專利名稱：基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)格計算和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于能 量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法。
背景技術(shù)：
今年來，隨著無線技術(shù)和傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，微電子學(xué)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的 進步推動著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一系列的傳感器節(jié)點構(gòu) 成，每個節(jié)點都具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力。傳感器節(jié)點具有電池供電、計算 存儲能力有限、通信帶寬低的特點，這使其在處理和利用所得數(shù)據(jù)時受到了限制。網(wǎng)格計算 是將地理上分布的、異構(gòu)的各種資源連接在一起，形成一臺虛擬的高性能超級計算機，為用 戶提供隨處可得并且可靠的計算能力?，F(xiàn)在，具有高速計算能力、巨量存儲能力和高速通信 帶寬特點的網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)成為在動態(tài)虛擬社區(qū)中解決大規(guī)模分布式、異構(gòu)資源共享的一個 標(biāo)準(zhǔn)方式。隨著傳感器技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)研究的深入，傳感器節(jié)點越來越被作為一種資源引入 到了網(wǎng)格中，從而可以將網(wǎng)格技術(shù)和傳感器技術(shù)結(jié)合起來，利用傳感器節(jié)點實時獲取資源， 通過網(wǎng)格平臺進行共享；利用網(wǎng)格擁有的計算資源和存儲資源通過數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、分 布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)對傳感器節(jié)點收集到的大量數(shù)據(jù)進行處理、分析和存儲。目前，網(wǎng)格研究者著力于研究網(wǎng)格資源調(diào)度(資源節(jié)點的選擇問題)，即對于一個 網(wǎng)格任務(wù)，選擇合適的網(wǎng)格資源節(jié)點進行映射，使其在調(diào)度的過程中效益最大化。近年來， 網(wǎng)格研究者提出了很多網(wǎng)格資源調(diào)度算法，但是這些調(diào)度算法主要是針對傳統(tǒng)網(wǎng)格所設(shè)計 的，對于不同領(lǐng)域內(nèi)的傳統(tǒng)網(wǎng)格，其網(wǎng)格資源調(diào)度算法的研究目標(biāo)可能側(cè)重點不同。如對資 源有要求的高性能計算，資源調(diào)度算法需要考慮的首要問題是QoS;隨著各種能量儲備有 限的設(shè)備越來越多的加入到網(wǎng)格中來，能量優(yōu)化也成了網(wǎng)格資源調(diào)度算法需要關(guān)注的一個 方面。與傳統(tǒng)網(wǎng)格中資源調(diào)度相比，無線傳感器網(wǎng)格中傳感器節(jié)點能量限制和傳感器網(wǎng) 格任務(wù)對資源節(jié)點的QoS要求，使得資源調(diào)度時必須綜合考慮無線傳感器網(wǎng)格中能量消耗 和QoS約束對資源調(diào)度的影響。因此，有必要提供一種適合無線傳感器網(wǎng)格環(huán)境下的傳感 器資源節(jié)點選擇方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適合無線傳感器網(wǎng)格環(huán)境下的傳感器資源節(jié)點選擇方 法，綜合考慮無線傳感器網(wǎng)格中能量消耗和QoS約束對資源調(diào)度的影響。