（计算机应用技术专业论文）位置相关信息服务中的数据管理.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 位置相关信息服务，是通过无线通信网络，提供用户所需的和地理位置 相关的应用和数据如查找陌生地方的信息、本地生活方式数据等，它是在 移动计算技术高速发展的基础上，由需求推动的一个研究方向。 在位置相关信息服务数据管理中，管理什么样的数据，提供什么样的查 询，是必须首先确定的问题。本文结合位置相关信息服务数据管理中最重要 的数据类型一一位嚣棚关数据分析了服务中常用到的位置无关查询、何簧 已知杏询、位茕丰h 关查询、位胃相关连续查询。 位置栩关查询和位钱槲笑持续查询概念的0 i 八，相：为客j 、提供更好的服 务的同时，也对现钉的数据库技术提山了更高的要求，包括数据布局，数据 复制，查询调度，索引等技术，都需要充分地考虑到客户和数据对象的变 化。文章对面临的问题进行了归纳和初步的分析，并以位置相关持续查询结 果数据的发稚为着重点，充分考虑客户和数据对缘这两大变化主体，在考虑 不同客户所感兴趣的数据对象不同的基础 ：，提出了针对每个移动客户单独 调整传送窗口大小的增强型自调整周期发布方法：论文还初步引入了状态预 测的思想，对持续查l _ f ! i 有效期内数据对象的状态进行分析和预测，采取适合 的发布方法分别发夼处于变化状态和非变化状态的数据对象，以达到在结果 发布过程中降低控制消息开销，减少重新传送的可能性的目的。 关键词位置相关信息服务位置栩关数据位旨相关查询数据管理奄询 结果发布 ! ：曼些兰茎尘奎兰璧圭兰篁篁圣 a b s t r a c t l o c a t i o n d e p e n d e n t i n f o r m a t i o n s e r v i c e s ( l d i s ) c a nd e l i v e ru s e r s l o c a t i o nd e p e n d e n td a t aa b o u tu n f a m i l i a rp l a c e so rl o c a ll i f e s t y l et h r o u g h w i r e l e s sn e t w o r k s ，i ti sd r i v e nb yr e q u i r e m e n t sb a s e do nt h eh i g h l yd e v e l o p i n g m o b i l ec o m p u t i n gt e c h n o l o g y i nl d i s ，w em u s tc o n f i r mw h a td a t ai tm a n a g e sa n dw h a tq u e r yi td e l i v e r s t h i sp a p e rd i s c u s s e sn o n l o c a t i o nd e p e n d e n tq u e r y , l o c a t i o na w a r eq u e r y ， l o c a t i o nd e p e n d e n tq u e r y l o c a t i o nd e p e n d e n tc o n t i n u o u sq u e r yf o rl o c a t i o n d e p e n d e n td a t a t h em o s ti m p o r t a n td a t at y p ei nl d i s l o c a t i o nd e p e n d e n tq u e r ya n dl o c a t i o nd e p e n d e n tc o n t i n u o u sq u e r y w i l ld e l i v e rb e t t e rs e r v i c e sf o rt h eu s e r s ，a tt h es a m et i m et h e yr a i s ec h a l l e n g e s t ot h ec u r r e n td a t a b a s et e c h n o l o g yi n c l u d i n gd a t ap l a c e m e n t ，d a t ar e p l i c a t i o n ， q u e r ys c h e d u l i n g ，i n d e x i n g ，e t c ，b e c a u s eu s e r s a n dd a t ao b j e c t s c h a n g e ss h o u l d b ec o n s i d e r e ds u f f i c i e n t l yt h i sp a p e ra n a l y s i st h ep r o b l e m s ，a n df o c u s e so nt h e l o c a t i o nd e p e n d e n tc o n t i n u o u sq u e r yr e s u l tt r a n s m i s s i o nt a k i n