CN102014439A - 基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法及装置，其中，所述方法包括：S1：管理者向剩余能量大于能量阈值的节点发送任务邀请；S2：参与节点根据对任务的可完成度和自己的剩余能量给出初始报价；S3：在最大协商时间之前，管理者和参与节点根据基于时间t的鲍威尔收敛机制进行价格让步协商，当协商双方的报价满足预置条件时，协商成功，将对应的参与节点作为标的；S4：管理者将任务分配给中标的节点，并向所有参与节点发送任务已分配通知。本发明采用能量作为协商参与门槛，降低协商复杂度的同时平衡各节点能量；在任务分配实时性和任务分配效用上取得一定的平衡；还可以实现复杂任务的分层任务分配。

Description

基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法及装置

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种基于合同网协商模型的、适用于簇结构无线传感器网络的任务分配方法及其装置。

背景技术

WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点通过无线通信方式形成的多跳自组织网络，具有低功耗、低成本、分布式等特点。由于各传感器节点在部署之后就很少再进行人工管理和干预，无线传感器网络的自主任务分配的实现成为研究重点。目前，无线传感器网络常采用基于簇的多层次网络结构，它具有良好的可扩展性，适用于大规模网络；而现有的无线传感器网络任务分配算法多是针对平面网络结构的无线传感器网络，且在网络规模增大时复杂度太高；还没有专门应用于簇结构无线传感器网络的任务分配方法。

申请号为200810236555.0的发明公开了一种面向节能的移动Agent多步协商任务分配方法，包括：每个MA与其他MA在基于当时的系统消耗下进行协商，并且在一次协商中，一个MA只分配到一个任务。当它们完成各自分配的任务后，重新以当前时间的任务消耗为基础再次进行协商，每个MA分配到下一个任务。其技术方案以MA的任务消耗为基础进行多次协商，通信量比较大，能耗较高；当网络规模较大时，算法复杂度会快速增加，不适用于大规模无线传感器网站中的任务分配；且分配过程中没有考虑节点间能量的平衡问题，有可能导致网络生存期的缩短。

申请号为201010033866.4的发明公开了一种基于协商的无线传感器网络任务分配方法，包括：无线传感器网络中的节点作为招标方发布招标启事，等待竞标方出价；收到竞标邀请的节点根据对待分配任务的可完成度以及其当前剩余能量来决定是否参与竞标，决定参与竞标的节点作为竞标方就待分配任务的各个属性进行出价；招标方采用多属性效用函数来评价与竞标方的协商过程中各竞标方的出价方案，然后选择标的。该技术方案采用单回合协商制，即使同时采用了无失败策略来避免高失败率，仍影响了总体效用和灵活性，使其应用领域具有一定的局限性，仅适用于单节点进行任务分配或任务迁移这样实时性要求比较高的场景，不能满足普遍的簇结构无线传感器网络中的任务分配需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现基于簇结构的无线传感器网络的自主任务分配，并同时维持网络节点之间的能量平衡，延长网络生存周期。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，所述方法包括：

S1：作为管理者的节点向剩余能量大于预置的能量阈值的节点发送任务邀请，并等待报价；

S2：收到任务邀请的节点作为参与节点，根据对所述任务的可完成度和自己的剩余能量给出初始报价；

S3：在最大协商时间之前，作为管理者的节点和参与节点之间根据基于时间t的鲍威尔收敛机制进行多轮价格让步协商，当协商双方的报价满足预置条件时，协商成功，将对应的参与节点作为标的；

S4：作为管理者的节点将任务分配给中标的节点，并向所有参与节点发送任务已分配通知。

其中，步骤S3中，所述预置条件包括：在时刻t’，

其中，

为时刻t由节点b发送给节点a的报价，

为时刻t’由节点a返回给节点b的回价；

为的效用值，

为

的效用值。

步骤S3中，所述价格让步协商过程包括以下子步骤：

S301：收到新的报价的节点作为当前协商的决策者，发送所述报价的节点作为当前协商的协商方；

S302：当前协商的决策者判断当前时刻是否达到自己可接受的最大协商时间，若是，则拒绝协商，等待新的报价；若否，进入S303；

S303：当前协商的决策者通过鲍威尔收敛函数计算其针对所述报价的回价，并进一步判断所述报价的效用值是否大于或等于所述回价的效用值；若是，则协商成功，接受报价，将本次协商中的参与节点作为标的；若否，向协商方发送所述回价；

