CN102655685A - 用于无线传感器网络的任务容错分配方法 - Google Patents

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CN102655685A CN2012101696891A CN201210169689A CN102655685A CN 102655685 A CN102655685 A CN 102655685A CN 2012101696891 A CN2012101696891 A CN 2012101696891A CN 201210169689 A CN201210169689 A CN 201210169689A CN 102655685 A CN102655685 A CN 102655685A
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Abstract

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。

Description

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：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m*n个元素，m表示当前有m个并行任务需要分配，任务的编号从1到m，n表示一局部区域有n个节点供选择，节点的编号从1到n；每个元素的取值为0或1，如果元素x ij 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x ij 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Fitness如下：
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE014
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE022
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE024
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE026
其中，α、β、δ、θ为不同指标的权重系数，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE028
表示网络中第i个节点，对任一任务
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE030
都存在两个版本：主版本
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE032
与副版本，并用
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE036
表示任务
Figure 703579DEST_PATH_IMAGE030
的到达时间，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE038
表示任务的截止期时间， 
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE040
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE042
分别表示任务的主版本与副版本的完成时间，任务
Figure 421765DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 360771DEST_PATH_IMAGE034
分配到的节点分别记为
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE046
；时间矩阵
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE048
及能量矩阵
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE050
表示任务
Figure 809332DEST_PATH_IMAGE030
在节点上的执行时间与执行能耗；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE056
分别表示任务
Figure 200999DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 861935DEST_PATH_IMAGE034
在节点
Figure 530814DEST_PATH_IMAGE052
上的最早与最迟的开始时间；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE058
表示当
Figure 648811DEST_PATH_IMAGE032
完成时，距离任务
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE060
的截止期的时间裕度，该值说明了当前允许留给对应任务副版本
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE062
执行的最多剩余时间；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE064
为1表示在
Figure 890885DEST_PATH_IMAGE062
对应的任务主版本完成后，没有足够的时间裕度允许
Figure 40369DEST_PATH_IMAGE062
在其对应任务主版本完成后才开始执行，网络需要容错则任务副版本
Figure 594847DEST_PATH_IMAGE062
无法采用被动执行模式，必须采用主动执行模式，
Figure 462571DEST_PATH_IMAGE064
为0表示任务副版本
Figure 737695DEST_PATH_IMAGE062
有足够的执行时间裕度，故其采用被动执行模式；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE068
表示m个任务的总执行时间，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE070
表示m个任务的总能耗，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE072
若为1表示
Figure 256532DEST_PATH_IMAGE034
采用主动模式，若为0则表示
Figure 591698DEST_PATH_IMAGE034
采用被动模式，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE074
与分别表示错失任务截止期的任务主版本及副版本数目，表示任务调度的失败率， 
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE080
为节点
Figure 946719DEST_PATH_IMAGE028
的当前负载，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE082
表示网络中n个节点的平均负载，表示网络负载，表示网络可靠性开销，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE088
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE090
分别表示m个任务的主版本与副版本的可靠性开销，为节点的失效概率。
本发明的有益效果是将无线传感器网络中的任务分配方法和传统实时系统下的容错任务调度方法有效地结合在一起以对任务进行容错分配，同时引入了联盟并行生成的思想，采用粒子群优化方法并行生成动态联盟，进而对整体做出有效的调度，通过二者的结合可以保证网络的可靠性，并能够很好地根据网络节点的动态自适应地响应实时任务的需求，具有较好的自适应能力及实时性，能够有效地减少网络能耗，延长了网络的生命周期，优化了网络资源。
附图说明
图1是本发明的任务容错分配方法的流程图。
具体实施方式
本发明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：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m*n个元素，m表示当前有m个并行任务需要分配，任务的编号从1到m，n表示一局部区域有n个节点供选择，节点的编号从1到n；每个元素的取值为0或1，如果元素x ij 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x ij 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Fitness如下：