gi n t oa c c o u n t o ft h et w om a i nc o n t i n u o u sc h a n g i n gb o d y ：t h eu s e ra n dt h ed a t a o b j e c tt h e e n h a n c e da d a p t i v ep e r i o d i ct r a n s m i s s i o na p p r o a c hp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a n a d j u s tt h et r a n s m i s s i o nw i n d o ws i z ef o re a c hm o b i l eh o s ti n d i v i d u a l l yf u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei d e ao fs t a t u sp r e d i c a t i o n ，a n dt h eo u j e c t sw o u l d b ep a r t i t i o n e di n t ot w od i s j o i n ts e t si nt h eq u e r y sv a l i d a t i o np e r i o dd e p e n do n t h e i rp r e d i c a t e ds t a t u s ：t h ec h a n g i n ga n dt h en o n ec h a n g i n g ，c a nu s es p e c i f i e d a p p r o a c h e st ot r a n s m i ti no r d e rt od e c r e a s et h ec o n t r o lm e s s a g eo v e r h e a da n d t h ep o s s i b i l i t yo fr e t r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：l o c a t i o nd e p e n d e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ；l o c a t i o nd e p e n d e n t d a t a ；l o c a t i o nd e p e n d e n tq u e r y ；d a t am a n a g e m e n t ；q u e r y r e s u l t st r a n s m i s s i o n i i 中国科学技术大学硕士学位睑文第1 章绪论 第1 章绪论 位置相芙信息服务( l o c a t i o nd e p e n d e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，l d i s ) 的发 展足建立在移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 技术之l ，结合移动数据库 ( m o b i l ed a t a b a s e ) 技术和空问数据库( s p a t i a ld a t a b a s e ) 技术，通过无线通 信网络，获取移动客户的位置信息，为移动客户提供位置相关信息的服务。它 的核心是位置相关数据( l o c a t i o nd e p e n d e n td a t a ) 在数据库中的管理。 1 1 位置相关信息服务的发展背景 计算技术和无线通讯技术的发展与结合使锝种全新的汁算模式移动 计算模式成为了现实。在移动计算模式下，用户使用便携式汁算机或者便携式 设备通过无线通讯接实现对信息网络的访问。而不受实际物理位置变化的影 响 1 】。由于移动计算环境f 的应用开发需要支撑软件提供统一的应用程序接口 来管理和传送数据，这使得移动数据库技术成为移动计算技术的基础和核心。 近些年，这种全新的计算校式得到了飞速的发展，并在包括位置相关信息服务 技术在内的越来越多的心用领域q 一开始发挥最要的作用。卜述情况的出现是如 下两种因素交百作用的结果： ( 1 ) 应用需求的推动 随着信息社会的发展，人们对使用信息的场合、时间、方式和方法都提出 了越米越多的全新的要求，这些需求的出现足推动移动汁算技术及相关实用技 术发展的源动力。 对活动范闱的扩展人们不再满足于传统的局限在有限空间内的信息 存取方式，而希祭将活动的地点延 4 1 到更加广阔的地理区域，蟊j 家 庭、野外、海域、岛屿等等。人们也不再满足于固定的信息存取模 式，析希塑随时随地的夼询获取数据，拈歪扯移动的过程中处i e 数 据，如在旅途中处理r i 常办公事务，7 i ：购物时随时硷h 口商品的行情信 息等。 商务领域的需求信息通信技术的的发展不断引发革命性的变化电 中国科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 子商务( ec o m m e r c e ) 的概念受到移动商务( mc o m m e r c e ) 越来越严峻 的挑战。