摘  要： 提出了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多查詢的節(jié)能優(yōu)化方案,。該方案通過建立相似查詢判斷算法把多查詢中的相似查詢分為一組，并在每一組找一個(gè)能使傳輸能耗達(dá)到最小的中繼節(jié)點(diǎn)作為處理節(jié)點(diǎn),。組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都傳送到該處理節(jié)點(diǎn),，并由該節(jié)點(diǎn)利用數(shù)據(jù)處理函數(shù)處理數(shù)據(jù),然后再傳到基站。這樣就減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸量,，從而有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量,，達(dá)到能量的最大化利用。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),；多查詢,；相似查詢,；處理節(jié)點(diǎn)；能量

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組在地理上廣泛分布,、相互之間能夠利用無線信道進(jìn)行通信的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的,。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為接收節(jié)點(diǎn)也可以作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，并可以與多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信,，因此,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、電信,、環(huán)境,、軍事等領(lǐng)域。
    從無線傳感器中獲得數(shù)據(jù)主要是靠查詢,，通過查詢才能得到想知道的數(shù)據(jù),。目前對(duì)查詢的研究方案很多，但是很少有考慮到多查詢的相似性,。這樣傳感器網(wǎng)絡(luò)就會(huì)多收發(fā)很多數(shù)據(jù),，造成能量消耗。由于能量是影響網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵因素,，并且CPU的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎腫1],。因此數(shù)據(jù)傳輸在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗中占據(jù)主體地位。如何進(jìn)行相似查詢的處理,，如何減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎亩际羌庇诮鉀Q的重要問題,。
    針對(duì)以上問題，本文提出了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多查詢的節(jié)能優(yōu)化方案,。在基站同時(shí)存在多個(gè)查詢時(shí),，提出的方案通過建立相似查詢算法來判斷相似的查詢，并將相似的查詢分為一組,。然后在每一組中找一個(gè)能使傳輸能耗達(dá)到最小的中繼節(jié)點(diǎn)作為處理節(jié)點(diǎn),。組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都傳送到該處理節(jié)點(diǎn)，并在該節(jié)點(diǎn)利用已知的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來處理數(shù)據(jù),。這樣就減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸量。從而有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量,，達(dá)到能量的最大化利用,。
1 相關(guān)研究
    目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究很少，參考文獻(xiàn)[2]中針對(duì)多個(gè)查詢頻率的不同,，提出了一種節(jié)能的方法,，該方法雖然有效地減少了能量的消耗，但是返回?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較差,，返回?cái)?shù)據(jù)也不夠及時(shí),，同時(shí)也沒有考慮查詢的相似性,。參考文獻(xiàn)[3]和參考文獻(xiàn)[4]都是以數(shù)據(jù)為中心的方法，但都沒有考慮到查詢的相似性,。參考文獻(xiàn)[5]提出了一種低能耗的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)選取策略,，但是該策略只是在網(wǎng)絡(luò)密度低時(shí)比較實(shí)用。參考文獻(xiàn)[6,，7]則在多基站下來進(jìn)行相似查詢的分配,。以上這些文獻(xiàn)都沒有考慮在基站同時(shí)存在多個(gè)查詢時(shí)的相似性。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多查詢的節(jié)能優(yōu)化方案
    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在多個(gè)查詢時(shí)[8-10],，為了減少數(shù)據(jù)的傳輸量,，降低網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高數(shù)據(jù)傳輸效率,，提出了一種通過在多查詢中找相似查詢和處理節(jié)點(diǎn)的高效節(jié)能方案,。方案包括系統(tǒng)模型、相似查詢的判斷及分組和數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的選取幾個(gè)部分,。
2.1 系統(tǒng)模型的建立
    系統(tǒng)符合以下假設(shè)條件：
    （1）基站能量不受限制,，并且知道網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的位置信息。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)也知道自己的坐標(biāo)信息,。
    （2）若節(jié)點(diǎn)i和j在相互通信范圍內(nèi),，則i和j可以直接傳輸數(shù)據(jù)，若二者不能直接通信,，則其傳輸路徑長(zhǎng)度記為Dis(i,，j)，也就是i和j之間的跳數(shù),。
    （3）所有的查詢都持續(xù)一段時(shí)間,。
    （4）每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有一定的處理能力,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。