Figure 274243DEST_PATH_IMAGE002
Figure 45890DEST_PATH_IMAGE004
Figure 121162DEST_PATH_IMAGE006
Figure 3667DEST_PATH_IMAGE008
Figure 356151DEST_PATH_IMAGE010
Figure 298699DEST_PATH_IMAGE012
Figure 362733DEST_PATH_IMAGE014
Figure 783350DEST_PATH_IMAGE016
Figure 255919DEST_PATH_IMAGE018
Figure 494003DEST_PATH_IMAGE020
Figure 419233DEST_PATH_IMAGE022
Figure 643541DEST_PATH_IMAGE024
其中，α、β、δ、θ为不同指标的权重系数，
Figure 740121DEST_PATH_IMAGE028
表示网络中第i个节点，对任一任务
Figure 152648DEST_PATH_IMAGE030
都存在两个版本：主版本
Figure 180647DEST_PATH_IMAGE032
与副版本
Figure 988328DEST_PATH_IMAGE034
，并用表示任务
Figure 77824DEST_PATH_IMAGE030
的到达时间，
Figure 768569DEST_PATH_IMAGE038
表示任务
Figure 70237DEST_PATH_IMAGE030
的截止期时间， 与
Figure 444029DEST_PATH_IMAGE042
分别表示任务
Figure 813830DEST_PATH_IMAGE030
的主版本与副版本的完成时间，任务
Figure 829060DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 626114DEST_PATH_IMAGE034
分配到的节点分别记为
Figure 861049DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 159175DEST_PATH_IMAGE046
；时间矩阵及能量矩阵
Figure 763911DEST_PATH_IMAGE050
表示任务
Figure 860043DEST_PATH_IMAGE030
在节点
Figure 696281DEST_PATH_IMAGE052
上的执行时间与执行能耗；
Figure 561469DEST_PATH_IMAGE054
与
Figure 326424DEST_PATH_IMAGE056
分别表示任务
Figure 34486DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 284202DEST_PATH_IMAGE034
在节点
Figure 269476DEST_PATH_IMAGE052
上的最早与最迟的开始时间；表示当
Figure 26789DEST_PATH_IMAGE032
完成时，距离任务
Figure 80196DEST_PATH_IMAGE060
的截止期的时间裕度，该值说明了当前允许留给对应任务副版本
Figure 400636DEST_PATH_IMAGE062
执行的最多剩余时间；
Figure 817711DEST_PATH_IMAGE064
为1表示在
Figure 277470DEST_PATH_IMAGE062
对应的任务主版本完成后，没有足够的时间裕度允许
Figure 971756DEST_PATH_IMAGE062
在其对应任务主版本
Figure 747951DEST_PATH_IMAGE066
完成后才开始执行，网络需要容错则任务副版本无法采用被动执行模式，必须采用主动执行模式，
Figure 814575DEST_PATH_IMAGE064
为0表示任务副版本
Figure 488002DEST_PATH_IMAGE062
有足够的执行时间裕度，故其采用被动执行模式；
Figure 202143DEST_PATH_IMAGE068
表示m个任务的总执行时间，
Figure 469176DEST_PATH_IMAGE070
表示m个任务的总能耗，
Figure 668076DEST_PATH_IMAGE072
若为1表示采用主动模式，若为0则表示采用被动模式，
Figure 713676DEST_PATH_IMAGE074
与
Figure 450688DEST_PATH_IMAGE076
分别表示错失任务截止期的任务主版本及副版本数目，表示任务调度的失败率， 为节点
Figure 6063DEST_PATH_IMAGE028
的当前负载，
Figure 546765DEST_PATH_IMAGE082
表示网络中n个节点的平均负载，表示网络负载，表示网络可靠性开销，
Figure 378958DEST_PATH_IMAGE088
与
Figure 457772DEST_PATH_IMAGE090
分别表示m个任务的主版本与副版本的可靠性开销，
Figure 955750DEST_PATH_IMAGE092
为节点
Figure 461818DEST_PATH_IMAGE028
的失效概率。
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[0,],[
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE096
,],[
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE100
,
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE102
],…,[
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE104
,
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE106
]，其中，表示节点任务队列下的第i个任务的开始时间，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE110
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
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE112
，找到第一个符合条件
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE114
的空闲时间槽[
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE116
,
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE118
]，则任务
Figure 179500DEST_PATH_IMAGE032
在节点
Figure 62006DEST_PATH_IMAGE028
上的最早开始时间est j,i 记为：
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE120
。
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3.2.1：针对一个承担任务
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE122
的成员节点
Figure 40588DEST_PATH_IMAGE028
，初始化时间槽
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE124
，记
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE126
的开始时间为，结束时间为
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE130
；
步骤3.2.2：扫描
Figure 733869DEST_PATH_IMAGE028
的任务队列，
Figure 171803DEST_PATH_IMAGE126
处于任务队列的空闲时间槽，则记
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE132