近年来，在德国缚年一次的信息与通讯技术展示会c e b i t 上，移动商务取代电子商务的地位，成为最新、最具前瞻性的话题， 这是由移动商务的概念与商务运作无所不在的特点有着天然的耦合性 决定的。据预测，移动商务将在1 0 年之内逐步覆盖传统的电子商 务，这不仅意味着人们随身携带的掌上i 也脑、p d a 、于机等设备的功 能会越来越强人，而且意味着移动汁算技术将会给企业应 模式带来 彻底的变革。 数字化信息服务的发展信息服务的提供者希望给客户提供不受时间 和空问限制的服务，如股市行情、交通信息、天气预报、即时导航信 息等的查询与接收。 军事领域的特殊需求战场实时控制指挥、区域侦察、战场信息管 理、高可用的协同网络等军事领域也对移动计算技术提出了特殊的要 求。 ( 2 ) 通讯技术、汁算机硬件技术以及相关软什技术的发展 近年来，通讯技术和计算机硬件技术的发腱一日千单，相应的软件技术电 随之迅速发展，这为移动计算技术的发展提供了可靠的技术保障。 无线通讯技术的发展 以蓝牙技术为代表的无线个人局域( w p a n s l 提供短距离( 1 0 米范围内) 通讯链路，以8 0 2l l 位代表的无线局域 网( w l a n s ) 提供中距离( 1 0 0 米范罔内) 通讯链路，以第二代和第三 代蜂窝式语音网络位代表的无线广域口x ( w w a n s ) 提供长距离的通讯 链路，同时卫星通信技术电逐步实用化。 计算机硬件技术的发展信息技术的发展，使得同嵌入式设备和移动 计算技术千h 关的各种硬件设备的处理能力和存储容量等指标以遵循甚 至超过摩尔定律的速度急速发展，便携式设备的普及率越来越高。 相应软件技术的发展各大软件厂商越来越关注无线没备应用软件的 发展，各种支持移动计算的操作系统、数据库系统、通讯软件系统、 软件包和巾问什等1 ；断完善和发展。 在以上两种叫素的变匾作用f ，移动汁算技术得到了飞速的发展，并月花 中国科学技术大学硕士学位论文“第1 章绪论 诸多应用领域中获得_ ，臣大的成功，涌现出了一些令人耳目。新的实用系统。 如新加坡c o m f o r ts e r v i c e 中心提供的基j ：g p s 的 n 机车自动派遗系统，i b m 公司、r a n kx e r o x 公司、s e a r s 公r d 的技术人员派遣及实时数据采集系统，警 察自动派遣系统，以及各种自动导游系统、智能交通控制导航系统等 2 5 】 当然还包括本文介尘i ! ：f 的位置相关信息服务系统。 1 2 位置相关信息服务的挑战 位置相关信息服务结合了移动数据库和窄问数据库的研究：它吸收移动数 据库在为移动设备提供数据服务方面研究成果，如数据复制，数据缓存等，但 是要克服这些研究成果n ：处理位谶栩荚数据时的4 i 足；而空间数据库的研究主 璎为位鼹棚关信息服务r l f 内数据对象的位置管理提供基础。 位置相关数据是位置相关信息服务中最核心的概念，是指由相关位置决定 其它的值的数据。最简单的位置相关数据如某天的温度，对于北京和合肥将有 着不同的值。对于移动计算环境中处于移动状态的客j 。，当他关心的是离自己 最近的医院的信息，这时的位置相关数据将不再是一个同定不变的值，而是会 随着客户的位罱变化而变化；而如果位1 二城市道路上的移动客广，关注所经道路 的交通信息时，位置相关数据值的变化不仅仅依赖- ：客户的位簧变化，也依赖 于道路的交通情况的变化。因此，位置相关数据不同于目前空间数据库中的数 据，虽然从表面上石来。( s t f f 3 都存在空问特性，但是空间数据对象的值具有唯一 性，即无论提出查询的i t j ) 1 处于哪个地理位置，对同一个空间数据剥豫，其值 总是固定不变的，而位置相关数据的值是不唯一的，同1 个位置相关数据可以 具有多个值，且这个值会随着数据对象的非空间特性和空间特性的变化而变 化，或者随着提出查询的用户的位置的变化而变化。 在一。个典型的位置相关信息服务中，客户可能提出的查询由简单到复杂包 括：“静态客j 、查洵l 静态刈象：如客j 。刚到一。个陌生城i n 提出“企找本城i h 所有三星级以卜的寅馆”，提交这类渤的客户足移动的，数据刈象在一个相 当长的时间内是固定的。这类查询是空问数据库的1 - 要研究问题。b 移动客j 、 查询静态对象：如在道路卜行进的客户提出的“查找最近的加油站”和“查找 最近的餐馆”，这种查询是现实应用中最可能的查询。通常提交这类查询的客 户是移动的，数据对象在个相当长的时间内是保持不变的。这类查询最主要 的挑战是怎样得到窬，1 的位置和保证结果有效性，闪为在查询汁算期间，客，、 中国科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 是保持移动的。而诸如“列出5 0 0 米范围内所有可用的医院”是这类查询的扩 充。c 静态客户查询移动对象：这类查询的一个例子是“列出在下一个1 0 分 钟内通过加油站a 的所有汽车”。这里，加油站a 是静态的，也就是其位置信 息足固定的，移动汽1 i 赴被查i = f l j f n 对象，结架依赖于移动汽乍的位置。食i = f l 结 果依赖于数据对象的化筲，这炎峦i = f ! j 刘。