基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法

基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于無線傳感器網絡的采樣任務分配方法，其特征在于，無線傳感器網絡中的傳感器節點接收到至少兩個連續采樣任務，獲取所有連續采樣任務的采樣信息；傳感器節點依次計算所有連續采樣任務之間的重疊值，重疊值是指不同采樣任務之間因為完成時間窗口有重疊可以共享的最大時間范圍；傳感器節點根據比較所有連續采樣任務之間的重疊值的大小對所有采樣任務進行分組；傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，分配到與采樣任務所在探測范圍有重疊的多個傳感器節點上；所有傳感器節點按照分配到的連續采樣任務進行采樣，并回傳數據。
【專利說明】基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及通信【技術領域】，特別地，涉及一種基于數據共享的無線傳感器網絡的 米樣任務調度方法。

【背景技術】
[0002] 無線傳感網絡是由大量廉價微型的傳感器節點通過無線通信的方式組成的多跳 自組織網絡。這在地震、火山預警，鐵軌故障檢測，生態保護區環境檢測等領域得到了普遍 的應用。將傳感器按照一定的方式部署在美國金門大橋上，傳感器可以感知因為地震而產 生的震動，通過分析采集到的震動數據有助于對地震探測和震后救災工作提供快速的信息 支持；利用部署在鐵軌上的傳感器采集鐵軌震動的聲波，通過分析聲波的特點有助于檢測 鐵軌是否出現故障等意外情況，有助于鐵軌維護，避免因此導致的事故；這些應用具有共同 的特點，即：因為金門大橋下、火山口、鐵軌都是人跡罕至的地方，無線傳感網絡按照一定的 方式部署后很難進行調整，而且系統應該具有高可用性，在完成監測任務的情況下，保持較 長時間的工作狀態。這幾乎是每個無線傳感器網絡共有的特點，除此之外這些采樣的任務 和傳統的離散方式的點采樣不同，它們是一種連續的區間采樣。傳統的點采樣僅僅需要傳 感器采集一次數據就完成了任務，但是像利用聲波檢測鐵軌故障的應用，需要根據一段時 間內分析采集的聲波才能得出結論，僅僅在某一時刻采集一次數據沒有意義。因此傳統在 點采樣上取得的研究成果并不能簡單的應用到這些實際的應用中。
[0003] 如果有采樣任務分配到傳感器上，傳感器就可以根據需求立即開始采樣。但是當 有多個采樣任務在一定的時間內都分配到傳感器上時，傳感器如果仍然是按照"先到先服 務"(First In First Service,簡稱為FIFS)的策略逐一開始采樣，那需要采樣的任務量就 是這些采樣任務的簡單相加。而實際中這些采樣任務存在時間重疊區，即：在某一時間段， 多個采樣任務都需要采集數據，這段內采集的數據可以被多個任務共享。那么就有可能通 過優化調度的采樣策略，讓盡可能多的采樣任務在重疊區采樣。保證在完成采樣任務的前 提下減少采樣的任務量。通過減少采樣的任務量可以節省傳感器的能源，提高傳感器和整 個無線傳感網絡的生命周期，同時采集的數據量減少也會緩解網絡傳輸的壓力，避免因為 網絡擁塞引起的數據丟失和重傳。
[0004] 傳統的點米樣都是假設米樣任務可以在某一時刻由傳感器一次米樣完成。但實際 上很多應用都會給每個采樣任務分配一個時間窗口，在這個時間窗口內完成采樣任務而不 是精確地限制在某一時刻完成。當多個采樣任務分配到一個傳感器上時，某些采樣任務的 時間窗口很有可能出現重疊。而現有技術并沒有解決在重疊的時間區的采樣任務之間存在 數據共享時，優化采樣的問題。當傳感器在重疊的時間窗口中采樣時，所采集的數據未被多 個采樣任務共用，從而造成不同的任務之間共享的數據量沒有達到極大值，帶來了不必要 的采樣時間。
[0005] 針對現有技術中在連續采樣的情況下缺乏較好的調度采樣的策略，不同的采樣任 務之間共享數據量低導致采樣效率低的問題，目前尚未有有效的解決方案。


【發明內容】

[0006] 針對現有技術中不同的采樣任務之間共享數據量低的問題，本發明的目的在于提 出一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法，能夠提高無線傳感器在不同 的采樣任務之間的共享數據量，壓縮采樣時間，提高采樣效率，延長無線傳感器網絡壽命。
