无线传感器网络通信协议性能与实时查询处理系统研究

# 无线传感器网络通信协议性能与实时查询处理系统研究 ## 1. 无线传感器网络通信协议性能分析 在无线传感器网络（WSN）的研究中，通信协议的性能评估至关重要。这里主要对比了IEEE 802.15.4标准协议和异步MAC协议SlackMAC在不同拓扑结构和捕获阈值下的性能表现。 ### 1.1 不同拓扑结构下的性能表现 - **方形拓扑结构** - **IEEE 802.15.4**：对于网格定位，交付率从66.34%降至49.56%，平均延迟从10.02秒增加到10.52秒；对于随机定位，交付率从66.07%降至50.20%，平均延迟从8.93秒增加到9.66秒。 - **SlackMAC**：无论是网格定位还是随机定位，交付率始终约为99.9%。对于网格定位，平均延迟从14.19秒缓慢降至13.9秒；对于随机定位，平均延迟始终约为11秒。 - **伪线性拓扑结构** - **IEEE 802.15.4**：对于网格定位，交付率从66.98%降至54.65%，平均延迟从29.49秒降至19.79秒；对于随机定位，交付率从66.67%降至56.48%，平均延迟从33.02秒降至22.59秒。 - **SlackMAC**：无论是网格定位还是随机定位，交付率始终约为98.8%。对于网格定位，平均延迟从24.39秒缓慢降至25.10秒；对于随机定位，平均延迟始终约为32秒。 ### 1.2 捕获阈值对性能的影响 - **SlackMAC**：节点无论是网格定位还是随机定位，在两种拓扑区域中，交付率随捕获阈值的变化很小。在方形区域中，随机定位的平均延迟优于网格定位；在伪线性区域中，网格定位可获得更好的平均延迟。 - **IEEE 802.15.4**：无论区域和定位方式如何，随着捕获阈值的增加，交付率都会下降。在方形区域中，平均延迟随捕获阈值的增加而增加；在伪线性区域中，平均延迟随捕获阈值的增加而减少。 ### 1.3 性能总结 从上述结果可以看出，在比较WSN通信协议的性能时，必须仔细精确地描述模拟条件。拓扑选择和捕获阈值的取值会对模拟结果产生显著影响。虽然直观上异步MAC协议SlackMAC的整体性能优于标准协议IEEE 802.15.4，但模拟条件的变化会导致结果的多样性。 ## 2. 无线传感器网络实时查询处理系统 ### 2.1 系统提出背景 无线传感器网络（WSN）可被视为一个大型分布式数据库，可使用类似SQL的语言进行查询。然而，现有的查询处理系统（QPS）无法确保数据的时间约束，如数据的时间有效性和查询截止日期。因此，提出了一种新的实时查询处理系统（RTQPS），以保证WSN中的时间约束。 ### 2.2 现有查询处理系统分析 - **Cougar**：提供了一个用于传感器数据管理的基础设施，使用类似SQL的查询语言，通过<DURATION>子句指定查询生命周期，<EVERY>子句定义查询执行周期，但不包含指定查询截止日期或数据时间有效性的子句。 - **TinyDB**：是一个分布式查询处理系统，提供了声明式的类似SQL的查询语言TinySQL，使用<epoch>子句定义每个采样周期开始之间的时间间隔，以减少功耗，但没有检查数据时间有效性的组件。 - **Corona**：是一个分布式网络内查询处理系统，提供声明式的类似SQL的语言来制定查询，引入了数据新鲜度的概念，包含<EPOCH>子句定义两次查询执行之间的时间，<RUNCOUNT>子句定义查询执行的次数，<FRESHNESS>子句指定自上次传感器采集以来可以等待的时间。 ### 2.3 RTQPS系统架构 - **基站** - 缓存内存：用于保存测量历史记录，定期删除旧数据。 - 到达查询列表：接收查询并将其放入其中。 - 截止日期控制器：检查查询的截止日期。 - 事务调度器：确保事务满足其截止日期，根据系统使用的调度方法对查询进行排序。 - 数据有效性控制器：检查数据的有效时间，从数据列表中删除无效数据。 - **中继节点** - 到达查询列表：接收来自基站的查询。 - 截止日期控制器：验证查询截止日期。 - 事务调度器：为事务分配优先级，将列表中的第一个查询发送给子节点。 - 数据有效性控制器：从数据列表中删除无效数据。 - **子节点**：由截止日期控制器和查询处理器组成。当接收到查询时，截止日期控制器验证查询截止日期，如果未超过截止日期，查询处理器执行查询，然后构建响应消息并发送给其父节点。 ### 2.4 查询处理流程 #### 2.4.1 网络构建和中继节点选择 - 此步骤用于构建基于树的网络拓扑并选择中继节点。中继节点是树中的中继点，用于传播查询和收集传感器节点的响应。 - 中继节点由其邻居根据自动选择程序进行选择，使用RPL协议操作。选择过程基于节点的排名概念，从构建称为DODAG的树拓扑开始。 - 根节点（DAG）向其邻居发送DODAG信息对象（DIO），包含节点标识符、目标函数、节点排名、发送日期和“最小排