同步（父节点与子节点）
   • 优点：高精度（对称双向报文估计延迟），全网周期性同步
   • 缺点：需严格层级维护，能耗较高

3. FTSP（泛洪时间同步协议）

   • 特点：单广播消息同步多个节点，利用最小化中断抖动和编解码时间
   • 多跳实现：根节点选举机制，洪泛广播时间基准，适应拓扑变化

4. HRTS（层次参考时间同步）

   • 混合模式：根节点与应答者用TPSN，非应答者用双向同步，应答者间用接收者-接收者同步
   • 典型场景：BS指定应答者节点，通过广播同步请求实现多跳同步

5. Tiny-Sync/Mini-Sync

   • 核心假设：时钟关系为线性（T1 = a·T2 + b），通过时间戳约束估计参数

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三、时间同步应用与挑战

1. 必要性

   • 事件顺序分析、MAC协议调度、休眠机制、节点定位、分布式算法

2. 挑战

   • 时钟漂移动态性、传输延迟不确定性、资源受限（能量、计算、存储）

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时间同步相关选择题（共10题）

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题目部分

1. 在SMAC协议中，错误的是：
   A. 网络按统一时间调度表睡眠/侦听
   B. 需要严格时间同步
   C. 节点只能在自身时隙发送数据
   D. 串扰避免策略增加多跳网络时延

2. 关于LEACH算法错误的是：
   A. 基于分簇的路由协议
   B. 节点通过选举算法自决簇头
   C. 簇内用CDMA编码通信
   D. 数据经两跳到达sink节点

3. HRTS协议中错误的是：
   A. 根节点广播同步请求
   B. 根节点与应答者用TPSN同步
   C. 根节点与非应答者用单向同步
   D. 应答者间用接收者-接收者同步

4. 需要节点间时间同步的测距技术是：
   A. RTOF
   B. 多信号TDOA
   C. 多节点TDOA
   D. AOA

5. 关于时钟漂移计算错误的是：
   A. 漂移率$\rho =1$ppm时，30天误差约2.59秒
   B. TelosB节点晶振32768Hz → 分辨率$30.5\mu s$
   C. 漂移率公式为$\rho =dC(t)/dt$
   D. 最大漂移率由晶振厂商提供

6. TPSN协议的核心优势是：
   A. 全网洪泛同步
   B. 双向报文对称延迟估计
   C. 基于参考广播
   D. 无需层级结构

7. FTSP协议的关键设计是：
   A. 分簇拓扑
   B. 单广播报文多节点同步
   C. 严格时间表调度
   D. 仅用于单跳网络

8. RBS协议消除误差的主要方法是：
   A. 多次参考广播取平均
   B. 双向报文交换
   C. 层级同步
   D. 最小化传输延迟

9. 接收者-接收者同步适用于：
   A. TPSN
   B. HRTS
   C. FTSP
   D. RBS

10. 计算题：某晶振漂移率+2ppm，一年误差约为：
    A. 63秒
    B. 73秒
    C. 83秒
    D. 93秒

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答案与解析

1. 答案：B
   解析：SMAC采用周期性调度，节点按本地时间表睡眠/侦听，无需严格全局同步（总复习PPT第23页）。

2. 答案：C
   解析：LEACH簇内通信使用TDMA而非CDMA（总复习PPT第9页）。

3. 答案：C
   解析：HRTS中根节点与非应答者本质是双向同步（详细PPT第31页）。

4. 答案：C
   解析：多节点TDOA需节点间时间同步以计算信号到达时间差（总复习PPT第33页）。

5. 答案：C
   解析：漂移率公式应为$\rho =dC(t)/dt-1$（详细PPT第4页）。

6. 答案：B
   解析：TPSN通过双向报文对称估计传播延迟，精度高（详细PPT第25页）。

7. 答案：B
   解析：FTSP单广播报文含多个时间戳，同步多个节点（详细PPT第28页）。

8. 答案：A
   解析：RBS通过多次广播求均值消除接收抖动（详细PPT第20页）。

9. 答案：D
   解析：RBS基于同一消息到达不同节点的时差实现同步（详细PPT第11页）。

10. 答案：A
    解析：年误差=$2\times 10^{-6}\times 3600\times 24\times 365\approx 63$秒（计算题公式见详细PPT第5页）。

