專利名稱：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、智能家居和智能樓宇、城市交通、大型動(dòng)植物養(yǎng)殖場(chǎng)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的方方面面。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)量眾多的體積小、質(zhì)量輕和能量受限的節(jié)點(diǎn)組成，通常通過(guò)飛機(jī)投放的形式部署在觀測(cè)區(qū)域，由節(jié)點(diǎn)間相互通信形成的一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)。隨著應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，計(jì)算密集度越來(lái)越大，而傳感器的電池電量和運(yùn)算處理速度有限，多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作比單一節(jié)點(diǎn)更能滿足應(yīng)用所要求的計(jì)算能力。同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作共同完成任務(wù)，也是節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，提高系統(tǒng)性能，滿足應(yīng)用需求的有效途徑。分布式計(jì)算是協(xié)作的理論基礎(chǔ)， 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用。感知節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到任務(wù)流并分配給不同的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別對(duì)分配到的任務(wù)進(jìn)行處理，直到所有任務(wù)處理完成。合理的分布式計(jì)算可以保證算法的可靠性， 并且避免大量任務(wù)處理工作分配給單一節(jié)點(diǎn)而使其能量耗竭，因此節(jié)點(diǎn)能耗均衡得到廣泛關(guān)注和研究。任務(wù)調(diào)度和分配算法在提高分布式計(jì)算效率，均衡節(jié)點(diǎn)能耗中起了重要的作用，合理的任務(wù)分配在高效協(xié)作任務(wù)處理中有著舉足輕重的地位，并且正被廣泛研究。目前很多任務(wù)分配方案都是基于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出的，部分異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提出的任務(wù)分配方案也沒(méi)有能夠綜合考慮能量消耗、成功概率和實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。朱敬華和高宏在《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能源高效的任務(wù)分配算法》中提出一種在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于遺傳算法的嵌套優(yōu)化技術(shù)的任務(wù)分配算法，滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求也實(shí)現(xiàn)了能源的高效性，但是由異構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)更符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的需求。^Wiar等人提出一種基于Α*算法的將任務(wù)分配給大量傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化算法，同時(shí)考慮到節(jié)點(diǎn)的能量受限問(wèn)題，提出了貪婪A*算法來(lái)減少A*算法最優(yōu)分配方案的復(fù)雜度。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能源高效，但是未能保證任務(wù)的并行化處理，沒(méi)有體現(xiàn)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)分配算法中節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的確定方法，此方法應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作任務(wù)處理時(shí)優(yōu)化任務(wù)的分配方案，可以提高任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，均衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其是根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的能量消耗、速率以及成功率構(gòu)造出節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理性能參數(shù)的方法，其
3特征在于其包括以下步驟
1)構(gòu)造一個(gè)由異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的一跳無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模型，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括其計(jì)算速率和單位計(jì)算能耗以及單位通信能耗；
2 )根據(jù)解決目標(biāo)問(wèn)題的所有任務(wù)之間的相互關(guān)系，將所有任務(wù)根據(jù)其相互之間的邏輯關(guān)系和權(quán)重劃分為若干個(gè)任務(wù)小組；
3)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)公式計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理每個(gè)所述任務(wù)小組中的任務(wù)的計(jì)算能量消耗以及通信能量消耗；
4)將計(jì)算得到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理每個(gè)所述任務(wù)小組中的任務(wù)的能量消耗、節(jié)點(diǎn)的合作成功率和計(jì)算速率乘上各自的權(quán)重后累加，以累加值作為該節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)；
