专利名称：无线自组织网络中节点感知行为特征数据库的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在移动自组网络中服务于路由协议的节点感知行为特征数据的
管理体系，特别是提供了一种适用于移动自组网络自身特点的数据库构建方法。
背景技术：
近年来，随着计算机硬件技术和无线通信技术的发展，移动计算环境日益成 熟，新技术不断出现，其中一种无中心、不需要固定通信设备支持的无线移动自组网 MANET (Mobile AdHoc Networks)逐渐成为一个重要分支，备受关注。由于移动计算环境一 些固有的特点(如主机移动性、网络断接性、通信带宽有限性、主机能量有限性等)，传统的 分布式数据库已经不能胜任移动计算环境下的数据管理，因此需要专门研究移动计算环境 下的数据库。 目前，传统的移动数据库系统主要是基于基站式的无线通信网络，一般由数据库 服务器、基站(移动支持站)和移动客户机组成。其中，数据库服务器和基站不能移动，它 们之间通过高速的固定网络连接，移动客户机可以移动，它和基站之间通过无线网络相连。 基站具有无限能量，移动客户机只能通过基站进行通信，再经过基站与数据库服务器连接 进行数据查询操作。这种移动通信网络存在移动客户机能量消耗问题、网络连接性问题，数 据库服务器到移动客户机的可达性等问题。现有关于移动数据库的研究多数都是这种基于 基站式的无线网络环境进行的研究，而对MANET网络环境下移动分布式数据库系统的研究 则相对较少。 移动自组织网络-MANET(Mobile Achhoc Network)是一种在不借助中心管理的情 况下，在有限的范围内实现多个移动终端平等互联的组网方式。MANET没有基站等基础设 施，各节点都是移动的，兼具主机和路由器的功能，节点间采用多跳数据转发机制来交换信 息。在这类网络中，每台移动主机(MH)都是平等的，既是数据库服务器同时又是客户机，因 此不但客户机可以移动，服务器也可以移动。在进行路径查找、数据复制与查询优化等相关 问题时都与传统的移动数据库不同。移动自组网中所有主机(数据服务器和客户机)之间 都是以无线的方式进行连接，因此基于MANET的移动数据库受到网络断接的影响很大。考 虑到移动自组网络通信带宽有限，大量的查询信息将造成的巨大通信开销，由于链路的不 稳定性造成的数据丢失，节点的随机移动以及大量冗余信息传输造成的能量损失。除具有 以上问题外，MANET还必须考虑节点电源有限和节点作为服务器的移动性问题。由于几乎所 有的MANET应用都需要移动数据库系统的支持，基于MANET的数据库技术成为了一个重要 的研究领域。传统的移动数据库技术已经远远不能满足基于MANET的数据库系统的需要。 作为一个全新的研究领域，MANET的数据库技术在基础理论和工程技术两个层面向科技工 作者提出了大量的挑战性研究问题，包括数据模型问题、能源有效的数据操作问题、能源有 效的查询优化与处理问题。如何设计合理的移动自组网数据管理体系，实现数据的快速查 询以服务于MANET路由协议，成为移动自组网当前的重要问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MANET的移动数据库系统及其构建方法。有助于 路由协议在进行路由选择时对各种所需数据的快速查询和网络开销的节省。
本专利涉及到的网络是具备传感器的移动自组网络，该网络中的各节点能够随机 运动并能感知节点自身状态信息。 所谓节点行为特征，就是用来表征节点状态变化的各类特征度量，如节点的能量、 位置、速度、温度等。例如，我们要在移动自组网中找到一条源节点至目的节点的新路由，可 以更新和查找节点数据库中相关节点的位置信息、速度信息、传输代价等，根据相关路由算 法来实现。这些信息都是节点行为特征的范畴。 本发明采用一个分层的感知系统框架来获取行为特征数据。该系统框架分为六 层，节点行为特征通过各类传感器感知得到，前四层实现数据的获取，分类，提炼与存储，五 层六层实现数据的管理与全网内的信息共享。