無線傳感器網(wǎng)絡查詢處理關鍵技術研究.pdf

1、傳感器網(wǎng)絡在國防軍事、醫(yī)療服務和交通控制等領域有著廣泛的應用前景，近年來成為研究熱點。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡不同，它具有許多顯著的特點:傳感器節(jié)點計算能力、存儲能力和通信能力十分有限;節(jié)點感知的數(shù)據(jù)通常含有噪聲，具有不確定性;受到節(jié)點移動、節(jié)點休眠、通信鏈路失效和周圍環(huán)境等因素影響，傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構頻繁變化。傳感器網(wǎng)絡具備的上述特點使得開發(fā)其應用十分困難?？紤]到傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，用戶使用它的主要目的是查詢其感知的數(shù)據(jù)或監(jiān)控的事件

2、。傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理融合了流數(shù)據(jù)庫、嵌入式數(shù)據(jù)和分布式數(shù)據(jù)庫等技術，以有效管理傳感器數(shù)據(jù)。它為用戶提供簡單的查詢接口，屏蔽了查詢處理的復雜性，能夠極大地簡化傳感器網(wǎng)絡應用的開發(fā)，已成為重要的傳感器網(wǎng)絡應用開發(fā)支撐軟件。
　　傳感器節(jié)點的能量由電池供應且通常無法更換，能量十分有限。因此能量高效的查詢處理技術是傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的特點，研究了無線傳感器網(wǎng)絡的查詢處理技術。主要研究成果包括如下幾個方面:

3、
　　(1)空間范圍查詢用于獲得用戶感興趣區(qū)域內所有節(jié)點的感知數(shù)據(jù)。空間范圍查詢處理算法的能耗取決于三個參數(shù):查詢消息的轉發(fā)次數(shù)、返回至Sink節(jié)點的感知數(shù)據(jù)數(shù)目、平均每個感知數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點的轉發(fā)次數(shù)?，F(xiàn)有算法僅優(yōu)化了其中的一個參數(shù)，而忽略了另外兩個參數(shù)，導致能耗較大。提出了一種對以上三個參數(shù)進行全盤優(yōu)化的空間范圍查詢處理算法，通過調度查詢區(qū)域內的部分節(jié)點發(fā)送查詢消息，在保證查詢區(qū)域內所有節(jié)點接收到查詢消息的同時，減少了查

4、詢消息的轉發(fā)次數(shù);利用相鄰傳感器節(jié)點的感知數(shù)據(jù)具有空間相關性，選擇查詢區(qū)域內的部分代表節(jié)點返回感知數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點利用這些返回的數(shù)據(jù)對查詢區(qū)域內其他節(jié)點的感知數(shù)據(jù)值進行估計，在保證查詢結果精度的前提下，減少了返回至Sink節(jié)點的感知數(shù)據(jù)數(shù)目。另外，查詢區(qū)域內節(jié)點的感知數(shù)據(jù)直接利用位置路由協(xié)議返回至Sink節(jié)點，使得平均每個感知數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點的轉發(fā)次數(shù)較少。理論分析和仿真實驗結果表明，本文提出的算法在能耗方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法。

5、r>　　(2)為了減少不規(guī)則區(qū)域時空查詢處理的能量消耗和提高查詢結果準確性，首先提出了一種基于R樹的集中式不規(guī)則區(qū)域時空查詢處理算法。通過引入R樹索引結構，實現(xiàn)對所有傳感器節(jié)點的空間信息和狀態(tài)信息的有效管理。然后提出了三種針對不規(guī)則區(qū)域時空查詢的網(wǎng)內查詢算法。通過將復雜的不規(guī)則查詢區(qū)域劃分為簡單的凸多邊形，以降低判斷節(jié)點是否在查詢區(qū)域內的計算復雜度，且僅需位于不規(guī)則查詢區(qū)域內的節(jié)點發(fā)送感知數(shù)據(jù)，減少了算法的能量消耗，仿真實驗結果表明，提

6、出的算法優(yōu)于現(xiàn)有的針對規(guī)則區(qū)域的時空查詢處理算法。
　　(3)針對包含不等值連接條件的流數(shù)據(jù)復雜聚集查詢，草圖技術能夠計算流數(shù)據(jù)上等值連接大小的高精度近似值，直方圖技術能夠統(tǒng)計流數(shù)據(jù)的分布，本文結合了這兩種技術的優(yōu)勢，提出了一種能夠高效處理流數(shù)據(jù)上復雜聚集查詢的算法。理論分析和實驗結果表明，該算法具有較高的精度和較小的空間復雜度。
　　(4)傳感器網(wǎng)絡主要用于監(jiān)測被監(jiān)控區(qū)域的狀態(tài)或發(fā)生的事件。當監(jiān)控區(qū)域有事件發(fā)生時，用戶通過

7、獲得以事件發(fā)生地為查詢點的K近鄰查詢結果可以對事件發(fā)生的原因進行分析并預測其發(fā)展趨勢。針對現(xiàn)有K近鄰查詢處理算法能量消耗大且查詢成功率低的問題，提出了一種魯棒的數(shù)據(jù)收集協(xié)議ROC，它將需要進行數(shù)據(jù)收集的區(qū)域劃分為若干個環(huán)扇區(qū)，每個環(huán)扇區(qū)中有一個簇頭節(jié)點負責收集所在環(huán)扇區(qū)其他節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，計算出部分查詢結果并將其發(fā)送至下一個環(huán)扇區(qū)的簇頭節(jié)點。ROC利用位置路由協(xié)議繞過不存在節(jié)點的“空洞”區(qū)域，保證查詢處理過程不被中斷。當簇頭節(jié)點失效時，