S304：收到所述回价的节点作为新一轮协商的决策者，发送所述回价的节点作为新一轮协商的协商方，返回步骤S302。

其中，步骤S3还包括，若到达最大协商时间时，没有出现满足协商结束条件的报价，选择报价效用值最高的节点作为标的。

其中，所述效用值通过多属性函数计算获得。

当所述多属性价格函数的计算值相等时，通过主属性满意度判断效用值大小。

本发明的技术方案还提供了一种基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配装置，所述装置包括：

任务分配单元，向剩余能量大于预置的能量阈值的参与节点发送任务分配通知；

决策单元，用于根据基于时间t的鲍威尔收敛机制与参与节点进行多轮价格让步协商，接受满足协商结束条件的报价，并选择相应的参与节点为标的；

任务授权单元，将任务分配给中标的节点；

分配结束通知单元，用于向所有参与节点发送分配结果通知。

(三)有益效果

本发明的技术方案采用合同网作为基本的协商框架；针对能量和能力更加受限的传感器节点，采用能量作为协商参与门槛，降低协商复杂度的同时平衡各节点能量；协商过程中采用了基于时间t的鲍威尔收敛策略进行多回合协商，在任务分配实时性和任务分配效用上取得一定的平衡；此外，还可以实现复杂任务的分层任务分配。

附图说明

图1是基于簇结构的无线传感器网络的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法的总流程图；

图3是本发明的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法的价格让步协商过程流程图；

图4是本发明的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于合同网的适用于簇结构无线传感器网络的任务分配方法及其装置，结合附图和实施例说明如下。

图1为基于簇结构的无线传感器网络的一个实施例的结构示意图。如图1所示，在基于簇结构的无线传感器网络中，某一个节点既可以看作是上层簇的簇成员，也可以看作是下层簇的簇首。如果当前节点不能单独完成分配到的任务，需要其他节点协作完成，其可以发起任务分配。

本发明的核心思想在于：在基于簇结构的无线传感器网络中，采取与其簇结构的层次模型相近的合同网协商协议，通过基于时间t的鲍威尔收敛机制的多轮价格让步协商，在剩余能量满足一定能量阈值的簇成员节点中选择任务执行者。

如图2所示，本发明的基于合同网的簇结构无线传感器网络的任务分配方法包括以下步骤：

S1：作为管理者的节点向剩余能量大于预置的能量阈值的节点发送任务邀请，并等待报价；

本发明中，将发起任务的节点称为管理者。管理者节点无法单独完成的任务可以包括多个议题，其可以将其中的一个或多个议题作为待分配任务发出。报价(Offer)是指参与任务分配的节点针对管理者节点发出的议题j所提出的一个提议。例如，

表示节点a在时刻t向节点b提出的关于议题j的一个提议。与此相对应地，

表示节点b在收到来自节点a的报价后，在下一时刻t’向节点a提出的一个新的提议，称为还价(counter offer)。

在基于合同网通信协议的协商模型中，可以设置一个能够参与任务分配的节点的能量阈值。即：管理者只能向当前剩余能量大于或等于该能量阈值的节点发出任务邀请。这样可以降低合同网的通信量，从而减少能量消耗；并且这种邀请方式更趋向于将任务分配给具有高剩余能量的节点，避开剩余能量较低的节点，这也有利于维持节点间能量平衡。其中，能量阈值的计算公式如下：

$E\left(\mathrm{energy}\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{energy}\left(\mathrm{vi}\right)}{n}---\left(1\right)$

其中，energy(vi)是传感器节点vi的剩余能量。

S2：收到任务邀请的节点作为参与节点，根据对所述任务的可完成度和自己的剩余能量给出初始报价；

本发明中，将参与任务分配协商的节点统称为参与节点。收到任务分配邀请的传感器节点根据各自对任务的完成能力和维持能量等方面的因素，通过估算给出初始报价。其中，参与节点i针对议题j的初始报价的生成公式如下：

$\frac{{\max }_j^i+{\min }_j^i}{2}---\left(2\right)$

其中

分别为参与节点i针对议题j的最大和最小保留价。

S3：在最大协商时间之前，作为管理者的节点和参与节点之间根据基于时间t的鲍威尔收敛机制进行多轮价格让步协商，当协商双方中一方在时刻t的报价与另一方在下一时刻t’的回价符合预置条件时，协商成功，将对应的参与节点作为标的；

本发明的多轮价格让步协商过程中，当节点a收到节点b的报价时，节点a作为本轮协商的决策方，节点b作为本轮协商的协商方。则决策方节点的决策规则可以通过公式(3)表示：

