专利名称：用于无线传感器网络的任务容错分配方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器技术领域，特别是一种用于无线传感器网络的任务容错分配方法。
背景技术：
无线传感器网络是任务型网络，任务管理作为无线传感器网络中一个重要管理模块，它与移动管理和能量管理一起承担监控整个网络中传感器节点的能量消耗、动态变化以及任务分配的角色，对于合理分配任务、平衡网络中节点开销、延长网络生命周期并最大限度发挥网络作用具有重要意义。通常无线传感器网络所面对的都是计算密集型任务，由于网络节点的能量以及计算和存储能力有限，单个节点往往不能独立完成任务，脱离整个 无线传感器网络单独讨论传感器节点是毫无意义的，因此需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息协作完成指定任务。另外，由于其外在环境要求、多变的网络状况、不稳定和不十分可靠的无线链路，相比于传统的Internet，无线传感器网络存在着更大的脆弱性，网络中的节点更加容易受到各种安全威胁，更容易遭受环境的破坏而失效，这就要求了无线传感器网络需要带有容错机制，并具有自组织的能力，能够自动组网运行、自我配置维护和适时转发监测数据，并采取自适应机制使任务调度更加适应于无线传感器网络的实时应用需求，因此需要传感器网络任务分配从实时性、经济性、节能性、容错性及动态协调性等方面改善和满足无线传感器网络对实时任务调度系统的性能要求。围绕这一中心问题，目前已经开展了许多研究工作，经对现有技术的文献检索发现，大部分的研究工作仅仅停留在无线传感器网络的静态分配上，虽然有些工作考虑到动态性并提出了一些动态任务分配方法，然而大多在任务分配的初始阶段就设定了节点及网络的状态，并没有真正结合无线传感器网络的动态性来设计真正适用于无线传感器网络的任务分配算法，现有的这些算法还很可能造成某些高密度地区的节点始终处于工作状态，造成节点的能量消耗不均衡，长期处于工作状态的节点能量很快消耗完，影响网络整体的寿命，并且已有的任务分配算法都未采用容错技术，无法提供有效的任务容错分配机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于无线传感器网络的任务容错分配方法，该方法有利于在保证实时任务按期完成的同时，提高任务调度的成功率及可靠性，降低节点能耗，减少任务执行时间，均衡网络负载，进而延长网络的生命周期。本发明采用的技术方案是一种用于无线传感器网络的任务容错分配方法，包括以下步骤
步骤I :根据各个任务截止期的先后顺序，对各个任务赋予不同优先级；
步骤2 :采用交叉联盟模型在网络中生成多个动态联盟，并将任务分配给各个联盟若干个节点组成一个联盟，且同时允许一个节点加入多个联盟，一个联盟具有多个任务待分配执行，同一个联盟内的节点相互合作共同完成任务，联盟由汇聚节点强制生成，无需成员节点协商与交流，且不采用联盟最终确认的机制，当联盟负责的任务执行完毕，联盟随即解散;
步骤3 :联盟的汇聚节点以任务优先级为序，采用主副版本容错技术对联盟内的各个任务进行容错分配
汇聚节点对各个任务做冗余备份形成任务主副版本，然后分别计算任务主版本在各成员节点上的最早开始时间及任务副版本在各成员节点上的最迟开始时间，对于任务主版本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载、能耗及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将任务主版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行；如果任务主版本执行成功且对应的任务副版本为主动执行模式,则通知所述任务副版本取消执行，如果任务主版本执行成功且对应的任务副版本为被动执行模式，则不发出需要所述任务副版本执行的通知，如果任务主版本执行失败且对应的任务副版本采用主动执行模式，则所述任务副版本不会收到要求其取消执行的通知，因而继续执行，以通过任务副版本的成功执行而实现容错；如果任务主版本执行失败且对应的任务 