一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其步驟包括：1.復雜任務分層，根據(jù)任務DAG圖對其進行分層劃分，任務分配時從上至下逐層分配；2.中心簇簇頭將選定層中任務分配給中心簇內(nèi)成員節(jié)點；3.如果中心簇簇能量消耗度超過設定閾值，中心簇請求周邊一跳簇協(xié)助處理，簇能量消耗度未超過閾值的簇作為中心簇的協(xié)作簇；4.中心簇將未處理任務分配給協(xié)作簇，保證協(xié)作簇能量消耗度相差最小；5.協(xié)作簇將任務分配給簇內(nèi)成員節(jié)點處理。通過該方法，可以將網(wǎng)絡中的復雜任務分簇處理，可提高任務處理效率，平衡網(wǎng)絡負載，延長網(wǎng)絡壽命。
【專利說明】—種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡領域，具體地本發(fā)明涉及一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解的方法，將網(wǎng)絡中的復雜任務分簇處理，可提高任務處理效率，平衡網(wǎng)絡負載，延長網(wǎng)絡壽命。
【背景技術】
[0002]隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用實時性要求越來越高，任務復雜性越來越大，由于傳感器單個節(jié)點資源有限，如果大量任務分配給單一節(jié)點完成，容易造成該節(jié)點能量耗竭，因此節(jié)點能耗平衡的問題成為無線傳感器網(wǎng)絡的一個關鍵問題。一個給定的復雜任務，分解成多個子任務，并分配給不同的傳感器節(jié)點去處理，多節(jié)點相互協(xié)作，共同完成任務，可以節(jié)約節(jié)點能量、提高系統(tǒng)性能。
[0003]任務分配是無線傳感器網(wǎng)絡的重要研究問題，不同的任務分配方案導致任務執(zhí)行所需的通信量和計算量不同，從而影響任務執(zhí)行的能量消耗，為減小能量消耗，延長網(wǎng)絡生命周期需要設計高效的任務分配方案。
[0004]相關文獻如下:
[0005]1、2005年，Y.Yu等人在《Energy-Balanced Task Allocation for CollaborativeProcessing in Wireless Sensor Networks》提出了一種能量均衡的任務分配算法，該算法在滿足最小化能量消耗的同時達到能量均衡的目的。他們對多個無線信道的通信問題建模，并提出利用啟發(fā)式算法來提供一個可行的解決方案。
[0006]2、2009 年，Sekhar 等人在《A state-space search approach for optimizingreliability and cost of execution in distributed sensor networks))中提出一種基于A*算法，該算法將任務分配給大量傳感器節(jié)點，同時考慮到節(jié)點的能量受限問題，提出了貪婪A*算法(Greedy A*)來減少A*算法最優(yōu)分配方案的復雜度。通過將最優(yōu)化問題公式化并設置特定的參數(shù)μ和λ的值進行分析。
[0007]然而，以上任務分配和通信都由同一個節(jié)點完成，這樣容易造成單個節(jié)點能量的過多消耗；在任務分配階段，不容易保證任務的并行化處理，沒有體現(xiàn)應用的實時性。
[0008]3,2009年，李志剛等人在《傳感器網(wǎng)絡能源有效任務分配算法》在同構節(jié)點組成的網(wǎng)絡中提出一種能源有效的任務分配算法，該算法將任務區(qū)分為感知任務集和處理任務集，因此任務分配也分成感知任務分配和處理任務分配兩個階段，將處理任務分配為二次0-1規(guī)劃問題，并提出分布式逐層優(yōu)化分配算法，實現(xiàn)了任務處理的能量優(yōu)化，然而沒有討論如何縮短任務處理時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題是:將網(wǎng)絡中的復雜任務分簇處理，為提高任務處理效率，平衡網(wǎng)絡負載，延長網(wǎng)絡壽命。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明的具體步驟如下:[0010]步驟一:任務分層，根據(jù)任務DAG圖對其進行分層劃分，任務分配時從上至下逐層分配，每層分布有若干任務；
[0011]步驟二:當任務的事件發(fā)生后，事發(fā)點所在的簇作為中心簇，中心簇的簇頭將層中任務進行分配；