$S^a(t^{\′},x_{b\→a}^t)=\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{reject}& \mathrm{if}& t^{\′}>t_{\max }^a\\ \mathrm{accept}& \mathrm{if}& V^a\left(x_{b->a}^t\right)\≥V^a\left(x_{a->b}^{t^{\′}}\right)\\ \mathrm{send}& x_{a->b}^{t^{\′}}& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，是节点a可接受的最大协商时间；

是指节点a收到的节点b在t时刻的报价的效用值(稍后解释)；

是指节点a在t时刻的下一时刻——t’时刻的回价的效用值；reject指协商失败；accept指接受报价，协商成功；是指：节点a向节点b发送回价。

因此，本发明中多轮价格让步协商过程的结束条件包括：当前时刻还未达到决策方节点所能接受的最大协商时间

决策方收到的协商对象于t时刻的报价的效用值大于或等于决策方在当前时刻t’的回价的效用值。协商成功时，决策方接受该报价，协商结束；否则，决策方向协商对象发送回价

此后，收到回价的节点作为新一轮协商的决策方，基于公式(3)进行决策，若协商失败，则发送回价。如此循环进行，直至获得满足协商结束条件的报价。此外，如果决策时刻已超过决策节点所能接受的最大协商时间则协商被拒绝，决策节点继续等待新的报价；如果到达协商时间底限时，仍没有任何报价满足上述协商成功条件，则选择报价效用值最高的节点作为标的。

具体地，如图3所示，假设节点a(管理者或参与节点)在时刻t’收到协商对象b(参与节点或管理者)在时刻t的报价，则节点a作为本轮协商的决策方，节点b作为本轮协商的协商方，协商过程包括：

S301：决策节点判断当前时刻是否达到自己可接受的最大协商时间LT；若是，拒绝协商，继续等待新的节点报价；若否，进入S302；

S302：决策节点通过基于时间t的鲍威尔函数计算针对协商方报价的回价，并进一步判断协商方报价的效用值是否大于或等于决策方回价的效用值，若是，则协商成功，接受协商方报价，并将本次协商中的参与节点作为标的；若否，则向协商方发送所述回价。

此后，节点b作为新一轮协商的决策方，节点a作为新一轮协商的协商方，执行上述步骤S301-302。如此循环，直到某一时刻的报价满足协商成功条件，协商结束。

本发明中，基于时间t的鲍威尔收敛函数如公式(4)所示：

$x_{a->b}^t\left[j\right]=\left\{\begin{array}{c}{\min }_j^a+{\mathrm{\α}}_j^a\left(t\right)({\max }_j^a-{\min }_j^a)\\ {\min }_j^a+(1-{\mathrm{\α}}_j^a\left(t\right))({\max }_j^a-{\min }_j^a)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中

是基于时间t的一个指数函数(5)：

${\mathrm{\α}}_j^a\left(t\right)=e^{{(1-\frac{\min (t,t_{\max })}{t_{\max }})}^{\mathrm{\β}}\ln k_j^a}---\left(5\right)$

对于公式(5)，有如下性质：

$\underset{\mathrm{\β}\→0+}{\lim }{e}^{{(1-\frac{\min (t,t_{\max })}{t_{\max }})}^{\mathrm{\β}}\ln k_j^a}=k_j^a$

$\underset{\mathrm{\β}\→+\∞}{\lim }{e}^{{(1-\frac{\min (t,t_{\max })}{t_{\max }})}^{\mathrm{\β}}\ln k_j^a}=1---\left(6\right)$

由此保证了

并且

其中

是基于节点a的初始报价根据价格函数计算得到的一个常量。即：新的报价在初始报价和最高(低)保留价之间浮动。公式(6)中，β是一个态度函数，当β＜1时，称之为鲍威尔收敛策略。即：报价遵循以下规律：尽量维持当前报价，直到接近协商底限时间时才加快收敛步伐，保证协商成功。

S4：作为管理者的节点将任务分配给中标的节点，并向所有参与节点发送任务已分配通知。

接受报价方案后，管理者节点将待分配任务授权给中标的节点，并发送任务分配通知给所有的参与者节点，整个协商过程结束。

下面，将介绍本步骤中用于评估报价方案优劣的“效用值”的计算方式。本发明将任务分配所需要考虑的多个因素组合成一个出价向量，任务属性作为向量中第一个分量，根据对属性的关注程度由高到低依次向后排列各个分量。结合管理者节点在发布任务的同时发布的任务权重向量来计算每个报价的效用值。

