2025年物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化實(shí)戰(zhàn)卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項(xiàng)不是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征？A.自組織性B.節(jié)點(diǎn)能量受限C.大規(guī)模部署D.高度集中式管理2.在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過收集數(shù)據(jù)并通過其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，最終將數(shù)據(jù)匯聚到指定節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為？A.星型拓?fù)銪.樹型拓?fù)銫.網(wǎng)狀拓?fù)銬.總線型拓?fù)?.MAC層協(xié)議的主要目的是什么？A.路由數(shù)據(jù)包選擇路徑B.提供數(shù)據(jù)加密與解密C.決定節(jié)點(diǎn)何時發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免沖突D.負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)地址分配4.以下哪種技術(shù)不屬于數(shù)據(jù)融合？A.數(shù)據(jù)壓縮B.數(shù)據(jù)過濾C.數(shù)據(jù)匯總D.數(shù)據(jù)加密5.傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量耗散的主要來源是？A.處理器運(yùn)算B.傳感器采集C.數(shù)據(jù)傳輸D.以上都是6.在傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍通常需要？A.增加節(jié)點(diǎn)密度B.減少傳輸功率C.提高節(jié)點(diǎn)處理能力D.使用更短距離的通信技術(shù)7.以下哪個指標(biāo)不通常用來衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率？A.網(wǎng)絡(luò)生存時間B.每比特能耗C.吞吐量D.節(jié)點(diǎn)壽命8.用于實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間自動建立和維護(hù)路由的協(xié)議是？A.MAC協(xié)議B.數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議C.路由協(xié)議D.物理層協(xié)議9.對于需要低功耗、遠(yuǎn)距離通信的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通常優(yōu)先考慮哪種無線通信技術(shù)？A.Wi-FiB.藍(lán)牙C.ZigbeeD.5G10.以下哪項(xiàng)不是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的典型安全威脅？A.傳感器數(shù)據(jù)竊聽B.節(jié)點(diǎn)物理破壞C.網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施擁塞D.重放攻擊二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述傳感器網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)通常包含哪些層次及其主要功能。2.解釋什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)的“能量效率”，并列舉至少兩種提高能量效率的具體技術(shù)手段。3.比較路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合技術(shù)在提高傳感器網(wǎng)絡(luò)性能方面的主要區(qū)別和聯(lián)系。4.簡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時需要考慮的主要因素。5.描述一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，并說明該場景下對網(wǎng)絡(luò)性能（至少兩個指標(biāo)）的主要要求。三、計算題（每題10分，共30分）1.假設(shè)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的平均能量消耗為50nJ/bit，接收數(shù)據(jù)包的平均能量消耗為30nJ/bit。節(jié)點(diǎn)初始能量為2J，假設(shè)不考慮數(shù)據(jù)處理等其他能量消耗。若該節(jié)點(diǎn)需要向距離為100m的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個包含1024比特的數(shù)據(jù)包。假設(shè)通信范圍為200m。請計算：a.發(fā)送該數(shù)據(jù)包所需消耗的能量（nJ）。b.如果該節(jié)點(diǎn)還需要接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接收同樣長度的數(shù)據(jù)包能持續(xù)多久（以比特數(shù)表示）？c.若要延長網(wǎng)絡(luò)壽命，除了降低傳輸功率，還可以考慮哪些方法？簡要說明原理。2.某監(jiān)控區(qū)域內(nèi)需要部署一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控點(diǎn)均勻分布，每個監(jiān)控點(diǎn)需要將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控區(qū)域?yàn)檫呴L為400m的正方形，期望的網(wǎng)絡(luò)覆蓋度為110%。假設(shè)使用的傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑為100m。a.請計算理論上至少需要部署多少個傳感器節(jié)點(diǎn)才能滿足覆蓋度要求？簡要說明你的計算方法。b.簡述在節(jié)點(diǎn)部署時如何保證網(wǎng)絡(luò)的連通性？提及至少一種策略。3.假設(shè)一個傳感器網(wǎng)絡(luò)場景，有5個傳感器節(jié)點(diǎn)S1到S5，它們需要將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個匯聚節(jié)點(diǎn)C。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌穫鬏斔俾剩▎挝唬篗bps）如圖所示（此處無圖，請自行設(shè)定或想象一個簡單拓?fù)?，例如S1-S2-S3-S4-S5-C或S1-S3-S5-C等）。