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié) 點選擇方法，包括如下步驟(1)根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進行測試，獲取各個 任務(wù)的QoS約束級別，所述QoS約束級別包括硬性QoS約束、軟性級QoS約束、盡力級QoS約束；( 根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進行測試，判斷各個 任務(wù)在各個資源上是否可執(zhí)行，其中可執(zhí)行表示資源滿足任務(wù)的QoS要求；(3)獲取各級別QoS約束中每個任務(wù)對應(yīng)的有效資源的數(shù)量；(4)先調(diào)度硬性QoS約束的任務(wù)，再調(diào)度軟性級QoS約束的任務(wù)，最后調(diào)度盡力級 QoS約束的任務(wù)，對于同一級別QoS約束的任務(wù)，優(yōu)先調(diào)度該級別QoS約束任務(wù)中有效資源 數(shù)量最少的任務(wù)，對于有效資源數(shù)量相同的任務(wù)，同時考慮節(jié)點的能量消耗和各節(jié)點之間 的能量均衡，采用評估函數(shù)評估每個任務(wù)調(diào)度到每個資源上試執(zhí)行的消耗值，使用Min-min 算法尋找具有最小的最小消耗值的任務(wù)，將所述具有最小的最小消耗值的任務(wù)分配到獲得 該最小的最小消耗值的資源上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法具 有如下優(yōu)點(1)對任務(wù)的QoS約束進行了分級，分別為硬性級QoS約束、軟性級QoS約束和盡 力級QoS約束，根據(jù)不同QoS約束級別對調(diào)度的影響程度區(qū)分任務(wù)的優(yōu)先級，QoS約束級別 高的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度；(2)在滿足任務(wù)的QoS約束的基礎(chǔ)上，考慮任務(wù)在調(diào)度過程中的能量消耗，將節(jié)點 的能量消耗作為評估函數(shù)的一個方面對每一次的調(diào)度消耗進行評估，盡量降低資源節(jié)點的 能量消耗；(3)在考慮能量優(yōu)化的同時，將各節(jié)點能量消耗的均衡也作為一個因素，在調(diào)度的 過程中盡量選擇那些剩余能量較多的資源節(jié)點，從而達到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量消耗的 均衡化，提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和生命周期。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實施例。


圖1為本發(fā)明基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標(biāo)號代表類似的元件。在說明本發(fā)明基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法之前，先說明 該方法涉及的多維QoS約束下的傳感器資源調(diào)度問題、傳感器網(wǎng)格環(huán)境下的能量消耗均衡 問題、傳感器網(wǎng)格資源調(diào)度環(huán)境描述、調(diào)度方法中的相關(guān)參數(shù)。多維QoS約束下的傳感器資源調(diào)度問題在多維QoS約束的傳感器網(wǎng)格資源調(diào)度環(huán)境下，任務(wù)對資源的QoS要求是多方面 的，只考慮一維或幾維的QoS約束顯然是不符合任務(wù)的調(diào)度要求。所以對傳感器資源進行 調(diào)度的過程中，必須充分考慮多QoS約束的問題。對傳感器網(wǎng)格中對資源有要求的高性能計算，即用戶的提交任務(wù)對傳感器節(jié)點具 有較多的QoS要求，因此充分考慮任務(wù)與資源的QoS(Quality of krvice，服務(wù)質(zhì)量)要求 在調(diào)度算法中尤為重要。在傳感器網(wǎng)格環(huán)境下，按照任務(wù)對資源的QoS要求不同對任務(wù)的CN 102143526 A
說明書
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QoS約束進行分級(1)硬性級QoS 對資源系統(tǒng)平臺、CPU和帶寬等的QoS約束均屬于硬性級QoS約 束；(2)軟性級QoS 費用、可靠性等均屬于軟性級QoS約束；(3)盡力級QoS 除硬性級QoS約束和軟性級QoS約束以外的QoS約束均屬于盡力 級QoS約束。由上面的分類原理可知，硬性級QoS是所有級別QoS中對資源要求最高的，對資源 調(diào)度起著決定性的作用，只有符合硬性級QoS的調(diào)度才是有效的，具有該硬性級QoS的任務(wù) 才能被映射執(zhí)行。如果任務(wù)滿足軟性級QoS，則調(diào)度有效，并可使效益最大化；如果任務(wù)不 滿足軟性級QoS，則調(diào)度是有效，但效益降低。盡力級QoS約束對資源調(diào)度的影響較小，任務(wù) 的盡力級QoS約束將會盡量實現(xiàn)和滿足。