CN102595545A - 一种用于无线传感器网络的k近邻查询方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法。涉及一种网络查询方法，该方法将节点的位置信息和节点感知数据信息相结合。首先，当查询请求到来时，利用基于数值的查询方法，得到K个待查节点。然后在向所述K个节点发送消息时，考虑位置信息，利用广度优先遍历得到的查询消息，进行消息分发和回传。采用广度优先方法，能够有效减少数据转发次数，节省网络能量。延长无限传感器网络的使用寿命。基站可以根据K值的不同，直接确定不同数目的待查节点，与过滤器无关。所以，K值变化，不需重新计算过滤器。当网络拓扑发生变化时，该方法能够通过更新邻接表信息来适应网络拓扑的动态变化。

Description

一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法

技术领域

本发明涉及一种网络查询方法，特别是涉及一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法。 

背景技术

目前K-NN的研究多集中在基于位置的K-NN查询算法的研究：基于R树的GRT查询处理算法，适用于静态的网络结构。由于传感器网络的数据分散且数据相关性较大，且基于数值的查询大都集中在Top-k的研究，FILA算法当K值经常变化时，每次都需要重新计算过滤器。在KVC算法中由于聚类时没有考虑节点的位置信息，因此将值相近但是位置相距很远的节点聚在同一簇中，数据存储时的代价比较大。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法。该方法适应网络拓扑的动态变化，并且当K值变化时，无需重新计算过滤器，能够将节点的位置信息和节点感知数据信息相结合，能够有效减少数据转发次数，节省网络能量。延长无限传感器网络的使用寿命。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法，其所述无线传感器网络由一个基站和多个节点组成，基站包括待查节点确定模块、查询消息生成模块和分发模块和离群点过滤器，多个节点包括消息分发模块和节点过滤器； 

待查节点确定模块：响应于来自用户的查询请求，根据为每个节点设置的查询区间从多个节点中确定出K个待查节点； 

查询消息生成模块：利用待查节点的邻接表信息，在进行广度优先遍历时生成查询消息，查询消息生成模块，被进一步配置为查询多个节点中的某一节点的邻接表，在多个节点的初始状态图中，从该节点出发对在图中与其有路径相通的所有未被访问过的节点进行广度优先遍历，若得到广义表，则由所述分发模块将由基站标识和相邻节点信息构成的消息发送给该节点；若得到原子，则由所述分发模块将所述基站的基站标识发送给该节点，以此循 环对各个节点进行类似的处理； 

分发模块：将生成的消息分发到相应的节点；这些相应的节点则按分发路径向基站返回查询结果； 

离群点过滤器：在基站接收到数据后，离群点过滤器判断该数据是否为离群点；如果是离群点，则根据具体监测情况产生报警或忽略该次接收的数据；否则，重新调整所涉及节点的查询区间，并通知相应节点更新数据； 

节点过滤器：如果该节点产生感知数据，则判断该数据是否在自己的取值区间：如果在取值区间内，则该节点不发送数据；否则，则将数据发送到基站。 

所述的一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法，其所述查询方法按如下步骤进行： 

步骤1：根据采样数据为每个所述节点设置查询区间；首先， 

每个节点采集足够的样本数据，并收集邻接点信息，然后将样本数据和邻接表信息以及到基站的跳数发送到基站，然后，基站根据由节点的每两个感知数据的欧氏距离之和作为权值来为每个节点划分查询区间，然后将查询区间信息发送给各个节点，公式如下： 

$b_i^u=\frac{{w\left(i\right)}^{\&prime;}}{{w\left(i\right)}^{\&prime;}+{w(i+1)}^{\&prime;}}(\stackrel{\&OverBar;}{v_{i+1}}-\stackrel{\&OverBar;}{v_i})+\stackrel{\&OverBar;}{v_i}+\mathrm{\&epsiv;},1\&le;i<n$

$b_{i+1}^1=\frac{{w\left(i\right)}^{\&prime;}}{{w\left(i\right)}^{\&prime;}+{w(i+1)}^{\&prime;}}(\stackrel{\&OverBar;}{v_{i+1}}-\stackrel{\&OverBar;}{v_i})+\stackrel{\&OverBar;}{v_i}-\mathrm{\&epsiv;},1\&le;i<n$

$b_1^1=-\&infin;$

$b_n^u=\&infin;$

令 

和 

分别表示节点v_i取值区间的下界和上界； 

表示节点v_i的样本均值，w(i)′表示节点v_i的权值； 

如果某个节点产生感知数据，则判断该数据是否在自己的取值区间：如果在取值区间内，则基站没有查询要求，该节点不发送数据；如果超出取值区间，并且不是离群点，则将数据发送到基站； 

