一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具體設(shè)及一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k 查詢方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物聯(lián)網(wǎng)是通過各種傳感器設(shè)備，將物品與網(wǎng)絡(luò)連接起來，進行信息交換與通信W 及實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部 分，傳感器節(jié)點在信息獲取與處理過程中發(fā)揮了重大作用。
[0003] Top-k查詢作為物聯(lián)網(wǎng)查詢應(yīng)用的重要內(nèi)容，在多個領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，如環(huán)境 污染監(jiān)測、動物保護及目標跟蹤等；用戶可根據(jù)自身需要查詢監(jiān)測區(qū)域內(nèi)前k個最大（或最 ?。└兄担鐪囟?、污染指數(shù)等，從而起到森林預(yù)警、判斷污染程度較高地區(qū)的作用，然而 傳感器節(jié)點能量嚴格受限，因此設(shè)計高效的查詢算法對降低網(wǎng)絡(luò)能耗、延長傳感器節(jié)點壽 命至關(guān)重要。
[0004] 目前提出的分布式Top-k查詢方法大都是基于某種邏輯拓撲樹，按照拓撲樹進行 數(shù)據(jù)匯聚查詢能減少大量通信開銷。如Wu等人基于最短路徑樹SPT提出的FILA算法，SPT Wsink為根節(jié)點，其余節(jié)點均有到sink的最短路徑，但FILA算法忽略了各節(jié)點接收探測 信息的能耗，與實際不符，每一輪查詢，若節(jié)點感知值沒有超出過濾范圍，則不向sink發(fā)送 更新值，故查詢結(jié)果不準確。
[0005] 為了滿足查詢準確性，Balijeet等提出了基于支配集樹DST的查詢算法EXT0K，該 算法為每個節(jié)點設(shè)置過濾闊值來決定其下一輪是否向sink發(fā)送更新值，但其DST的構(gòu)建主 要選擇鄰節(jié)點多的作為支配節(jié)點，未考慮節(jié)點自身能量和與鄰節(jié)點通信開銷，當查詢次數(shù)、 k值增大時，存在sink附近節(jié)點能耗不均，過早死亡的問題，且EXT0K算法中TM-node需每 輪向sink發(fā)送更新值，導(dǎo)致一些值的無效發(fā)送。
[0006] 湯等人基于層次索引樹提出了新穎的top-k查詢算法，同樣存在頭結(jié)點選取未考 慮自身能量而過早死亡等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù) 據(jù)的分布式Top-k查詢方法，本發(fā)明從構(gòu)建邏輯拓撲樹和基于樹設(shè)計top-k查詢方法兩方 面來提供一種能量均衡、高效的物聯(lián)網(wǎng)分布式數(shù)據(jù)Top-k查詢方法。
[000引技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，包括W下步驟：
[0009] (1)構(gòu)建最優(yōu)查詢樹：
[0010] (11)網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點選取，即網(wǎng)絡(luò)支配節(jié)點的選取，具體過程如下：
[0011] (111)節(jié)點狀態(tài)和能量信息的初始化，各節(jié)點初始均為未處理狀態(tài)，即flag= 0， 并通過能量代價函數(shù)算得相應(yīng)的能量代價值，該能量代價函數(shù)綜合考慮了節(jié)點度數(shù)、自身 剩余能量w及與鄰節(jié)點通信開銷，是最后所得查詢結(jié)果更加精準；
[0012] (112)代價信息交換：各節(jié)點發(fā)送hello消息包和能量代價消息包，并與其鄰節(jié)點 交換代價信息；
[0013] (113)節(jié)點狀態(tài)信息廣播；
[0014] (12)連通支配集構(gòu)造；包括支配信息存儲和連接節(jié)點選擇；
[001引（蝴根節(jié)點選擇，即sink節(jié)點的選擇，包括W下步驟：
[0016] (131)在步驟（12)所得連通支配集基礎(chǔ)上，保留支配節(jié)點與其被支配節(jié)點之間的 邊，其余邊均去除；
[0017] (132)若一個被支配節(jié)點同時被兩個支配節(jié)點支配，則優(yōu)先選擇有較少被支配節(jié) 點的節(jié)點作為其支配節(jié)點，其次再選擇距離近的節(jié)點作為其支配節(jié)點；
[001引 （13如最優(yōu)查詢樹根節(jié)點由各節(jié)點按ID號輪流擔任，打破了W往查詢過程中sink節(jié)點唯一的傳統(tǒng)；
[0019] (2)基于步驟（1)所得的最優(yōu)查詢樹進行top-k查詢：
