一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點任務(wù)遷移方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點任務(wù)遷移方法，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和多個普通節(jié)點，其特征在于：所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點和普通節(jié)點以無線多跳的方式鏈接而成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有電力供應(yīng)，而普通節(jié)點沒有電力供應(yīng)，普通節(jié)點隨機(jī)布置，一旦布置好后，就不再移動。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點基于遺傳算法對相互依賴的子任務(wù)進(jìn)行分配，并將積分激勵機(jī)制引入到分配算法中，從而平衡了各節(jié)點負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期；在節(jié)點不穩(wěn)定的情況下，可將不穩(wěn)定點上未完成的任務(wù)遷移到其他合適的節(jié)點上，保證了任務(wù)在時間期限內(nèi)完成，提高了任務(wù)分配效率及完成質(zhì)量。
【專利說明】一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點任務(wù)遷移方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于遺傳算法和積分 激勵機(jī)制的節(jié)點任務(wù)迀移方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實時性要求越來越高，節(jié)點上分配的任務(wù)在時間期限內(nèi) 成功完成是保證整個應(yīng)用實時性的重要條件。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無線節(jié)點很容 易因為能量耗竭或受到惡意節(jié)點的攻擊而失效，所以當(dāng)一個正在執(zhí)行任務(wù)的節(jié)點即將失效 時，或是已經(jīng)死亡時，如何找到一種能夠快速、低耗又成功率高的任務(wù)迀移方法，將失效節(jié) 點上的任務(wù)迀移到其他節(jié)點上去是非常必要的，這可以在個別節(jié)點失效的情況下，保證任 務(wù)的順利執(zhí)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)節(jié)點基于遺傳算法對相互依賴的子任務(wù)進(jìn)行分 配，并將積分激勵機(jī)制引入到分配算法中，從而平衡了各節(jié)點負(fù)載，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期；在 節(jié)點失效的情況下，可將失效節(jié)點上未完成的任務(wù)迀移到其他合適的節(jié)點上，保證了任務(wù) 在時間期限內(nèi)完成，提高了任務(wù)分配效率及完成質(zhì)量。同時，通過改進(jìn)的遺傳算法，改善了 算法的空間探索能力，加快了進(jìn)化速度，能在較短時間內(nèi)獲得節(jié)點的分配方案，提高了無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)時間。
[0004] 本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和多個普通節(jié)點，其特征 在于：
[0005] 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點和普通節(jié)點以無線多跳的方式鏈接而成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有電力供應(yīng)， 而普通節(jié)點沒有電力供應(yīng)，普通節(jié)點隨機(jī)布置，一旦布置好后，就不再移動。
[0006] 本發(fā)明還涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法的任務(wù)分配方法，其特征在 于：