[0007] 基于上述目的，本發明提供的技術方案如下：
[0008] 根據本發明的一個方面，提供了一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務 調度方法，包括：無線傳感器網絡中的傳感器節點接收到至少兩個連續的采樣任務，獲取所 有連續采樣任務的采樣信息，采樣信息包括每個連續采樣任務的開始時刻e、結束時刻b、、 采樣區間的長度1、與該采樣任務的采樣區域內存在探測范圍重疊的其他傳感器，不失一般 性地假設采樣任務h和t 2被傳感器s探測到，其中，連續的采樣任務是指傳感器持續地采 樣一定時間且不能中斷的采樣任務。
[0009] 采樣任務之間的重疊值是指不同采樣任務之間因為時間窗口有重疊，從而可 以共享的最大時間的范圍，如果存在兩個任務和(bpbip。不 失一般性的假設力彡4兩個采樣任務的重疊值的計算方法為〇(%&) =0(&，&)= min {Ip 1」，| ei-bj |}。同理，如果存在三個采樣任務=如，ep I) , tj = (bj, e」，1」），和tk =(bk, ek, lk),其中ei彡e」彡ek,三個采樣任務的重疊值的計算方法為0(ti，tj, tk) = min{ Ulplk，Ih-bjl，|ei-bk|，|ej-bk|}，大于三個采樣任務的重疊值的計算方法可以以此類推； 傳感器節點根據比較所有連續采樣任務之間的重疊值的大小對所有采樣任務進行分組，其 中，重疊值較大的多個采樣任務被分入同一個任務組；傳感器節點將不同的采樣任務以任 務分組為單位，分配到與采樣任務所在探測范圍有重疊的多個傳感器節點上；所有傳感器 節點按照分配到的采樣任務進行采樣，并回傳數據。
[0010] 其中，傳感器節點根據比較所有采樣任務之間的重疊值的大小對所有采樣任務進 行分組包括：獲取所有連續采樣任務的采樣信息，采樣信息包括重疊區中出現的任務可以 被檢測到的傳感器節點總數量k、重疊區出現的采樣任務集合s = {tp t2,. . .，tn};為采樣 任務集合繪制出所有連續采樣任務與其間關系的模型圖G，其中，模型圖G中每個連續采樣 任務以一個點表示，每兩個連續采樣任務的時間窗口如果存在重疊，則在兩點之間連一條 邊，邊的權值等于采樣任務之間的重疊值；比較模型圖G中的所有邊的權，移除權最小的一 條邊；重復上一個移除模型圖G中的邊，直到模型圖G被分割為k個互不相連的子圖為止， k個互不相連的子圖中的頂點的集合即為各傳感器節點的采樣任務集合。
[0011] 并且，傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，將所有任務分組隨 機分配到與采樣任務所在探測范圍有重疊的多個傳感器節點上。
[0012] 并且，傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，依照負載均衡的原 貝1J，將所有任務按照不同傳感器節點剩余的采樣能力大小，均衡地分配到與采樣任務所在 探測范圍有重疊的多個傳感器節點上。
[0013] 并且，模型圖G的繪制與切割包括：輸入表示任務集合的模型圖G，和需要劃分的 子圖個數k ;將每個頂點按照相鄰邊的權重之和，由大到小排序；選取第一個頂點作為初始 頂點，標記為u，順序地從后面的頂點中選取與u不直接相鄰，但是具有公共頂點的頂點，標 記為V，它們的公共頂點構成的集合標記為S u ;從su中依次選取相鄰邊之和最小的頂點，標 記為W，分別計算w與u和v劃分在一個子集中為系統帶來的重疊值之和0(u，w)和0(v，w); 若0(u, w) >0(v, w)，則去除G中v與w相連的邊，更新模型圖G為G'，否則去除G中u與w 相連的邊，更新模型圖G為G' ；若G'被分為了 k個子圖則返回G'，否則繼續分割G' ；直到 最終輸出劃分之后的k個子圖。