[0020] (21)查詢初始化，其具體過程為：
[0021] (211)數(shù)據(jù)匯聚發(fā)送：在最優(yōu)查詢樹中，各葉子節(jié)點將感知值發(fā)送至其父親節(jié)點 匯聚，先由父親節(jié)點在本地進行Top-k查詢，再將查詢結(jié)果發(fā)送至其父節(jié)點，如此匯聚發(fā)送 到達根節(jié)點；
[0022] (212)首輪top-k查詢；根節(jié)點收到孩子節(jié)點發(fā)送的匯聚感知值后，將其降序排序 得到k個最大值；
[0023](213)過濾值發(fā)送；根節(jié)點將第k個最大值設(shè)為過濾值T，并廣播發(fā)送給各孩子節(jié) 點，過濾值T用于抑制連續(xù)top-k查詢中的數(shù)據(jù)更新值發(fā)送；
[0024] (214)節(jié)點狀態(tài)初始化；首輪查詢結(jié)果中，top-k值中的節(jié)點成為TM-node即監(jiān)測 節(jié)點，而非top-k值中的節(jié)點成為F-node即過濾節(jié)點；
[0025] (22)數(shù)據(jù)更新值發(fā)送，依次包括監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)更新、過濾節(jié)點數(shù)據(jù)更新W及根節(jié) 點發(fā)送探測信息S個步驟，其中當監(jiān)測節(jié)點、過濾節(jié)點數(shù)據(jù)更新值value〉T時才向根節(jié)點 發(fā)送更新值；
[0026] (23)sink節(jié)點top-k查詢，根節(jié)點將接收到的所有更新值降序排序，并設(shè)置新過 濾值T' =min(top-k)，即top-k中最小值，將T'發(fā)送至各節(jié)點，同時各節(jié)點更新狀態(tài)。
[0027]進一步的，所述步驟（111)中各節(jié)點初始狀態(tài)標志flag= 0,均表示為未處理節(jié) 點，某節(jié)點Vi的能量代價值計算公式為：
[002引
【主權(quán)項】
1. 一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 構(gòu)建最優(yōu)查詢樹： (11) 網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點選取，即網(wǎng)絡(luò)支配節(jié)點的選取，具體過程如下： (111) 節(jié)點狀態(tài)和能量信息的初始化，各節(jié)點初始均為未處理狀態(tài)，即flag=0,并通 過能量代價函數(shù)算得相應(yīng)的能量代價值； (112) 代價信息交換：各節(jié)點發(fā)送hello消息包和能量代價消息包，并與其鄰節(jié)點交換 代價信息； (113) 節(jié)點狀態(tài)信息廣播： (12) 連通支配集構(gòu)造；包括支配信息存儲和連接節(jié)點選擇； (13) 根節(jié)點選擇，即sink節(jié)點的選擇，包括以下步驟： (131) 在步驟（12)所得連通支配集基礎(chǔ)上，保留支配節(jié)點與其被支配節(jié)點之間的邊， 其余邊均去除； (132) 若一個被支配節(jié)點同時被兩個節(jié)點支配，則先選擇有較少被支配的節(jié)點為其支 配節(jié)點，其次再選擇距離近的節(jié)點作為其支配節(jié)點； (133) 最優(yōu)查詢樹根節(jié)點由各節(jié)點按ID號輪流擔任； (2) 基于步驟（1)所得的最優(yōu)查詢樹進行top-k查詢： (21) 查詢初始化，其具體過程為： (211) 數(shù)據(jù)匯聚發(fā)送：在最優(yōu)查詢樹中，各葉子節(jié)點將感知值發(fā)送至其父親節(jié)點匯聚， 先由父親節(jié)點在本地進行Top-k查詢，再將查詢結(jié)果發(fā)送至其父節(jié)點，如此匯聚發(fā)送到達 根節(jié)點； (212) 首輪top-k查詢：根節(jié)點收到孩子節(jié)點發(fā)送的匯聚感知值后，將其降序排列得到 k個最大值； (213) 過濾值發(fā)送：根節(jié)點將第k個最大值設(shè)為過濾值t，并廣播發(fā)送給各孩子節(jié)點， 過濾值t用于抑制連續(xù)top-k查詢中的數(shù)據(jù)更新值發(fā)送； (214) 節(jié)點狀態(tài)初始化：首輪查詢結(jié)果中，top-k值中的節(jié)點成為TM-node即監(jiān)測節(jié)點， 而非top-k值中的節(jié)點成為F-node即過濾節(jié)點； (22) 數(shù)據(jù)更新值發(fā)送，依次包括監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)更新、過濾節(jié)點數(shù)據(jù)更新以及根節(jié)點發(fā) 送探測信息三個步驟，其中當監(jiān)測節(jié)點、過濾節(jié)點數(shù)據(jù)更新值value〉t時才向根節(jié)點發(fā)送 更新值； (23) sink節(jié)點top-k查詢，根節(jié)點將接收到的所有更新值降序排序并設(shè)置新過濾值 t' =min(top-k)，即top-k中最小值，將t'發(fā)送至各節(jié)點，同時各節(jié)點更新狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于，所述 步驟（111)中各節(jié)點初始狀態(tài)標志flag=0,均表示為未處理節(jié)點，某節(jié)點Vi的能量代價 值計算公式為：