[0007] 步驟一、網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收一個應(yīng)用指令，該指令中的應(yīng)用可以被分解成多個相互依 賴的子任務(wù)，用DAG任務(wù)圖G = (T，E)來描述，DAG任務(wù)圖的頂點用集合T = {1\，T2,. . .，Tn} 表示，代表需要執(zhí)行的子任務(wù)，其中n表示子任務(wù)的個數(shù)，每個子任務(wù)有一個時間限 制deadline，子任務(wù)的執(zhí)行必須在指定的deadline之前完成，DAG任務(wù)圖的邊用E = {Ep E2,. . .，Eg}表示，代表子任務(wù)之間的數(shù)據(jù)依賴或控制依賴，其中g(shù)表示DAG任務(wù)圖的邊 的個數(shù)，如果從頂點到頂點h存在一條有向邊E m則說明子任務(wù)L的執(zhí)行需要子任務(wù)T i 的輸出數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用遺傳算法對DAG任務(wù)圖中的子任務(wù)進(jìn)行管理和分配，具體方法 如下：
[0008] (1)隨機(jī)生成分配方案即染色體，構(gòu)建染色體集合S
[0009] 用S = {CdQ，…，CJ表示所有的分配方案即染色體的集合，其中C是一候選 方案，x是所有候選方案的數(shù)目；網(wǎng)關(guān)節(jié)點隨機(jī)生成x個分配方案，每個分配方案就是一 個染色體，每個染色體用3Xn矩陣C來表示，n表示DAG任務(wù)圖中的任務(wù)總數(shù)，矩陣C第 一行中的為待分配的子任務(wù)，其從左到右的順序根據(jù)DAG任務(wù)圖中任 務(wù)執(zhí)行順序決定，矩陣C第二行VJ代表子任務(wù)映射的節(jié)點，矩陣C第三行 ?n)代表子任務(wù)的計算量，染色體矩陣C如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和多個普通節(jié)點，其特征在于： 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點和普通節(jié)點以無線多跳的方式鏈接而成，網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有電力供應(yīng)，而普 通節(jié)點沒有電力供應(yīng)，普通節(jié)點隨機(jī)布置，一旦布置好后，就不再移動。
2. -種如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于遺傳算法和積分激勵機(jī)制的任務(wù) 迀移方法，其特征在于： 步驟一、網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收一個應(yīng)用指令，該指令中的應(yīng)用可以被分解成多個相互依賴的 子任務(wù)，用DAG任務(wù)圖G= (T，E)來描述，DAG任務(wù)圖的頂點用集合T= {H，...，TJ 表示，代表需要執(zhí)行的子任務(wù)，其中n表示子任務(wù)的個數(shù)，每個子任務(wù)有一個時間限 制deadline，子任務(wù)的執(zhí)行必須在指定的deadline之前完成，DAG任務(wù)圖的邊用E= (E1,E2, ...，Eg}表示，代表子任務(wù)之間的數(shù)據(jù)依賴或控制依賴，其中g(shù)表示DAG任務(wù)圖的邊 的個數(shù)，如果從頂點Ti到頂點h存在一條有向邊Em則說明子任務(wù)L的執(zhí)行需要子任務(wù)Ti 的輸出數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用遺傳算法對DAG任務(wù)圖中的子任務(wù)進(jìn)行管理和分配，具體方法 如下： (1) 隨機(jī)生成分配方案即染色體，構(gòu)建染色體集合S 用S=IC1,C2，…，CJ表示所有的分配方案即染色體的集合，其中C是一候選方案，X是所有候選方案的數(shù)目；網(wǎng)關(guān)節(jié)點隨機(jī)生成X個分配方案，每個分配方案就是一個染 色體，每個染色體用3Xn矩陣C來表示，n表示DAG任務(wù)圖中的任務(wù)總數(shù)，矩陣C第一 行中的（T1,...Ti...Tn)為待分配的子任務(wù)，其從左到右的順序根據(jù)DAG任務(wù)圖中任務(wù) 執(zhí)行順序決定，矩陣C第二行（',...'...VJ代表子任務(wù)映射的節(jié)點，矩陣C第三行 (Q1,...Qi... ?n)代表子任務(wù)的計算量，染色體矩陣C如下：
(2) 構(gòu)建通信矩陣E 任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系用3Xg矩陣E表示即通信矩陣，g為DAG任務(wù)圖的邊的總數(shù)， 矩陣E中每一列第一個元素1\表示任務(wù)發(fā)送方，第二個元素L為任務(wù)接收方，第三個元素 Iij為任務(wù)T,和T彡司傳輸數(shù)據(jù)的大小，通信矩陣E的其中一列如下：
(3) 計算染色體總獎勵積分 每條染色體產(chǎn)生的獎勵積分Po/叫是指網(wǎng)關(guān)節(jié)點按某條染色體Ck進(jìn)行任務(wù)分配時， 完成DAG任務(wù)圖中的所有子任務(wù)所需付出的獎勵積分的總和：
