探讨以XML为基础的传感网数据查询技术

第一章   绪论

目前的网络环境日益复杂，随着传感器网络、计算机网络和通信网络技术的不断进步，单一的网络结构已经越发不能满足人们多元化的需求，越来越多规模大、结构复杂的异构网络出现在实际应用中。原本应用在无线传感器网络中的简单数据结构不能有效地处理大型异构数据集合，作为 Web 传输标准 XML 适用于处理大型异构数据，在无线传感器网络中使用 XML 作为数据格式，可以有效地实现异构网络的互连。但由于 XML本身的自描述性，其数据格式的冗余度很大，对能量有限的传感器节点来说是一个瓶颈。因此找到一种基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法，并能有效支持动态查询，有利于在异构无线传感器网络中使用 XML 数据结构，降低网络中传输和处理数据的能耗，有助于提高传感器网络的寿命。分布式结构中的每个传感器都负责采集和感知数据的工作，系统按照一个设定的哈希函数找到一个与这个哈希函数值最匹配的节点，并将采集到的网络数据存储到该节点，这就是分布式哈希方法；在分布式结构中进行查询处理时，系统会使用和存储过程相同的哈希函数找到最匹配的传感器节点，并将查询处理请求分发到该节点，由该传感器节点来响应查询处理请求。这种分布式结构中的传感器节点需要承担所有的计算和通信开销，因此系统的通信开销较大，仅适合基于事件关键字的查询。论文的研究内容包括：(1) 研究现有的无线传感器网络数据查询技术相关知识，其中包括无线传感器网络数据查询技术的现有体系结构和处理流程、分类和方法，以及现有的无线传感器网络数据查询语言。(2) 研究并提出一种基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法。该方法消除了 XML 文档中重复节点带来的数据冗余，将 XML 文档结构信息和数据信息分开进行存放，在保存原XML 文档结构的前提下支持非解压查询。(3) 根据提出的基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法，设计基于该方法的无线传感器网络数据查询方法和数据聚合方法。(4) 使用仿真工具 OMNeT++对本文提出的方法进行仿真实验，从节点的内存消耗、数据压缩率以及节点能量消耗这几方面进行比较，对本文提出的方法进行分析和验证。
本文共分为六章：第一章 绪论。这一章介绍了本课题的研究背景及意义，现有的无线传感器网络系统相关研究进展，以及本论文研究工作的主要内容。第二章 无线传感器网络数据查询技术。首先介绍了无线传感器网络的概念和特点，以及无线传感器网络数据管理技术的概念、数据管理系统的系统特性和结构，然后介绍了无线传感器网络数据查询技术的体系结构、查询处理流程、查询分类和查询处理方法，随后介绍了现有无线传感器网络中的数据查询语言。第三章 XML 相关技术。这一章首先介绍了 XML 语言的主要特点，然后介绍了 XML 节点树的相关概念，最后对 XML 的两种常用的查询语言 XPath 和 XQuery 进行了说明，着重介绍了 XQuery 表达式类型以及 XPath 的路径组成部分。第四章 基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法。这一章首先总结了现有 XML 文档压缩方法，然后介绍了异构无线传感器网络的特点，对在异构无线传感器网络中使用 XML数据格式带来的数据冗余进行定义，然后提出了一种基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法，并对该方法的步骤和系统框图进行了详细说明。第五章 基于 TXC 的无线传感器网络数据查询与数据聚合。本章在第四章的基础上，提出了将第四章中提出的数据压缩方法应用在无线传感器网络的数据查询技术中的方法，详细说明了基于 TXC 方法的无线传感器网络数据查询过程和数据聚合过程。最后通过仿真实验，对本文提出的方法进行分析和验证。第六章 总结与展望。对本文进行总结，提出在本文中尚未解决的问题，以及未来可能的研究工作的方向。
  
第三章XML 相关技术 ........................................ 16
3.1 XML 的主要特点 ........................................... 16
3.2 XML 节点树 ...................................... 17
3.3 XML 查询语言 ............................................. 18
3.3.1 XPath .......................... 18
3.3.2 XQuery .............................. 19
3.4 本章小结 ...................... 21
第四章 基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法................ 22
4.1 现有的 XML 文档压缩方法............................. 22
4.2 基于 XML 的无线传感器网络数据压缩方法（TXC）........................... 23
4.2.1 异构无线传感器网络 .......................................... 23
4.2.2 XML 节点树与节点冗余....................................... 24
4.2.3 基于 XML 节点树的无线传感器网络数据压缩流程....................... 27
4.3 本章小结 ............................................. 32
第五章 基于 TXC 的无线传感器网络数据查询与聚合......................... 33
5.1 数据查询技术 ................................................... 34
5.2 数据聚合技术 ........................................................... 37
5.3 实验环境 ................................................ 40
 
