非自由部署空间中无线传感器网络查询处理技术研究

Wireless sensor networks are data-centric networks. The main purpose of using them by users is to query the sensor readings generated. Therefore, whether or not wireless sensor network can be widely used depends on the efficiency of query processing technologies. The existing query processing techniques assume that wireless sensor networks are deployed in two-dimensional or three-dimensional free-space. They can not apply to wireless sensor networks in constrained environments such as roads, pipelines, coal mines roads, indoor environments. Query processing techniques for wireless sensor networks in constrained environment is still in its infancy. Taking radio links as the query subject, we first study cut query processing techniques to identify the nodes whose failures will partition whole network. The query result of cut query provides a basis for decision making for network diagnostics and re-deploymentbe. Then，we study the query processing methods and techniques over sensory data for wireles sensor networks in constrained environments, including data collection, data aggregation, spatio-temporal window query and K-nearest neighbor query which are typical queries. The ultimate goal of this project is to develop a sensor data and topology query processing prototype system for wireless sensor network in constrained environments which will serve as a middleware for wireless sensor network applications.

无线传感器网络是以数据为中心的网络，用户部署它的主要目的是查询其产生的感知数据，因此，高效的查询处理技术是无线传感器网络得以广泛应用的前提和重要基石。现有查询处理技术假设无线传感器网络部署于二维或三维自由空间中，不适用于部署于道路、管道、煤矿矿道、室内等受限环境中的无线传感器网络。目前针对非自由部署空间中无线传感器网络查询处理技术的研究仍处于空白状态，本项目首先以网络本身的链路信息为查询对象，研究割点查询技术，找出失效后会导致网络不连通的节点，为网络诊断和重部署提供决策依据；然后以感知数据为查询对象，研究非自由部署空间中无线传感器网络感知数据的查询处理方法和技术，包括数据收集、数据聚集、空间范围和K近邻四种典型的查询。本项目的最终目的是研制一个自主知识产权、面向非自由部署空间的无线传感器网络感知数据和网络拓扑查询原型系统，为无线传感器网络应用提供支撑软件。

本项目面向道路、管道、煤矿矿道、室内监控等无线传感器网络应用，研究了部署在受限空间中的无线传感器网络查询处理关键方法和技术，包括面向网络拓扑信息的拓扑查询技术，面向感知数据的数据收集、数据聚集、空间范围和K 近邻查询技术。主要贡献和技术突破如下：1、提出了一种在查询区域内构造多棵路由树的协议，并提出了一种低能耗的无线传感器网络时空查询处理算法，理论和实验结果表明，基于多路由树的时空查询处理算法是可行的，且在绝大多数情况下，多棵路由树在能量消耗方面优于单棵路由树；2、空间范围查询处理算法的能耗取决于三个参数：查询消息的转发次数、返回至Sink节点的感知数据数目、平均每个感知数据发送至Sink节点的转发次数。现有技术仅优化了其中的一个参数，而忽略了另外两个参数，导致能耗较大，提出了一种对以上三个参数进行全盘优化的空间范围查询处理方法；3、提出了综合考虑网络拓扑变化、网络链路质量、网络“空洞”的K近邻查询处理算法，实验结果表明，在绝大多数情况下，提出算法在能量消耗、查询成功率方面均优于现有的算法；4、现有空间范围查询算法在网络拓扑发生变化、节点失效时，无法动态调整查询计划，导致查询成功率低，查询结果不正确，提出了一种基于子区域划分的自适应的查询处理技术，理论和实验结果表明该技术在能量消耗和查询成功率方面均优于现有的技术；5、对于无线传感器网络收集的包括关键字描述的空间数据，设计了基于查询关键词权重的关键词相关度计算公式。对IR-tree索引进行了扩展，提出了支持近义关键词匹配的SKNIR-tree索引，并基于SKNIR-tree提出了高效的协同空间关键词Top-k查询处理算法（TKCSK）；6、研制了一个具有自主知识产权的无线传感器网络感知数据和网络拓扑查询原型系统，为受限环境中的无线传感器网络应用提供支撑软件；