其中，TiET表示DAG任務(wù)圖中的所有子任務(wù)，Ck表示染色體Ck中所涉及到的所 有普通節(jié)點，/^/>乂,,",v/(7；)為節(jié)點 '完成任務(wù)Ti所需的獎勵積分； (4) 計算染色體完成時間 染色體完成時間WT(Ck)是指網(wǎng)關(guān)節(jié)點按某條染色體Ck進(jìn)行任務(wù)分配時，完成DAG任務(wù) 圖中所有子任務(wù)所需要的時間長度； (5) 構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，對染色體性能進(jìn)行評估 適應(yīng)度表示染色體的優(yōu)劣，適應(yīng)度越高，該染色體越優(yōu)，則染色體生存概率越高，通過 構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)來計算染色體的適應(yīng)度，適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)造目標(biāo)是找到總獎勵積分小，完 成時間短的染色體，適應(yīng)度函數(shù)如下：
其中，fiUQ)是染色體(；的適應(yīng)度，是染色體集合S中總獎勵積分的 最小值，MIN_WT(S)是染色體集合S中完成時間的最小值，0是可調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)總獎勵積 分和完成時間在適應(yīng)度函數(shù)中的權(quán)重； 計算每個染色體的適應(yīng)度，將X條染色體的ID號及對應(yīng)的適應(yīng)度存儲在性能等級表中 用來分類和識別，性能等級表中按適應(yīng)值的降序進(jìn)行排序，適應(yīng)度高的染色體排在表的頂 部； (6) 對染色體進(jìn)行遺傳操作 1) 繼承操作 性能等級表中X個染色體前y%繼承到下一代染色體集合中，其余xX(1-y% )條染色 體經(jīng)過選擇、交叉、變異步驟產(chǎn)生，y%表示染色體的優(yōu)秀率，其中ye[l-ioo]; 2) 選擇操作： 在性能等級表中，選擇兩條染色體進(jìn)行后面的交叉操作，從而產(chǎn)生新的染色體，采用輪 盤賭的方式，染色體的適應(yīng)度越高，被選擇的概率越高； 3) 交叉操作 選擇的兩條染色體矩陣CdPC2作為父輩染色體，交叉操作是對父輩染色體矩陣C:和C2進(jìn)行部分重組，產(chǎn)生子輩染色體C3和C4，交叉操作中，染色體矩陣第一行保持不變，以保 證任務(wù)執(zhí)行順序不變，在父輩染色體矩陣CdPC2第二行選擇一點作為交叉點，矩陣C:和C2 第二行交叉點后的部分進(jìn)行交換，從而產(chǎn)生子輩染色體矩陣(：3和C4，計算子輩染色體矩陣 CjPC4的適應(yīng)度，并存儲于性能等級表的相應(yīng)位置； 4) 突變操作 包含兩種突變方式，方式a)是基于任務(wù)的突變，每個染色體都有X個概率，將隨機(jī)選 擇的一個任務(wù)映射到另一節(jié)點上；或者采用方式b)基于染色體的突變，每個染色體都有入 個概率被隨機(jī)產(chǎn)生的新染色體完全替代，其中X表示突變率，XG(0-1); (7) 上述過程經(jīng)過一定次數(shù)的迭代操作后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點在性能等級表中選擇處于最頂部 的染色體作為當(dāng)前分配方案； 步驟二、網(wǎng)關(guān)節(jié)點選擇的分配方案中涉及到的普通節(jié)點為活動節(jié)點，活動節(jié)點根據(jù)節(jié) 點積分匯率和完成任務(wù)能耗來獲取相應(yīng)積分； 其中，積分是用來衡量節(jié)點完成任務(wù)的歷史表現(xiàn)，用于增加節(jié)點執(zhí)行任務(wù)的參與度，用 積分對節(jié)點完成任務(wù)的表現(xiàn)進(jìn)行量化考核，并進(jìn)行記錄，積分包括獎勵積分/^//<_(/(7；)
Vj的總積分； 步驟三、若活動節(jié)點自身發(fā)生故障或是受到其他惡意節(jié)點攻擊，則是不穩(wěn)定節(jié)點，該 不穩(wěn)定節(jié)點如果有未執(zhí)行完成的任務(wù)，需要通過兌換積分的方式來換取其他普通節(jié)點的協(xié) 作，從而將任務(wù)迀移到其他普通節(jié)點上； 步驟四、若活動節(jié)點由于能量耗竭或是通信鏈路故障不能與其它節(jié)點進(jìn)行通信，則該 活動節(jié)點為死亡節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點會即時發(fā)現(xiàn)死亡節(jié)點，并將死亡節(jié)點上的未完成任務(wù)重新 分配到其他普通節(jié)點上。
【文檔編號】H04L29/08GK104506576SQ201410725181
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】王峰, 馬慶功, 朱輪, 田中燕, 石林, 李寧 申請人:常州大學(xué)