缳刈彳! ! ：f 咖提出之后某段时问内的信息感 兴趣，因为数据对象的更新将引起满足查询条件的数据对象的变化。d 移动客 户查询移动划+ 象：提交查询的客户和数据对象都是连续移动的，是这类查询的 主要特征。如行驶在高速公路上的客，o 发出。个查询“列出2 0 分钟内超过我 的所有汽车”。这类查询组合了阿面两类查询，处理起来更加复杂。 传统的查询处理采用的请求响应模式，即数据库接受用户提出的查 询，查询处理引擎据此产生的结果集合一次发送给用户，而位置相关信息服务 中的位置相关信息的频繁变化。使得这种传统模式的查洵处理可能造成用户上 一秒钟得到的查h 结果礼：jf j i 己玎i 1 f 有意义。位置相关信息服务为了使朋户可 以得到最新的有效的数据，引入了持续查询的概念，这利一具有定生存期的查 询，可以在被查询的数据对象发生了变化，或者查询语句的隐含条件发生了变 化时刷新查询结果，使用户总能实时地得到最新的查询结果。 从以上分析可以看出，位置相关信息服务的挑战主要来自于两个方面： 客户位置的变化 移动计算环境中，最突出的特征就是客。设备的移动性。 数据对象信息的变化： 包括位置信息的变化以及和位簧相关的信息的变化。 1 3 相关研究 虽然移动计算环境一f 的位置相关信息服务概念提出的时间刁i 长，但是其相 关研究，包括空间数据库技术，分布式计算技术，移动通信技术，尤其是移动 数据库技术，围内外众多研究机构对它们的研究都非常活跃，相关研究包括： ( 1 ) 数据广播技术 钔：一个无线单元山，从服务器刘移动群j 、机的卜i 行通信带宽一般要远人于 从移动客户机到服务器的卜行通信。特宽，而日移动客户机从服务器接受数据的 开销也远小于发送，f ：钔。利川尢线| 州络f 内- | 卜对称性，为支持大规模的移动客户 中国科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 对热点数据的并发访问，可将热点数据组织在共享无线信道上，以周期性的， 播形式提供给移动客户机。 衡最数据广播调皮好坏的参数主要有两个：访问时问( a c c e s st i m e ) 和调 谐时f 日q ( t u n i n gt i m e ) 。 优化数据广播访问时间的研究可以分为静态调度和自适应调度。静态数据 广播调度方面的研究包括 6 】等，其中最著名的是美国b r o w n 大学的sac h a r y a 等人首先在【6 中提出种多糯广播( m u l t i d i s kb r o a d c a s t ) 。自适应数据广播调度 ( a d a p t i v eb r o a d c a s ts c h e d u l i n g ) 方面的研究包括 9 】等。【1 1 】提出了f c f s ( f i r s t c o m e f i r s t s e r v e d ) 调度算法，【1 2 】提出了l w f ( l o n g w a k f i r s t ) 调度算法，【9 1 提出t l t s f ( l o n g e s t t o t a l s t r e t c h f i r s t ) 调度算法，【l o 提出了一套自适应广播 协议c b s n b s 协议。 优化数据广播调惜时问方面的研究包括 1 4 等。美国r u t g e r s 大学的 i m i e l i n s k i 等人研究了空中，“播信道的数据组织方法e 1 7 】，提出t ( 1 ，m ) 索引、 分布索引等结构。 ( 2 ) 复制技术 研究目的是，根据3 前移动客户的分布与访问情况，动态调整数据复制布 局和策略，使“数据跟着用户走”，移动客户可以就近访问到所需数据，从而 提高访问性能。 针对移动计算的特点， 1 8 】提出t 两级复制( t w o - t i e rr e p l i c a t i o n ) 的概 念。假设移动系统中有两类节点：移动节点和基节点( 服务器) 。第一级复制 是在服务器之间的复制，第二级复制是在移动节点上保存数据库的复制( 即缓 存) 。b a y o u 系统 2 0 实现了一种弱一一致性的数据库复制机制，支持r e a d a n y w r i t e a n y ：【作方式，采用渐进式的同步方法，允许动态地增加、减少复制节 点，并且降低了不州复制服务器 ：更新，j ；务之间的冲突率。 ( 3 ) 缓存技术 为支持移动客户频繁断连接的特点，在移动设备l 缓存所需数据，支持移 动客户在任何时假( 即使在没有网络可联的情况下) 都可以访问数据，并可提 高在低带宽网络连接下的访问效率。 2 4 在移动文4 t ：系统c o d ar | 1 ，刈移动_ ； 5 = ，。的缓存s j l $ 0v e n u s 作了详细讨 中国科学技术大学硕士学位论史第1 章绪论 论。 e s 提出了三种基 ：广播的缓存失效报告方法，并对三利，方法的适用范围 作了理论分析。r u t g e r s 大学d a t a m a n 移动计算实验室研发的d b m m e 项1 7 【2 7 1 i 研究了缓存和服务器的更新冲突、通过预取建立缓存。 ( 4 ) 移动事务处理技术 研究移动计算机提交的分布事务的调度和执行策略，支持脱机移动事务等 方式，使移动数据库的事务处理更加有效；同时，针对移动计算叫：境的低可靠 性，研究如何提高移动事务的可靠性。 