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无线传感器网络中轮廓查询处理技术研究

信俊昌  
【摘要】: 近年来,无线传感器网络以其重要的价值逐渐应用到国民经济的各个领域。同时,作为重要的多目标决策分析工具,轮廓查询在传感器网络应用中也发挥着越来越重要的作用。尽管无线传感器网络中的感知数据管理技术和数据库领域中的轮廓查询处理与优化技术都存在着大量的研究成果,然而都无法直接应用到无线传感器网络环境中,原因在于:(1)在无线传感器网络中,传感器节点的计算能力、存储能力以及电池电量都非常有限,传统数据库领域中的轮廓查询算法没有考虑到无线传感器网络的这些特殊性质;(2)在轮廓查询中,元组之间的支配关系是一种偏序关系,轮廓查询与感知数据管理技术中经常研究的聚合查询、连接查询和Top-k查询等存在显著的不同。 本文针对无线传感器网络中的轮廓查询及其相关问题进行了详细的分析和深入的研究。本文的贡献点可概括如下: (1)研究了无线传感器网络中滑动窗口轮廓查询问题。根据轮廓查询的可分解性,提出了基于合并的滑动窗口轮廓查询算法MBA;以MBA算法为基础,提出了通过在传感器节点设置过滤器来减少中间结果传输量的滑动窗口轮廓查询算法FBA。实验结果表明,FBA算法可以有效地减少在网络中执行连续滑动窗口轮廓查询时的通信代价。 (2)针对传感器网络应用的特点,引入了近似轮廓查询的概念,提出了利用轮廓中的部分元组代替精确轮廓的基于选择的近似轮廓查询算法SBS;针对多层选择后近似轮廓的结果精度无法保证的问题,提出了基于映射的近似轮廓查询算法MBS。该算法通过将实数域中的大量元组映射为整数域内的少量元组的方法来减少传感器节点的数据传输量。实验结果表明,MBS算法在保证了近似轮廓结果精度的同时,极大地减少了无线传感器网络中的通信代价。 (3)研究了无线传感器网络中的轮廓监控问题,提出了分别利用本地过滤器和全局过滤器来抑制无用数据传输的自底向上的轮廓监控算法BSM和自顶向下的轮廓监控算法TSM;以BSM和TSM算法为基础,提出了充分利用两种过滤方式优点的混合轮廓监控算法HSM。实验结果表明,HSM算法只传输少量的数据就达到了对无线传感器网络中的轮廓实时地进行监控的目的。 (4)针对无线传感器网络的多用户特点,提出了无线传感器网络中多轮廓查询的高效执行问题,设计了能量高效的多子空间轮廓查询算法EMSE。EMSE算法利用基站的高计算能力,通过将查询进行重写,减少了查询的传播代价,并且避免了一部分轮廓结果的重复传输;同时利用传感器节点共享信道等特点,提出了共享结果传输和网内过滤等技术,达到了进一步减少网络中通信代价的目的。实验结果表明,EMSE算法在正确计算各子空间轮廓查询结果的同时,避免了大量查询单独执行所产生的巨大通信代价,是一种能量高效的多子空间轮廓查询算法。


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