（计算机科学与技术专业论文）energy+balance+among+nodes+with+middlewares+in+wireless+sensor+networks.pdf

e n e r g yb a l a n c ea m o n gn o d e sw i t hm i d d l e w a r e si nw i r e l e s ss c n s o rn e t w o r k s 摘要 在无线通信与电子设备领域的新发展，促进了廉价、低耗、功能丰富的传感节点 的发展，这样的传感节点体积小，可以在短距离内实现自由通信这些微小的传 感节点由感应、数据处理及通信元件组成，它们促成了传感网络的构建。这些微 小的传感节点由感应、数据处理及通信元件组成，它们促成了传感网络的构建。 在过去的几年里，就无线传感网络这个论题开展了大量研究。这些研究主要集中 在网络协议方面，也因此产生了许多新的、专为传感网络设计的、以提高能效为 目标的协议，然而，业内大部分的研究都集中在路由协议上，进行该类研究的学 者认为协议应基于应用和网络构架上。尽管学者们提出了大量功能不同的路由协 议，但由于该领域的高速发展和相关需求的日益增加，我们的研究速度依然有待 提高。 本论文致力于研讨和解决提高路由效率的相关问题。提出了一种全新的路由算 法应用于无线感应网络，以维持能量平衡。本文首先全面回顾了已有的路由协议 并指出其优缺点，在此基础上提出能效更高的路由算法。 另，由于新一代的应用程式出现，它需要使用新的编程范式随着技术的进步， 这样的需求也不断增加。所以，在无线传感器网络的领域，出现了一个新概念，提 出引进网络中间件的概念。无线传感器网络中问件技术开发和部署，可以大量应 用于如智能环境、天气预报、桥梁监测、健康应用等方面。但由于资源的限制、 无线连接不可靠性、中间件的硬件多样性，无线传感器网络中间件技术仍然面临 一系列的新挑战。最基本的挑战是能量守恒定律。 本论文中，我们提出了一种路由选择算法，该算法具有高效节能的特点，但我们主 要集讨论同时应用节点与中间件的网络。节约能源在这种类型的网络中是一个 十分重要的问题。因为节点与中间件有更强大的计算能力，要消耗更多的能量， 所以它们需要更大的电池消耗。h e a d s 冈为节点通过丛集首来运行中间件，所以 如果它们的电池耗尽将导致很大部分的网络瘫痪。而且，我们选择了g p s r ( g r e e d yp e r i m e t e rs t a t e l e s sr o u t i n g ) 协议并使用簇结构。 我们已经通过一系列的模拟对该算法的性能进行了评估。通过改变如节点数量、 密度、跳跃数、和数据包损失等度量方式，进行详细的性能评估 模拟结果表明，我们的路由算法性能表现优于g p s r ，在能级方面，它提高了路由 选择的能源效率。从数据包损失率上看，它的表现同样优于g p s r ，通过该算法， 成功的传送了数据包，延长了传感器网络的寿命 i u e n e r g yb a l a n c ea m o n gn o d e sw i t hm i d d l e w a r e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b s t r a c t r e c e n ta d v a n c e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n de l e c t r o n i c sh a v ee n a b l e dt h e d e v e l o p m e n to fl o w - c o s t ，l o w - p o w e r , m u l t i f u n c t i o n a ls e n s o rn o d e st h a ta r es m a l li n s i z ea n dc o m m u n i c a t eu n t e t h e r e di ns h o r td i s t a n c e s t h e s et i n ys e n s o rn o d e s ，w h i c h c o n s i s to f s e n s i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，a n dc o m m u n i c a t i n gc o m p o n e n t s ，l e v e r a g et h ei d e a o fs e n s o rn e t w o r k s o v e rt h ep a s tf e wy e a r ss i g n i f i c a n tr e s e a r c hh a sb e e n d o n eo nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ；t h em a i n of o c u sw a so nt h ep r o t o c o l sa n di th a sl e dt om a n yn e wp r o t o c o l s s p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rs e n s o rn e t w o r k sw h e r ee n e r g ya w a r e n e s si sa ne s s e n t i a l c o n s i d e r a t i o n m o s to ft h ea t t e n t i o n ，h o w e v e r , h a sb e e ng i v e nt ot h er o u t i n gp r o t o c o l s s i n c et h e ym i g h td i f f e rd e p e n d i n go nt h ea p p l i c a t i o na n dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e a l t h o u g hal o to fr o u t i n gp r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e da n da r ec h a r a c t e r i z e d a c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sb u ts t i l lw i t ht h er a p i da d v a n c e m e n ti nt h i s f i e l da n dw i t ht h ee v e rg r o w i n gn e e d s ，w ea r es t i l ll a c k i n gb e h i n d i n t h i st h e s i sw eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ei s s u e sa n dc h a l l e n g e st h a tw ea r ef a c i n gi n o r d e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fr o u t i n g o u rp r o p o s e da p p r o a c hp r o v i d e san o v e l r o u t i n ga l g o r i t h mf o re n e r g yb a l a n c ei nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s