步骤2：基站响应于来自用户的查询请求，根据所述查询区间从所述多个节点中确定出K个距离查询请求值最近的待查节点；并将K个待查节点按跳数进行排序，以使得在查询分发过程中，保证每个节点未被访问的邻接点 的平均跳数都不小于该节点的平均跳数； 

步骤3：利用所述待查节点的邻接表信息，在进行广度优先遍历时生成查询消息； 

确定消息分发路径的过程，类似图的广度优先遍历；以K个待查节点为顶点，以邻接表信息生成边，然后从到基站跳数最少的节点开始依次进行广度优先遍历，生成查询消息； 

步骤4：分发所述消息到相应节点，并等待查询结果按分发路径返回； 

节点接收到查询消息后，根据消息的格式查询其是否存在要查询的邻接点： 

若不存在，直接将其查询结果回传给向其发送查询请求的节点； 

若存在，将查询消息发送到它所有的待查邻接点，并等到所有邻接点回传查询结果后，连同自己的查询结果一同回传给上级节点，即，向该节点发送查询信息的节点； 

在所有查询数据传回基站后，整个查询过程结束。 

本发明的优点与效果是： 

(1)将节点的位置信息和节点感知数据信息相结合。首先，当查询请求到来时，利用基于数值的查询方法，得到K个待查节点。然后在向所述K个节点发送消息时，考虑位置信息，利用广度优先遍历得到的查询消息，进行消息分发和回传。 

(2)采用广度优先方法，能够有效减少数据转发次数，节省网络能量。延长无限传感器网络的使用寿命。 

(3)基站可以根据K值的不同，直接确定不同数目的待查节点，与过滤器无关。所以，K值变化，不需重新计算过滤器。 

(4)当网络拓扑发生变化时，该方法能够通过更新邻接表信息来适应网络拓扑的动态变化。 

附图说明

图1为K近邻无线传感器网络系统的查询方法方框图； 

图2为确定查询区间的方法方框图； 

图3为在进行广度优先遍历时生成查询消息的具体处理方框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

参照图1描述根据本申请实施方式的无线传感器网络的K近邻查询方法 

步骤S101 

根据采样数据为每个所述节点设置查询区间；首先，在节点取值区间初始化阶段，以一定时间间隔对样本数据进行采样。设一段时间后，每个节点采集m个样本数据。使用GPSR路由协议，每个节点将每次采样数据传送给基站。 

如果节点首次将数据上传到基站，则上传消息格式如下： v_i代表发送数据的节点，data表示节点感知的数据。hop(v_i)表示跳数，初始值为0；在向基站传送的过程中，每经过一个节点跳数加1。Neighbor_i，1，……，nieghbor_i，1表示节点v_i的一跳邻居节点，下文称为v_i的邻接点或直接邻接点，l表示该节点的直接邻接点的数目。v_i邻接点的邻接点，称为间接邻接点。由GPSR协议可知，基站可以得到v_i的所有邻接点。v_i的所有邻接点组成的表形成v_i的邻接表。在基站保存所有节点的邻接表。 

如果节点不是首次发送数据到基站，则该节点首先根据邻接表信息判断它的邻接点是否发生变化： 

A.如果发生变化，则发送消息： 

到基站；基站保存data和hop(v_i)，并更新该节点的邻接表。 

B. 如果没有发生变化，则发送

到基站；基站保存v_i的本次读数并更新到基站的跳数。 

经过一段时间后，基站将得到每个节点的一些样本数据。其中每个节点的m个采样数据如下： 

 

                    

其中，v_i,j表示节点i的第j次读数。

样本数据采样完成后，基站首先为每个节点计算样本均值： 

$\stackrel{\&OverBar;}{v_i}=1/m\underset{j=1}{\overset{j=m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{i,j}$

并得到一个非递减的均值序列 

为叙述简便，设 

是节点v_i对应的样本均值。 

然后对每个节点计算其每两个感知数据的欧式距离之和，作为区间划分 的权值。对于节点i，其权值为： 

$w\left(v_i\right)=\mathrm{abs}(\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(v_j-v_{j+1}),1\&le;i<n)$

进行高斯归一化处理，得到： 

${w\left(i\right)}^{\&prime;}=(\frac{w\left(i\right)-\stackrel{\&OverBar;}{w\left(i\right)}}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(w\left(i\right)-\stackrel{\&OverBar;}{w\left(i\right)})}^2}}+1)/\mathrm{2,1}\&le;i<n$

令 

和 

分别表示节点v_i经验取值区间的下界和上界。根据节点的权值为其划分取值区间。本文确定每个节点的边界的方法可表述为： 

$b_i^u=\frac{{w\left(i\right)}^{\&prime;}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w\left(i\right)}^{\&prime;}}(\stackrel{\&OverBar;}{v_{i+1}}-\stackrel{\&OverBar;}{v_i})+\stackrel{\&OverBar;}{v_i}+\mathrm{\&epsiv;},1\&le;i<n$