[0012]步驟三:當中心簇的簇剩余能量比小于設定閾值，則向周邊一跳簇發(fā)送請求信息，如果周邊一跳簇剩余能量比未小于閾值，則接受請求，作為中心簇的協(xié)作簇；所述中心簇與周邊一跳簇形成協(xié)作簇群，周邊一跳簇的簇頭接受中心簇簇頭的安排；
[0013]步驟四:中心簇將未處理任務分配給協(xié)作簇，分配時保證各個協(xié)作簇的能量均衡，剩余能量比相差最??；
[0014]步驟五:協(xié)作簇將任務分配給簇內(nèi)成員節(jié)點處理。
[0015]上述步驟一中根據(jù)任務的DAG圖對任務進行分層劃分的過程如下:入口任務劃分為第一層，如果某一子任務前驅(qū)最大層為k，則該子任務劃分到k+Ι層。
[0016]上述步驟三中判斷中心簇接受新任務后剩余能量比是否小于設定閾值的計算過程如下:
[0017](3a)計算簇當前能量消耗Celuste(i):簇當前能量消耗是指某個簇當前已有的任務的能量消耗之和；
[0018](3b)計算簇總剩余能量:簇總剩余能量是簇內(nèi)所有節(jié)點的剩余能量之和；
[0019](3c)計算簇總初始能量:簇總初始能量是簇內(nèi)所有節(jié)點的初始能量之和；
[0020](3d)計算簇剩余能量比RdustCT(i):簇剩余能量比是該簇內(nèi)總剩余能量減去當前能
量消耗與簇總初始能量之比，
【權利要求】
1.一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:其步驟如下: 步驟一:任務分層，根據(jù)任務DAG圖對其進行分層劃分，任務分配時從上至下逐層分配，每層分布有若干任務； 步驟二:當任務的事件發(fā)生后，事發(fā)點所在的簇作為中心簇，中心簇的簇頭將層中任務進行分配； 步驟三:當中心簇的簇剩余能量比小于設定閾值，則向周邊一跳簇發(fā)送請求信息，如果周邊一跳簇剩余能量比未小于閾值，則接受請求，作為中心簇的協(xié)作簇；所述中心簇與周邊一跳簇形成協(xié)作簇群，周邊一跳簇的簇頭接受中心簇簇頭的安排； 步驟四:中心簇將未處理任務分配給協(xié)作簇，分配時保證各個協(xié)作簇的能量均衡，剩余能量比相差最??； 步驟五:協(xié)作簇將任務分配給簇內(nèi)成員節(jié)點處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟一中根據(jù)任務的DAG圖對任務進行分層劃分的過程如下:入口任務劃分為第一層，如果某一子任務前驅(qū)最大層為k，則該子任務劃分到k+Ι層。
3.根據(jù)權利要求1所 述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟三中判斷中心簇接受新任務后剩余能量比是否小于設定閾值的計算過程如下: (3a)計算簇當前能量消耗Ccdustew:簇當前能量消耗是指某個簇當前已有的任務的能量消耗之和； (3b)計算簇總剩余能量:簇總剩余能量是簇內(nèi)所有節(jié)點的剩余能量之和； (3c)計算簇總初始能量簇總初始能量是簇內(nèi)所有節(jié)點的初始能量之和； (3d)計算簇剩余能量比RelustOT(i):簇剩余能量比是該簇內(nèi)總剩余能量減去當前能量消耗與簇總初始能量之比,
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟五中的簇內(nèi)成員節(jié)點服務能力的評價過程如下: (4a)計算節(jié)點處理任務的信任度reliability^ 表示節(jié)點i處理任務的成功次數(shù)，用表示節(jié)點i累積處理任務的總次數(shù)，則節(jié)點i處理任務的信任度可以表示為
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟五中的簇內(nèi)成員節(jié)點分類過程如下: (5a)將簇內(nèi)成員節(jié)點劃分為三個類別，一類節(jié)點是有服務能力，且服務能力強的節(jié)點集合，二類節(jié)點是有服務能力，且服務能力一般的節(jié)點集合，三類節(jié)點是暫時無服務能力的節(jié)點集合； (5b)節(jié)點類別初始化:如果節(jié)點剩余能量比值小于設定閾值r，則認為節(jié)點暫無服務能力，此類節(jié)點歸分為三類節(jié)點；簇內(nèi)除三類節(jié)點以外其余節(jié)點認為是有服務能力節(jié)點，計算有服務能力節(jié)點服務能力并排序，有服務能力節(jié)點中前&%的節(jié)點劃分為一類節(jié)點，a e [O, 100]，一類節(jié)點、三類節(jié)點之外的節(jié)點劃分為二類節(jié)點；如果有服務能力節(jié)點個數(shù)低于或等于兩個，則將有服務能力節(jié)點統(tǒng)一劃分為一類節(jié)點； (5c)節(jié)點類別動態(tài)調(diào)整:每一層任務處理完成之后，都要對簇內(nèi)成員節(jié)點類別重新劃分，計算節(jié)點剩余能量比，將節(jié)點剩余能量比值小于設定閾值r的節(jié)點劃分為三類節(jié)點，計算有服務能力節(jié)點服務能力并排序，根據(jù)其服務能力劃分到相應類別。