3 0 研究了事务的一致性问题， 3 2 提出了用语义a c i d 性质解决一致性 问题的方法， 3 3 给出了事务的并行控制协议。 ( 5 1 移动查询处理 研究带宽多样性、断连接等冈素对移动查询的影响，使查询引擎能够根据 当前的条件采用适当的优化策略，同时灵活选择满足_ i = | 户需要的查询响应方 式，如非精确查询。此外，针对移动汁算机有限的电源能力，考虑合理地组织 本地数据库管理、远程数据库访问( 网络访问) 等消耗电能较多地操作，达到节 能目的，延长关键数据的可用时问 3 4 1 。 ( 6 ) 位置管理和位霞数据查询 定位移动用户是移动计算环境的基本问题，有两个基本操作：奄找移动用 户的当前位置和当用户移到新的位置时，更新其位置。为了减少查找和更新代 价，3 6 提出了基 jh l r v l r 的两层位置数据库结构和层次位置数据库结 构。移动用户的位置是快速改变的，位置查询包括瞬时查询和连续查询，f 3 9 1 的m o s t 数据模型用动态属性来表示位莆随时问连续变化，而没有显式的更 新。移动用户的位置的索引也是重要的方面，可直接采用空间索引，3 9 提出 了两个与动态属性相关的僦置索引方法。 ( 7 ) 人机界晰 移动计算机的发展趋势是更小、更易 ：携带和使用，很可能采目笔输入或 语音输入等方式取代难以再缩小的键盘，群幕尺i j 。也会进一步减小。移动数据 库的人机界面必须进行改造，以适应这种变化趋势 4 0 。 此外，灭r 移z 力竹环境卜f 门数抓钙：理的际会议( 如m o b i l ed a t a m a n a g e m e n t ( m d m ) ，m o b i d e ，m o b i c o m ，m d d s ，1 c c n m c ，d a s f a a ， i c d e 等) 、。术交流j 合f 1 ：、学术川物( 如m o n e t 、w i n n e t ) 、学术论文 ( j 中国科学技术火学硕士学位论文第l 章绪论 等也非常活跃。 在系统开发方面，各大数据厂商均对移动数据库的研制给以了相当的关 注把开发现有主流数据库系统的嵌入式移动数据管理解决方案作为一个重要 的发展方向。其中s y b a s e 、o r a c l e 、i b m 分别推出了各自的嵌入数据库系统 s y b a s eu l t r a l i t e 4 3 、o r a c l el i t e 4 4 】、d b 2e v e r y w h e r e 4 5 。在国内由中同人 民大学研究开发的面向掌上电脑、p d a 、于机等移动设备的叫、金灵“嵌入式移 动数据库( k i n g b a s el i t e ) 4 7 】，已成功实现商业化并提供了包括商务、军 事、医药等行业在内的多个行业移动信息系统的解决方案和具体产品。虽然这 些产品的功能距离本文所述的移动计算环境下位霹信息服务的数据管理概念还 有着差距，但它们在为用户提供相关服务方面已经走出了第一步，并做出了有 益的探索。 1 4 本论文的工作 本论文的主要工作包括： ( 1 )分析移动计算环境的最新发展和一 二要特点。 ( 2 )对位置相关信息服务中最具有重要意义的位置相关数据( l o c a t i o n d e p e n d e n td a t a ，l d d ) 和位簧千h 关查询( l o c a t i o nd e p e n d e n t q u e r y ，l d q ) 、位嚣相关持续查询( l o c a t i o nd e p e n d e n tc o n t i n u o u s q u e r y ，l d q ) 的概念作了整理明确了在位置相关信息服务中存取 什么样的数据，提供什么样的查询服务，并分析了位置相关信息服 务涉及到的和位置有关的查询，对它们进行了分类比较。 ( 3 )以一个蜂窝移动系统为代表，讨论在移动环境中位置相关信息的获 取中按需存取，广播，数据缓存和数据发布问题。 ( 4 )对于位置相关信息服务q ，的位置相关持续奄向的结果发布，提出针 对每个移动锌户单独调孵传送窝f 大小的增强剩6 1 调整周期传送方 法，f ：住此) 。咖：，楸州持续查咖有效期内落咖日标f j 状态采取更 有针刘。b e 的动态分类传送疗法，以达到n ：结果发币i 过程r 1 降低控制 消息开销，减少- 宦新传送的能性纳同的。 耋垦坠兰苎娄奎兰堡圭兰堡尘圣墼! 兰塑篓 1 5 章节安排 本论文共分为5 章，并就四个问题展开论述。 第一章介绍了研究7 景、研究目标及意义，简要介绍了本论文的主要 工作。 第二章介绍了移动汁算王 ；境。 第三章给出了位罱相关数据和位置相关查询完整定义。 第四章讨论了位置相关信息服务中的主要问题。 第五章提出了增强型自调整周期传送方法和基于| 二| 标状态动态分类的 数据发布方法，给出了实验验证结果。 第六章对木沦文的研究工作进行，总结，并提出下一步的工作目标。 第六章对木论文的研究工作进行了总结，并提出下一步的工作目标。 圭垦型兰垫尘奎竺堡圭兰竺篁三 薹：耋丝塑兰兰至矍 第2 章移动计算环境 2 1 移动计算系统的组成 在一个典型的移动计算环境巾，移动没备( m u ) 通常是通过移动服务支 持站点( m s s ，也称作移动基站b s ) 与固定网络连接。