基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线传感器网络的采样任务分配方法，其特征在于，无线传感器网络中的传感器节点接收到至少两个连续采样任务，获取所有连续采样任务的采样信息；传感器节点依次计算所有连续采样任务之间的重叠值，重叠值是指不同采样任务之间因为完成时间窗口有重叠可以共享的最大时间范围；传感器节点根据比较所有连续采样任务之间的重叠值的大小对所有采样任务进行分组；传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，分配到与采样任务所在探测范围有重叠的多个传感器节点上；所有传感器节点按照分配到的连续采样任务进行采样，并回传数据。
【专利说明】基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，特别地，涉及一种基于数据共享的无线传感器网络的 米样任务调度方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网络是由大量廉价微型的传感器节点通过无线通信的方式组成的多跳 自组织网络。这在地震、火山预警，铁轨故障检测，生态保护区环境检测等领域得到了普遍 的应用。将传感器按照一定的方式部署在美国金门大桥上，传感器可以感知因为地震而产 生的震动，通过分析采集到的震动数据有助于对地震探测和震后救灾工作提供快速的信息 支持；利用部署在铁轨上的传感器采集铁轨震动的声波，通过分析声波的特点有助于检测 铁轨是否出现故障等意外情况，有助于铁轨维护，避免因此导致的事故；这些应用具有共同 的特点，即：因为金门大桥下、火山口、铁轨都是人迹罕至的地方，无线传感网络按照一定的 方式部署后很难进行调整，而且系统应该具有高可用性，在完成监测任务的情况下，保持较 长时间的工作状态。这几乎是每个无线传感器网络共有的特点，除此之外这些采样的任务 和传统的离散方式的点采样不同，它们是一种连续的区间采样。传统的点采样仅仅需要传 感器采集一次数据就完成了任务，但是像利用声波检测铁轨故障的应用，需要根据一段时 间内分析采集的声波才能得出结论，仅仅在某一时刻采集一次数据没有意义。因此传统在 点采样上取得的研究成果并不能简单的应用到这些实际的应用中。
[0003] 如果有采样任务分配到传感器上，传感器就可以根据需求立即开始采样。但是当 有多个采样任务在一定的时间内都分配到传感器上时，传感器如果仍然是按照"先到先服 务"(First In First Service,简称为FIFS)的策略逐一开始采样，那需要采样的任务量就 是这些采样任务的简单相加。而实际中这些采样任务存在时间重叠区，即：在某一时间段， 多个采样任务都需要采集数据，这段内采集的数据可以被多个任务共享。那么就有可能通 过优化调度的采样策略，让尽可能多的采样任务在重叠区采样。保证在完成采样任务的前 提下减少采样的任务量。通过减少采样的任务量可以节省传感器的能源，提高传感器和整 个无线传感网络的生命周期，同时采集的数据量减少也会缓解网络传输的压力，避免因为 网络拥塞引起的数据丢失和重传。
[0004] 传统的点米样都是假设米样任务可以在某一时刻由传感器一次米样完成。但实际 上很多应用都会给每个采样任务分配一个时间窗口，在这个时间窗口内完成采样任务而不 是精确地限制在某一时刻完成。当多个采样任务分配到一个传感器上时，某些采样任务的 时间窗口很有可能出现重叠。而现有技术并没有解决在重叠的时间区的采样任务之间存在 数据共享时，优化采样的问题。当传感器在重叠的时间窗口中采样时，所采集的数据未被多 个采样任务共用，从而造成不同的任务之间共享的数据量没有达到极大值，带来了不必要 的采样时间。
[0005] 针对现有技术中在连续采样的情况下缺乏较好的调度采样的策略，不同的采样任 务之间共享数据量低导致采样效率低的问题，目前尚未有有效的解决方案。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中不同的采样任务之间共享数据量低的问题，本发明的目的在于提 出一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法，能够提高无线传感器在不同 的采样任务之间的共享数据量，压缩采样时间，提高采样效率，延长无线传感器网络寿命。
[0007] 基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务 调度方法，包括：无线传感器网络中的传感器节点接收到至少两个连续的采样任务，获取所 有连续采样任务的采样信息，采样信息包括每个连续采样任务的开始时刻e、结束时刻b、、 采样区间的长度1、与该采样任务的采样区域内存在探测范围重叠的其他传感器，不失一般 性地假设采样任务h和t 2被传感器s探测到，其中，连续的采样任务是指传感器持续地采 样一定时间且不能中断的采样任务。
[0009] 采样任务之间的重叠值是指不同采样任务之间因为时间窗口有重叠，从而可 以共享的最大时间的范围，如果存在两个任务和(bpbip。不 失一般性的假设力彡4两个采样任务的重叠值的计算方法为〇(%&) =0(&，&)= min {Ip 1」，| ei-bj |}。同理，如果存在三个采样任务=如，ep I) , tj = (bj, e」，1」），和tk =(bk, ek, lk),其中ei彡e」彡ek,三个采样任务的重叠值的计算方法为0(ti，tj, tk) = min{ Ulplk，Ih-bjl，|ei-bk|，|ej-bk|}，大于三个采样任务的重叠值的计算方法可以以此类推； 传感器节点根据比较所有连续采样任务之间的重叠值的大小对所有采样任务进行分组，其 中，重叠值较大的多个采样任务被分入同一个任务组；传感器节点将不同的采样任务以任 务分组为单位，分配到与采样任务所在探测范围有重叠的多个传感器节点上；所有传感器 节点按照分配到的采样任务进行采样，并回传数据。