其中NBj(Vi)表示節(jié)點Vi的第j個鄰節(jié)點，n(vJ為節(jié)點Vi的度數(shù)，即鄰節(jié)點個數(shù)， EtoithiGi)為初始乘Ij余能量
示節(jié)點Vi與其鄰節(jié)點的通信開銷包 括發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能量消耗，計算公式為：
上述a、c分別表示物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射和接收電路消耗的能量，b為功率放大消耗的能量，匕為 一個數(shù)據(jù)包的比特數(shù)，d(Vi，NBj(Vi))為節(jié)點Vi與其第j個鄰節(jié)點的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于，所述 步驟（112)中在進行代價信息交換時，若節(jié)點Vi滿足： Ec〇st(Vi)<min(Ecost(NB(vj))), 則Vi成為支配節(jié)點，即flag(v) =1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于，所述 步驟（113)的具體過程為： 支配節(jié)點Vi向鄰節(jié)點廣播支配信息，若鄰節(jié)點vj收到支配信息后且flag(vj) =0， 成為被支配節(jié)點，并向其鄰節(jié)點廣播被支配信息，若節(jié)點vk收到被支配信息后且flag(vk) =〇,若其鄰節(jié)點中已沒有未處理節(jié)點，即滿足flag(NB(vk)) = 1，則vk成為支配節(jié)點， ；^8(￥15)=1;否則比較￡&^(￥ 15)〈1]1；[11伍&^(?(￥15)))是否成立，若成立，則￥ 15成為支配節(jié)點， 否則P(vk)中能量代價最小的成為支配節(jié)點；其中P(vk)表示vk的未處理鄰節(jié)點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于：所 述步驟（12)中，所述支配信息以列表形式存儲階段存儲被支配節(jié)點一跳、兩跳及三跳范圍 內(nèi)支配節(jié)點信息；所述連接節(jié)點選擇階段選擇能量代價較小的節(jié)點，使每個節(jié)點都有一條 到達最其近支配節(jié)點的代價最小路徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，其特征在于：所 述步驟（22)中，根節(jié)點發(fā)送探測信息過程是在k'<k成立時執(zhí)行，其中k'為根節(jié)點接收到的 更新值總數(shù)，k為需要查詢數(shù)目；根節(jié)點先發(fā)送探測信息至剩余TM-node收集其top-(k-k'） 值，再設(shè)置探測值probe=min(top-(k-k'）），并發(fā)送給剩余F-node，F(xiàn)_node將大于探測值 的更新值發(fā)送至根節(jié)點。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的分布式Top-k查詢方法，包括以下步驟：(1)構(gòu)建最優(yōu)查詢樹，該步驟包括網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點選取、連接節(jié)點選擇，以及每輪查詢各節(jié)點按ID號輪流擔任根節(jié)點三個過程；(2)基于最優(yōu)查詢樹進行Top-k查詢，該步驟包括查詢初始化、數(shù)據(jù)更新值發(fā)送、sink節(jié)點top-k查詢?nèi)齻€過程。本發(fā)明在構(gòu)建最優(yōu)查詢樹時充分考慮節(jié)點度數(shù)、自身能量以及與鄰節(jié)點通信開銷，選擇能量代價小的作為支配節(jié)點，有效均衡節(jié)點能耗，進一步解決了傳統(tǒng)查詢樹根節(jié)點唯一帶來的其附近節(jié)點過早死亡的問題，大大延長物聯(lián)網(wǎng)的生命周期，且查詢算法中通過設(shè)置過濾值來抑制每輪無效更新值的發(fā)送，有效降低平均每輪的查詢能耗。
【IPC分類】H04W40-10, H04W84-18
【公開號】CN104812015
【申請?zhí)枴緾N201510244016
【發(fā)明人】鄔海琴, 王良民, 湯金娥, 陳向益, 周從華
【申請人】江蘇大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年5月14日