CN103678542A - 一种对阅读器动态并行集进行调度的策略 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种对大规模阅读器部署环境下的阅读器动态并行集实施调度的策略。其特征在于，该策略主要是对调度过程中调度任务的加入和退出重新安排调度队列，解决RFID系统中的连续调度问题。调度过程中的阅读器加入和退出都会引起当前阅读器并行集的变化。为了解决调度的持续性问题，需要生成新的阅读器并行集，方便调度策略对阅读器进行动态调度。针对不同情况下的阅读器并行集，提出了两种不同的调度策略，分别是先来先调度策略、抢占式优先级调度策略，实现了对阅读器的动态调度。

Description

一种对阅读器动态并行集进行调度的策略

技术领域

本发明涉及了一种对大规模阅读器部署环境下的阅读器动态并行集实施动态调度的策略。针对调度过程中的阅读器调度任务的加入和退出，提出了一种重新生成阅读器并行集的方法。针对不同情况下的阅读器并行集，提出了两种不同的调度策略，分别是先来先调度策略和抢占式优先级调度策略，实现了对阅读器的动态调度。

背景技术

无线射频识别技术（RFID:Radio Frequency Identification）是一种基于无线射频信号进行通信的技术，属于非接触式自动识别技术范畴。与已经广泛使用的条形码技术相比，RFID技术具有存储信息量大、一读多响应、较远的读写距离、可重复进行多次读写、读写速度快等特性，且可以实现物品的定位和轨迹追踪。系统中的数据存储介质RFID标签，具有成本低、体积小、信息存储量大、可多次重复读写、生命周期长等特点。如今，在门禁、超市、物流、汽车、公交等领域，已经随处可见RFID的身影，随着信息技术的发展，RFID技术必将得到更加广泛的应用。

RFID在应用领域，最初的出现目的是为了替代条形码。条形码由于其自身的缺陷，存在着不可写、访问距离短、信息量小、速度慢等问题。RFID与条形码相比，有着信息量大、访问距离远、可多次读写、访问速度快等优势，且随着技术的发展，RFID的存在不仅仅是代替条形码，它极有可能催生一场新的信息革命，颠覆人们传统的生活方式。

虽然现在RFID技术的应用已经比较广泛，但是大规模RFID系统的应用和管理，仍然面临着一些重大的难题。在多阅读器部署环境下，由于阅读器的覆盖区域不规则，要让阅读器的射频信号完全覆盖某个特定部署的区域，阅读器之间覆盖区域的重叠将不可避免。RFID阅读器和标签之间通过射频信号进行通信，当两个阅读器的覆盖区域有重叠时，将产生阅读器信号冲突（也叫阅读器碰撞），导致数据的丢失和错误。而在RFID应用系统中，数据的丢失和错误是不可接受的。如图1所示，矩形区域S为待覆盖区域，椭圆形的圈是阅读器的覆盖模型。要完全覆盖S区域，按照面积计算，大概需要6个阅读器模型（矩形区域面积除以阅读器覆盖区域模型面积的近似值）。但是由于阅读器覆盖模型不规则，在图中使用了10个阅读器才实现覆盖区域的圈覆盖，且阅读器之间的冲突无法避免。

在实际的物品监管系统，由于阅读器冲突产生的数据丢失和错误是不可容忍的，这可能导致系统错误的报警，造成管理的混乱。解决阅读器冲突，一般有两种方法：基于载波监听信号处理的防碰撞和基于阅读器调度的防碰撞。基于信号处理的防碰撞采用载波监听解决冲突，但在实现上是困难的，且实际应用中，阅读器已经采购，成批替换阅读器硬件的代价非常高昂。基于阅读器管理方式的防碰撞理论上有两种处理方式，第一种是通过阅读器功率的调节，改变阅读器天线的覆盖区域大小来防止阅读器之间的碰撞，这种防碰撞系统效率极低，且防碰撞效果的可预知性较差，因为天线覆盖模型不确定，为了防止碰撞，每次功率调节的度量不好控制。在本文中，采用的是基于阅读器调度的方式来解决阅读器碰撞问题。基于调度的防碰撞，不需要硬件的更换，且有较好的可控性和预知性，在设备已经固定的监管系统中，有较大的使用价值。

研究大规模RFID阅读器管理技术，可以有效的推进RFID技术的发展，并为大规模RFID系统的应用提供支持，如以下几点所述：

（1）提高系统运行性能，减少阅读器冲突产生的能耗。在RFID系统中，阅读器的冲突不仅会导致数据的丢失，而且会产生很大的能耗，通过阅读器调度的研究，可以提高系统的性能且大大降低系统能耗。

（2）防止阅读器冲突导致的数据丢失，提高系统的准确度。通过RFID阅读器调度的研究，在冲突不可避免的前提下，尽量减少相邻阅读器之间的冲突，防止因冲突导致的数据丢失和错误。提高系统数据处理的正确度。

