论文研究-一种新的P2P空间矢量数据索引网络的研究.pdf

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针对当前P2PGIS研究在多尺度、多图层空间矢量数据索引方面的不足,从应用实际出发,提出了一种新的P2P空间矢量数据索引网络。该网络扩展了已有的混合式索引网络结构体系,利用金字塔融合多尺度构建分布式四叉索引树;在此基础上,提出相应的分布式空间矢量数据的查询算法,并用数学方法进行了性能分析。原型系统性能测试结果表明,该索引网络能有效地减少网络负担,提高空间索引的效率。
4242 计算机应用研究 dofransResult(tkey. Tilefile, y) 个图层有S个尺度,数据最小划分层数为fm,最大划分层数为 *判断是否为所要查询的关键字,是则返回查询结果,不是则继f。(fm≥fm)。由于一共有S个尺度,又已知了fm与fm,可 续往下四叉查找非 以推算出S=fm-fm+1。 el 假设被查询的尺度为ale(1≤ scale≤S),每个图层要查询 1 t04 do in 数据块的个数为X,根据上文尺度越大时划分层数越小,可推算 ints(tkey, range( childkey(c_key, i)))is not empty ) then 出在第 scale个尺度时数据的划分层数ls=fmn+ scale-1。 判断是否与下层四叉树节点相交 由于系统四叉查询时节点向下遍历的次数为1,所以对 peer( childkey(e-key,1)→ do Query(t-ks, childre(-key,棵四叉树的x块数据进行查询所需的报文数为 y W=Xx(l,-fmin +1)=Y x seale 递归查找 N个图层则有 IH nl 注:在分布式网络环境中,符号“→”代表某个per给另 个en发送消息; delegate(key)→mc()表示定位Chmn中 对集中式系统,由于数据都在同一个节点上,该节点要处 理所有的报文。假设peer处理报文的服务能力为M,则集中 关键字为ckey的per节点,并触发该节点的ume()方法。 式系统报文处理延时为 客户端 P2P网络节点 (查询开始),待查询图尽 对于分布式系统,所有网络节点地位均等,且具有相同的 的 scalesjenv 报文处理能力。当它从根节点向下四义查询时,由于遍历次数 计算确定 为1,因此四义树每一层要处理的报文数都为X。在数据发布 ckey、tkey 均匀的情况下,可以得到分布式系统处理报文的延时为 是/角断本地是否 X 在k吗数据一 441+…+ ecale (0≤i≤sae-1) (4) 发送查询 接收查询 请求 消息 从式(3)(4)可以看出,随着P与 scale的不断增加,Tn≤ T始终成立,也就是说分布式系统处理报文的能力始终高于 否利断索引 否存在 发送查询 集屮式系统;并且当P不断增加时,T在减小,也就是说当网 查询结束 消息 络中汇聚节点増加时,分布式系统的报文处理能丿在不断提 是 高,休现了分布式系统的优势。 判断是否是否 进入下层 四叉索引 4原型系统性能测试 接收数据,并 」发送查 存入本地索引 本系统基于XTA平台和JN( Java topology smile)中 间件,实现了基于P2P空间矢量数据索引网络的原型系统。 图4空间矢量数据查询流程 本文对络查询部分进行了测试,并与相同条件下集中式网络 客户端y对某图层发起查询请求,已知查询范围em和尺结构模型进行比较,进一步说明分布式系统的有效性。由于资 度数 scale的情况下,调用 getFminkeys(env,ro,G)方法确源有限,本文仅使用五台电脑,在J6.0坏境下,使用三台电 定fm层的关键字,存入列表G并返回;调用 get TileKeys(eny, 脑,每台电脑各启动一个汇聚节点来构建Clor环,另外两台 c-key, scale,K)方法确定查找数据块的关键字,存入列表K作为用户节点,其中一台还要充当目录服务器。使用62M江 中并返回;使用ish(ky)函数判断个地是否存在关键苏省1:5万矢量数据,其中包含7个图层,并设置fm=1, 字为tkey的数据,如果存在则查询结束,不存在则进行网络m=7,分别在集中式和分布式坏境下进行测试比较。 查询;用 delegate(ckey)方法在(hord中路由定位fm层节点, 集中式测试时,目录服务器将数据发布到一个指定的汇聚 发送数据査询请求。节点收到查询响应调用方法 do query(t 节点上,杳询时用户节点直接连接到该汇聚节点进行杳询;分 key,c_key,y)进行递归查找;查找过程调用ints(key, range 布式测试时,日录服务器将数据均匀地发布到三个汇聚节点 ( childkey(tkey,a))进行一系列的相交运算。数据查找成功 上,査询时用户节点可以任意连接汇聚节点进行查询 图5所示为图层数相等时,并行用户数不断增加时两种情 后由调用 dotrans result(tkey. Telefile,y)发送查询结果,其中 tkey. Telefile为关键字tkey的数据块文件。 