5)根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)，遍歷將所有所述任務(wù)小組分配給節(jié)點(diǎn)的情況，選取其中所有節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)總和最佳的分配方案。優(yōu)選的，所述步驟2)中根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述任務(wù)根據(jù)各自間的關(guān)系分配成若干任
務(wù)小組。優(yōu)選的，所述步驟2)中將所有所述任務(wù)劃分為若干個(gè)任務(wù)小組的劃分原則為
1)兄弟任務(wù)劃分到不同的任務(wù)小組內(nèi)；
2)父親任務(wù)總是要求權(quán)重最大的沒(méi)有入組的孩子任務(wù)加入自己組內(nèi)；
3)孩子任務(wù)收到多個(gè)父親任務(wù)的要求時(shí)，總是加入權(quán)重較大的父親任務(wù)所在小組。優(yōu)選的，所述步驟3)中的能量消耗包括計(jì)算能量消耗和通信能量消耗。優(yōu)選的，所述步驟4)綜合考慮影響節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的各方面因素，并將量化節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)問(wèn)題看作是這幾個(gè)因素的最優(yōu)化問(wèn)題，擬合出所述節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)。本發(fā)明的有益效果為與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理性能的任務(wù)分配算法，利用任務(wù)分組的方法實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并行處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)，同時(shí)減少通信能耗；公式化節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理的計(jì)算能耗和通信能耗，全面考慮影響節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的各方面因素，并且利用最優(yōu)化方法構(gòu)造出一個(gè)性能參數(shù)。通過(guò)量化節(jié)點(diǎn)性能來(lái)簡(jiǎn)化任務(wù)分配策略， 簡(jiǎn)單方便的完成任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源高效和任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。


圖1是本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法的流程圖； 圖2是為任務(wù)分組的流程圖3為應(yīng)用實(shí)例中8個(gè)任務(wù)的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。如圖1所示為節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的確定方法，包括如下步驟
(1)用圖2 =促5)來(lái)構(gòu)造所有無(wú)線傳感器的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型，￡' = ( ,%..., ,..., }表
示節(jié)點(diǎn)的集合，5 = ( , ,...^.,..., ^}是邊的集合。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)^e鞏OSi
都有三個(gè)屬性]、S啊P1和PROCp ],它們分別代表該節(jié)點(diǎn)的剩余能量，該節(jié)點(diǎn)處理單位數(shù)據(jù)消耗的計(jì)算能耗和該節(jié)點(diǎn)處理單位數(shù)據(jù)的速率。任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A和勺之間的邊 e ￡ (0 ☆，j)都有一個(gè)屬性變量W 代表節(jié)點(diǎn)Si和勺之間的單位通信能耗(ffS^lfS^)。用圖5 = 來(lái)表示任務(wù)模型。7 =是任務(wù)的
集合，^ =是任意兩個(gè)任務(wù)之間加權(quán)邊的集合。每個(gè)任務(wù)
ixeT(0<x<m)都有一個(gè)屬性DCW,代表每個(gè)任務(wù)所需處理的信息量的單位數(shù)據(jù)數(shù)。每
個(gè)加權(quán)邊％(0SxjS_表示任意兩個(gè)任務(wù)‘和 相互通信的信息量的數(shù)據(jù)數(shù)(WV=Wjw)。(2)參照任務(wù)模型5來(lái)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分組，任務(wù)的分組必須滿足三個(gè)原則 原則一兄弟任務(wù)劃分到不同的任務(wù)小組內(nèi)；
原則二 父親任務(wù)總是要求權(quán)重最大的沒(méi)有入組的孩子任務(wù)加入自己組內(nèi)； 原則三任務(wù)收到多個(gè)父親任務(wù)的要求時(shí)，總是加入權(quán)重較大的父親任務(wù)所在的小組。結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明任務(wù)分組的實(shí)施步驟。如圖2所示，依據(jù)以上三個(gè)分組原則，
首先我們將沒(méi)有父母僅有孩子的任務(wù)劃分到第一組Qi，并將其權(quán)值最大的孩子任務(wù)劃分到同一組，將其他孩子任務(wù)各劃分到不同組內(nèi)。再由這些剛剛分入組內(nèi)的孩子任務(wù)尋找其權(quán)值最大的孩子任務(wù)劃分到同一組，此階段存在同一個(gè)孩子任務(wù)被要求加入不同分組的情況，因此在加入分組前，任務(wù)先比較自己與各個(gè)父母的權(quán)重并加入權(quán)重最大的父母那一組， 而被淘汰掉的父母則要求其權(quán)重次大的孩子任務(wù)加入分組。依據(jù)分組原則將所有任務(wù)劃分到組內(nèi)，再根據(jù)分組原則判斷是否產(chǎn)生冗余的分組，若有則將冗余小組歸并到與其權(quán)值最
大的組內(nèi)。為了計(jì)算方便，我們假設(shè)最后將任務(wù)劃分為g個(gè)小組Qi,G1^iGUiGy。為了形象的描述任務(wù)分組的過(guò)程，下面給出一個(gè)實(shí)例。圖3是八個(gè)任務(wù)之間的相互關(guān)系，箭頭的出發(fā)點(diǎn)為父親，箭頭所指方向?yàn)楹⒆樱蝿?wù)之間的權(quán)重值如圖標(biāo)記在任務(wù)的邊上。按照分組原則,先將^劃分到Gq ,比較與&的權(quán)重，將4也劃分到,并將6劃