总结
采用XML格式作为无线传感器网络的数据格式，可以有效地进行异构网络的数据交换，支持异构无线传感器网络的互连。由于XML本身的自描述性，其数据格式的冗余度很大，因此找到一种适用于无线传感器网络并能有效支持动态查询的XML数据压缩方法，是很有必要的。本文提出一种基于 XML 节点树的无线传感器网络数据压缩方法（Tree-based XML dataCompression algorithm in WSNs），简称 TXC 压缩方法。该方法在完整保存 XML 节点树结构信息的前提下，能够有效地消除 XML 重复结构信息带来的数据冗余，从而得到较高的 XML数据压缩效率。同时 TXC 方法将 XML 节点结构信息和节点数据信息分开存放，具有相同结构信息的节点间共享同一种结构信息，进一步节省了空间。本文还介绍了在 TXC 方法的基础上，无线传感器网络的数据查询方法和数据聚合方法。TXC 方法支持动态查询，不需要对压缩文件进行完全解压，就能快速定位和获取需要的查询数据，对内存和计算能力有限的无线传感器网络来说，具有较高的使用价值。通过 OMNeT++平台的仿真实验分析可以看到，TXC 方法可以获得较好的数据压缩率，基于 TXC 的数据查询方法可以对无线传感器网络内 XML 格式的数据进行有效处理和传输，异构网络的互连性得到了保证，同时还可以降低网络的能耗从而延长整个网络的使用寿命。由于时间和研究条件等的限制，本文的研究工作还存在许多不足，许多相关的研究还需要在以后不断改进和完善，以下是与本文相关的可能的研究方向：(1) 由于实验环境有限，本文的实验环境局限在 OMNeT++模拟仿真环境中，实际上物理环境和仿真环境的实验差距较大，因此日后相关的研究若能放在真实的物理实验平台下进行会得到更好的实用性。(2) 在无线传感器网络的节点数目和网络规模方面，可以考虑将本文提出的方法应用在大规模传感器网络中。(3) 本文的实验主要是结合了无线传感器网络当中较为常见且简单的 Flooding 路由协议，可配合其他无线传感器网络路由协议如平面路由协议 DD（Directed Diffusion，定向扩散路由）或层次路由协议 LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集簇分层型协议）加以实现。(4) 在未来可以考虑基于本文的方法进一步实现无线传感器网络的 Web 服务方法，使异构网络得到更高水平的互连，无线传感器网络的应用更加广泛和便利。
 
参考文献
[1] 张少平，汪英华，李国徽．无线传感器网络数据管理技术研究进展 [J]．计算机科学，2010，（06）：11-16.
[2] 李建中，李金宝，石胜飞．传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展 [J]．软件学报，2003，（10）：1717-1727.
[3] 李希明．无线传感器网络中面向节能的多查询优化研究[D].长沙:中南大学,2010.
[4] AKYILDIZ I F，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al．Wireless sensor networks: a survey[J]．Computer Networks，2002，38（4）：393-422.
[5] Fan Ye, Alvin C, Songwu L, and et al. Scalable Solution to Minimum Cost Forwarding in Large SensorNetworks[J]. In Tenth International Conference on Computer Communications and Networks 2001, Oct2001: 304-309.
[6] Extensible Markup Language (XML)[EB/OL].
[7] ABADI D J，LINDNER W，MADDEN S，et al. An integration framework for sensor networks and datastream management systems [C]. New York:Proceedings of the Thirtieth international conference on Verylarge data bases-Volume 30. VLDB Endowment. 2004: 1361-1364.
[8] CONSIDINE J，HADJIELEFTHERIOU M，http://www.dxlws.com/sslwdx/ LI F，et al．Robust approximate aggregation in sensor datamanagement systems [J]．ACM Transactions on Database Systems，2009，34（1）：1-35.
[9] MADDEN S R，FRANKLIN M J，HELLERSTEIN J M，et al．TinyDB: An acquisitional query processingsystem for sensor networks [J]．ACM Transactions on Database Systems (TODS)，2005，30（1）：122-173.
[10] YAO Y ，GEHRKE J ． The cougar approach to in-network query processing in sensor networks[J]．SIGMOD Rec，2002，31（3）：9-18.