图2 1 所示的是一个 典型的支持移动计算的体系结构 4 7 】。它包括二类计算设备： 具有无线通信借口，支持移动计算的固定主机( m s s ) 没有无线通信接口的固定主机( f h ) 移动计算设备( m u ) h l s 静m 脚# 呷刚s 蛐nf 耘旃空符雌序，帮督莞垃通 、 h “ 讽撬“：， 图2 1 移动汁算环境典型结构 所有丰机通过固定刚络连接在一起，固定网络中每个m s s 负责建立一个无 线网络单元( 如图2 - i 所求的无线，播啦元或者无线局域刚单元) ，啦元内的 m u 与m s s 之间通过无线网络连接。但对于可靠性不- 箭的无线恻络单元，我 们将固定网络部分成为可信部分。这些无线网络单元的覆盖范闭取决于它们采 用的无线通信技术，例如无线局域网丫1 元j ! 能覆盖一栋大楼，而采用卫星通信 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章移动计算环境 的无线网络单元只需几个即可覆盖整个地球 4 8 】。总之，在移动计算环境中， m u 可以从任何一个无线网络单元经m s s 连接到固定网络中，从而实现了自 由移动性。 下面从六个方面介绍无线移动汁算系统的组成。 i 无线通信网络 m u 通过无线通信网络和m s s 连接，如图2 2 所示，日前已经投入使用的 移动通信与联网技术可大略分成四大类，从涵盖面积最广的无线广域网路 ( w w a n ) ，到通讯跑离小于l o 公尺的无线个人区域网路( w p a n ) 等多种类型： 图2 - 2 无线通信网络技术分类 f 1 ) 无线个域刚( w p a n ) 无线个域网是很小型的a dh o c 网络，通常范围不超过1 0 米。由 于通讯范围有限，无线个域网络通常用于取代实体传输线，让不同的系 统能够近距离进行数据传输。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是目前最流行的无线个域网技术，通过2 4g h z 的 未管制频带来运作。f i 前蓝牙技术己由ll 版( 传送速率为lm b p s ) 演进 为12 版( 强化r 信号传输以及频二棼波段共存的机制) 。此外，3i v l b p s 的 蓝芽2o + 增强数据速率( e n h a n c e dd a t ar a t e ；e d r ) 标准已于2 0 0 4 年1 1 月正式通过。 未来的几年中，一些需蔓更高数据传输率的无线个域网应用方案， 可能会选择f 1 前新兴的超宽带( u w b ) 技术。因为u w b 技术不但带宽 高，传输耗电量很低，而日采用相当宽的频率范围。目前i e e e 8 0 21 5 3 a 标准正在制定中。 f 2 ) 无线局域嘲( w l a n ) 与无线个域剐棚比较，兀线竭域删能提供强人的无线网络迎接能 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章移动计算环境 力，范围可涌盖无线接入点到客户端中间大约1 0 0 米的距离。目前的无 线局域网以i e e e8 0 21 1 标准为基础，称为w i f i 网络。8 0 2 1 1 b 是第一 套成功商业化的无线局域刚技术，提供2 4g h z 频段及l l m b p s 的传输 速率。在改变不同的数摒传输方式之后，采用_ r8 0 2l l g ，24 g h z 频 段，及8 0 21 l a ，5g h z 频段，在2 0 0 3 年成功将数据传输率提商到 5 4 m b p s 。目前常见所悄的“双频”w i f i 援入点及客户端无线网卡，可 以同时支持8 0 21 1 a 、8 0 21 1 b 、8 0 21 l g 三种标准。 下一代的无线局域网标准1 e e e8 0 21 l n 规格目前还在制汀中。 8 0 21 1 n 将具备与8 0 2 1 1 a 、b 、g 的向后兼容性，并可以提供超过1 0 0 m b p s 的数据传输带宽。 ( 3 ) 无线城域网( w m a n ) 无线城域刚是一种可涵盖城市或郊区等较大地理区域的无线通讯网 络。其中最，“为人知的是1 e e e8 0 21 6 d ，电称为“w i m a x ”，将在2 l l g h z 之间的频率范陶运作f 在美国将采川25g h z 、35g h z 、5 8g h z 三 个频带) ，在理想状况下若无障碍物阻隔，5 0 公罩距离的最高数据传输 率高达7 0 m b p s 。 ( 4 ) 无线广域网( w w a n ) 无线广域网是移动电话及数据服务所使用的蜂窝移动通讯网络，目 前以第二代数字蜂窝通信系统为主。无线广域网的连线能力可涵盖相当 ，一泛的地理区域，但目前2 g 网络数据传输率都偏低，最高只有1 1 5 k b p s ，和其他较为区域性的无线技术相去甚远。啊在即将普及的以 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表的3 g 通信网络可以提 供多种类型、高质量多媒体、l k 务的全球漫游移动服务，能实现静止 2 m b p s 传输速度，中低速3 8 4 k b p s ，高速1 4 4 k b p s 速率的通信网。 ( 5 ) 卫星通信网 h 星通信服务提供全球覆盖。在这些系统巾，卫星起着移动通信綦 站的作用，其最大的特点是能够为全球每一个角落的用户提供通信服 务，是陆地移动通信系统的扩展和延伸，尤其在边远地区、海岛、受灾 区、战区等通信受限的区域有着独特的优越性。：i ! 星通信系统按所用轨 道可分为：静l h 轨道( g e o ) 、叫1 轨道( m e o ) 和低轨道( l e o ) i 种。 2 移动计算设备 所有可以自由移动的计算设备，大到便携式电脑、乍载电脑，4 , n 掌b 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章移动计算环境 脑、p d a 、移动电话等等，都可称为移动计算设备。 3 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 对于移动汁算应用而言，柏：移动设备i ：运行的操作系统通常被称为嵌入式 操作系统，它足整个移动汁算戊川的核心。m m 匝删的限入式操作系统主要行 p a l m 公司的p a l m ，m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm o b i l e 系列，s y m b i a n 公司的 s y m b i a no s ，以及i 淡入式l i n u x 。 4 无线应用服务器( w i r e l e s sa p p l i c a t i o ns e r v e r ，w a s ) 无线应用服务器是一一个可以使客户通过无线设备访问eb u s i n e s s 应用、企 业数据和i n t e r n e t 的企、i k 级应用服务器目前的产品有b e aw e b l o g i c s e r v e r ， o r a c l e 9 i a sw i r e l e s s ，s y b a s ei a n y w h e r es o l u t i o n s 等。 5 移动数据库 从数据管理的角度看，所湘移动汁算实际j ：就是如何向分布在不同位段的 移动用户提供优质的信息服务( 信息的存储、查询、计算等) ，也就是设计出 的数据库系统能够安全、快速、有敬地m 各种用户终端设备提供数据服务。 目前移动数据产品一卜要有s y b a s e 的移动及嵌入计算解决方案s q l a n y w h e r es t u d i o ，o r a c l e 的o r a c l e9 il i t e ，i b m 的d b 2e v e r y w h e r e 以及微软 基于w i n d o w sm o b i l e 的漩入式s q ls e r v e r 。 6 应用软件 移动计算所需的应用软件的欠缺，是| j j l 碍移动汁算发展的障碍。在过去的 几年中，虽然适用j ：移动计算的应用软件获得了巨大的发展，但是如何帮助用 户开发出适合他们需求的移动应用，仍然是今后各移动计算产品提供商与其合 作伙伴努力的方向。移动计算服务上的竞争将集巾在应用软件方面，谁的经验 丰富，准能提供更丰富的应用软什，谁就有可能占领更大的市场。 2 2 移动计算特点 与基于网定网络的传统分布式i ；t 算汁算环境相比，移动汁算环境具有以p 一些卡要特点 4 9 ： 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章移动计算环境 ( 1 ) 移动性 在移动计算环境中，斑突出的特征就是i 5 乏备的移动性。一个移动没备 可以在不同的地方连通网络，而日在移动的同时也可以保持网络连接。这 种计算甲台的移动性可能导致系统访问布局的变化和资源的移动性。 ( 2 ) 频繁断连接性 移动设备在移动过程中，由于使用方式、电源、无线通信费用、网络 条件等因素的限制，一般不采用保持持续联网的工作方式，而足主动或被 动地间歇性入网、断连接。 ( 3 ) 网络条件的多样性 移动设备的移动性使得不同时问可用的网络条件( 如网络带宽、通信 代价、网络延迟以及服务质罱等) 是变化多端，甚至相差悬殊：移动没各 及可以联入高带宽的固定刚络，也可以工作在低带宽的无线广域网中，甚 至处于无网络可用的断连接状态。 ( 4 ) 无线连接的低带宽 和固定网络相比，无线连接的带宽要小很多，w w a n 的带宽最高不 过一百多k b p s ，而目的最叛的w l a n 产品带宽可达到5 5 mb p s ，但是和 爆炸式增长的数据相比，这些带宽是不够的，对于需要传输多媒体数据的 应用场合而言更足如此。 ( 5 ) 网络通信的非对称性 由j ：物理通信媒介的限制，一般的无线网络通信都是非对称的，表现 在固定服务器节点n r 以拥有强大的发送设备，而移动设备的发送能力非常 有限，于是下行髓路( 服务器到移动设备) 的通信带宽与代价和上行链路( 移 动没备到服务器) 相差很大。 ( 6 1 低可靠性 无线网络与固定网络相比，可靠性较低，更容易受到干扰而出现网络 故障；此外，移动计算机由于其便携性和工作环境，也带来潜在的不安全 因素，包括失窃、遗失、损坏等。 ( 7 ) 移动设备的资源有限性 与固定设备相比，移动i 盐备的资源是相对有限的，如c p u 处理能 力、存储器的存储容量、电源的支持能力等。 