$b_{i+1}^1=\frac{{w\left(i\right)}^{\&prime;}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w\left(i\right)}^{\&prime;}}(\stackrel{\&OverBar;}{v_{i+1}}-\stackrel{\&OverBar;}{v_i})+\stackrel{\&OverBar;}{v_i}-\mathrm{\&epsiv;},1\&le;i<n$

$b_1^1=-\&infin;$

$b_n^u=\&infin;$

其中相邻的两个过滤器允许重叠其均值之差的ε倍。ε可以根据具体应用取值。 

基站为每个节点确定查询区间后，向每个节点发送各自的查询区间信息。该区间作为各个节点的过滤器，此后，如果某个节点产生感知数据，则判断该数据是否在自己的取值区间：如果在取值区间内，则基站没有查询要求，该节点不发送数据；如果超出取值区间，则将数据发送到基站。由于节点产生的大量数据中，可能存在离群点，如果基站不判断该数据是否为离群点，直接更新所涉及节点的查询区间，显然会造成区间划分的不合理和网络通信开销的增加。 

关于离群点的判定如下：给定数值α，如果 

$\mathrm{abs}(v-1/n\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\stackrel{\&OverBar;}{v_i})>\mathrm{\&alpha;}$

则定义数据v为离群点。其中α根据具体监测对象确定。 

基站接收到数据后，离群点过滤器首先根据上式判断是否为离群点，如果是离群点则基站根据具体监测情况产生报警或忽略该次接收的数据。如果不是离群点，基站重新调整所涉及节点的取值区间。并通知相应节点更新数据。这样通过 离群点的判定过滤了节点感知的异常数据，并且通过过滤器的适当重叠，使越界现象不会经常发生。 

2.步骤S102 

基站响应于来自用户的查询请求，根据所述查询区间从所述多个节点中确定出K个距离查询请求值最近的待查节点。 

在某一时刻，用户发出值为v’的K-NN查询，待查节点确定模块根据保存的各个节点的区间划分信息，找到K个距离v’最近的查询区域，并设待查询区域的节点集合为area。然后向其对应的节点发出查询信息。图3示出了根据本申请一个实施方式的确定查询区间的方法。 

在步骤S1021中，计算查询请求v’所在的区间， 

即节点vi所在区间。在步骤S1022中设置变量 

接着在步骤S1023中判断K是否大于节点数，如果是则返回“错误”，处理结束，否则在步骤S1024中，初始化查询区域，即查询区域包含0个节点，已经确定的查询节点数P为0。在步骤S1025中，确定当查询区间的节点个数P小于K，如果是，则在步骤S1026中，向区域(例如可标记为变量area)加入下一离v’最近的节点，接着在步骤S1026中更新节点数。 

利用上述算法可以得到查询区域area，该集合共有K个元素。将area集合内的元素按跳数进行排序，即area＝{u1，u2，…，uK}，hop(vi)＜hop(vi+1)，1≤i＜K。按跳数排序是为了在查询分发过程中，保证每个节点未被访问的邻接点的平均跳数都不小于该节点的平均跳数。 

3.步骤S103 

利用所述待查节点的邻接表信息，在进行广度优先遍历时生成查询消息。确定消息分发路径的过程，类似图的广度优先遍历。首先，以area中所有节点为顶点，以所有<u_i，neighbor_i，j>为边做图G。其中，u_i∈area，neighbor_i，j∈(AL_i∩area)，1≤j≤1。其中AL_i是节点u_i的邻接点的集合。即nieghbor_i，j是u_i在area中的邻接点。从节点u_i出发进行广度优先遍历。对与节点u_i有路径相通的所有未被访问过的节点进行广度优先遍历，可以得到单个原子或是一个广义表。算法过程描述如下： 

当图G中存在u_i的未被访问的邻接点时，得到广义表：(u_i，a₁，…，a_q)，q表示a_i是原子或子表，表示从u_i的一个未被访问的邻接点(设该邻接点为 neighbor_i，j)出发进行广度优先遍历得到的广义表。当area中存在neighbor_i，j的未被访问过的邻接点时，a_i为子表。否则，a_i为原子，a_i＝neighbor_i，j。 

当图G中不存在u_i的未被访问的邻接点时，得到原子u_i。 

上述广度优先遍历过程中，广义表的形成是一个递归过程。 

图3示出了根据本申请在进行广度优先遍历时生成查询消息的具体处理。 

在步骤S401中，首先设i＝1，即先要对第一个节点u₁进行处理。 

在步骤S402中，基站查u_i的邻接表，从图G中节点u_i出发对在图G中与节点u_i有路径相通的所有未被访问过的节点进行广度优先遍历。若得到广义表(u_i，a₁，…，a_q)，则基站形成消息<id，u_i，a₁，…，a_q>，发送给u_i。若得到原子u_i，则基站形成消息<id，u_i>发送给u_i。其中id是原子，表示基站标识。 