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考点总结（根据详细版PPT）

1. 定位基本概念

• 物理位置：目标在坐标系中的绝对/相对位置（如坐标值）。
• 符号位置：目标与基站的连通关系，描述大致范围（如区域编号）。
• 定位意义：确定自身位置或系统确定目标位置。

2. 定位算法分类

• 基于测距（Range-based）：
  • 测距技术：RSS（信号强度）、TOA（信号传播时间）、TDOA（信号传播时间差）、AOA（接收信号角度）、PDOA（接收信号相位）、NFER（近场电磁测距）。
  • 定位计算：三边测量、多边测量、三角测量、最小最大法。
• 无需测距（Range-free）：
  • 质心算法、DV-Hop算法、APIT算法、Amorphous算法。

3. 测距技术特点

• RSS：低精度（±50%误差），易受环境干扰。
• TOA：需严格时间同步，GPS采用。
• RTOF：无需节点同步，测量往返时间。
• TDOA：
  • 多信号TDOA：不同信号速度差异（如超声波+RF）。
  • 多节点TDOA：需节点时间同步，通过双曲线交点定位。
• AOA：通过天线阵列测信号入射角度。
• PDOA：利用相位差测距，范围受波长限制。
• NFER：基于近场电磁相位差，测距范围0.05λ~0.5λ。

4. 典型定位算法

• 质心算法：
  • 计算信标节点组成的多边形质心作为位置。
  • 公式：$(x,y)=\left(\frac{\sum x_i}{n},\frac{\sum y_i}{n}\right)$。
  • 改进：加权质心（基于RSSI或连通度）。
• DV-Hop算法：
  • 三阶段：计算最小跳数→估算平均每跳距离→三边定位。
  • 缺点：通信开销大，依赖各向同性网络。

5. 典型定位系统

• GPS：全球覆盖，精度5m，需4颗卫星。
• 北斗（BDS）：混合星座，2020年完成全球组网。
• Cricket：室内超声波+RF混合定位，松散耦合。
• ActiveBadge：红外符号定位，区域标识。

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单选题（共10题）

1. 关于物理位置和符号位置，以下描述正确的是：
   A. 物理位置用区域编号表示
   B. 符号位置表示目标在坐标系中的精确坐标
   C. 物理位置是绝对或相对坐标值
   D. 符号位置用于战场目标跟踪

2. 以下哪种测距技术需要严格时间同步？
   A. RSS
   B. TOA
   C. RTOF
   D. NFER

3. DV-Hop算法的第二阶段是：
   A. 计算最小跳数
   B. 估算平均每跳距离
   C. 三边测量定位
   D. 修正定位误差

4. 质心定位算法的缺点是：
   A. 计算复杂度高
   B. 依赖理想球形信号传播模型
   C. 需要严格时间同步
   D. 仅适用于室外环境

5. 以下关于TDOA测距的描述错误的是：
   A. 多信号TDOA利用不同信号速度差异
   B. 多节点TDOA需节点时间同步
   C. 多节点TDOA通过双曲线交点定位
   D. TDOA测距误差小于RSS

6. Cricket定位系统的特点是：
   A. 依赖红外传感器
   B. 采用超声波+RF混合测距
   C. 需要中央服务器计算位置
   D. 仅支持全球定位

7. 最小最大法（min-max）的核心思想是：
   A. 构造信标节点的外接圆
   B. 计算信标节点组成的多边形质心
   C. 构造信标节点的外接矩形并取交集质心
   D. 通过相位差测量距离

8. 以下哪种定位算法属于Range-free？
   A. 三边测量法
   B. 多边测量法
   C. DV-Hop
   D. AOA

9. 北斗系统（BDS）的全球组网完成时间是：
   A. 2012年
   B. 2018年
   C. 2020年
   D. 2023年

10. 关于NFER测距，正确的是：
    A. 测距范围在1~10米
    B. 利用远场电磁相位差
    C. 最佳测距范围$0.08\lambda \sim 0.3\lambda$
    D. 需依赖超声波信号