副版本采用被动执行模式，则由汇聚节点或执行任务主版本的节点通知执行任务副版本的节点需要执行任务副版本，以通过任务副版本的成功执行而实现容错；对于主动执行模式的任务副版本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载、能耗及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将主动执行模式的任务副版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行，对于被动执行模式的任务副版本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将被动执行模式的任务副版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行；对普通节点而言，若当前时间下有任务需要执行，则不加区别地执行，如果执行的是任务主版本，在执行过程中不会收到取消执行的命令，执行到最后，如果执行的是主动执行模式的任务副版本，接到通知则取消执行，否则执行到最后，如果执行的是被动执行模式的任务副版本，接到通知才开始执行，否则不执行。在步骤2中，采用粒子群优化方法，以最小化任务执行时间、节约节点能耗、均衡网络负载、提升任务的调度成功率及网络可靠性为优化目标，并行生成动态联盟
粒子采用矩阵的二进制编码方式，用二维数组X表示，粒子总共具有《*/7个元素，《表示当前有 个并行任务需要分配，任务的编号从I到 ，n表示一局部区域有个节点供选择，节点的编号从I到《 ;每个元素的取值为0或1，如果元素的值为1，则表示第J个节点加入了第i个任务所对应的联盟；如果元素的值为0，则表示第j 个节点未加入第i个任务所对应的联盟；
综合考虑任务调度成功率、任务执行时间、节点能耗、网络负载及网络可靠性开销，定义适应值函数/7Ztoe1S1S如下
权利要求
1.一种用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于包括以下步骤 步骤I:根据各个任务截止期的先后顺序，对各个任务赋予不同优先级； 步骤2 :采用交叉联盟模型在网络中生成多个动态联盟，并将任务分配给各个联盟若干个节点组成一个联盟，且同时允许一个节点加入多个联盟，一个联盟具有多个任务待分配执行，同一个联盟内的节点相互合作共同完成任务，联盟由汇聚节点强制生成，无需成员节点协商与交流，且不采用联盟最终确认的机制，当联盟负责的任务执行完毕，联盟随即解散; 步骤3 :联盟的汇聚节点以任务优先级为序，采用主副版本容错技术对联盟内的各个任务进行容错分配 汇聚节点对各个任务做冗余备份形成任务主副版本，然后分别计算任务主版本在各成员节点上的最早开始时间及任务副版本在各成员节点上的最迟开始时间，对于任务主版 本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载、能耗及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将任务主版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行；如果任务主版本执行成功且对应的任务副版本为主动执行模式,则通知所述任务副版本取消执行，如果任务主版本执行成功且对应的任务副版本为被动执行模式，则不发出需要所述任务副版本执行的通知，如果任务主版本执行失败且对应的任务副版本采用主动执行模式，则所述任务副版本不会收到要求其取消执行的通知，因而继续执行，以通过任务副版本的成功执行而实现容错；如果任务主版本执行失败且对应的任务副版本采用被动执行模式，则由汇聚节点或执行任务主版本的节点通知执行任务副版本的节点需要执行任务副版本，以通过任务副版本的成功执行而实现容错；对于主动执行模式的任务副版本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载、能耗及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将主动执行模式的任务副版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行，对于被动执行模式的任务副版本，在满足任务截止期约束的前提下，通过数据标准化函数将成员节点的时间负载及失效率量化并加权累加计算各个成员节点的效能值，将被动执行模式的任务副版本优先分配给具有较优效能值的成员节点执行；对普通节点而言，若当前时间下有任务需要执行，则不加区别地执行，如果执行的是任务主版本，在执行过程中不会收到取消执行的命令，执行到最后，如果执行的是主动执行模式的任务副版本，接到通知则取消执行，否则执行到最后，如果执行的是被动执行模式的任务副版本，接到通知才开始执行，否则不执行。