w eh a v et h o r o u g h l y r e v i e w e dt h ee x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l sp r e s e n t e di nt h el i t e r a t u r ea n dh a v ef o u n do u t t h e i rp r o sa n dc o n s a f t e rr e v i e w i n gt h ep o s i t i v e sa n dt h en e g a t i v e sw eh a v ep r o p o s e d o u re n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n ga l g o r i t h m f u r t h e r , a st h en e wg e n e r a t i o no fa p p l i c a t i o n si se m e r g i n g ，i tr e q u i r e sn e w p r o g r a m m i n gp a r a d i g m s w i t ht h ea d v a n c e m e n ti nt e c h n o l o g yt h er e q u i r e m e n t sa r e a l s oi n c r e a s i n g s o ，i nt h ef i e l do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k san e wc o n c e p th a s e m e r g e da n dt h a ti s t h ec o n c e p to fi n t r o d u c i n gm i d d l e w a r e si nt h en e t w o r k s m i d d l e w a r ef o rw s nf a c i l i t a t e sd e v e l o p m e n ta n dd e p l o y m e n to fal a r g en u m b e ro f a p p l i c a t i o n ss u c ha ss m a r te n v i r o n m e n t s ，w e a t h e rf o r e c a s t i n g ，b r i d g em o n i t o r i n g ， h e a l t ha p p l i c a t i o n s ，e t c f o rs e n s o rn e t w o r k s b u td u et or e s o u r c ec o n s t r a i n t s ， u n r e l i a b i l i t yo fw i r e l e s sc o n n e c t s ，a n dd i v e r s i t yi na v a i l a b l es e n s o rh a r d w a r e ， m i d d l e w a r ef o rw s n p r e s e n t san u m b e ro fn e wc h a l l e n g e s t h em o s tb a s i cc h a l l e n g e i so fe n e r g yc o n s e r v a t i o n m a s t e r st h e s i s i no u rt h e s i sw eh a v ep r o p o s e dar o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hi se n e r g ye f f i c i e n tb u tw e h a v ef o c u s e do nt h en e t w o r ki nw h i c ht h e r ea r en o d e sw i t hm i d d l e w a r e s t oc o n s e r v e e n e r g yi nt h i st y p eo fn e t w o r ki s ac r i t i c a li s s u e b e c a u s en o d e sw i t hm i d d l e w a r e s c o n s u m em o r ep o w e ra st h e yh a v em o r ec o m p u t a t i o na b i l i t ys oi ti sat h r e a tt h a tt h e y m a y r u no u to fb a a e r yq u i c k l y s i n c e ，t h en o d e sr u n n i n gm i d d l e w a r e sa r et h ec l u s t e r h e a d ss oi ft h e i rb a t t e r yd e p l e t e sas i g n i f i c a n tp o r t i o no ft h en e t w o r km a yp a r a l y z e a l s o ，w eh a v ec h o s e nt h eg p s r ( g r e e d yp e r i m e t e rs t a t e l e s sr o u t i n g ) p r o t o c o la n d h a v eu s e dt h ec l u s t e r e da r c h i t e c t u r e w eh a v ee v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fo u ra l g o r i t h mb yp e r f o r m i n gas e r i e so f s i m u l a t i o n s t h ed e t a i l e ds e r i e sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni sc a r r i e do u tb yc h a n g i n gt h e m e t r i c sl i k en o o f n o d e s ，t h ed e n s i t yo f n o d e s ，h o pc o u n t sa n dp a c k e tl o s s f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t sw eh a v es h o w e dt h a to u rr o u t i n ga l g o r i t h mp e r f o r m sb e t t e r t h a nt h eg p s ra n di ti m p r o v e st h ee n e r g ye f f i c i e n c yo ft h er o u t i n ga p p r o a c hw i t h r e s p e c tt ot h ee n e r g yl e v e l i ta l s oh a sp e r f o r m e db e t t e rt h a ng p s r i nt e r m so f p a c k e t l o s sr a t ea n ds u c c e s s f u l l yt r