[0010] 其中，传感器节点根据比较所有采样任务之间的重叠值的大小对所有采样任务进 行分组包括：获取所有连续采样任务的采样信息，采样信息包括重叠区中出现的任务可以 被检测到的传感器节点总数量k、重叠区出现的采样任务集合s = {tp t2,. . .，tn};为采样 任务集合绘制出所有连续采样任务与其间关系的模型图G，其中，模型图G中每个连续采样 任务以一个点表示，每两个连续采样任务的时间窗口如果存在重叠，则在两点之间连一条 边，边的权值等于采样任务之间的重叠值；比较模型图G中的所有边的权，移除权最小的一 条边；重复上一个移除模型图G中的边，直到模型图G被分割为k个互不相连的子图为止， k个互不相连的子图中的顶点的集合即为各传感器节点的采样任务集合。
[0011] 并且，传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，将所有任务分组随 机分配到与采样任务所在探测范围有重叠的多个传感器节点上。
[0012] 并且，传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，依照负载均衡的原 贝1J，将所有任务按照不同传感器节点剩余的采样能力大小，均衡地分配到与采样任务所在 探测范围有重叠的多个传感器节点上。
[0013] 并且，模型图G的绘制与切割包括：输入表示任务集合的模型图G，和需要划分的 子图个数k ;将每个顶点按照相邻边的权重之和，由大到小排序；选取第一个顶点作为初始 顶点，标记为u，顺序地从后面的顶点中选取与u不直接相邻，但是具有公共顶点的顶点，标 记为V，它们的公共顶点构成的集合标记为S u ;从su中依次选取相邻边之和最小的顶点，标 记为W，分别计算w与u和v划分在一个子集中为系统带来的重叠值之和0(u，w)和0(v，w); 若0(u, w) >0(v, w)，则去除G中v与w相连的边，更新模型图G为G'，否则去除G中u与w 相连的边，更新模型图G为G' ；若G'被分为了 k个子图则返回G'，否则继续分割G' ；直到 最终输出划分之后的k个子图。
[0014] 从上面所述可以看出，本发明提供的技术方案通过计算连续采样任务的重叠值， 并根据重叠值绘制出模型图G进行子图切分处理，有效地提高了无线传感器采集数据的重 叠值，降低了总工作量，提高了无线传感器网络的工作效率与寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。
[0016] 图1为根据本发明实施例的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调 度方法流程图；
[0017] 图2为现有技术中无优化策略按时离散点采样的采样时间轴示意图；
[0018] 图3为现有技术中使用优化策略按时离散点采样的采样时间轴示意图；
[0019]图4为现有技术中无优化策略按时连续区间采样的采样时间轴示意图；
[0020] 图5为根据本发明实施例的优化策略按时连续区间采样的采样时间轴示意图；
[0021] 图6为根据本发明实施例的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调 度方法中，同一时间段内多个采集任务根据重叠值绘制出的模型图G。
[0022] 图7为根据本发明实施例的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调 度方法中，针对三个连续的采样任务进行优化的采样时间轴示意图；
[0023] 图8为根据本发明实施例的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调 度方法中，表示三个连续的采样任务之间关系的模型图G。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中 的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步进行清楚、完整、详细地描述，显然，所描述的 实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域 普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 无线传感器网络部署完成后很难人工地调整位置或更换部件。现有技术多从节约 能源，提高网络的生命周期和数据传输的可靠性等角度出发，取得了很多成果。然而，从数 据层面出发，通过优化采样任务量的角度达到提高系统生命周期和稳定传输的技术还没有 有效的方法，尤其是当采样任务可以被多个传感器探测到时，优化采样任务的调度策略，利 用任务之间的数据共享压缩采样时间，并考虑传感器的实际负载情况，实现负载均衡的调 度策略在现有技术中还是空白。
