無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀的物理信息，并且可以布置在人類比較難以接近的區(qū)域，因而在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的數(shù)據(jù)，并通過多跳的無線通信發(fā)送給用戶，用戶據(jù)此作出判斷。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的

2、關(guān)鍵技術(shù)。
　　 實(shí)時(shí)應(yīng)用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要應(yīng)用之一，比如搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事打擊和防御等，需要系統(tǒng)能夠提供及時(shí)的服務(wù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理是滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的主要技術(shù)保障，因此本文對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
　　 (1)提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理的框架。研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性主要性質(zhì)，分析了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，通信實(shí)時(shí)性和查詢實(shí)時(shí)性的主要特征。討論了支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理的技術(shù)特點(diǎn)和相互關(guān)系，從數(shù)據(jù)模

3、型、查詢語言、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢處理等方面提出實(shí)時(shí)性要求。
　　 (2)提出了基于多級映射索引的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法(MIS)，以支持大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在的實(shí)時(shí)周期查詢和Ad hoc查詢。該方法綜合周期查詢的響應(yīng)時(shí)間約束和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，將網(wǎng)絡(luò)劃分為三個(gè)層次，處于不同層次的節(jié)點(diǎn)分別采用了本地存儲(chǔ)、以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)和外部存儲(chǔ)的方式。基于層次存儲(chǔ)設(shè)計(jì)了一種多級映射索引，上一級索引可以映射下一級數(shù)據(jù)的情況，查詢在訪問中間層節(jié)點(diǎn)時(shí)即可

4、及時(shí)地訪問底層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且可以抑制變化不大的數(shù)據(jù)的傳輸，從而滿足不同查詢延遲約束的請求和能量有效的要求。與本地存儲(chǔ)、外部存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)相比，該方法能夠大量的節(jié)約能量代價(jià)。
　　 (3)提出了基于緩沖區(qū)的實(shí)時(shí)查詢處理方法，以解決大型網(wǎng)絡(luò)因長距離傳輸而導(dǎo)致查詢錯(cuò)過截止期的問題。該方法基于MIS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中建立查詢處理緩沖區(qū)，緩存數(shù)據(jù)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于查詢截止期等因素來設(shè)置合適的查詢映射窗口的查詢處理方法

5、，使查詢在其中得到及時(shí)處理。建立緩沖區(qū)查詢處理系統(tǒng)模型，分析查詢到達(dá)、查詢處理、和結(jié)果輸出的過程，將其抽象為排隊(duì)模型，并根據(jù)輸入速度和服務(wù)能力確定緩沖區(qū)合適的寬度，并可動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)各層次的位置和寬度。查詢緩沖區(qū)的查詢處理方法在節(jié)約能量代價(jià)、滿足查詢截止期方面比平均劃分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MIS方法更有效。
　　 (4)提出了一種基于松弛因子的實(shí)時(shí)查詢處理算法，支持實(shí)時(shí)而且能量有效的全網(wǎng)查詢處理。根據(jù)查詢處理響應(yīng)時(shí)間的約束程度和聚集計(jì)算方法

6、提出了松弛因子的概念，并且根據(jù)查詢操作的選擇度和路由策略的選擇提出了數(shù)據(jù)傳遞模式的概念，利用這些因素制定了有效的實(shí)時(shí)查詢計(jì)劃。首先，根據(jù)查詢操作的選擇度確定其執(zhí)行的場地和順序；然后，根據(jù)松弛因子計(jì)算跳步數(shù)的閾值，并對比節(jié)點(diǎn)的跳步數(shù)和閾值的關(guān)系，從而將節(jié)點(diǎn)劃分為不同的集合，每個(gè)集合中的節(jié)點(diǎn)采用同一種數(shù)據(jù)傳遞方式。利用這種查詢處理方法比僅使用網(wǎng)內(nèi)計(jì)算或集中計(jì)算有效地提高在截止期內(nèi)查詢的準(zhǔn)確率和減少查詢能量消耗。
　　 (5)提出了基

7、于時(shí)空關(guān)聯(lián)模型的實(shí)時(shí)事件檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)保證事件檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時(shí)，通過時(shí)間預(yù)測動(dòng)態(tài)改變執(zhí)行時(shí)間來滿足用戶對事件響應(yīng)時(shí)間約束的要求。時(shí)空關(guān)聯(lián)模型包括時(shí)間關(guān)聯(lián)判斷和空間關(guān)聯(lián)判斷兩個(gè)過程，首先通過時(shí)間關(guān)聯(lián)判斷去掉產(chǎn)生頻率較小的暫時(shí)性錯(cuò)誤，然后通過空間關(guān)聯(lián)判斷去掉壞損節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的永久性錯(cuò)誤。同時(shí)考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限的特點(diǎn)，提出了協(xié)作組輪流工作，組長輪班工作的方法以延長網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間，模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法對事件檢測準(zhǔn)確性、節(jié)能性和實(shí)時(shí)性

8、較好。
　　 (6)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理框架和已有的研究工作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模擬測試系統(tǒng)(WSNDM)，系統(tǒng)整合了本文提出的存儲(chǔ)、索引、查詢、調(diào)度等無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理中的必要操作，除了實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了本文提出的各種數(shù)據(jù)管理理論和方法之外，還實(shí)現(xiàn)了多種現(xiàn)有技術(shù)以供對比。
　　 總之，本文研究了有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理中數(shù)據(jù)模型、存儲(chǔ)及索引、查詢處理、實(shí)時(shí)事件檢測等幾個(gè)基本問題，并提出了相關(guān)的支持技