[0014] 從上面所述可以看出，本發明提供的技術方案通過計算連續采樣任務的重疊值， 并根據重疊值繪制出模型圖G進行子圖切分處理，有效地提高了無線傳感器采集數據的重 疊值，降低了總工作量，提高了無線傳感器網絡的工作效率與壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所 需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施 例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲 得其他的附圖。
[0016] 圖1為根據本發明實施例的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調 度方法流程圖；
[0017] 圖2為現有技術中無優化策略按時離散點采樣的采樣時間軸示意圖；
[0018] 圖3為現有技術中使用優化策略按時離散點采樣的采樣時間軸示意圖；
[0019]圖4為現有技術中無優化策略按時連續區間采樣的采樣時間軸示意圖；
[0020] 圖5為根據本發明實施例的優化策略按時連續區間采樣的采樣時間軸示意圖；
[0021] 圖6為根據本發明實施例的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調 度方法中，同一時間段內多個采集任務根據重疊值繪制出的模型圖G。
[0022] 圖7為根據本發明實施例的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調 度方法中，針對三個連續的采樣任務進行優化的采樣時間軸示意圖；
[0023] 圖8為根據本發明實施例的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調 度方法中，表示三個連續的采樣任務之間關系的模型圖G。

【具體實施方式】
[0024] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面將結合本發明實施例中 的附圖，對本發明實施例中的技術方案進一步進行清楚、完整、詳細地描述，顯然，所描述的 實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域 普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0025] 無線傳感器網絡部署完成后很難人工地調整位置或更換部件。現有技術多從節約 能源，提高網絡的生命周期和數據傳輸的可靠性等角度出發，取得了很多成果。然而，從數 據層面出發，通過優化采樣任務量的角度達到提高系統生命周期和穩定傳輸的技術還沒有 有效的方法，尤其是當采樣任務可以被多個傳感器探測到時，優化采樣任務的調度策略，利 用任務之間的數據共享壓縮采樣時間，并考慮傳感器的實際負載情況，實現負載均衡的調 度策略在現有技術中還是空白。
[0026] 對于離散點米樣任務，存在一個完成的時間窗口，完成一次米樣任務就要求在這 個任務的時間窗口內采集一次數據，這是帶有時間限度的離散點采樣問題。如圖2與圖3 所示，如果存在兩個離散點采樣任務，且它們的完成時間窗口在時間軸上重疊，如果不進行 策略優化，在采樣任務到達時候就立即開始采樣，則如圖2所示，無線傳感器需要進行兩次 采樣。而使用優化過的貪心算法允許無線傳感器在它們的時間重疊區采樣一次，如圖3所 示的采集的數據可以同時被兩個任務共享，從而減少了采樣的任務量。
[0027] 對于連續區間的米樣任務，存在一個完成的時間窗口，完成一次米樣任務就要求 在這個任務的時間窗口內連續采集一定時間區間的數據。如圖4與圖5所示，如果存在兩個 連續區間采樣任務，且它們的完成時間窗口在時間軸上重疊，如果不進行策略優化，在采樣 任務到達時候就立即開始采樣，則如圖4所示，無線傳感器需要采樣的時間長度1 = h+ly 而使用優化過的貪心算法允許無線傳感器在它們的時間重疊區。如圖5所示，1〈1片12。因 此，采集的數據可以同時被兩個任務共享，從而減少了采樣時間。
[0028] 對于連續采樣任務，假設不同的采樣任務的時間窗口沒有重疊。如果重疊區域可 以被k個傳感器探測到，不妨將第i個采樣任務表示為每個任務需要的采樣時間長度為 li，那么對于任務的集合S = {ti，t2, . . .，tn}，實際問題等價于是否存在S的k個不相交的 子集S^j = 1，2，···，1〇使得