接着在步骤S403中判断area中所有节点是否都被遍历过，如果是，在步骤S404中，基站结束分发操作，等待查询结果返回。否则，在步骤S405中，设第一个未被遍历过的节点为u_i。转到第步骤S402。 

4.步骤S104 

分发所述消息到相应节点，并等待查询结果按分发路径返回。 

基站生成上述查询消息后，分发模块将所述消息分发到相应节点，并等待查询结果按分发路径返回。节点接收到查询消息后，可以根据消息的具体格式查询其是否存在要查询的邻接点： 

若不存在，直接将其查询结果回传给向其发送查询请求的节点。 

若存在，将查询消息发送到它所有的待查邻接点，并等到所有邻接点回传查询结果后，连同自己的查询结果一同回传给上级节点(向该节点发送查询信息的节点)。 

在所有查询数据传回基站后，整个查询过程结束。 

在消息的分发和查询结果上传过程中，根据本申请的上述算法，通过广度优先遍历，进行了数据聚合操作。减少了查询的总路由长度，节约了网络能量。 

Claims (2)

1.一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法，其特征在于，所述无线传感器网络由一个基站和多个节点组成，基站包括待查节点确定模块、查询消息生成模块和分发模块和离群点过滤器，多个节点包括消息分发模块和节点过滤器；

待查节点确定模块：响应于来自用户的查询请求，根据为每个节点设置的查询区间从多个节点中确定出K个待查节点；

查询消息生成模块：利用待查节点的邻接表信息，在进行广度优先遍历时生成查询消息，查询消息生成模块，被进一步配置为查询多个节点中的某一节点的邻接表，在多个节点的初始状态图中，从该节点出发对在图中与其有路径相通的所有未被访问过的节点进行广度优先遍历，若得到广义表，则由所述分发模块将由基站标识和相邻节点信息构成的消息发送给该节点；若得到原子，则由所述分发模块将所述基站的基站标识发送给该节点，以此循环对各个节点进行类似的处理；

分发模块：将生成的消息分发到相应的节点；这些相应的节点则按分发路径向基站返回查询结果；

离群点过滤器：在基站接收到数据后，离群点过滤器判断该数据是否为离群点；如果是离群点，则根据具体监测情况产生报警或忽略该次接收的数据；否则，重新调整所涉及节点的查询区间，并通知相应节点更新数据；

节点过滤器：如果该节点产生感知数据，则判断该数据是否在自己的取值区间：如果在取值区间内，则该节点不发送数据；否则，则将数据发送到基站。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络的K近邻查询方法，其特征在于，所述查询方法按如下步骤进行：

步骤1：根据采样数据为每个所述节点设置查询区间；首先，

每个节点采集足够的样本数据，并收集邻接点信息，然后将样本数据和邻接表信息以及到基站的跳数发送到基站，然后，基站根据由节点的每两个感知数据的欧氏距离之和作为权值来为每个节点划分查询区间，然后将查询区间信息发送给各个节点，公式如下：

                         

                       

                                        

   ，                                         

令

和

分别表示节点v _i 取值区间的下界和上界；

表示节点v _i 的样本均值，表示节点v _i 的权值；

如果某个节点产生感知数据，则判断该数据是否在自己的取值区间：如果在取值区间内，则基站没有查询要求，该节点不发送数据；如果超出取值区间，并且不是离群点，则将数据发送到基站；

步骤2：基站响应于来自用户的查询请求，根据所述查询区间从所述多个节点中确定出K个距离查询请求值最近的待查节点；并将K个待查节点按跳数进行排序，以使得在查询分发过程中，保证每个节点未被访问的邻接点的平均跳数都不小于该节点的平均跳数；

步骤3：利用所述待查节点的邻接表信息，在进行广度优先遍历时生成查询消息；

确定消息分发路径的过程，类似图的广度优先遍历；以K个待查节点为顶点，以邻接表信息生成边，然后从到基站跳数最少的节点开始依次进行广度优先遍历，生成查询消息；

步骤4：分发所述消息到相应节点，并等待查询结果按分发路径返回；

节点接收到查询消息后，根据消息的格式查询其是否存在要查询的邻接点：

若不存在，直接将其查询结果回传给向其发送查询请求的节点；

若存在，将查询消息发送到它所有的待查邻接点，并等到所有邻接点回传查询结果后，连同自己的查询结果一同回传给上级节点，即，向该节点发送查询信息的节点；

在所有查询数据传回基站后，整个查询过程结束。

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