分到O1 ；比較〖3為為與I1的權(quán)重，I4J5與￡2的權(quán)重,并將々劃分到O0 ,15劃分到G1 , 4禾口々
分別劃分到Q2和Qi3 ；分析比較6與4和&的權(quán)重，將G劃分到Gi3 ；最后查看所有的小組發(fā)
現(xiàn)瑪只有一個(gè)任務(wù)4 ,并4與G1中任意任務(wù)不存在兄弟關(guān)系且與4間權(quán)重較大，所以將4
劃分到巧并將巧改為1這，至此任務(wù)分組完成。(3)m個(gè)任務(wù)被劃分為g個(gè)任務(wù)小組，用一個(gè)的矩陣的矩陣X來(lái)表示任務(wù)分組情況。
權(quán)利要求
1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其是根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的能量消耗、速率以及成功率構(gòu)造出節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理性能參數(shù)的方法，其特征在于其包括以下步驟1)構(gòu)造一個(gè)由異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的一跳無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模型，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括其計(jì)算速率和單位計(jì)算能耗以及單位通信能耗；2 )根據(jù)解決目標(biāo)問(wèn)題的所有任務(wù)之間的相互關(guān)系，將所有任務(wù)根據(jù)其相互之間的邏輯關(guān)系和權(quán)重劃分為若干個(gè)任務(wù)小組；3)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)學(xué)公式計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理每個(gè)所述任務(wù)小組中的任務(wù)的計(jì)算能量消耗以及通信能量消耗；4)將計(jì)算得到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理每個(gè)所述任務(wù)小組中的任務(wù)的能量消耗、節(jié)點(diǎn)的合作成功率和計(jì)算速率乘上各自的權(quán)重后累加，以累加值作為該節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)；5)根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)，遍歷將所有所述任務(wù)小組分配給節(jié)點(diǎn)的情況，選取其中所有節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)總和最佳的分配方案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其特征在于所述步驟2)中根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則將所述任務(wù)根據(jù)各自間的關(guān)系分配成若干任務(wù)小組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其特征在于所述步驟2)中將所有所述任務(wù)劃分為若干個(gè)任務(wù)小組的劃分原則為1)兄弟任務(wù)劃分到不同的任務(wù)小組內(nèi)；2)父親任務(wù)總是要求權(quán)重最大的沒(méi)有入組的孩子任務(wù)加入自己組內(nèi)；3)孩子任務(wù)收到多個(gè)父親任務(wù)的要求時(shí)，總是加入權(quán)重較大的父親任務(wù)所在小組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其特征在于所述步驟3)中的能量消耗包括計(jì)算能量消耗和通信能量消耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其特征在于所述步驟4)綜合考慮影響節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的各方面因素，并將量化節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)問(wèn)題看作是這幾個(gè)因素的最優(yōu)化問(wèn)題，擬合出所述節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)性能的任務(wù)分配算法，其是根據(jù)節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的能量消耗、速率以及成功率等因素構(gòu)造出節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理性能參數(shù)的方法，其包括以下步驟構(gòu)造一跳無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)模型；基于任務(wù)關(guān)系圖將任務(wù)劃分為若干個(gè)任務(wù)小組；通過(guò)計(jì)算得到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)；選取其中性能參數(shù)總和最佳的分配方案。本發(fā)明的有益效果為利用任務(wù)分組的方法實(shí)現(xiàn)任務(wù)的并行處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)，同時(shí)減少通信能耗；公式化節(jié)點(diǎn)任務(wù)處理的計(jì)算能耗和通信能耗，全面考慮影響節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的各方面因素，并且利用最優(yōu)化方法構(gòu)造出一個(gè)性能參數(shù)。通過(guò)量化節(jié)點(diǎn)性能來(lái)簡(jiǎn)化任務(wù)分配策略，簡(jiǎn)單方便的完成任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源高效和任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
文檔編號(hào)H04W28/16GK102448123SQ20121001173
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉同慶, 張娜, 張晨語(yǔ), 江金芳, 董玉慧, 郭惠, 韓光潔 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)