【權利要求】
1. 一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法，其特征在于，包括： 所述無線傳感器網絡中的傳感器節點接收到至少兩個連續采樣任務，獲取所有連續采 樣任務的采樣信息，所述采樣信息包括每個連續采樣任務的開始時刻b、結束時刻e、采樣 時間長度為1，其中，所述連續的采樣任務是指持續采樣一定時間且不能中斷的采樣任務； 所述傳感器節點依次計算所有連續采樣任務之間的重疊值，所述重疊值是指不同采樣 任務之間因為時間窗口有重疊可以共享的最大的時間范圍，所述重疊值中的不同采樣任務 的數量為兩個以上。 所述傳感器節點根據比較所有連續采樣任務之間的重疊值的大小對所有采樣任務進 行分組，其中，重疊值最大的多個采樣任務被分入同一個任務組； 所述傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，分配到與采樣任務所在探 測范圍有重疊的多個傳感器節點上； 所有傳感器節點按照分配到的連續采樣任務進行采樣，并回傳數據。
2. 根據權利要求1所述的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法， 其特征在于，所述傳感器節點根據比較所有連續采樣任務之間的重疊值的大小對所有采樣 任務進行分組包括： 獲取所有連續采樣任務的采樣信息，所述采樣信息包括重疊區中出現的任務可以被檢 測到的傳感器節點總數量k、重疊區出現的采樣任務集合S = {ti，t2,. . .，tn}; 為采樣任務集合繪制能示出所有連續采樣任務與其間關系的模型圖G，其中，所述模型 圖G中每個連續采樣任務以一個點表示，每兩個連續采樣任務之間的重疊值以兩點之間的 線段邊表示，每條邊均有權，所述權的值等于兩端點所對應的兩個連續采樣任務之間的重 疊值； 比較所述模型圖G中的所有邊的權，移除權最小的一條邊； 重復上一個移除所述模型圖G中的邊，直到模型圖G被分割為k個互不相連的子圖為 止，所述k個互不相連的子圖中的頂點的集合即為各傳感器節點的采樣任務集合。
3. 根據權利要求2所述的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法， 其特征在于，所述傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，將所有任務分組 隨機分配到與采樣任務所在探測范圍有重疊的多個傳感器節點上。
4. 根據權利要求2所述的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法， 其特征在于，所述傳感器節點將不同的連續采樣任務以任務分組為單位，依照負載均衡的 原則，將所有任務按照不同傳感器節點剩余的采樣能力大小，均衡地分配到與采樣任務所 在探測范圍有重疊的多個傳感器節點上。
5. 根據權利要求2所述的一種基于數據共享的無線傳感器網絡的采樣任務調度方法， 其特征在于，所述模型圖G的繪制與切割包括： 輸入表示任務集合的模型圖G，和需要劃分的子圖個數k ; 將每個頂點按照相鄰邊的權重之和，由大到小排序； 選取第一個頂點作為初始頂點，標記為u，按順序地從后面的頂點中選取與u不直接相 鄰，但是具有公共頂點的頂點，標記為v，它們的公共頂點構成的集合標記為Su ; 從Su中依次選取相鄰邊之和最小的頂點，標記為w，分別計算w與u和v劃分在一個子 集中為系統帶來的重疊值之〇(u，w)和0(v，w); 若0(u, w)>0(v, w)則去除G中v與w相連的邊，更新模型圖G為G'，否則去除G中u與 w相連的邊，更新模型圖G為G' ； 若G'被分為了 k個子圖則返回G' ；否則繼續分割（G'，k) 輸出劃分之后的k個子圖。
【文檔編號】H04W28/02GK104270789SQ201410424010
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】郭德科, 趙亞威, 許嘉, 周曉磊, 陳濤 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學