a n s m i t t e dp a c k e t sa n di tc a na l s op r o l o n gt h el i f e t i m eo f t h es e n s o rn e t w o r k s k e y w o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，w s n ，g p s r ，r o u t i n ga l g o r i t h m ，m i d d l e w a r e i i e n e r g yb a l a n c ea m o n gn o d e sw i t hm i d d l e w a r e si nw i r e l e s s $ e l l s o rn e t w o r k s l i s to ff i g u r e s f i g u r e2 1 ：c l u s t e rb a s e dm i d d l e w a r ea r c h i t e c t u r e 7 f i g u r e2 2 ：c a t e g o r i z a t i o no fm i d d l e w a r es y s t e m s 1 ( f i g u r e3 1 ：s o f t w a r eb l o c kd i a g r a m j 1 4 f i g u r e3 1 a ：t w om o d e so f g r e e d yf o r w a r d i n go p e r a t i o n 1 5 f i g u r e3 2 ：g r e e d yf o r w a r d i n g ：1 7 f i g u r e3 3 ：g r e e d yf o r w a r d i n gf a i l u r e ：xw a n t st os e n tap a c k e tt od b u tn o n eo fi t sn e i g h b o r sa r ec l o s e rt odt h a nx 18 f i g u r e3 4 ：p e r i m e t e rf o r w a r d i n g ：xi st h en o d ew h e r e g r e e d yf o r w a r d i n gf a i l e d a l g o r i t h mu s e sr i g h th a n dr u l et of o r w a r dp a c k e t s 18 f i g u r e4 1 ：o v e r a l lp a c k e td r o p 2 4 f i g u r e4 2p a c k e tl o s sr a t ev s d e a t hr a t e 2 4 f i g u r e4 3 ：p a c k e td e l i v e r ys u c c e s sr a t e r e dw i t hv a r y i n g b e a c o ni n t e r v a l s b c o m p a r e dw i t hg p s r 5 0n o d e s 2 5 f i g u r e4 4 ：s u c c e s s f u l l yt r a n s f e f r e db i t sv s d e a t hr a t e 2 6 f i g u r e4 5 ：r o u t i n gp r o t o c o lo v e r h e a d 2 7 f i g u r e4 6 ：s u c c e s s f u i l yt r a n s f e r r e dp a c k e t sv s h o pc o u n t 2 7 f i g u r e4 7 ：p a t hl e n g t h ( 5 0d e n s e ) ：2 8 f i g u r e4 8 ：p a t hl e n g t h ( 2 0 0d e n s e ) 2 8 f i g u r e4 9 ：p a t hl e n g t h ( 5 0s p a r s e ) 2 9 f i g u r e4 1o ：s t a t es i z e ( 2 0 0n o d e ) 3 0 f i g u r ea 1 ：a ne l e m e n to fn e i g h b o rt a b l e 4 3 f i g u r ea 2 ：g p s rt y p e h 4 3 f i g u r ea 3 ：g p s rl i n ki f z l ：； f i g u r ea 4 ：g p s ru p p e ri f 4 ：； f i g u r ea ! ；：g p s rg r e e d y z i 4 f i g u r ea 6 ：g p s rp e r i m e t e r 4 4 f i g u r ea 7 ：g p s rb e a c o n 4 4 f i g u r ea 8 ：g p s rn e i g h b o u rt a b l e 4 4 f i g u r ea 9 ：g p s rm a i n t e n a n c e 。4 4 f i g u r ea 1o ：e ：1 ) s rm u x 4 4 f i g u r ea 11 ：g p s rd e b u g 4 5 f i g u r ea 12 ：g p s rt i m e r 4 5 f i g u r ea 13 ：g p s ru t i l i t y 4 5 f i g u r ea 1 4 ：g p s rd 4 1 ； f i g u r ea 1 5 ：f o r m a to f h e a d e r si ng p s rp r o t o c o lp a c k e t 4 5 f i g u r ea 16 ：f o r m a to fb e a c o na n db e a c o ns o l i c i t 4 7 f i g u r ea 1 7 ：f o r m a to f g p d s rd a t ap a c k e t 4 7 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明 作者签名： 到本声明的法律后果由本人承担。 日期：鹚年g 石铝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以 作者签名 导师签名： 各 1 立正：够 “0 ”) 日期：研年吖月日 日期：冽年p 伽 e n e r g yb a l a n c ea m o n gn o d e sw i t hm i d d l e w a r e si nw i r e l e s ss c n s o rn e t w o r k s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep a p e r e a r l i e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sw e r eo n l yi nt h ef i e l do fr e s e a r c hb u ta st h er e s e a r c h p r o g r e s s e da n dr e s u l t ss t a r tt oc o m eo u t t h e ya r en o wb e i n gl m p l e m e n t e de v e r y w h e r e n o wt h e ya r em a j o rp a r lo fo u