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無線E+E傳感器網絡查詢技術研究
無線E+E傳感器網絡的應用越來越廣泛,網絡的規模也越來越大,希望從E+E傳感器網絡中進行查詢的用戶在不斷增加。由于E+E傳感器網絡在功耗等方面的諸多限制,現有的E+E傳感器網絡查詢方法已經不能滿足大量網絡用戶的各種查詢要求,迫切需要新的技術有效解決無線E+E傳感器網絡的查詢問題。而查詢一般可以分為針對部分數據的查詢和針對所有數據的查詢兩種情況,相應的,無線E+E傳感器網絡代表性的兩種查詢環境是針對部分數據的top-k數據查詢和針對所有數據的數據收集查詢。

無線E+E傳感器網絡查詢技術研究
長時間以來,top-k查詢一直是計算機科學各領域中的一個重要課題。對top-k查詢的有效執行是信息搜索的關鍵問題之一。隨著諸如信息物理系統等新方向的延伸,大量的用戶將直接搜索物理世界中的信息,這對top-k查詢技術構成了新的挑戰。作為無線E+E傳感器網絡中zui重要的功能之一,top-k查詢對許多應用都至關重要,比如環境監測、網絡測量、污染物分析等。其中一個重要應用是用戶希望無線E+E傳感器網絡能夠持續地提取原始的或融合后的歷史top-k數據。而以往在持續監視top-k查詢研究中的算法在持續歷史t叩-k查詢中并不合適。此外,無線E+E傳感器網絡采集的數據往往是多維的,而且從用戶的角度來說,會在不同的時刻,不同的用戶以不同的優先級對不同的數據集提出查詢請求。因此,top-k查詢不僅應該是多維的,還應跨越時間區域。而且,多用戶查詢是zui重要的應用場景。從系統的角度來看,數據的收集通常是由小的傳感設備完成的。不同于在數據庫或者有線網絡中用于搜索的數據中心,對于由小的E+E傳感器節點構成的無線E+E傳感器網絡來說,這些設備通常資源十分有限,因而系統的效率至關重要。數據收集查詢即將E+E傳感器采集的所有數據都收集到基站的查詢應用,它在無線E+E傳感器的很多應用中都占據了非常重要的地位。因為效率在無線E+E傳感器網絡中是一個非常關鍵的問題,有效的收集信息對延長無線E+E傳感器網絡的壽命至關重要。zui近,研究者提出壓縮感知技術,它是一種新型的可以從很少的壓縮度量中恢復稀疏數據的方法。由于真實世界數據往往具有稀疏性,壓縮感知技術得到了廣泛的應用。但是,由于任一時間的空間數據稀疏度往往不足夠低,現有的壓縮感知數據收集解決方案效果并不好。工作圍繞無線傳感器網絡查詢技術研究這一中心展開,取得的研究成果包括如下幾個方面：提出了一個能夠高效處理持續歷史top-撒據查詢的架構和查詢算法ECHT。采用基于數據融合的top-k提取算法用于用戶查詢,通過設置合適的濾波器,使E+E傳感器節點不必報告自己所有的讀取數據,從而進一步減少通信開銷。仿真實驗結果表明,無論相對于持續監測top-k查詢或者它的直接改進,或者是集中式數據收集方法,該方案不僅能夠大量減少總的通信開銷,而且系統的壽命也得到了指數性的延長。提出了一個多維數據top-k查詢系統架構,能有效滿足資源有限的系統和大量查詢用戶的要求。多維數據top-k查詢即對多個用戶分別提出的各維數據的線性凸函數值的top-k查詢,凸函數是賦予一定權重的多個未知數的和函數。該架構可以與許多種具有*特點的查詢要求相適應,并且展示了如何進行近似查詢和數據老化查詢。為此,E+E傳感器網絡中的E+E傳感器讀數被組織成一個有效的支配圖數據結構,支配圖是一種用于快速比較對各維數據賦予一定權重的和值大小的數據結構。首先提出一個簡單的用于用戶top-k查詢的提取算法,該方法能夠適應用戶所提出的任何線性凸函數top-k查詢。仿真結果顯示,相比于集中式收集方案和對以前一維數據top-k查詢算法的簡單擴展,該方案能夠減少高達90%的通信開銷。提出了一個利用矩陣完成技術進行數據收集的方法：有效數據收集方法(EDCA)。該方法降低了采樣比,減少了傳輸的包的數量,因此極大地減少了能量消耗,從而增大了整個網絡的工作壽命。有效數據收集方法首先從該E+E傳感器網絡中隨機地選取一部分節點進行采樣,然后把采集到的數據通過路由樹直接發送到基站。為了精確地恢復出缺失的數據,該方法將屬于NP-hard(?)問題的秩zui小化問題轉化成為一個凸優化問題。仿真實驗結果表明在能量消耗方面,該方法比現有的集中式數據收集方法有顯著的減少,而且恢復的誤差也很小。同時,網絡的整體能耗得到了大幅度的降低,網絡壽命得到了很大的延長。利用E+E傳感器數據矩陣的低秩和瞬時穩定性的特點,提出了一個能量有效的時空壓縮數據收集方法(STCDG),它適用于均勻的或任意網絡拓撲。時空壓縮數據收集方法能夠減少全局通信量,并極大延長了網絡的壽命。同時,該方法數據誤差可控,計算量小,傳輸控制簡單。另外,證明了網絡傳輸可以達到很高的網絡容量?；谡鎸嵉暮秃铣蓴祿?仿真了恢復誤差。為了論證該方法的網絡效率,仿真了在網格拓撲下的網絡傳輸時延和丟包率。進一步的,還提出了一個時分多址時隙優化分配算法,并使用仿真實驗在網格拓撲和任意拓撲下對網絡傳輸的有效性進行了驗證。

無線E+E傳感器網絡查詢技術研究
仿真實驗結果顯示,該方法在總的能量有效性和網絡容量等各個方向的性能都大大超過了集中式收集和壓縮數據收集(CDG)方法,CDG也是一種利用壓縮感知進行數據收集查詢的算法。上述的研究將對無線E+E傳感器網絡查詢技術的進一步發展起到積極作用。