根據(jù)上面三種QoS約束的分級，考慮資源對任務(wù)的有效性，將多維QoS約束下的傳 感器網(wǎng)格資源調(diào)度問題歸結(jié)為任務(wù)的選擇問題，即在調(diào)度的過程中任務(wù)選擇的優(yōu)先級問題傳感器網(wǎng)格環(huán)境下的能量消耗均衡問題由于傳感器網(wǎng)格中的傳感器資源節(jié)點通常布置于特殊場合，使用電池供電，電源 不可更換，因此傳感器節(jié)點的節(jié)能問題變得非常重要；由于有些傳感器節(jié)點能量的消耗殆 盡，可能會影響到整個區(qū)域內(nèi)其它傳感器節(jié)點的使用效率，因此傳感器節(jié)點能量消耗均衡 的問題也必須考慮(這樣在不影響傳感器節(jié)點的使用效率的情況下，在完成用戶提交任務(wù) 的基礎(chǔ)上，盡可能延長網(wǎng)格的生命周期，即在傳感器資源節(jié)點的能量消耗完前使其效用最 大化)。由于進行資源選擇的過程中需要考慮傳感器節(jié)點的節(jié)能和能量消耗均衡，因此可 以將傳感器網(wǎng)格資源調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為資源的選擇問題，即對于一個網(wǎng)格任務(wù)，如何選擇最 優(yōu)的資源進行映射使傳感器節(jié)點在節(jié)能和能量均衡上達到平衡。傳感器網(wǎng)格資源調(diào)度環(huán)境描述考慮到傳感器資源節(jié)點具有分布性、異構(gòu)性、無線等特點，傳感器網(wǎng)格資源調(diào)度環(huán) 境如下(1)各個待調(diào)度的網(wǎng)格任務(wù)都是獨立任務(wù)，任務(wù)之間無數(shù)據(jù)依賴或通信；(2) 一個資源節(jié)點在同一時刻只能執(zhí)行一個任務(wù)，直到本任務(wù)完成才能執(zhí)行其他 任務(wù)，即任務(wù)獨占一個資源直到完成；(3)每個傳感器資源節(jié)點的能量是有限的，不同傳感器資源節(jié)點的能量初始值不 同；(4)傳感器資源節(jié)點處于空閑狀態(tài)時沒有能量消耗；(5)傳感器資源節(jié)點的能量消耗只限于任務(wù)執(zhí)行能量消耗；(6)資源以描述其可提供的QoS服務(wù)方式發(fā)布，任務(wù)以描述其需要的QoS服務(wù)的方 式提交。調(diào)度方法中的相關(guān)參數(shù)與QoS約束有關(guān)的參數(shù)定義(1)集合 T= It1, t2，. . .，tm}表示 m 個獨立的任務(wù)、(i = l，2，...，m)的集合；(2)集合R= {巧，巧，...，rn}表示網(wǎng)格環(huán)境下η個異構(gòu)資源節(jié)點巧(i = 1,2,...,η)的集合；(3)任務(wù)的預(yù)期執(zhí)行時間矩陣ETC = {ety} mxn= I其中元素eh, j表示根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進 行測試時，測試出的任務(wù)、在資源&上的執(zhí)行時間，如果資源滿足任務(wù)的QoS要求，記錄其 預(yù)期執(zhí)行時間，如果資源h不符合任務(wù)、的QoS要求，則ety的值定義為⑴，即資源不能 滿足任務(wù)的QoS要求，任務(wù)、不能在資源。上執(zhí)行； (4)任務(wù)的可執(zhí)行矩陣CE = {cy}mxn=』‘',其中元素Ci,」表示任務(wù)、
在資源h上是否可執(zhí)行(即資源&是否滿足任務(wù)、的QoS要求)，如果可執(zhí)行則Cm的值 為1，表示資源。符合指定任務(wù)、的QoS約束，該任務(wù)的QoS約束可能是硬性級QoS、軟性 級QoS或盡力級QoS中的任何一種；不可執(zhí)行則其值為0，表示該任務(wù)為硬性QoS約束而對 應(yīng)的資源無法滿足任務(wù)的QoS約束(任務(wù)的可執(zhí)行矩陣CE反映資源對于任務(wù)的有效性情 況，可以根據(jù)預(yù)期執(zhí)行時間矩陣ETC得出，依次遍歷矩陣ETC中的每一個元素，如果其值為 數(shù)字，則可執(zhí)行矩陣CE中對應(yīng)的元素置為1 ；若ETC中的元素值為⑴，則可執(zhí)行矩陣CE中 對應(yīng)的元素置為0，當(dāng)然任務(wù)的可執(zhí)行矩陣CE也可以根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用 資源提供的QoS服務(wù)進行測試時，判斷各個任務(wù)在各個資源上是否可執(zhí)行得出)；(5)任務(wù)的QoS約束級別數(shù)組QoL = (Hi1, m2，...