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答案与解析

1. C
   解析：物理位置是目标在坐标系中的绝对或相对坐标值（PPT第6页：“物理位置：目标在特定坐标系下的位置数值”）。

2. B
   解析：TOA需严格时间同步（PPT第29页：“GPS使用TOA技术，需精确同步卫星时钟”）。

3. B
   解析：DV-Hop第二阶段由信标节点估算平均每跳距离（PPT第41页：“信标节点根据记录的跳数估算平均每跳距离”）。

4. B
   解析：质心算法假设理想球形信号传播模型，实际环境复杂（PPT第37页：“假设节点拥有理想球型信号传播模型”）。

5. D
   解析：TDOA精度高于RSS，但未提及误差更小（PPT第28页：“RSS测距误差±50%”，PPT第30页未比较TDOA与RSS误差）。

6. B
   解析：Cricket采用超声波+RF混合测距（PPT第53页：“Cricket使用超声波和RF信号测量时间差”）。

7. C
   解析：最小最大法构造外接矩形并取交集质心（PPT第25页：“构造外接矩形，计算交集质心”）。

8. C
   解析：DV-Hop属于无需测距（Range-free）算法（PPT第37页：“DV-Hop是典型的Range-free算法”）。

9. C
   解析：北斗三号全球组网2020年完成（PPT第50页：“2020年6月23日，北斗三号星座部署全面完成”）。

10. C
    解析：NFER最佳测距范围$0.08\lambda \sim 0.3\lambda$（PPT第35页：“最佳测量范围$0.08\lambda \sim 0.3\lambda$”）。

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第六章 WSN协议技术标准考点总结

一、IEEE 1451系列标准

1. 发展历程：

   • IEEE 1451.1（1999）：智能变送器网络应用处理器模型。
   • IEEE 1451.2（1997）：变送器与微处理器通信协议。
   • IEEE 1451.3（2003）：分布式多点系统通信标准。
   • IEEE 1451.4（2004）：混合模式通信协议。
   • IEEE 1451.5（无线解决方案）、1451.6（CAN总线）、1451.7（RFID扩展）。

2. 核心目标：

   • 解决不同厂商智能传感器接口不兼容问题，规范网络化接口。

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二、IEEE 802.15.4标准

1. 网络拓扑：

   • 星型拓扑：中心为网络协调器（FFD），支持FFD/RFD设备。
   • 点对点拓扑：支持多跳路由，协调器管理链路状态。
   • 簇-树拓扑：层次化结构，扩展性强。

2. 物理层功能：

   • 激活/休眠收发器、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）。
   • 工作频段：2.4GHz（16信道）、915MHz（10信道）、868MHz（1信道）。
   • 调制技术：DSSS（直接序列扩频）用于868/915MHz，O-QPSK用于2.4GHz。

3. MAC子层功能：

   • 信标生成与同步、CSMA/CA机制、GTS（保证时隙）管理、安全服务。
   • 帧类型：信标帧、数据帧、确认帧、命令帧（9种类型）。

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三、ZigBee协议栈

1. 设备类型：

   • 协调器（Coordinator）：创建网络，分配地址。
   • 路由器（Router）：扩展网络，路由数据。
   • 终端设备（End-Device）：低功耗，仅与父节点通信。

2. 路由协议：

   • AODVjr：简化版AODV协议，按需路由，支持多跳。
   • 路由过程：广播RREQ，通过RREP建立路径，维护路由表。

3. 安全机制：

   • 信任中心：分配密钥（主密钥、链路密钥、网络密钥）。
   • 安全服务：AES-128加密、访问控制、防重放攻击。

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四、蓝牙技术

1. 拓扑结构：

   • 微微网（Piconet）：1主设备 + 7从设备，共享信道。
   • 散射网（Scatternet）：多个微微网互联。

2. 协议栈结构：

   • 物理层：2.4GHz ISM频段，跳频扩频（FHSS），GFSK调制。
   • 基带层：设备连接管理、跳频序列生成。
   • L2CAP层：协议复用、数据分段/重组。