并转步骤3.2.3，否则表示
Figure 592420DEST_PATH_IMAGE126
与队列中已有的任务发生重叠，选中发生重叠的任务，记为
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE134
；若任务为被动执行模式的任务副版本，则记
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE136
并转步骤3.2.3；若任务
Figure 37494DEST_PATH_IMAGE134
为主动执行模式的任务副版本，且重叠发生在
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE138
部分，则也记
Figure 588823DEST_PATH_IMAGE132
并转步骤3.2.3，否则更新
Figure 813131DEST_PATH_IMAGE126
，令
Figure 140207DEST_PATH_IMAGE130
为
Figure 549192DEST_PATH_IMAGE134
的开始执行时间，；如果
Figure 961719DEST_PATH_IMAGE130
小于0，记，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。
任务主版本的分配方法具体如下：
步骤3.3.1：选中尚未被分配且具有最早截止期的任务
Figure 350237DEST_PATH_IMAGE122
，针对联盟内的成员节点，计算该任务在节点
Figure 531820DEST_PATH_IMAGE028
上的
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE144
与之和，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
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE148
计算节点的效能值
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE150
，否则记效能值
Figure 111706DEST_PATH_IMAGE150
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
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE152
，能耗及节点失效率
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE156
映射到区间[0, 0.5]，具体计算公式如下所示：
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE158
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE160
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE162
其中，wt1、wt2、wt3表示效能值函数下的各性能指标的权重系数，本发明的容错任务分配方法考虑到了各种任务的抽象，这些权重系数可根据不同的应用需求而进行调整；与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE166
分别表示当前联盟内节点具有的最重负载值及最轻负载值，越小表示节点的负载越轻；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE170
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE172
分别表示处理第i个任务当前联盟内节点需要消耗的最大能耗与最小能耗，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE174
越小表示节点处理任务的能耗越低；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE176
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE178
分别表示当前联盟内节点的最大失效率及最小失效率，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE180
越小代表节点失效概率；
步骤3.3.2：汇聚节点在联盟内挑选具有最小效能值的成员节点，将任务映射到该成员节点待执行；
步骤3.3.3：汇聚节点更新该节点对应的
Figure 102541DEST_PATH_IMAGE150
，
Figure 764729DEST_PATH_IMAGE168
值。
任务副版本的分配方法具体如下：
步骤3.4.1：选中尚未非被分配且具有最早截止期的任务
Figure 390883DEST_PATH_IMAGE122
，针对联盟内的成员节点，计算该任务在节点
Figure 902635DEST_PATH_IMAGE028
上的
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE182
与
Figure 632956DEST_PATH_IMAGE146
之和，其中，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE184
，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
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE186
计算节点的效能值
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE188
，否则记
Figure 913765DEST_PATH_IMAGE188
为无穷大，直至联盟内所有节点判断完毕；其中，
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE190
的具体计算公式如下：
  
其中，wt1、wt2、wt3表示效能值函数下的各性能指标的权重系数，本发明的容错任务分配方法考虑到了各种任务的抽象，这些权重系数参数可根据不同的应用需求而进行调整；
Figure 87651DEST_PATH_IMAGE188
值越小表示节点的综合性能越好；
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE194
及
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE196
分别表示当前联盟内的节点执行真实所需的最小及最大能耗，计算方法为：
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE198
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE200
，其中的
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE202
与
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE204
为具有真实最小及最大能耗的节点编号；
步骤3.4.2：汇聚节点在联盟内挑选具有最小效能值
Figure 496078DEST_PATH_IMAGE150
的成员节点，将任务映射到该成员节点待执行；
步骤3.4.3：汇聚节点更新该节点对应的
Figure 2012101696891100002DEST_PATH_IMAGE206
，
Figure 506759DEST_PATH_IMAGE168
值；若存在节点未考虑，转步骤3.4.1，否则结束。 
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 

Claims (6)

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：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1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m*n个元素，m表示当前有m个并行任务需要分配，任务的编号从1到m，n表示一局部区域有n个节点供选择，节点的编号从1到n；每个元素的取值为0或1，如果元素x ij 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x ij 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Fitness如下：