，mm)表示m個獨立的任務(wù)的QoS 約束級別，根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進行測試，獲取各個任 務(wù)的QoS約束級別，得到任務(wù)的QoS約束級別數(shù)組QoL，其中值為2時表示為硬性QoS約束， 為3表示軟性QoS約束，為4則表示盡力級QoS約束；(6)任務(wù)優(yōu)先級向量NoRl =(叫，n2，…，nn)表示QoS約束級別為硬性QoS的任 務(wù)對應(yīng)的有效資源數(shù)量，如Iii表示QoS約束級別為硬性QoS的任務(wù)i對應(yīng)的有效資源的數(shù) 量為叫，如果對應(yīng)的任務(wù)的QoS級別不為硬性QoS則其值定義為⑴，即系統(tǒng)定義的最大值； 同理任務(wù)優(yōu)先級向量NoR2 = (H1, n2，. . .，nn)表示QoS約束級別為軟性QoS的任務(wù)對應(yīng)的 有效資源數(shù)量，任務(wù)優(yōu)先級向量NoR3 = (ni，n2，. . .，nn)表示QoS約束級別為盡力級QoS的 任務(wù)對應(yīng)的有效資源數(shù)量，NoR向量的每一個分量NoIii (i = 1,2,3)可由任務(wù)的可執(zhí)行矩陣 CE得出，NoR向量的每一個分量等于可執(zhí)行矩陣CE的一列的和。與能量消耗有關(guān)的參數(shù)定義 (1)能量參數(shù)矩陣E= Iejmxn=: ，，該矩陣為一個ηΧ2矩陣，其中ei,
！表示資源i的剩余能量值，β,,2表示資源i的執(zhí)行能量消耗率(單位時間內(nèi)資源i執(zhí)行任 務(wù)所消耗的能量值)； (2)任務(wù)的執(zhí)行能量消耗EoCi,」。任務(wù)的執(zhí)行能量消耗EoCiij為任務(wù)、在資源r」 上的執(zhí)行時間ety與資源j的執(zhí)行能量消耗率。,3的乘積，如下式
EoCijj = Gtijj^ejj3(4-1)資源。執(zhí)行完任務(wù)、后的剩余能量是資源。的剩余能量值與任務(wù)的執(zhí)行能 量消耗EoCm的差值，用差值 工^⑷㈩替換能量參數(shù)矩陣E中的值。在一個任務(wù)選擇 不同的資源節(jié)點時，傳感器資源節(jié)點的剩余能量將作為參考依據(jù)，即優(yōu)先選擇剩余能量最 多的資源作為映射結(jié)果。若具有多個傳感器資源節(jié)點的剩余能量相同時，優(yōu)先選擇能量消 耗最小的資源作為映射結(jié)果，從而達到節(jié)能的目的。與最優(yōu)跨度有關(guān)的參數(shù)定義
權(quán)利要求
1. 一種基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法，包括如下步驟 根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進行測試，獲取各個任務(wù)的 QoS約束級別，所述QoS約束級別包括硬性QoS約束、軟性級QoS約束、盡力級QoS約束；根據(jù)任務(wù)提交的QoS要求對所有可用資源提供的QoS服務(wù)進行測試，判斷各個任務(wù)在 各個資源上是否可執(zhí)行，其中可執(zhí)行表示資源滿足任務(wù)的QoS要求；獲取各級別QoS約束中每個任務(wù)對應(yīng)的有效資源的數(shù)量；先調(diào)度硬性QoS約束的任務(wù)， 再調(diào)度軟性級QoS約束的任務(wù)，最后調(diào)度盡力級QoS約束的任務(wù)，對于同一級別QoS約束的 任務(wù)，優(yōu)先調(diào)度該級別QoS約束任務(wù)中有效資源數(shù)量最少的任務(wù)，對于有效資源數(shù)量相同 的任務(wù)，采用評估函數(shù)評估每個任務(wù)調(diào)度到每個資源上試執(zhí)行的消耗值，使用Min-min算 法尋找具有最小的最小消耗值的任務(wù)，將所述具有最小的最小消耗值的任務(wù)分配到獲得該 最小的最小消耗值的資源上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于能量均衡和QoS約束的傳感器資源節(jié)點選擇方法，其結(jié)合傳感器節(jié)點能量有限及無線傳感器網(wǎng)格環(huán)境下資源調(diào)度的特點，將對無線傳感器網(wǎng)格環(huán)境下任務(wù)的QoS約束進行分級，區(qū)分不同QoS約束級別對資源調(diào)度的影響程度，在滿足QoS約束的條件下，對不同級別QoS約束的任務(wù)，QoS約束級別越高的任務(wù)越優(yōu)先調(diào)度。對于同一級別QoS約束的任務(wù)，在進行資源選擇時使用評估函數(shù)來評估一次資源調(diào)度的消耗值，考慮傳感器節(jié)點的能量消耗和各節(jié)點能量消耗之間的均衡，選擇具有最小的最小消耗值的任務(wù)和資源作為映射結(jié)果。本方法在資源調(diào)度時綜合考慮了無線傳感器網(wǎng)格中能量消耗和QoS約束對資源調(diào)度的影響。
文檔編號H04W84/18GK102143526SQ20111009570
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者李軍, 李春林 申請人:武漢理工大學(xué)