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单选题

题目

1. 在IEEE 802.15.4标准中，以下哪项是物理层的主要任务？
   A. 生成网络信标
   B. 执行CSMA/CA机制
   C. 当前信道的能量检测
   D. 分配GTS时隙

2. 关于ZigBee设备类型，以下描述错误的是：
   A. 协调器负责创建网络
   B. 路由器必须为FFD设备
   C. 终端设备可通过多跳路由转发数据
   D. 协调器可同时关联多个终端设备

3. 在蓝牙协议中，一个微微网最多可包含多少个活跃从设备？
   A. 3
   B. 5
   C. 7
   D. 9

4. IEEE 1451.5标准的主要目标是：
   A. 规范CAN总线通信
   B. 提供无线传感器接口解决方案
   C. 扩展RFID应用
   D. 定义混合模式通信协议

5. 以下关于ZigBee路由协议AODVjr的描述，正确的是：
   A. 基于严格的时间同步
   B. 采用洪泛式路由发现机制
   C. 仅支持单跳通信
   D. 路由表需周期性更新

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答案与解析

1. 答案：C
   解析：物理层任务包括能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）等，选项C正确。选项A/B/D属于MAC层功能。

2. 答案：C
   解析：终端设备（End-Device）仅能与父节点通信，不支持多跳路由，选项C错误。

3. 答案：C
   解析：蓝牙微微网中，1个主设备最多可连接7个活跃从设备（PPT第46页）。

4. 答案：B
   解析：IEEE 1451.5为无线通信提供QoS机制和映射层（PPT第4页）。

5. 答案：B
   解析：AODVjr通过广播RREQ报文进行路由发现，属于按需洪泛机制（PPT第41页）。

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考点总结（RFID第1-2章）

1. RFID基本概念

• 定义：通过无线电波实现非接触式自动识别，核心组件包括应答器（Tag）和阅读器（Reader）。
• 耦合方式：
  • 电感耦合：近距离（<1m），低频（<135kHz）或高频（13.56MHz），通过交变磁场传递能量和数据。
  • 反向散射耦合：远距离（>1m），特高频（UHF）或超高频（SHF），利用电磁波反射和散射。
• 工作频段：
  • LF（30_{300kHz）、HF（3}30MHz）、UHF（300MHz_{3GHz）、SHF（3}30GHz）。
  • 典型频率：13.56MHz（电感耦合），866~960MHz（反向散射耦合）。

2. 电感耦合方式

• 能量供给：无源应答器从阅读器的交变磁场中获取能量。
• 数据调制：
  • 负载调制：通过改变应答器负载电阻（电阻/电容）影响阅读器线圈电压，实现数据传输。
  • 电阻负载调制：开关控制附加电阻接入，改变次级回路阻抗，反射到初级回路引起电压变化。
• 谐振回路：
  • 阅读器采用串联谐振回路（电流最大），应答器采用并联谐振回路（电压最大）。
  • 品质因数（Q值）影响能量传输效率。

3. 应答器与阅读器

• 应答器电路：
  • 组成：射频前端（天线、谐振电路）、电源电路（整流）、控制模块（存储、编解码）。
  • 分类：无源、半无源、有源。
• 阅读器电路：
  • 功能：提供能量、读写数据、处理信号。
  • 组成：振荡器、发送通道（编码、调制）、接收通道（解调、解码）、微控制器。

4. 天线设计

• 类型：偶极子天线（全向）、微带贴片天线（定向）、线圈天线（近距离）。
• 参数：谐振频率、Q值、阻抗匹配。

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单选题

1. 在电感耦合的RFID系统中，无源应答器的能量来源是（ ）
   A. 内部电池
   B. 阅读器发射的射频能量
   C. 环境光能
   D. 热辐射

2. 以下关于电感耦合方式的描述，错误的是（ ）
   A. 典型工作频率为13.56MHz
   B. 通过反向散射反射电磁波传输数据
   C. 应答器采用并联谐振回路获得最大电压
   D. 阅读器采用串联谐振回路获得最大电流