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE014
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE018
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE020
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE022
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE024
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE026
其中，α、β、δ、θ为不同指标的权重系数，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE028
表示网络中第i个节点，对任一任务
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE030
都存在两个版本：主版本与副版本
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE034
，并用
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE036
表示任务的到达时间，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE038
表示任务
Figure 218345DEST_PATH_IMAGE030
的截止期时间， 
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE040
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE042
分别表示任务
Figure 122716DEST_PATH_IMAGE030
的主版本与副版本的完成时间，任务
Figure 517926DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 332298DEST_PATH_IMAGE034
分配到的节点分别记为
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE046
；时间矩阵
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE048
及能量矩阵
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE050
表示任务
Figure 780859DEST_PATH_IMAGE030
在节点
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE052
上的执行时间与执行能耗；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE054
与分别表示任务
Figure 172526DEST_PATH_IMAGE032
与
Figure 371426DEST_PATH_IMAGE034
在节点
Figure 666403DEST_PATH_IMAGE052
上的最早与最迟的开始时间；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE058
表示当
Figure 784401DEST_PATH_IMAGE032
完成时，距离任务
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE060
的截止期
Figure 164829DEST_PATH_IMAGE038
的时间裕度，该值说明了当前允许留给对应任务副版本
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE062
执行的最多剩余时间；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE064
为1表示在
Figure 26475DEST_PATH_IMAGE062
对应的任务主版本完成后，没有足够的时间裕度允许
Figure 549860DEST_PATH_IMAGE062
在其对应任务主版本
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE066
完成后才开始执行，网络需要容错则任务副版本无法采用被动执行模式，必须采用主动执行模式，
Figure 847428DEST_PATH_IMAGE064
为0表示任务副版本
Figure 122552DEST_PATH_IMAGE062
有足够的执行时间裕度，故其采用被动执行模式；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE068
表示m个任务的总执行时间，表示m个任务的总能耗，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE072
若为1表示
Figure 890657DEST_PATH_IMAGE034
采用主动模式，若为0则表示采用被动模式，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE074
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE076
分别表示错失任务截止期的任务主版本及副版本数目，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE078
表示任务调度的失败率， 为节点
Figure 580843DEST_PATH_IMAGE028
的当前负载，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE082
表示网络中n个节点的平均负载，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE084
表示网络负载，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE086
表示网络可靠性开销，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE088
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE090
分别表示m个任务的主版本与副版本的可靠性开销，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE092
为节点的失效概率。
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[0,
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE094
],[
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE096
,
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE098
],[
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE100
,],…,[
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE104
,
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE106
]，其中，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE108
表示节点任务队列下的第i个任务的开始时间，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE110
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
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE112
，找到第一个符合条件
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE114