rl i v e s a st h eu s a g eo fw s n si sg r o w i n gs e v e r a ln e w i s s u e sh a v es t a r t e dt oc o m eo u t d e s p i t et h a tt h e r ei ss t i l lr e s e a r c hb e i n gd o n eo nt h e t o p i c ss u c ha st o p o l o g ym a n a g e m e n t ，m i n i m i z i n gn o o fh o p s ，r e d u c i n gb a r e r y u t i l i z a t i o nb u ts e v e r a ii s s u e sa r es t i l la tt h e i re a r l ys t a g e so fr e s e a r c hi nt h em o d e m a g eo fw s n s o n eo ft h en e wr e s e a r c hc h a l l e n g e sw eh a v ei st h ed e s i g no f m i d d l e w a r e s 。s e v e r a ls u r v e y sh a v ea l r e a d yb e e nd o n eo nt h ei s s u e sa n dc h a l l e n g e so f d e s i g n i n gm i d d l e w a r e s u p t i ln o wi nw s nm i d d l e w a r e st h eh o ti s s u e sa r ea p p l i c a t i o n k n o w l e d g e ，d a t af u s i o n ，t o p o l o g yc o n t r 0 1 s c a l a b i l i t y , s e c u r i t ya n dr e s o u r c ec o n s t r a i n t s r e s e a r c hi sb e i n gd o n eo nt h e - a b o v et o p i c sb u tu p t i ln o wn os i g n i f i c a n tr e s e a r c hh a s b e e nd o n eo no v e r c o m i n gt h ep r o b l e mo fs c a l a b i l i 饥a n dr e s o u r c ec o n s t r a i n ti nw s n s h a v i n gm i d d l e w a r e s i nt h i sp a p e rw ew i l lp r e s e n ta na l g o r i t h mf o re n e r g ye f f i c i e n t r o u t i n gi nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr u n n i n go nm i d d l e w a r e s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r eu s u a l l yu s e df o rs e n s i n gd a t af r o mt h ee n v i r o n m e n ta n d t h e np r o c e s st h ed a t at og a i ni n f o r m a t i o n a st h em o t e ss e n s et h ed a t af r o mt h e e n v i r o n m e n ts ow en e e dt oi n s t a l lah u g en o o fm o t e ss ot h a tt h e yc a nc o v e rt h e r e g i o nw e l l s ow s n sa r ei n h e r e n t l ya r el a r g ei ns i z e w i t h1 a r g er i o o fm o t e st h e q u e s t i o na r i s e st h a ti fw eh a da l r e a d ys e tu pan e t w o r kf o ro n et y p eo fa p p l i c a t i o na n d n o ww a n tt ou s ea n o t h e ra p p l i c a t i o ni ti sn o tf e a s i b l et os e t u pa n o t h e rn e t w o r kw i t h s a m en oo fm o t e s s o m i d d l e w a r ei nw s n sa r ei n t r o d u c e dt ou s et h ee x i s t i n gs e n s o r n e t w o r kf o rm u l t i p l ea p p l i c a t i o n s t h em i d d l e w a r es i t sm a i n l yb e t w e e nt h en e t w o r k h a r d w a r ea n dt h eo p e r a t i n gs y s t e m m i d d l e w a r ec a nh a v em a n yf u n c t i o n sb u tj t s p r i m a r yf u n c t i o n si nw s na r et os t a n d a r d i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm u l t i p l e a p p l i c a t i o n s ，ar u n t i m ee n v i r o n m e n tt h a tc a l ls u p p o r ta n dc o o r d i n a t ew i t hm u l t i p l e a p p l i c a t i o n sa n da l s ot oi n c r e a s et h ee 伍c i e n c yo ft h es y s t e m t h eo b j e c t i v eo fw s n i sv e r ys i m p l eb u td u et os t r i n g e n te n v i r o n m e n to fw s nt h ed e s i g no fa no p t i m i z e d m i d d l e w a r ei ss t i l lu n d e rd i s c u s s i o na n dh a ss e v e r a lc h a l l e n g e s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st of i n do u ts o m ei s s u e si nt h ee x i s t i n gt o p o l o g ya n d r o u t i n gm e t h o d sa n dp r o p o s ear o u t i n gm e t h o db a s e do nt h el e v e lo