具体每层的功能如下 第一层Sensors数据感知层负责节点行为特征信息的感知和采集，包括有物理 传感器(hardware)、虚拟传感器(software)、逻辑传感器(经过简单加工后的数据/数据 聚集)。具体操作根据各节点需要收集的数据配置相应的传感器，传感器操作系统中一般 包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据存储工具。通过传感器感知节点行为特征 信息，并将这些信息暂存于传感器操作系统的数据缓冲模块中。 第二层Data Classification数据分类层将原始感知信息按属性进行分类，对 上层提供获取各类感知信息的接口。具体操作为节点配置一个数据存储区，根据第一层中 传感器的类型以及传感器中的数据识别工具，为收集到的节点行为特征信息设置不同的属 性标识，并将其存放到数据存储区中。 第三层Refinement数据提炼层对分类信息进行进一步处理，提炼出对用户/应 用有意义的数据。具体操作根据应用中的具体需求，设计相应的数据结构及转换算法，例 如把GPS的信号转换为位置坐标数据。GPS信号的组成可分为三个部分，分别是载波、散 布序列、导航资料。从节点所属地面站发至各卫星，再通过卫星传至接收机，利用导航资料 得到伪距(Pseudorange)，最后利用至少四颗以上卫星进行伪距定位，求得接收机在WGS84 标准下的X、Y、Z坐标。 第四层Storage数据存储层负责存储行为特征数据，为用户读取和写入数据提 供统一的接口。具体操作建立数据索引表以及数据库存储区，根据不同的数据库管理工具 编写相应的查询、读取及写入操作，并以通用命令接口形式提供给上层作为数据操作的统
一接口。 第五层Management数据管理层定义一系列的命令函数和事件函数，负责更新和 组织行为特征数据，为数据的写入和读取提供控制接口 。具体操作针对不同类型的行为特 征数据，编写相应类型的数据结构以及更新函数，提供数据更新定时器与随机数发生器，通 过事件函数触发节点行为特征数据更新操作。 第六层Application数据应用层提供查询接口和命令接口 ，对网络其他节点的 访问和转发请求做出响应，通过SQL等数据库语言实现全网信息检索。具体操作节点行为 特征数据库主要存储两种数据， 一种是本节点行为特征数据，另一种是网络中其他节点行 为特征数据。因此，命令接口需要识别命令函数分别处理两种数据，基本的形式可以通过不同函数参数来加以区分。 数据通过传感器感知得到，节点将对其进行度量和分类，并将分类后的数据标记 上时间戳，然后整理存放到感知行为特征数据库中。数据处理主要由节点自身完成，这样 做的目的是为了减少无线链路中的数据传输量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传 送。 考虑到移动自组网有着移动及位置相关性、频繁断接性、网络条件多样性、无中 心、弱可靠性和电源能力局限性等特点。需要对传统数据库进行一定的扩展和改进，使其在 要求的时间里，持续、稳定、准确地提供用户想要的数据。根据实际情况，从分布式数据库的 角度出发，有如下要求 (1)用户知道大概的整体情况并能选择其感兴趣的区域发布查询命令(甚至是控 制命令)； (2)命令能被解析和优化，并找到最终数据来源区； (3)命令能快速、准确传达到指定区域，并被执行； (4)感知数据信息能够以最有效的方式传送回给用户。
为了满足上述要求，从数据库管理和处理技术的角度，提出以下设计 (1)建立节点地图。采用某种节点定位算法，将节点位置坐标绘成节点地图，存储
在节点数据库中，节点地图可以根据数据的变化随时更新包括节点位置、区域整体信息、节
点能量状况等信息。用户可以随时调用节点地图得到大致的整体情况，并据此提出查询请