3. RFID系统中，负载调制的目的是（ ）
   A. 提高阅读器发射功率
   B. 实现应答器向阅读器的数据传输
   C. 降低电磁干扰
   D. 延长电池寿命

4. 以下频段中，适用于反向散射耦合的是（ ）
   A. 125kHz
   B. 13.56MHz
   C. 433MHz
   D. 5.8GHz

5. 声表面波（SAW）应答器的核心原理是（ ）
   A. 压电效应和声波传播
   B. 电磁感应
   C. 电容耦合
   D. 光电效应

6. 阅读器天线电路通常采用串联谐振回路的主要原因是（ ）
   A. 获得最大电压
   B. 简化电路设计
   C. 提高品质因数
   D. 减少功耗

7. 在电阻负载调制中，当开关S闭合时，应答器的负载电阻为（ ）
   A. RL
   B. RL并联Rmod
   C. RL串联Rmod
   D. Rmod

8. 以下关于RFID天线的描述，正确的是（ ）
   A. 微带贴片天线适合全向通信
   B. 线圈天线适用于远距离反向散射耦合
   C. 偶极子天线常用于低频电感耦合
   D. 天线设计需考虑谐振频率匹配

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答案与解析

1. 答案：B
   解析：无源应答器无内部电池，能量来源于阅读器发射的射频能量（PPT第2章2.3.1节）。

2. 答案：B
   解析：反向散射耦合是UHF/SHF频段的特性，电感耦合通过负载调制传输数据（PPT第1章1.2.2节）。

3. 答案：B
   解析：负载调制通过改变应答器负载影响阅读器电压，实现数据上传（PPT第2章2.3.4节）。

4. 答案：D
   解析：反向散射耦合典型频率为UHF（866~960MHz）和SHF（如5.8GHz）（PPT第1章1.2.4节）。

5. 答案：A
   解析：SAW应答器利用压电效应转换电信号与声波，反射带布局编码数据（PPT第1章1.2.4节）。

6. 答案：B
   解析：串联谐振回路结构简单，适合低内阻恒压源激励（PPT第2章2.1.1节）。

7. 答案：B
   解析：开关闭合时，RL与Rmod并联，降低总负载（PPT第2章2.3.4节）。

8. 答案：D
   解析：天线设计需匹配谐振频率以保证能量传输（PPT第2章2.4.6节）。

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考点总结（基于详细版PPT：RFID第4章和第5章）

第四章 数据校验和防碰撞算法

1. 差错检测

   • 奇偶校验码：最小汉明距离为2，仅能检测单比特错误。
   • CRC码：
     • 标准多项式：CRC-12（$X^{12}+X^{11}+X^3+X^2+X+1$）、CRC-16（$X^{16}+X^{15}+X^2+1$）、CRC-CCITT（$X^{16}+X^{12}+X^5+1$）。
     • ISO/IEC 14433使用CRC-16，ISO/IEC 18000-6使用CRC-CCITT。

2. 防碰撞算法

   • ALOHA系列：
     • 纯ALOHA：最大吞吐率18.4%，适用于只读系统。
     • 时隙ALOHA（SA）：需时间同步，吞吐率36.8%。
     • 动态帧时隙ALOHA（DFSA）：动态调整帧长，Q值算法用于EPC Class 1 Gen 2。
   • 树形搜索算法：
     • 二进制搜索（BS）：基于唯一序列号，ISO 14443 Type A使用DBS。
     • 查询树（QT）：无记忆标签，仅需前缀匹配电路。
     • ISO 18000-6B采用二进制树形搜索结合随机数和计数器。

3. 标准协议

   • ISO 14443 Type A：动态二进制搜索（DBS）。
   • EPC Global Class 1 Gen 2：DFSA（Q值算法）。

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第五章 RFID系统数据传输的安全性

1. 密码学基础

   • 对称密码：
     • DES（64位分组，56位密钥，16轮迭代）。
     • AES（128/192/256位密钥，10/12/14轮迭代）。
   • 非对称密码：
     • RSA：基于大数分解难题。
     • ECC：基于椭圆曲线离散对数问题，密钥短（如256位ECC≈3072位RSA）。
   • 序列密码：密钥流由线性反馈移位寄存器（LFSR）生成。