具体来说，假定节点i针对议题j的报价保留值范围(最大和最小保留价)为

通过价格函数把节点的报价映射成为一个[0，1]上的值

如果节点效用随着

递增变化，则映射公式如下：

$V_j^i\left(x_j\right)=\frac{x_j^i-{\min }_j^i}{{\max }_j^i-{\min }_j^i}---\left(7\right)$

如果节点效用

随着

递减变化，则映射公式如下：。

$V_j^i\left(x_j\right)=\frac{{\max }_j^i-x_j^i}{{\max }_j^i-{\min }_j^i}---\left(8\right)$

进一步地，定义

为议题j对于节点i的重要性权值。

是全概率划分的，

即

则节点i的多属性价格函数计算公式为：

$V^i\left(x\right)=\underset{1\≤j\≤n}{\mathrm{\Σ}}{w}_j^i{V}_j^i\left(x_j\right)---\left(9\right)$

需要说明的是，在等待参与节点出价的过程中，为了适应无线传感器网络的高度动态性，不需要明确区分报价轮次，不用等待每一轮所有参与者报价结束后再进行判断选择，也支持协商过程中节点的动态加入和离开。

相应地，本发明的技术方案还提供了一种基于合同网的簇结构无线传感器网络的任务分配装置。如图4所示，该装置包括：

任务分配单元，向剩余能量大于预置的能量阈值的参与节点发送任务分配通知；即：执行前述方法中的步骤S1；

决策单元，用于根据基于时间t的鲍威尔收敛机制与参与节点进行多轮价格让步协商，接受满足协商结束条件的报价，并选择相应的参与节点为标的；即：执行前述方法中的步骤S3；

任务授权单元，将任务分配给中标的节点；

分配结束通知单元，用于向所有参与节点发送分配结果通知；即：其与任务授权单元一起执行前述方法中的步骤S4。

因此，本发明的基于合同网的簇结构无线传感器网络的任务分配装置与前述任务分配方法一一对应，可以通过能够实现该方法的任意装置实现。

下面将通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细说明。本实施例中的簇结构无线传感器网络包含一个簇首和十二个簇成员。假设簇首要在簇内进行任务分配，协商议题包括负载和能量，即(load，energy)，设定其权值分别为0.8与0.2。12个簇成员的初始电量如表1所示：

表1

则本实施例中，任务分配方法包括：

S11：簇首节点根据公式(1)计算获得能够参与协商的节点的能量阈值E(energy)＝1.67；即：簇首只向能量值大于或等于1.67的簇成员节点发送任务分配通知；

根据表1中个簇节点的剩余电量可知，编号为3、4、6、8、10和11的簇成员节点可作为参与节点给出初始报价。

S12：收到任务分配通知的3、4、6、8、10和11号簇成员节点根据公式(2)给出初始报价；

S13：簇首节点a与各参与节点开始价格协商并选定执行者，以其与节点b的协商为例进行说明，假设节点b在时刻t的报价为

S131：在时刻t’，簇首节点a判断此时是否到达其可以接收的最大协商时间LT；若已超过LT，则拒绝协商，等待新的报价；若还未达到LT，进入下一步；

S132：簇首节点通过收敛函数(4)计算其针对报价

的回价

并根据效用函数判断所述报价与所述回价之间的关系是否与条件式

相符；其中，

为节点b在时刻t报价

的效用函数值；

为簇首节点在t’时刻回价

的效用函数值；效用函数值通过效用函数(9)计算获得；若是，则接受节点b在t时刻的报价，并将节点b作为标的，终止协商；如否，簇首节点a向参与节点b发送所述回价

进入下一轮协商。

S133：节点b收到簇首节点a的回价后，作为决策方，依照上述步骤执行与簇首节点的新一轮价格协商，如果协商成功，则节点b为标的；如果协商失败，节点b根据收敛函数(4)计算新的报价并发送给簇首节点。如此循环进行协商。

若到达最大协商时间LT时，还没有满足条件的报价出现，则根据效用函数(9)以及其他效用评估规则在接收到的所有报价中选取满意度最高的报价，发布接受报价通知，协商结束；在整个协商过程中，若有簇成员离开(即：中途退出协商)，也需返回S13.1。

对于“满意度最高的报价”的判定存在以下规则：一般情况下，多属性价格函数值越高，满意度越高；主属性a的满意度＞次属性b的满意度；价格函数值相同时，选择主属性满意度更高的报价。