fe n e r g yo ft h e n o d e ss ot h a tt h e r ei se n e r g yb a l a n c ei nt h ew h o l en e t w o r ka n dt h el i f e t i m eo ft h e n e t w o r ki n c r e a s e s - 1 m a s t e r st h e s i s 1 2c h a l l e n g e sf o rw s n w s na l o n gw i t hi t sb e n e f i t sb r i n g so u tm a n yn e wc h a l l e n g e s 3 3 】【3 4 】【3 5 】o h e r ew et r y t oa r t i c u l a t et h ec h a l l e n g e sa s s o c i a t e dw i t hm i d d l e w a r ef o rw s n a ) a b s t r a c t i o ns u p p o r t w s nc o n s i s t so fal a r g en u m b e ro fh e t e r o g e n e o u ss e n s o r s t h e s es e n s o r sa r e d e v e l o p e db yv a r i o u sv e n d o r sa n dm a yh a v ed i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m s h i d i n gt h e u n d e r l y i n gh a r d w a r ep l a t f o r m st oo f f e rah o m o g e n e o u sa n dh o l i s t i cv i e wo ft h e n e t w o r ki sa m a j o rc h a l l e n g ef o rm i d d l e w a r ef o rw s n b ) d a t af u s i o n s e n s o rn o d e sa r eu s e dt oc o l l e c td a t af r o mi t ss u r r o u n d i n g s d a t ac o l l e c t e db yv a r i o u s s e n s o rn o d e sh a v et ob em e r g e do rs y n t h e s i z e dt of o r mm o r eh i g h - l e v e la n de a s i l y u n d e r s t a n d a b l ef o r m a to rr e p o r t a l s o ，c o m m u n i c a t i n gt h i ss y n t h e s i z e di n f o r m a t i o nt o t h et a s ki s s u e r ( i e p d a ，l a p t o p ，c e l lp h o n e ，e t c ) i sa n o t h e rm a j o rc h a l l e n g e c 1r e s o u r c ec o n s t r a i n t s w s nc o n s i s t so ft i n ys e n s o r sw i t hv e r ys m a l lm e m o r y , c o m p u t a t i o np o w e r , a n d b a t t e r yp o w e r s o ，i nc a s eo fm i d d l e w a r e sf o rs e n s o rn e t w o r k s ，t h e yh a v et ob e j i g h t w e i g h tt ow o r ku n d e rl i m i t e dr e s o u r c ea v a i l a b i l i t y d ) d y n a m i ct o p o l o g y t o p o l o g yo fw s nm a yv a r yd y n a m i c a l l yd u et on o d em o b i l i t y , n o d ef a i l u r e ，a n d c o m m u n i c a t i o nf a il u r eb e t w e e nn o d e s mi d d l e w a r ef o rw s nm u s tb ec a p a b l eo f h a n d l i n gt h i sd y n a m i ct o p o l o g yo ft h en e t w o r k na p p l i c a t i o nk n o w l e d l g e t r a d i t i o n a lm i d d l e w a r ea r ed e s i g n e dt os u p p o r taw i d ev a r i e t yo fa p p l i c a t i o n sa c r o s s t h en e t w o r k b u td u et oi i m i t e dr e s o u r c ea v a i l a b i l i t y , w s nm i d d l e w a r ec a nn o tb e g e n e r a l i z e d i nt h i s w a y m i d d l e w a r e f o rw s nm i d d l e w a r es h o u l d i n t e g r a t e a p p l i c a t i o nk n o w l e d g ei n t ot h es e r v i c e sp r o v i d e d 3 3 1 3 4 】【3 5 1p r o p o s es o m ea p p r o a c h e s f o ri n j e c t i n ga p p l i c a t i o nk n o w l e d g ei ns e n s o rn o d e s f ) p r o g r a m m i n gp a r a d i g m d u et or e s o u r c ec o n s t r a i n t s ，d y n a m i cn e t w o r kt o p o l o g y , a n dd i f f i c u l t i e si n v o l v e di n c o i l e c t m ga n dp r o c e s s i n gs e n s o rd a t a p r o g r a m m i n gp a r a d i g m st o rm l d d i e w a r et o r w s na r eq u i t ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ip r o g r a m m i n gs t y l e sp 7j a d d r e s s e sa n u m b e r o fp r o g r a m m i n gp a r a d i g m sf o rw s nm i d d l e w a r e g ) a d a p t a b i l i t y m i d d l e w a r ef