無線傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、醫(yī)療服務(wù)和交通控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，近年來成為研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，它具有許多顯著的特點(diǎn):傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、存儲能力和通信能力十分有限;節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)通常含有噪聲，具有不確定性;受到節(jié)點(diǎn)移動、節(jié)點(diǎn)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(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)具備的上述特點(diǎn)使得開發(fā)其應(yīng)用十分困難?？紤]到傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(shù)，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(fù)雜性，能夠極大地簡化傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)，已成為重要的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)支撐軟件。
　　傳感器節(jié)點(diǎn)的能量由電池供應(yīng)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(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的特點(diǎn)，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢處理技術(shù)。主要研究成果包括如下幾個(gè)方面:

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

4、詢消息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù);利用相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)具有空間相關(guān)性，選擇查詢區(qū)域內(nèi)的部分代表節(jié)點(diǎn)返回感知數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點(diǎn)利用這些返回的數(shù)據(jù)對查詢區(qū)域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)值進(jìn)行估計(jì)，在保證查詢結(jié)果精度的前提下，減少了返回至Sink節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)數(shù)目。另外，查詢區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，使得平均每個(gè)感知數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)較少。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)空查詢處理的能量消耗和提高查詢結(jié)果準(zhǔn)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(shí)空查詢處理算法。通過引入R樹索引結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對所有傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)空查詢的網(wǎng)內(nèi)查詢算法。通過將復(fù)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(diǎn)是否在查詢區(qū)域內(nèi)的計(jì)算復(fù)雜度，且僅需位于不規(guī)則查詢區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知數(shù)據(jù)，減少了算法的能量消耗，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(fù)雜聚集查詢，草圖技術(shù)能夠計(jì)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(shù)能夠統(tǒng)計(jì)流數(shù)據(jù)的分布，本文結(jié)合了這兩種技術(shù)的優(yōu)勢，提出了一種能夠高效處理流數(shù)據(jù)上復(fù)雜聚集查詢的算法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較高的精度和較小的空間復(fù)雜度。
　　(4)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dāng)監(jiān)控區(qū)域有事件發(fā)生時(shí)，用戶通過

7、獲得以事件發(fā)生地為查詢點(diǎn)的K近鄰查詢結(jié)果可以對事件發(fā)生的原因進(jìn)行分析并預(yù)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(jìn)行數(shù)據(jù)收集的區(qū)域劃分為若干個(gè)環(huán)扇區(qū)，每個(gè)環(huán)扇區(qū)中有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集所在環(huán)扇區(qū)其他節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，計(jì)算出部分查詢結(jié)果并將其發(fā)送至下一個(gè)環(huán)扇區(qū)的簇頭節(jié)點(diǎn)。ROC利用位置路由協(xié)議繞過不存在節(jié)點(diǎn)的“空洞”區(qū)域，保證查詢處理過程不被中斷。當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，