求。根据不同的移动自组网应用具体设置节点地图的实时性和精确度。 (1)建立最小跳数场。由节点发布广播信息，并定义节点的初始跳数为O，接到此 信息的节点将跳数+1，并将其跳数信息广播，每一节点记录自己的最小跳数信息以及其相 邻一跳节点信息。最小跳数场建立完成后，命令的下达可沿跳数增加方向由节点地图或自 动路由到目的地；信息的上传则可沿跳数减小方向由节点地图或自动路由到源节点。另外， 通过节点注册和一跳节点集的修改，这一方法还具有一定的动态增加删除节点的能力，提 高网络的可扩展性。 (3)节点分簇。将节点分簇，簇头位置上报节点地图，作为最终数据来源区域的代 理节点，簇头接受查询命令，以时序方式要求簇内节点上报检测数据，并完成初步的数据融 合操作，然后上报数据融合结果。命令下传和数据上报过程以(2)中描述的最小跳数场方 式进行。 (4)节点的休眠与唤醒。引入主动监测和被动报警的监测方式，为了进一步的节 省能量，节点还采用休眠与唤醒机制，即大部分时间休眠或者定时休眠，需要时被唤醒的方 式，此机制将能够显著的延长节点寿命。 通过以上设计，移动自组网的数据库体系将如下运作以感知节点作为数据的物 理存储节点，并映射为最基础的数据元组(包括节点ID、跳数、位置、能源状况等属性)。以 簇头为数据的汇聚节点，映射为基本数据元表，成为查询等数据库操作的数据源集合，在数 据融合之后节点向簇头提供的是一个经过融合的数据元组，尽可能地减少传输的数据量； 簇头可根据用户需要再次进行数据融合以及集合运算等操作，更新节点地图并向用户提供 查询结果，获得最终数据。如此形成一个三层的数据获取、传输、处理的数据库管理体系，可 满足各种具体移动自组网的数据精度以及传输质量要求。
5
本发明的有益效果是通过上文所述构建的数据库系统，将有助于在带宽、能量 受限的不稳定动态环境下处理大量数据，实现移动自组网各类节点行为特征数据的快速查 询，数据的及时更新和网络开销的节省，从而为各类路由协议的实现和效率的提高起到不 可忽视的影响，并且在一定程度上降低移动自组网数据管理的复杂性。
图1是本发明移动自组网络节点端数据库引擎组成结构图。
图2是本发明移动自组网节点数据库构建流程图。
具体实施例方式
具体实施如下本发明是为了提供一种服务于各类路由协议的节点感知行为特征 数据库的构建方法。由于数据形式的多样性，每个节点均配置有各类传感器，以获取不同属 性的数据。在移动自组网络中，各个分布的节点通过监测周围环境不断产生大量感知数据， 通过节点数据库引擎完成感知信息的获取和提炼。 参见图l，为了降低通信量，节点上的数据库引擎根据查询要求采集数据，进行信 息的分类、提炼和数据管理等操作。主要包括感知模块、信息分类模块、数据提炼模块，存储 模块、管理执行模块以及应用接口模块。管理执行模块是整个数据库引擎的核心，可以调用 和管理其他模块。 当节点监测到感知信息无变化时，节点进入休眠和自动唤醒状态，以节省能量和 延长使用寿命。当感知信息出现变化，节点数据库引擎随即被唤醒，并处理被监测的感知信 息。整个流程如图2所示。感知模块先对原始信息进行感知，获取感知数据(包括位置，节 点能量、速度、最小跳数等信息)。经过数据分类模块，在数据前加入属性名，将各种类型的 数据区分开。然后经过数据提炼模块将物理信息转换为用户所需要的数据形式，例如将GPS 感知到的物理信号转换为位置坐标数据。存储模块将这些数据标记上时间戳并存储到节点 感知行为特征数据库中。这样以感知节点作为数据的物理存储节点，得到最基础的数据元 组(包括节点ID、跳数、位置、能源状况等属性)。管理模块将对节点感知行为特征数据库 进行管理，以满足应用模块发出的查询请求以及数据的实时更新。 节点感知行为特征数据库通过收集周围节点的位置信息、最小跳数信息建立节点 地图和最小跳数场数据库。在管理模块定义一系列的命令函数和事件处理函数，负责这一 工作。对网络进行分簇，筛选出簇头节点，簇头节点周期性向簇内成员节点广播数据查询请 求，簇内节点以时序方式上报簇头节点检测数据。簇头节点通过管理模块对检测数据进行 数据融合得到一个经过融合的数据源集合，并建立新的节点感知行为特征数据库。节点地 图数据和最小跳数场数据在簇内经过融合存入簇头节点数据库中，当簇外节点发出数据查 询请求时，簇头节点作为簇内区域代理节点将上报节点地图和最小跳数场信息，这样将使 用户知道大概的整体情况并能选择其感兴趣的区域发布查询命令，查询命令便能快速、准 确传达到指定区域，并被执行。 文中针对移动自组网自身的断接性、带宽的有限性、网络通信的非对称性以及电 源能量的有限性等特点，提出了一种基于移动自组网自身情况的节点感知行为特征数据库 的构建方法，通过节点地图和最小跳数场能快速的获取数据以服务于路由协议，同时可以满足用户随时随地查询移动自组网各种类型数据的需求，但对系统的硬件要求比较高，第 二层数据库服务器端运行于簇头节点，要求簇头节点的硬件要有一定的存储容量以满足存 储历史数据的要求，这使得开发和应用成本加大，但随着硬件技术的成熟这个问题将迎刃 而解。