假設(shè)所有鏈路傳輸延遲可忽略不計，但每個節(jié)點(diǎn)處理一個數(shù)據(jù)包需要10ms。a.若S1要向C發(fā)送一個1000比特的數(shù)據(jù)包，請計算在理想情況下（無處理延遲和傳輸延遲）和數(shù)據(jù)包需要在S1、S2、S3、C之間依次轉(zhuǎn)發(fā)的情況下，端到端的傳輸時延分別是多少（單位：ms）？b.簡述影響傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能（如端到端延遲、吞吐量）的主要因素有哪些。四、綜合應(yīng)用題（共25分）假設(shè)你需要為一個智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目設(shè)計一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于監(jiān)測農(nóng)田的溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度。該農(nóng)田區(qū)域大致為長方形，長度200米，寬度100米。傳感器節(jié)點(diǎn)部署后需要持續(xù)工作至少2年，并定期將采集的數(shù)據(jù)上傳到云平臺。請設(shè)計該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并說明你的設(shè)計思路和優(yōu)化考慮：1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇與節(jié)點(diǎn)部署：選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如星型、樹型、網(wǎng)狀），并說明理由。估算大致需要部署多少個傳感器節(jié)點(diǎn)，并簡述節(jié)點(diǎn)的大致部署方式（如均勻分布、沿邊界部署等）。2.節(jié)點(diǎn)硬件與技術(shù)選型：簡述所選傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備的基本功能（傳感器類型、通信模塊、電源等）。3.能量優(yōu)化策略：針對該應(yīng)用場景，提出至少兩種具體的能量優(yōu)化策略，并簡要說明如何實(shí)現(xiàn)或工作。4.數(shù)據(jù)傳輸方案：設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸方案，包括數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議選擇（如LoRaWAN,Zigbee等，說明理由）、數(shù)據(jù)聚合策略（如是否需要節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合）。5.網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)：簡述如何對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基本的管理和維護(hù)，例如如何監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、如何發(fā)現(xiàn)和處理故障節(jié)點(diǎn)等。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.D5.D6.A7.C8.C9.C10.C二、簡答題1.傳感器網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)通常包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。*感知層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和初步處理，由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。*網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)路由、傳輸和路由維護(hù)，處理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。*應(yīng)用層：為用戶或上層應(yīng)用提供服務(wù)，處理和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。2.傳感器網(wǎng)絡(luò)的“能量效率”通常指網(wǎng)絡(luò)完成單位數(shù)據(jù)傳輸或處理所消耗的能量，或者指網(wǎng)絡(luò)能夠支持的數(shù)據(jù)傳輸總量與其總能量消耗的比值。提高能量效率的技術(shù)手段包括：使用低功耗通信協(xié)議（如IEEE802.15.4）、降低傳輸功率、采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)減少傳輸數(shù)據(jù)量、節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度策略、能量收集技術(shù)等。3.路由協(xié)議主要關(guān)注如何在網(wǎng)絡(luò)中找到從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，通常考慮因素如延遲、跳數(shù)、能量等。數(shù)據(jù)融合技術(shù)則是在網(wǎng)絡(luò)中（通常在節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)）對來自多個傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如壓縮、聚合、過濾），以減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量或提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。兩者聯(lián)系在于，有效的路由選擇可以減少數(shù)據(jù)傳輸距離或跳數(shù)，從而間接節(jié)省能量；而數(shù)據(jù)融合可以在數(shù)據(jù)傳輸前就減少數(shù)據(jù)量，也是節(jié)省能量的重要手段。4.傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時需要考慮的主要因素包括：應(yīng)用場景與需求（監(jiān)測對象、范圍、精度要求）、環(huán)境條件（地形、氣候、遮擋物）、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍與密度、節(jié)點(diǎn)密度與能量限制、通信范圍與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)壽命要求、成本預(yù)算、可擴(kuò)展性、安全需求以及可能的移動性等。5.典型場景：城市交通流量監(jiān)控。