無線傳感網數據查詢優(yōu)化方法研究.pdf

1、無線傳感網作為連接物理世界和數字世界的橋梁引起了人們的廣泛關注，具有十分廣闊的應用前景。無線傳感網由具有傳感、數據處理和短距離無線通信功能的微型傳感節(jié)點組成。這些傳感節(jié)點能量有限，處理能力弱，存儲空間有限。如何在無線傳感網工作過程中減少能量消耗，延長網絡壽命，是無線傳感網領域要研究解決的重要問題。 無線傳感網的主要功能是實現(xiàn)信息收集并發(fā)布，觀察者往往通過查詢的方式獲取無線傳感網中的傳感數據。如何有效地完成查詢，并且減少全網能量消

2、耗，是無線傳感網的主要研究方向之一。本文的主要研究內容和貢獻如下： 1．提出了基于語義的傳感網數據查詢架構，為從不同層面上研究傳感網數據查詢提供了新的方法。傳感網收集信息為觀察者服務，觀察者往往對原始的傳感數據并不關心，而是關心由這些傳感數據聚合后產生的內容。從觀察者開始查詢到傳感網返回結果數據，其中過程包括查詢語義分解、網內執(zhí)行和結果數據聚集。本文從語義的角度對傳感網查詢執(zhí)行過程進行了描述。設計了描述傳感數據的語義標簽。在語義

3、查詢過程中，語義標簽能夠被動態(tài)地加到傳感數據中，通過語義信息能夠有效、系統(tǒng)地監(jiān)控環(huán)境的變化，提供用戶需要的服務。附加語義標簽的結果數據被聚集后，會產生更加豐富的語義內容，能夠滿足更復雜的查詢需求或者用以對查詢進行優(yōu)化。 2．提出了一種基于緩存的傳感網多Sink查詢優(yōu)化方法，通過復用查詢資源，節(jié)省了多Sink查詢過程中的能量消耗。當多個Sink接入傳感網進行區(qū)域數據查詢時，如果每個數據源節(jié)點分別響應多個Sink的查詢，傳感網傳輸的

4、冗余信息過多，效率低下。本文設計了查詢資源查找方法和復用算法，將多Sink查詢根據查詢區(qū)域分解成多個基查詢，每個查詢Q可以由基查詢進行線性組合表示。查詢Q的表達式作為查詢語義描述，在執(zhí)行過程中，被緩存在查詢路由的中繼節(jié)點上。當另一個Sink’執(zhí)行查詢Q’時，查找查詢資源復用的接入點，利用接入點中緩存查詢Q的信息，對Q’的執(zhí)行進行優(yōu)化。仿真結果表明，提出的方法可以減少多Sink查詢的能量消耗。 3．提出了基于緩存數據的傳感網靜態(tài)數

5、據Top k查詢修剪算法，減少了Top k查詢中響應節(jié)點的數目和能量消耗。Top k查詢可以獲取傳感網中傳感數據的極值分布。由于Top k查詢是一種全局性的聚集查詢，需要在所有數據集合中進行比較并獲取結果，能量消耗巨大。本文在分析了Top k查詢語義的基礎上，設計了基于緩存數據的Top k查詢優(yōu)化算法。通過執(zhí)行低能耗的“基本查詢”獲得全網的傳感數據分布信息，并將產生的響應數據在每個中繼節(jié)點上緩存。執(zhí)行Top k查詢時，利用緩存數據產生閥

6、值，根據閥值“修剪”查詢響應節(jié)點從而減少能量消耗。為了獲取更精確的閥值，本文設計了閥值廣度優(yōu)先搜索算法和閥值深度優(yōu)先搜索算法。執(zhí)行修剪算法后的傳感網Top k查詢響應節(jié)點，是傳感網節(jié)點的子集。本文設計了根據查詢樹梯度級別的數據聚集樹重構算法。仿真結果表明，以本文提出的算法進行傳感網Top k查詢能夠節(jié)省能最消耗。 4．提出了傳感網數據動態(tài)變化時的Top k查詢方法。根據緩存數據進行查詢定位，從定位區(qū)域開始執(zhí)行擴展查詢，節(jié)省了能量

7、消耗，提高了查詢結果準確性。環(huán)境的變化導致傳感網的傳感數據分布隨之發(fā)生變化。本文采用基于緩存的查詢修剪算法對Top k查詢源節(jié)點進行定位，感知數據值大于閥值的節(jié)點作為源節(jié)點。提出了兩種從源節(jié)點開始進行擴展查詢的方法。最近鄰居查詢法是對源節(jié)點周圍最近h跳以內的鄰居節(jié)點進行查詢；閥值判據方法是從源節(jié)點開始，對傳感數據值大于閥值的鄰居節(jié)點進行查詢。仿真結果表明，本文提出的Top k查詢方法，可以在傳感網數據變化時，減少能量消耗，并且在一定程度