2. 认证技术

   • 三次认证过程（ISO/IEC 9798-2）：
     1. 阅读器发送挑战请求。
     2. 标签返回随机数RB。
     3. 阅读器加密RB+RA发送Token AB。
     4. 标签解密验证RB，发送Token BA（加密RA+RB1）。
     5. 阅读器验证RA完成双向认证。

3. 密钥管理

   • 分级密钥：不同权限层级（如身份信息、图书馆、食堂）。
   • 分页密钥：存储区分区独立加密。
   • 分层结构：主密钥保护二级密钥，二级密钥保护初级密钥。

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选择题（共10题）

1. 在CRC校验中，ISO/IEC 18000-6标准采用的生成多项式是？
   A. CRC-12
   B. CRC-16
   C. CRC-CCITT
   D. CRC-32

2. 关于纯ALOHA算法，以下描述错误的是？
   A. 最大吞吐率为18.4%
   B. 适用于读写式RFID系统
   C. 标签随机发送数据
   D. 无需时间同步

3. ISO 14443 Type A标准使用的防碰撞算法是？
   A. 动态帧时隙ALOHA
   B. 二进制树形搜索（DBS）
   C. 查询树算法
   D. 时隙ALOHA

4. 在三次认证过程中，阅读器发送Token AB的作用是？
   A. 加密标签的随机数RB
   B. 验证阅读器的随机数RA
   C. 确认标签身份并传递RA
   D. 生成会话密钥

5. 以下哪种密码体制的密钥长度最短且安全性相当？
   A. RSA-1024
   B. AES-128
   C. ECC-256
   D. DES-56

6. 关于ECC加密，正确的是？
   A. 基于大数分解难题
   B. 适合资源受限的标签
   C. 加密速度慢于RSA
   D. 密钥长度与RSA相同

7. EPC Global Class 1 Gen 2标准中采用的防碰撞算法是？
   A. 动态二进制搜索
   B. 动态帧时隙ALOHA（Q值算法）
   C. 纯ALOHA
   D. 查询树算法

8. 以下哪种密钥管理方式将存储区划分为多个独立加密区域？
   A. 分级密钥
   B. 分页密钥
   C. 分层密钥
   D. 主密钥

9. 序列密码生成密钥流的核心组件是？
   A. 非对称加密算法
   B. 线性反馈移位寄存器（LFSR）
   C. 哈希函数
   D. 随机数生成器

10. 在二进制树形搜索算法中，标签需要具备的功能是？
    A. 生成随机数
    B. 内部计数器
    C. 唯一序列号匹配
    D. 动态调整帧长

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答案与解析

1. 答案：C
   解析：ISO/IEC 18000-6标准采用CRC-CCITT（PPT第4章第11页）。

2. 答案：B
   解析：纯ALOHA仅用于只读系统（PPT第4章第16页）。

3. 答案：B
   解析：ISO 14443 Type A使用动态二进制搜索（DBS）（PPT第4章第22页）。

4. 答案：C
   解析：Token AB包含加密的RB和RA，用于确认标签身份并传递RA（PPT第5章第19页）。

5. 答案：C
   解析：ECC-256的安全性相当于RSA-3072，但密钥更短（PPT第5章第15页）。

6. 答案：B
   解析：ECC适合资源受限设备，因密钥短且计算量小（PPT第5章第15页）。

7. 答案：B
   解析：EPC Gen2采用DFSA的Q值算法（PPT第4章第30页）。

8. 答案：B
   解析：分页密钥将存储区分区独立加密（PPT第5章第22页）。

9. 答案：B
   解析：LFSR是序列密码生成密钥流的核心（PPT第5章第8页）。

10. 答案：C
    解析：二进制树形搜索依赖标签的唯一序列号（PPT第4章第20页）。

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