[0026] 对于离散点米样任务，存在一个完成的时间窗口，完成一次米样任务就要求在这 个任务的时间窗口内采集一次数据，这是带有时间限度的离散点采样问题。如图2与图3 所示，如果存在两个离散点采样任务，且它们的完成时间窗口在时间轴上重叠，如果不进行 策略优化，在采样任务到达时候就立即开始采样，则如图2所示，无线传感器需要进行两次 采样。而使用优化过的贪心算法允许无线传感器在它们的时间重叠区采样一次，如图3所 示的采集的数据可以同时被两个任务共享，从而减少了采样的任务量。
[0027] 对于连续区间的米样任务，存在一个完成的时间窗口，完成一次米样任务就要求 在这个任务的时间窗口内连续采集一定时间区间的数据。如图4与图5所示，如果存在两个 连续区间采样任务，且它们的完成时间窗口在时间轴上重叠，如果不进行策略优化，在采样 任务到达时候就立即开始采样，则如图4所示，无线传感器需要采样的时间长度1 = h+ly 而使用优化过的贪心算法允许无线传感器在它们的时间重叠区。如图5所示，1〈1片12。因 此，采集的数据可以同时被两个任务共享，从而减少了采样时间。
[0028] 对于连续采样任务，假设不同的采样任务的时间窗口没有重叠。如果重叠区域可 以被k个传感器探测到，不妨将第i个采样任务表示为每个任务需要的采样时间长度为 li，那么对于任务的集合S = {ti，t2, . . .，tn}，实际问题等价于是否存在S的k个不相交的 子集S^j = 1，2，···，1〇使得
【权利要求】
1. 一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法，其特征在于，包括： 所述无线传感器网络中的传感器节点接收到至少两个连续采样任务，获取所有连续采 样任务的采样信息，所述采样信息包括每个连续采样任务的开始时刻b、结束时刻e、采样 时间长度为1，其中，所述连续的采样任务是指持续采样一定时间且不能中断的采样任务； 所述传感器节点依次计算所有连续采样任务之间的重叠值，所述重叠值是指不同采样 任务之间因为时间窗口有重叠可以共享的最大的时间范围，所述重叠值中的不同采样任务 的数量为两个以上。 所述传感器节点根据比较所有连续采样任务之间的重叠值的大小对所有采样任务进 行分组，其中，重叠值最大的多个采样任务被分入同一个任务组； 所述传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，分配到与采样任务所在探 测范围有重叠的多个传感器节点上； 所有传感器节点按照分配到的连续采样任务进行采样，并回传数据。
2. 根据权利要求1所述的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法， 其特征在于，所述传感器节点根据比较所有连续采样任务之间的重叠值的大小对所有采样 任务进行分组包括： 获取所有连续采样任务的采样信息，所述采样信息包括重叠区中出现的任务可以被检 测到的传感器节点总数量k、重叠区出现的采样任务集合S = {ti，t2,. . .，tn}; 为采样任务集合绘制能示出所有连续采样任务与其间关系的模型图G，其中，所述模型 图G中每个连续采样任务以一个点表示，每两个连续采样任务之间的重叠值以两点之间的 线段边表示，每条边均有权，所述权的值等于两端点所对应的两个连续采样任务之间的重 叠值； 比较所述模型图G中的所有边的权，移除权最小的一条边； 重复上一个移除所述模型图G中的边，直到模型图G被分割为k个互不相连的子图为 止，所述k个互不相连的子图中的顶点的集合即为各传感器节点的采样任务集合。
3. 根据权利要求2所述的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法， 其特征在于，所述传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，将所有任务分组 随机分配到与采样任务所在探测范围有重叠的多个传感器节点上。
4. 根据权利要求2所述的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法， 其特征在于，所述传感器节点将不同的连续采样任务以任务分组为单位，依照负载均衡的 原则，将所有任务按照不同传感器节点剩余的采样能力大小，均衡地分配到与采样任务所 在探测范围有重叠的多个传感器节点上。
5. 根据权利要求2所述的一种基于数据共享的无线传感器网络的采样任务调度方法， 其特征在于，所述模型图G的绘制与切割包括： 输入表示任务集合的模型图G，和需要划分的子图个数k ; 将每个顶点按照相邻边的权重之和，由大到小排序； 选取第一个顶点作为初始顶点，标记为u，按顺序地从后面的顶点中选取与u不直接相 邻，但是具有公共顶点的顶点，标记为v，它们的公共顶点构成的集合标记为Su ; 从Su中依次选取相邻边之和最小的顶点，标记为w，分别计算w与u和v划分在一个子 集中为系统带来的重叠值之〇(u，w)和0(v，w); 若0(u, w)>0(v, w)则去除G中v与w相连的边，更新模型图G为G'，否则去除G中u与 w相连的边，更新模型图G为G' ； 若G'被分为了 k个子图则返回G' ；否则继续分割（G'，k) 输出划分之后的k个子图。
【文档编号】H04W28/02GK104270789SQ201410424010
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】郭德科, 赵亚威, 许嘉, 周晓磊, 陈涛 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学