况各自的响应时间。由图可知,对于集中式索引,响应时间随用 户数的增加而明显增加;对于分布式索引,当用户数较小(≤2) 3查询算法分析 时,其响应时间大于集中式索引,当用户数较大(>2)时,其响应 时间小于集中式索引。从而表明,对于大量用户访问时,分布式 可以用数学方式对分布式与集中式系统报文的处理能力索引比集中式索引有较大优势,证明了本系统的有效性。 进行分析,通过数据分析来说明本系统在减少网络负担的同时 图6显示两种环境下,在用户数相同时,图层数与响应时 能提高索引的效率。在相同的网络环境下,把数据与查询操作间的变化关系。由图可知,在并行用户数一定的情况下,集中 都在同一个节点上完成的系统看成集中式系统。 式索引的响应时间随图层数的增加而明显增加,而分布式索引 假设上层的(hord网络是由P个汇聚节点构成,并且网络则比较平稳,说明图层数的增加对分布式系统的影响比较小, 稳定汇聚节点不会从网络中退出。同时假设有N个图层,每证明了本系统的可行性。 (下转第4262页) 4262 计算机应用研究 第28卷 利衰落信道,且其传输矩阵在接收端完全已知,在100t数参考文献 据内保持恒定,其各元素是独立同分布随机复杂高斯变量并保[1 FOSCHINI G J, GANS M1. On limits of wireless communications in 持总和为1,各系数的实部和虚部同时变化并随机获得。信道 a fading environment when using multiple antennas J. Wireless 中所加噪声为加性高斯白噪声,其均匀地加到每根大线及每个 Personal Communications, 1998, 6(3): 311-33 实和虚的分量上。 [2 TALATAR I E. Capacity of multi-antenna Gaussian channels J] 仿真结果如图2所示,图中其余的曲线均为文献[6]仿真 European Trans on Telecommunications, 1999. 10(6): 585 的各系统的性能曲线,分别是单极化单发单收天线系统在瑞利 衰落信道下的性能、双发单收和四发双收的单极化天线Alam-[3] TAROKH V. SESHADRIN. CALDERBANK A R. Space-time codes oui系统,同时还有采用QSK调制的高斯白噪声信道的性能 for high data rate wireless communication: performance criterion and 由线。从图中可以很明显地发现,本文提出的三极化正交空时 code construction [J]. IEEE Trans on Information Theory, 1998 44(2):744-765 极分组码在相同的条件下具有良好的性能,并且从物理空间的141 ALAMOUTI S W. A simple transmit diversity technique for wireless 利用上讲,本文提出的系统在相同的空间体积(双发单收)下 communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Com- 明显优于采用双发单收的单极化天线 Alamouti系统 munications,1998,16(8):1451-1458. [5 TAROKH V, JAFARKHANI H, CALDE-RBANK A R. Space-time block codes from orthogonal designs [J]. IEEE Trans on Informa yAWN l0 tion Theory,1999,45(5):1456-1467 [6 TAROKH V, JAFARKHANI H, CALDE-RBANK A R. Space-time block coding for wireless communications: performance results JJ 10 lEEE Journal on Selected Areas in Communications 1999. 17 (3):451-460 103 02468101214161820 [7] JAFARKHANI H. A quasi-orthogonal space-time block code [J] SNR/dB IEEE Trans on Communications, 2001, 49(1): 1-4 图1三极化天线MMO传输系统图2三极化正交空时极分组码与8] SEBERRY J, FINLA YSON K, ADAMS SS,etal. The theory of qua (双发射天线,单接收天线) 双极化正交空时分组码性能比较 (两发射天线,单接收天线) ternion orthogonal designs. J. IEEE Trans on Signal Process 5结束语 ing,2008,56(1):256-265 [9] ALTMANN S L. Rotations, quaternions, and double groups M] 本文利用引人联合空间分集、时间分集以及极化分集的四 1986 元数正交设计,构建了一种新颖的可用在三极化天线上的正交 1O] WANG Zi-gang, LI Zheng-quan, SUN Feng. A or hogonal space time 空时极分组码,在极化维上扩展了文献[8]的结论。