权利要求
无线自组织网络中节点感知行为特征数据库，其特征在于特征数据库分为六层，分别为数据感知层、数据分类层、数据提炼层、数据存储层、数据管理层和数据应用层，节点行为特征通过各类传感器感知得到，前四层实现数据的获取，分类，提炼与存储，五层六层实现数据的管理与全网内的信息共享；具体每层的功能如下第一层数据感知层负责节点行为特征信息的感知和采集，包括有物理传感器、虚拟传感器、逻辑传感器；具体操作根据各节点需要收集的数据配置相应的传感器，传感器操作系统中一般包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据存储工具，通过传感器感知节点行为特征信息，并将这些信息暂存于传感器操作系统的数据缓冲模块中；第二层数据分类层将原始感知信息按属性进行分类，对上层提供获取各类感知信息的接口；具体操作为节点配置一个数据存储区，根据第一层中传感器的类型以及传感器中的数据识别工具，为收集到的节点行为特征信息设置不同的属性标识，并将其存放到数据存储区中；第三层数据提炼层对分类信息进行进一步处理，提炼出对用户/应用有意义的数据；具体操作根据应用中的具体需求，设计相应的数据结构及转换算法；第四层数据存储层负责存储行为特征数据，为用户读取和写入数据提供统一的接口；具体操作建立数据索引表以及数据库存储区，根据不同的数据库管理工具编写相应的查询、读取及写入操作，并以通用命令接口形式提供给上层作为数据操作的统一接口；第五层数据管理层定义一系列的命令函数和事件函数，负责更新和组织行为特征数据，为数据的写入和读取提供控制接口；具体操作针对不同类型的行为特征数据，编写相应类型的数据结构以及更新函数，提供数据更新定时器与随机数发生器，通过事件函数触发节点行为特征数据更新操作；第六层数据应用层提供查询接口和命令接口，对网络其他节点的访问和转发请求做出响应，通过SQL等数据库语言实现全网信息检索；具体操作节点行为特征数据库主要存储两种数据，一种是本节点行为特征数据，另一种是网络中其他节点行为特征数据；因此，命令接口需要识别命令函数分别处理两种数据，基本的形式可以通过不同函数参数来加以区分；数据通过传感器感知得到，节点将对其进行度量和分类，并将分类后的数据标记上时间戳，然后整理存放到感知行为特征数据库中；数据处理主要由节点自身完成，这样做的目的是为了减少无线链路中的数据传输量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。
全文摘要
本发明提供一种无线自组织网络中节点感知行为特征数据库。通过采用一个分层的感知系统框架来获取网络中各节点的行为特征数据，具体由六个模块来实现，分别是感知模块、分类模块、提炼模块、存储模块、管理模块和应用模块，前四个模块实现了数据的获取，分类，提炼与存储，五和六模块实现数据的管理与全网内的信息共享。通过在应用模块建立节点地图以及节点最小跳数场，有助于路由协议对位置、跳数等数据的快速查询。通过在簇头节点进行数据融合，可减少频繁的数据交互，从而节省网络开销。节点休眠与唤醒机制可显著延长网络生存时间。该系统可满足各种具体移动自组网的数据精度以及传输质量要求，尤其适合于能量受限的无线自组织网络。
文档编号H04L29/06GK101741864SQ20101003409
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者刘涛, 周贤伟, 杜利平, 王超, 贺彪 申请人:北京科技大学