（3）为其他RFID应用系统提供决策支持。根据不同的应用场景，提出多种阅读器调度策略，其他的RFID系统依然可以参考这样的调度策略思路来解决阅读器管理。DPSSA算法为一个较好的动态调度算法，可以为其他的非RFID系统提供借鉴意义。

在RFID应用系统中，阅读器的调度通常是持续性任务，会在执行的过程中不断有新的调度任务加入或者退出。当在执行的过程中有任务的变化时，需要综合考虑当前正在执行的任务和新加入（或者退出）的任务，重新安排调度序列。为了避免在调度过程中优先级比较低的阅读器长期得不到调度的机会，需要考虑动态调整调度任务中阅读器的优先级。

阅读器动态调度策略的研究主要是解决持续调度问题，比如在物品监管系统中，一般的，当系统启动监管的那一刻，所有的阅读器都开始运行起来，并在运行的过程中用到调度策略，但调度任务并非一成不变，比如在系统运行的过程中，某个时刻需要关闭某个阅读器的监控，系统不再需要它的信息，此时，对调度算法而言，是有任务退出了调度序列。同样的，在运行过程中，需要添加一个阅读器的监管，对调度算法而言，是有新的任务加入到调查队列中。动态并行集调度的目的是解决RFID系统中连续调度问题。

在大规模RFID应用系统中，涉及到的阅读器个数可能上千，采用同一台PC管理这么多的阅读器是不现实的。因此大规模RFID阅读器的管理一般都需要采用分布式系统管理，因此分布式阅读器调度是需要解决的问题。

发明内容

本发明提出了一种对阅读器动态并行集进行调度的方法，通过试验测试，有效地解决了调度过程中的阅读器的加入和退出引起的阅读器的持续调度问题。

用一个队列来存放当前准备执行的任务，称为RFID就绪队列。一般的，就绪队列中存放的是已经准备好、等待调度的任务，且按照优先级排好序，系统每次从就绪队列中取出最靠前的任务执行调度。当新的调度任务出现或退出时，我们需要更新阅读器并行集，生成阅读器动态并行集。

当新的阅读器处理调度任务出现时，采用“全冲突方式”和“更新冲突方式”分别处理阅读器的“单元加入方式”和“再计算加入方式”，生成新的阅读器调度并行集。当某些在并行集中的阅读器在调度的过程中需要退出调度序列时，采用“直接去除法”或者“再网络去除法”对当前阅读器拓扑结构网络进行更新，生成新的阅读器调度并行集，保证阅读器任务的持续调度。

针对不同情况下的阅读器动态调度问题，采用不同的调度策略进行调度。针对不考虑优先级大小的阅读器动态并行集，采用先来先调度的策略，对于先到达的调度任务进行先调度；针对考虑优先级大小的阅读器动态并行集，采用抢占式优先级调度的策略，对于优先级高的调度任务进行先调度，长时间得不到调度的任务优先级会随等待时间的增加而增加，从而得到调度。

附图说明

图1多阅读器环境下的部署情况；

图2单元加入方式。

图3再计算加入方式。

图4全冲突方式。

图5更新冲突方式。

图6直接去除法。

图7再网络去除法。

图8动态并行集生成算法。

图9先来先服务调度算法。

图10抢占式优先级调度算法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

阅读器单元加入方式：将每个新加入的阅读器看成一个独立的并行集，并行集的优先级权值等于阅读器的权值，如图2所示。

阅读器再计算加入方式：将就绪队列中剩余未处理的阅读器和新加入的阅读器组织在一起，根据阅读器之间的冲突关系，重新构建RFID网络拓扑图，调用并行集算法，给出新的调度集合，如图3所示。

全冲突方式生成并行集：认为新加入的阅读器与就绪队列都冲突，则新加入的阅读器不能与之前的阅读器处于同一个并行集合中，生成的新的冲突矩阵，根据并行集算法生成新的并行集，如图4所示。