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟三中周邊一跳簇的服務能力大小的評價過程如下: (6a)簇服務能力與一類節(jié)點、二類節(jié)點的數(shù)量，一類節(jié)點、二類節(jié)點的服務能力，簇剩余能量比有關； (6b)假設簇cluster(k)中節(jié)點i的服務能力表示為Capacityi,其中一類節(jié)點個數(shù)為N1，二類節(jié)點個數(shù)為N2，則簇能力表示為
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟三中的組成協(xié)作簇的具體步驟為: (7a)第一層任務分配給中心簇，在第一層任務處理的同時，進行第二層任務分配； (7b)如果中心簇的剩余能量比小于設定閾值，則同層中未分配任務不再分配給中心簇，中心簇向周邊一跳簇請求協(xié)作，周邊一跳簇根據(jù)自身的情況，選擇是否為中心簇提供服務，如果周邊一跳簇剩余能量比小于或等于設定閾值，則拒絕提供服務，周邊一跳簇剩余能量比大于設定閾值，則可提供服務，并將自身簇服務能力值返回給中心簇； (7c)如果同層未分配任務個數(shù)為n，在周邊一跳簇中挑選簇服務能力在前η的簇作為備選協(xié)作簇，將η個任務分配到η個備選協(xié)作簇中，保證各個簇的剩余能量比相差盡可能小，且分到每個簇上的任務個數(shù)不超過簇中一類節(jié)點的個數(shù)； (7d)如果中心簇周邊一跳簇的個數(shù)小于未分配任務個數(shù)，則所有周邊一跳簇都作為備選協(xié)作簇；(7e)如果中心簇周邊一跳簇都拒絕提供服務，則中心簇周邊二跳簇發(fā)送消息，請求周邊二跳族協(xié)助完成； (7f)這層任務分配到簇后，由簇頭將任務分配到簇內(nèi)成員節(jié)點執(zhí)行，同時進行下一層任務分配，直到所有任務分配完成。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟四中的中心簇將未處理任務分配給協(xié)作簇的具體要求:有η個任務task” task2,…，taskn,m 個協(xié)作簇 Clouster1, clouster2,…，(:10118七61'111來完成這 η 個任務，第i個簇完成這η個任務的能量消耗分別為Cn，Ci2，…，Cin，并且m個協(xié)作簇的剩余能量比分別為R1, R2,…，Rm，每個簇的初始能量分別為，將η個任務分配給m個協(xié)作簇來完成，使得各個協(xié)作簇完成任務后的剩余能量比相差盡可能小，以達到能量平衡； 假設每個任務僅由一個協(xié)作簇完成，一個協(xié)作簇可以完成多個任務； Xij = I表示第j個任務由第i個協(xié)作簇完成，Xij = O表示第j個任務不由第i個簇完成，Cij表示第i個協(xié)作簇完成第j個任務的能量消耗，1 = 1,2,…，m, j = I, 2，…，η,令X = (Xij)mxn為記錄任務分配情況的矩陣；則完成這η個任務，協(xié)作簇的能量消耗為
9.根據(jù)權利要求1所述的一種基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡中復雜任務協(xié)作求解方法，其特征在于:所述步驟二中，中心簇簇頭將選定層中任務進行分配的具體步驟為: (9a)中心簇簇頭根據(jù)任務到達的順序?qū)ψ尤蝿者M行分配，將待分配任務信息發(fā)送給一類節(jié)點； (9b) 一類節(jié)點接收到消息后，查看任務描述，根據(jù)自身能量消耗度決定是否處理該任務，如果能量消耗度超過設定閾值，則拒絕提供服務，如果能量消耗度未超過設定閾值，則提供服務，并計算完成該任務估計時間、估計能量消耗，將這兩項信息返回簇頭； (9c)簇頭根據(jù)一類節(jié)點返回信息，選擇能量消耗最小的節(jié)點作為任務執(zhí)行節(jié)點； (9d)如果一類節(jié)點都拒絕提供服務，則簇頭向二類節(jié)點發(fā)送消息，在二類節(jié)點中選擇可提供服務的節(jié)點。
【文檔編號】H04W4/00GK103702276SQ201310733028
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】韓光潔, 王峰, 仇浩, 張晨語, 江旭, 錢愛華, 鮑娜 申請人:河海大學常州校區(qū)