2.根据权利要求I所述的用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于在步骤2中，采用粒子群优化方法，以最小化任务执行时间、节约节点能耗、均衡网络负载、提升任务的调度成功率及网络可靠性为优化目标，并行生成动态联盟 粒子采用矩阵的二进制编码方式，用二维数组X表示，粒子总共具有个元素，《表示当前有 个并行任务需要分配，任务的编号从I到 ，n表示一局部区域有个节点供选择，节点的编号从I到《 ;每个元素的取值为O或1，如果元素的值为1，则表示第J个节点加入了第i个任务所对应的联盟；如果元素的值为O，则表示第j 个节点未加入第i个任务所对应的联盟； 综合考虑任务调度成功率、任务执行时间、节点能耗、网络负载及网络可靠性开销，定义适应值函数/7Ztoe1S1S如下
3.根据权利要求2所述的用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于在步骤3中，任务主版本在成员节点上的最早开始时间的计算方法如下 依次对各成员节点由前往后扫描节点的空闲时间槽[O，豸]L ^，笔]，[/;，4]， ，[ ，+OD ]，其中，攻表示节点任务队列下的第i个任务的开始时间，J表示节点任务队列的第i个任务的预计完成时间，为表述的一致性，令/ ； = 0，找到第一个符合条件max(a} j'k) + %玄 < 的空闲时间槽[/丨，4+1 ]，则任务在节卢，上的最早开始时间estjj记为
4.根据权利要求3所述的用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于在步骤3中，任务副版本在成员节点上的最迟开始时间的计算方法如下 步骤3. 2. I :针对一个承担任务0的成员节点％，初始化时间槽=[七-气;:i,记slot的开始时间为洗纪运衫,结束时间为send ； 步骤3. 2. 2 :扫描. 的任务队列，slot处于任务队列的空闲时间槽，则记％尸—啊并转步骤3. 2. 3，否则表示sfol与队列中已有的任务发生重叠，选中发生重叠的任务，记为^ ;若任务力被动执行模式的任务副版本，则记H/J = sbe&n并转步骤3. 2. 3 ;若任务^为主动执行模式的任务副版本，且重叠发生在碼2部分，则也记&= 并转步骤3.2. 3，否则更新slot ,令send为h的开始执行时间，sbeSm = send _ sU ;如果send小于0,记 =+oo ,否则重复步3. 2. 2 ; 步骤3. 2.3 :若还存在指定的任务在其上的最迟开始时间未被计算的成员节点，则重复步3. 2. 1，否则结束。
5.根据权利要求4所述的用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于在步骤3中，任务主版本的分配方法具体如下步骤3. 3. I :选中尚未被分配且具有最早截止期的任务针对联盟内的成员节点，计算该任务在节点A上的与这u之和，预测任务在节点上的完成时间，如能满足任务截止期约束，则根据数据标准化函数护 = wllXXC/￡(0 +WtSxURm计算节点的效能值( ,否则记效能值？为无穷大，直至所有节点判断完毕；数据标准化函数是通过Sigmoid函数分别将第J'个节点当前时间负载巧,能耗及节点失效率h映射到区间
，具体计算公式如下所示
6.根据权利要求5所述的用于无线传感器网络的任务容错分配方法，其特征在于在步骤3中，任务副版本的分配方法具体如下步骤3. 4. I :选中尚未非被分配且具有最早截止期的任务O ,针对联盟内的成员节点，计算该任务在节点上的&&与 之和，其中，|#於/),预测任务在节点上的完成时间，如能满足任务截止期约束，则根据数据标准化函数
全文摘要
本发明涉及无线传感器技术领域，特别是一种用于无线传感器网络的任务容错分配方法，包括以下步骤步骤1根据各个任务截止期的先后顺序，对各个任务赋予不同优先级；步骤2采用交叉联盟模型在网络中生成多个动态联盟，并将任务分配给各个联盟；步骤3联盟的汇聚节点以任务优先级为序，采用主副版本容错技术对联盟内的各个任务进行容错分配。该方法有利于在保证实时任务按期完成的同时，提高任务调度的成功率及可靠性，降低节点能耗，减少任务执行时间，均衡网络负载，进而延长网络的生命周期。
文档编号H04W72/12GK102655685SQ201210169689
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者郭文忠, 陈国龙, 陈澄宇 申请人:福州大学