的空闲时间槽[
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE116
,
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE118
]，则任务在节点
Figure 181479DEST_PATH_IMAGE028
上的最早开始时间est j,i 记为：
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE120
。
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3.2.1：针对一个承担任务
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE122
的成员节点
Figure 906288DEST_PATH_IMAGE028
，初始化时间槽
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE124
，记
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE126
的开始时间为
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE128
，结束时间为；
步骤3.2.2：扫描
Figure 290258DEST_PATH_IMAGE028
的任务队列，
Figure 767376DEST_PATH_IMAGE126
处于任务队列的空闲时间槽，则记
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE132
并转步骤3.2.3，否则表示与队列中已有的任务发生重叠，选中发生重叠的任务，记为
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE134
；若任务为被动执行模式的任务副版本，则记
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE136
并转步骤3.2.3；若任务
Figure 446771DEST_PATH_IMAGE134
为主动执行模式的任务副版本，且重叠发生在
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE138
部分，则也记
Figure 43975DEST_PATH_IMAGE132
并转步骤3.2.3，否则更新
Figure 783523DEST_PATH_IMAGE126
，令
Figure 833387DEST_PATH_IMAGE130
为
Figure 57695DEST_PATH_IMAGE134
的开始执行时间，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE140
；如果
Figure 496023DEST_PATH_IMAGE130
小于0，记，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3.3.1：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
Figure 68267DEST_PATH_IMAGE028
上的与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE146
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
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE148
计算节点的效能值
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE150
，否则记效能值
Figure 846998DEST_PATH_IMAGE150
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
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE152
，能耗及节点失效率
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE156
映射到区间[0, 0.5]，具体计算公式如下所示：
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE158
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE160
其中，wt1、wt2、wt3表示效能值函数下的各性能指标的权重系数；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE164
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE166
分别表示当前联盟内节点具有的最重负载值及最轻负载值，越小表示节点的负载越轻；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE170
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE172
分别表示处理第i个任务当前联盟内节点需要消耗的最大能耗与最小能耗，
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE174
越小表示节点处理任务的能耗越低；
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE176
与
Figure 2012101696891100001DEST_PATH_IMAGE178
分别表示当前联盟内节点的最大失效率及最小失效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE180
越小代表节点失效概率；
步骤3.3.2：汇聚节点在联盟内挑选具有最小效能值
Figure 906877DEST_PATH_IMAGE150
的成员节点，将任务映射到该成员节点待执行；
步骤3.3.3：汇聚节点更新该节点对应的
Figure 221184DEST_PATH_IMAGE150
，值。
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3.4.1：选中尚未非被分配且具有最早截止期的任务
Figure 687117DEST_PATH_IMAGE122
，针对联盟内的成员节点，计算该任务在节点
Figure 591447DEST_PATH_IMAGE028
上的与
Figure 702753DEST_PATH_IMAGE146
之和，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE184
，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
Figure DEST_PATH_IMAGE186
计算节点的效能值，否则记
Figure 840605DEST_PATH_IMAGE188
为无穷大，直至联盟内所有节点判断完毕；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE190
的具体计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE192
  
其中，wt1、wt2、wt3表示效能值函数下的各性能指标的权重系数；值越小表示节点的综合性能越好；
Figure DEST_PATH_IMAGE194
及
Figure DEST_PATH_IMAGE196
分别表示当前联盟内的节点执行
Figure 976368DEST_PATH_IMAGE122
真实所需的最小及最大能耗，计算方法为：
Figure DEST_PATH_IMAGE198
与
Figure DEST_PATH_IMAGE200
，其中的
Figure DEST_PATH_IMAGE202
与
Figure DEST_PATH_IMAGE204
为具有真实最小及最大能耗的节点编号；
步骤3.4.2：汇聚节点在联盟内挑选具有最小效能值的成员节点，将任务映射到该成员节点待执行；
步骤3.4.3：汇聚节点更新该节点对应的，
Figure 132991DEST_PATH_IMAGE168
值；若存在节点未考虑，转步骤3.4.1，否则结束。
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