通过仿真 polarization block code( OSTPBC) based on quaternion orthogonal designs[J]. Journal of Yangzhou University Natural Science 分析了此三极化正交空时极分组码的性能,并与相同天线数的 Edition,2008,11(4):57-60 Alamouti码和双板化正交空时极分组码作了比较,该方案能更11 JAFARHANI H.Spce+ time colin: theory and practice [ M].can 加有效地降低误码率,提高系统性能。 bridge: Cambridge University Press, 2005 (上接第4242页 参考文献 5500 00 [1]王霖琳,胡派琪.基于GS棚袼数据的空间模糊综合评判方法与 1800 1600 实践[冂].地理与地理信息科学,209,25(4):38-41 1400 [2]蔡少华.栅格索引的结,点匹配算法[J].测绘科学技术学报 1200 1000 2010,27(3):193-195 800 00 督600 [3 FINKEL R A, BENTLEY J L. Quad-trees: a data structure for retri 400 val on composite keys[ J]. Acta Informatica, 2004, 4(1): 1-9 200 [4] SKVORISOV A V. Algorithms for improving the quality of H-trees 并行用户数个 图层数个 [J. Russian Physics Journal, 2004, 44(6): 588-595 图5响应时间与用户数的关系图6响应时间与图层数关系 [5 TANIN E, HARWOOD A, SAMET H. Using a distributed quadtree index in peer-to-peer netwouks[J]. The VLDB Journal, 2007,16 测试结果表明,不管在多用户还是在多图层时,分布式系 (2):165-178 统的查询效率都比集中式系统高,说明这种分布式的混合结构[6150c01,O, KARGER D, al. Chord: a scalable peer to-peer lookup service for Internet applications[ C]//Proc of Confer 索引网络是有效可行的。 ence on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communicat ions. 2001 5结束语 [7]刘德剛,陈传波,曾文,PP环境中的空间数据索引模型和生成 算法研究[].计算机工程与应用 P2P技术为空间数据服务技术解决了多用户并发产生的 [8 WU Jia-gao, JIANG Nan, ZOU Zhi-qiang, et al. HPSIN: a new hy 许多问题。本文提出了一种新的PP空间矢量数据索引网 brid P2P spatial indexing network[J]. The Journal of China Univer 络,并提出了该索引网络的空间矢量数据查询算法,通过数学 sities of Posts and Telecommunications, 2010, 17(3): 66-72 与实验测试分析了该索引网络的性能。目前这个索引网络还 9| OAKS S, TRAVERSAT B, GONG Li.JXTA技术手册M|.技桥, 比较简单,叫以在这个索引树络的基础上改进目前的查询算 译.北京:清华大学士版社,2004 [10 VIVID Solutions. JTS topology suite 法,引入缓存机制,进一步地提高网络性能,并与其他相关分布 Leb/Olj.(2003-10-17)[2009-11-8.http://www.vividsolut 式算法进行比较。 ions. com/ jts/jtshome. htm

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