該場景下對網(wǎng)絡(luò)性能的主要要求包括：較高的數(shù)據(jù)傳輸率（需要實(shí)時傳輸視頻或大量車輛數(shù)據(jù)），較低的端到端延遲（確保交通信號燈控制及時響應(yīng)），以及良好的覆蓋性和連通性（監(jiān)控整個路口或路段）。三、計算題1.a.發(fā)送能量消耗=發(fā)送數(shù)據(jù)量*發(fā)送能量消耗率=1024bit*50nJ/bit=51200nJ。b.接收持續(xù)時間=(節(jié)點(diǎn)初始能量*10^9nJ/J)/接收能量消耗率=(2*10^9nJ)/30nJ/bit≈66666.67bit。c.延長網(wǎng)絡(luò)壽命的方法：降低接收功率（減少接收能量消耗）、采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)（減少傳輸數(shù)據(jù)量）、使用能量收集技術(shù)（為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量）、優(yōu)化路由算法以選擇能量消耗更低的路徑、采用能量有效的MAC協(xié)議等。2.a.計算方法：正方形區(qū)域面積=400m*400m=160000m^2。單個節(jié)點(diǎn)通信半徑為100m，覆蓋圓面積=π*(100m)^2≈31416m^2。為了滿足110%的覆蓋度，所需節(jié)點(diǎn)數(shù)N≥區(qū)域面積/(覆蓋圓面積*覆蓋度系數(shù))=160000m^2/(31416m^2*1.1)≈4.58。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)必須是整數(shù)且需超過110%，至少需要部署5個節(jié)點(diǎn)。一種可能的部署方式是沿正方形四邊和中心各部署一個節(jié)點(diǎn)，確保覆蓋。b.保證網(wǎng)絡(luò)連通性的策略：確保任何兩個節(jié)點(diǎn)（或任何節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)）之間存在至少一條可達(dá)路徑；采用自組織、自愈合的路由協(xié)議；保證足夠的節(jié)點(diǎn)密度，使信號傳播能覆蓋到整個區(qū)域；合理選擇路由策略，如能量感知路由，避免過度消耗某些節(jié)點(diǎn)的能量導(dǎo)致斷路。3.a.理想情況時延（不考慮處理）：僅S1到C的傳輸時延，假設(shè)速率為RMbps，則時延T_ideal=1000bit/RMbps=(1000/R)*10^(-6)s=1000R^-1ms。注意題目未給速率，答案依賴R。數(shù)據(jù)在S1,S2,S3,C轉(zhuǎn)發(fā)時延：S1處理+到S2傳輸時延+S2處理+到S3傳輸時延+S3處理+到C傳輸時延。總時延T_total=10ms+T12+10ms+T23+10ms+T3C=30ms+T12+T23+T3C。其中T12,T23,T3C的計算與(a)類似，依賴具體鏈路速率。b.影響傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能的主要因素：傳輸介質(zhì)（距離、障礙物、干擾）、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（路徑長度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量）、路由協(xié)議開銷與效率、MAC協(xié)議效率（沖突概率）、節(jié)點(diǎn)處理能力（處理延遲）、節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)（可能影響傳輸速率或穩(wěn)定性）、數(shù)據(jù)量（需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特數(shù)）、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）。四、綜合應(yīng)用題1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇與節(jié)點(diǎn)部署：選擇樹型拓?fù)?。匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink/ClusterHead）位于中心區(qū)域，負(fù)責(zé)收集來自子節(jié)點(diǎn)（ClusterMembers）的數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點(diǎn)，形成層級結(jié)構(gòu)。部署方式：在農(nóng)田區(qū)域均勻分布子節(jié)點(diǎn)，確保每個區(qū)域都能被覆蓋。在農(nóng)田邊緣或中心區(qū)域部署少量能量更高、通信能力更強(qiáng)的匯聚節(jié)點(diǎn)。估算節(jié)點(diǎn)數(shù)量需考慮農(nóng)田面積、傳感器密度要求（如每平方米一個）、通信半徑（如100m），初步估算可能需要50-100個節(jié)點(diǎn)。2.節(jié)點(diǎn)硬件與技術(shù)選型：所選傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)包含：多種傳感器（溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器）、低功耗無線通信模塊（如LoRa或Zigbee）、微控制器（用于數(shù)據(jù)處理和控制）、小型太陽能電池板和超級電容（用于能量收集和存儲，延長壽命），以及小型化、防水、防腐蝕的外殼。3.能量優(yōu)化策略：*睡眠調(diào)度：設(shè)計周期性睡眠喚醒機(jī)制。節(jié)點(diǎn)在完成數(shù)據(jù)采集和傳輸后進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，只在特定時間或接收到喚醒信號時喚醒工作，大大減少空閑能量消耗。*數(shù)據(jù)融合：在子節(jié)點(diǎn)或簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和聚合（如計算平均值、最大值/最小值），只將聚合后的少量關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，顯著減少無線傳輸?shù)哪芰肯摹?.數(shù)據(jù)傳輸方案：*數(shù)據(jù)采集頻率：根據(jù)監(jiān)測需求設(shè)定，如溫濕度每10分鐘采集一次，光照每30分鐘一次，土壤濕度每小時一次。*數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：選擇LoRaWAN。理由是LoRaWAN具有遠(yuǎn)距離傳輸能力（可達(dá)幾公里）、低功耗特性、支持大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署，適合農(nóng)田等廣域監(jiān)控場景。傳輸速率為100kbps。*數(shù)據(jù)聚合策略：采用在子節(jié)點(diǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合。例如，每個子節(jié)點(diǎn)