本实施例中，假设簇成员节点a发布的任务分配通知中包括两个协商属性：负荷x和耗电量y，即：出价向量是(load，energy)；最大协商时间为LT；且负荷load的权值是0.8，耗电量energy的权值是0.2，即：w_load＝0.8，w_energy＝0.2。设任务分配方对于任务属性负荷load的期望值区间为：[100，200]，且其满意度随负荷值增大而递增；对于任务属性耗电量energy的期望区间为：[0，100]，且其满意度随耗电量减少而递减。即：

$v_{\mathrm{load}}^a=\frac{\mathrm{load}-100}{200-100}$

$v_{\mathrm{energy}}^a=\frac{100-\mathrm{energy}}{100-0}---\left(10\right)$

如果此时传感器节点a同时收到表2中所示四个报价，并且通过多属性函数计算获得这些报价的分别的效用值。

表2

(load，energy)

多属性价格函数值

Offer1	(180，30)	0.76
			Offer2	(188，12)	0.88
Offer 3	(190，20)	0.88
			Offer4	(195，45)	0.87

根据前述规则可知，尽管offer4的x属性满意度很高，但其属性y的评价值太低，导致其总效用值低于offer2和offer3；对于具有相同总效用值的offer2和offer3，由于offer3的属性x(主属性)的满意度较高，在本轮的4个offer中，选择的最优offer是offer3：(190，20)。

在根据上述步骤执行多次任务分配后，对簇成员节点的剩余电量进行统计分析，分析结果如表3所示：

表3

由表3中各成员剩余电量数据可知，即使经过多次的任务分配与执行，簇成员间节点的能量仍保持一定的平衡性。将一个簇结构内进行的任务分配的完整过程扩展到多个簇形成的层次结构下的复杂任务分配，其效果也是如此。在每次任务分配过程中，都尽量维持当前簇内的节点能量平衡，最终实现整个网络的节点能量平衡的目的。因此，本发明的任务分配方法可以应用到大型的簇结构的无线传感器网络中，实现快速有效的任务分配，并且能够维持节点间能量平衡，延长网络生存期。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：作为管理者的节点向剩余能量大于预置的能量阈值的节点发送任务邀请，并等待报价；

S2：收到任务邀请的节点作为参与节点，根据对所述任务的可完成度和自己的剩余能量给出初始报价；

S3：在最大协商时间之前，作为管理者的节点和参与节点之间根据基于时间t的鲍威尔收敛机制进行多轮价格让步协商，当协商双方的报价满足预置条件时，协商成功，将对应的参与节点作为标的；

S4：作为管理者的节点将任务分配给中标的节点，并向所有参与节点发送任务已分配通知。

2.如权利要求1所述的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，步骤S3中，所述预置条件包括：在时刻t’，

其中，

为时刻t由节点b发送给节点a的报价，

为时刻t’由节点a返回给节点b的回价；

为

的效用值，

为的效用值。

3.如权利要求2所述的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，步骤S3中，所述价格让步协商过程包括以下子步骤：

S301：收到新的报价的节点作为当前协商的决策者，发送所述报价的节点作为当前协商的协商方；

S302：当前协商的决策者判断当前时刻是否达到自己可接受的最大协商时间，若是，则拒绝协商，等待新的报价；若否，进入S303；

S303：当前协商的决策者通过鲍威尔收敛函数计算其针对所述报价的回价，并进一步判断所述报价的效用值是否大于或等于所述回价的效用值；若是，则协商成功，接受报价，将本次协商中的参与节点作为标的；若否，向协商方发送所述回价；

S304：收到所述回价的节点作为新一轮协商的决策者，发送所述回价的节点作为新一轮协商的协商方，返回步骤S302。

4.如权利要求3所述的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，步骤S3还包括，若到达最大协商时间时，没有出现满足协商结束条件的报价，选择报价效用值最高的节点作为标的。

5.如权利要求2或3或4所述的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，所述效用值通过多属性函数计算获得。

6.如权利要求5所述的基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配方法，其特征在于，当所述多属性价格函数的计算值相等时，通过主属性满意度判断效用值大小。

7.一种基于合同网的簇结构无线传感器网络任务分配装置，其特征在于，所述装置包括：

任务分配单元，向剩余能量大于预置的能量阈值的参与节点发送任务分配通知；

决策单元，用于根据基于时间t的鲍威尔收敛机制与参与节点进行多轮价格让步协商，接受满足协商结束条件的报价，并选择相应的参与节点为标的；

任务授权单元，将任务分配给中标的节点；

分配结束通知单元，用于向所有参与节点发送分配结果通知。

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