    （5）把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看做規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，并將這個(gè)網(wǎng)絡(luò)抽象為圖G=(V,E),，其中V=v1，v2,，…,，vn表示節(jié)點(diǎn)集合。節(jié)點(diǎn)vi的位置為(xi,，yi),，E表示邊集合，若vi,，vj在通信范圍內(nèi)就構(gòu)成了一條邊,。它們之間的距離表示為Dis(i，j),。
    如圖1所示,，基站B是坐標(biāo)的原點(diǎn)（0,，0），橫向右為X軸正向,，向下為Y軸正向,。圖中基站有3個(gè)查詢分布在網(wǎng)絡(luò)中，分別是S1,、S2和S3,，根據(jù)算法判斷出S1與S2相似，則把他們分為一組,，再找到該組的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)P1,。S3表示沒有相似的，自成一組,，找到它的處理節(jié)點(diǎn)為P2,。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)處理函數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而不同,，所以這里只是假設(shè)函數(shù)已知并可以在所有的傳感器節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行,。

2.2 相似查詢的判斷及分組
    （1）查詢相似的判斷
    每個(gè)查詢都包括要查詢的范圍和要查詢的信息（即屬性）。判斷兩個(gè)查詢相似是基于位置信息來判斷相似的,。
    算法思想：對(duì)于包含m和n個(gè)節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)查詢qi和qj,，掃描每個(gè)查詢節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后進(jìn)行比較,，一旦這兩個(gè)查詢有相同的坐標(biāo),，則這兩個(gè)查詢相似。
    算法描述如下：
    Similar(qi,，qj)
    {
        Int i,，j；//i和j分別表示qi和qj中節(jié)點(diǎn)
        For(i=1→m)
            For(j=1→n)
                If(i坐標(biāo)=j坐標(biāo))
                    則qi和qj相似,。
    }
    （2）相似查詢的分組
    算法思想：先將k個(gè)查詢(q1,，q2，…,，qk)初始化為k個(gè)組,，每個(gè)查詢對(duì)應(yīng)一個(gè)組，分別用b1,，b2,，…，bk表示,。然后比較這些組,，將所有相似的查詢都分為一組,。
    算法描述如下：
    Group(b1,，b2,，…，bk)
    {
        n=k,；
        for(i=1→k-1)
          {    
            for(j=i+1→k)
            {
              If(similar(bi,，bj)成立)
            {
              則  bi←bj；清空bj,；    
              For(m=j→k)
                bm←bm+1,；
                k--；
            }
          }
        if(k<n) Group(b1,，b2,，…，bk),；
        }
    }
    通過以上算法將基站的查詢分為k1(k1≤k)個(gè)組,，且每個(gè)組內(nèi)的查詢都是基于地理位置相似的。
2.3 數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的選取
    將基站的查詢分組后,，下面分別在這k1個(gè)組找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn),。前面說過，節(jié)點(diǎn)離數(shù)據(jù)源越近,，越能夠節(jié)省傳輸?shù)哪芰縖11-12],。所以把組內(nèi)的幾何中心作為該組的數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)。這樣組內(nèi)節(jié)點(diǎn)到達(dá)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的平均距離就達(dá)到最小,，消耗的能量也就達(dá)到最小,。
    具體選法如下：
    假設(shè)組內(nèi)共有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，組內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布均勻,。設(shè)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為P（x,，y），則數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為：
    
    for(i=1…m)
    {
        int xmax,，xmin,；
        xmax=x1；
        xmin=x1,；
        if(xi>xmax)
          xmax=xi,；
        if(xi<xmin)
          xmin=xi；
　　}
    同理可以求得min(y1,，…,，ym)和max(y1，…,，ym),。
    數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為（x，y）,，即組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都傳送到該處理節(jié)點(diǎn),，并在該節(jié)點(diǎn)利用已知的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來處理數(shù)據(jù),，然后再傳送給基站。這樣就減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸量,。從而有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能量,，達(dá)到能量的最大化利用。
3 效率與性能分析