研究表明，由于移动计算环境的l 述特点，使得传统的分布式数据库技术 不能支持移动计算环境。因此，研究移动数据库技术，即支持移动计算环境的 分布式数据库技术，己成为l _ = _ il j 数掘库研究的个靛璎厅叭， 尘里墼兰垫尘奎兰竺圭兰竺篓兰塑：耋丝垫兰竺堑堡 2 3 小结 本章对移动计算环境的结构及其特 作丁详细的介绍。移动汁算技术的发 展，为用户可以随时随地的获取n 己所需的信息提供了、 ，台，而位置相关信息 服务，就是建立在这个t 断逃发腱的、 台之一l ，从用户f i q i 衍求出发，通过位髓相 关查询和位置相关持续盘i _ f j ，为1 t 1 j 、提供嚣新的有效数据。 中国科学技术大学硕士学位论文 第3 章位置相关数据及查询 第3 章位置相关数据及查询 移动计算技术的发展给已存在的汁算技术提山了, 翱i f f j 要求，如网络、数据 库等。在数据库研究领域，川户利数据移动的概念对数据模型提出了新的要 求，数据库系统必须能有效地表示位置信息并支持复杂的位置相关查询和位置 相关持续查询。 随着人们移动性的增加，在许多移动商务应用中，位置成为非常重要的约 束。位置相关信息服务( l o c a t i o nd e p e n d e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，l d l s ) ，是 通过无线通信网络，获取移动客户的位置信息，并在此基础上提供相应服务的 一种业务。通过这项服务，用j 可以按需要访问和他们地理位置相关的应用和 数据，如查找陌生地方的信息、本地生活方式数据【5 1 ，也可以查找依赖于特 定位置的信息。这类数据被定义为位置相关数据 5 5 】，本地黄页、本地事件、 旅馆和餐馆信息是这类数据的例子。查询中的位置相关性隐含着被访问的信息 相关于一个位置，例如“查找5 0 0 米范围内餐馆名字和地址”，为了回答这个 查询，必须知道查询提交者的当前位置，查询结果必须满足这个位置约束。 在基于移动计算环境的位置相关信息服务应用中，位置相关查询具有莺要 的地位，由于客户是移动的，辑，- 的位胃可以是书砌的 【f 分，愈询结粜不仪 依赖于客户的位置，也依赖于客j 1 的移动方i q 。 3 1 位置相关数据 对象或人的位置可表示为相对于菜一参考点的地理位置。位置可用不同的 粒度表示，如纬度经度对、城市、无线通信蜂窝结构中蜂窝覆盖的区域等。 定义3 1 ：位置午h 关数据( l o c a t i o nd e p e n d e n td a t a ，l d d ) 指其值山相 关位冠决定的数撕。 例如本地黄贝，本地事件，天7e 信。l , t 等。：牛一个移动i 殳各( m u ) 发出一个 查找本地旅馆的查询，在北京和合肥将得到，l i 同的结果。而对一个在列车上的 旅客，他所提交相同的查询，可以要求门丁北京来响应，而彳i 是用旅客提交奄询 中国科学技术大学颈七学位论文第3 章位置相关数据及查询 时的所在地来响应。 设数据库d 由关系尺1 ，凡2 ，尺。组成，d = ( 尺i ：1 i n ) 。a r i 表示托的属 性集，爿。表示整个数据库d 的属性集，a d = u ar l ，l i n 。对关系足的每 一属性存在一个域d o r a 。属性的域由它的语义或在数据库中的意义来标识。 例如安徽省的c i t y n a m 属性的域包含城市名 台肥，蚌埠，阜刚，1 。关系的 每个属性能被区分为位置域属性( l o c a t i o nd o m a i n s ，l d ) 或非位置域属性 ( n o n l o c a t i o nd o m a i n s ，n l d ) ，例如，c i t y n a m e 足位置属性，它的域是位 置域，l a s t n a m e 是非位置属性，它的域与任何位置无关。 对数据库d 和它的属性集a ，数据库d 的属性集a 由来自位置域( l d ) 和非位置域( n l d ) 的属性组成。记为： a d = a d ( l d ) ua d ( n 1 1 ) ) ，其中 a d ( l d ) 2u a r i f l d a d ( n i ，d ) 2u a r i ( n i d ) 定义3 2 ：设关系r 包含属性a l ( 1 i n ) ，r = a l ，a 2 ，a n ，如果r 的 属性a i 的值来自于位置域则称a i 是位置属性( l o c a t i o na t t r i b u t e ，l a ) ，否 则称为非位置属性( n o n l o c a t i o na t t r i b u t e ，n l a ) 。如果关系r 至少有一个位 置属性，则称r 为位鼹相关关系( l o c a t i o nr e l a t e dr e l a t i o n ，l r - r e l a t i o n ) ， 否则称为位嚣无关关系( n o n l o c a t i o nr e l a t e dr e l a t i o n ，n l r r e l a t i o n ) 。 空间数据由点、线、平面、体积，甚至高维数据组成，因此空间属性是位 置属性。空间关系的某些属性，如n a m e 不包含任何“内嵌空间”的概念或关 系，会被认为是非空间属