    對(duì)于圖1所示的網(wǎng)絡(luò)模型,，設(shè)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,，S1與S2相似，則S1與S2分一組為P1,，由圖可以知道組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),，則可以算出組內(nèi)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的位置為P1(6，3),，設(shè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率相等且一定為r,，單位數(shù)據(jù)大小為s。用本文的方法傳輸數(shù)據(jù)在一定時(shí)間T內(nèi)組內(nèi)節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)消耗的能量為C=19rsT,，則在數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)總的數(shù)據(jù)量大小為14rsT,，在P1節(jié)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，因?yàn)檫@兩個(gè)查詢有重合數(shù)據(jù),，所以在P1節(jié)點(diǎn)發(fā)送出的總數(shù)據(jù)大小為10rsT,。則從P1點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)到基站所需的能量為90rsT，即該方案總的能量大小為C1=109rsT,。
    如果不對(duì)相似查詢進(jìn)行處理,，即所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站，則這樣的能量消耗為C2=123rsT,。由此可見使用該方案可以很有效地減少傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量,。
    參考文獻(xiàn)[5]提出一種找數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的方法，主要針對(duì)單查詢情況,，并沒有考慮多查詢,，也沒有考慮查詢的相似性。主要考慮了三部分的能量,，即數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的能量,、數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)到基站的能量和基站發(fā)送數(shù)據(jù)處理函數(shù)到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的能量。然后以這三部分能量和的最小化來求出數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),。因?yàn)槟芰肯牡亩嗌倥c數(shù)據(jù)量有關(guān),，這里雖然考慮了總的能量關(guān)系，但是還不能達(dá)到能量最小,，因?yàn)樗葞缀沃行牡姆椒ㄔ黾恿藦臄?shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的距離,，且這部分的數(shù)據(jù)量比較大，所以這種方法增加了能量的消耗。
    采用以幾何中心作為數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的方法,，可以大大減少?gòu)臄?shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的距離,，數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)到基站的距離雖然有所增加，但是這段距離傳輸?shù)氖翘幚砗蟮臄?shù)據(jù),，相比處理前的數(shù)據(jù)量大為減少，所以總的能耗就會(huì)減少,。
    本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的多查詢情況,，提出了一種節(jié)能的數(shù)據(jù)查詢方法，經(jīng)分析表明,，該方法能夠有效地減少數(shù)據(jù)的傳輸量,，從而降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔚趙春,，周水庚,，關(guān)佶紅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問研究進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2008,，36(10)：2001-2010.
[2] 陳穎文,，徐明，虞萬榮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多頻率查詢的節(jié)能優(yōu)化[J].電子學(xué)報(bào),，2008,，36(4)：701-708.
[3] 蔚趙春，周水庚,，肖斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中自適應(yīng)數(shù)據(jù)存取[J].軟件學(xué)報(bào),，2008，19(1)：103-115.
[4] 郭龍江,，李建中,，李貴林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時(shí)-空查詢處理方法[J].軟件學(xué)報(bào)，2006,，17(4)：794-805.
[5] 陳穎文,，徐明，吳一.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選取[J].軟件學(xué)報(bào),，2007,，18(12)：3104-3114.
[6] XIANG Shi Li，ZHOU Yong Luan,，HOCK B L,，et al.Query allocation in wireless sensor networks with multiple base station[J].Lecture Notes in Computer Science，2009(5463)：107-122.
[7] XIANG S,，LIM H B,，TAN K L，et al.Similarity-aware  query allocation in sensor networks with multiple base  stations.In：Proc.of DMSN.2007.
[8] LING Hui，ZNATI T.Similarity based optimization for multiple query processing in wireless sensor networks[J].Lecture  Notes in Computer Science,，2009,，5516：117-130.
[9] TRIGONI N，YAO Yong,，DEMERS A,，et al.Multi-query optimization for sensor networks[J].Lecture Notes in Computer Science，2005,，3560：307-321.
[10] AKYILDIZ l,，SU W，SANKARASUBRAMANIAM Y,，et al. A survey on sensor networks.IEEE Communications Magazine,，2002，40(8)：102-114.
[11] 付雄,，王汝傳,，鄧松.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種能量有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2009,，46(12)：2111-2116.
[12] 楊挺,，孫雨耕，王燕琳,，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合機(jī)制的能量有效性研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,，2007，24(10)：95-98.