更新冲突方式生成并行集：根据实际的阅读器网络拓扑结构来更新加入新的阅读器之后的冲突矩阵，根据并行集算法生成新的并行集，如图5所示。

直接去除方式生成并行集：直接从阅读器所在的并行集中删除退出调度的阅读器，然后对现存的并行集按照优先级权值进行排序，重新生成阅读器并行集，如图6所示。

再网络去除方式生成并行集：从阅读器拓扑结构中删除此阅读器并更新阅读器网络，形成新的调度集合和顺序，如图7所示。

阅读器动态并行集生成算法过程如图8所示，算法具体实现如下：

1.对就绪队列进行正常调度；

2.新的调度任务到达时，判断是阅读器加入还是退出，加入转到步骤3，退出转到步骤4；

3.阅读器加入调度，根据阅读器的加入方式采取相应的并行集生成方式生成新的阅读器动态并行集；

4.阅读器退出调度，采取直接去除方式或者再网络去除方式中的一种生成新的阅读器动态并行集；

5.按照新生成的并行集进行阅读器调度。

下面介绍不同情况下的阅读器动态并行集调度算法。

先来先服务（First Come First Service，FCFS）并行集调度，是指新的调度任务到来时，不考虑优先级情况，直接放在就绪队列的末尾。这样，先到来的调度任务在就绪队列的前面，将优先得到执行的机会，后到的任务后执行。若在同一时刻，需要添加多个阅读器的调度任务，此时得分两种情况：第一种是新加入的阅读器之间两两没有冲突；第二种是阅读器之间存在冲突。当阅读器之间没有冲突时，把新加入的多个阅读器组成一个并行集合，加入到就绪队列的末尾。当新加入的阅读器之间存在冲突时，按照“单元加入方式”和“再计算加入方式”两种情况处理。

FCFS并行集调度算法过程如图9所示，算法具体实现如下：

1.将现有的并行集加入到就绪队列中；

2.判断就绪队列是够为空，是转到步骤7，否转到步骤3；

3.执行就绪队列队头的任务，并将它从队列中移除；

4.判断是否有新的调度任务到来，是转到步骤5，否转到步骤3；

5.判断新加入的阅读之间是否有冲突，是转到步骤6，否转到步骤7；

6.新加入阅读器之间冲突，采用全冲突方式或更新冲突方式生成新的并行集，转到步骤3；

7.将新加入的阅读器组成一个并行集，加入到队列的末端，转到步骤3；

8.调度完成。

基于优先级的抢占式调度算法（priority-based snatch Scheduling Algorithm,PBSSA）,每执行一次调度任务后若有新的调度任务产生，都做一次判断，给新加入的任务找到在就绪队列中应该插入的位置（就绪队列中的并行集合按照优先级从高到低排列放置）。若新加入的任务优先级权值大于即将调度的任务权值，则将新加入的任务作为即将调度的任务。每个并行集要求执行的时间都是阅读器完成一次读写数据的时间，因此任务的执行时间是固定的，且阅读器读写数据的操作是不可中断的，所以在RFID系统的阅读器调度中，任务的执行是原子操作。在RFID阅读器调度中，每次执行一个任务的调度时，都会准备好下一次调度的并行集合，当有新的任务到来且优先级大于最大优先级时，新的任务会抢占具有最大优先级任务的调度权，让自己成为下一个被调度的任务，将之前的任务集合退回到就绪队列中。

PBBSSA并行集调度算法过程如图10所示，算法具体实现如下：

1.将现有的并行集加入到就绪队列中；

2.判断就绪队列是够为空，是转到步骤8，否转到步骤3；

3.执行就绪队列队头的任务，并将它从队列中移除，转到步骤4；

4.增加就绪队列中其他任务的优先权，转到步骤5；

5.判断是否有新的调度任务到来，是转到步骤5，否转到步骤2；

6.判断新的调度任务的优先权是否大于就绪队列中的最大优先权，转到步骤7；

7.重新排序继续队列，转到步骤2；

8.完成调度。

Claims (6)

1.一种对阅读器动态并行集进行调度的策略，其特征在于：

阅读器动态并行集是指在出现新的阅读器调度任务时将当前的并行集与新加入的阅读器调度任务重新组织生成的并行集，或者是指对删除某个阅读器调度任务后的并行集重新组织生成的并行集；

该策略实现了不同情况下的阅读器动态并行集的调度。

2.如权利要求1所述的阅读器动态并行集，该动态并行集是调度过程中对新加入的调度任务进行重新组织所生成的阅读器并行集。当新的阅读器处理调度任务出现时，采用“全冲突方式”和“更新冲突方式”分别处理阅读器的“单元加入方式”和“再计算加入方式”，生成新的阅读器调度并行集。

3.如权利要求1所述的阅读器动态并行集，该动态并行集是调度过程中删除某个调度任务后重新组织所生成的并行集。当某些在并行集中的阅读器在调度的过程中需要退出调度序列时，采用“直接去除法”或者“再网络去除法”对当前阅读器拓扑结构网络进行更新，生成新的阅读器调度并行集，保证阅读器任务的持续调度。

4.如权利要求1所述的阅读器动态并行集调度策略，该策略包含了两种情况下的调度策略。首先是对不考虑优先级的阅读器动态并行集进行调度，采用的是先来先调度的方式；其次是对考虑优先级的阅读器动态并行集进行调度，采用的是抢占式优先级调度方式。

5.如权利要求1、2所述的阅读器动态并行集，当新的阅读器处理调度任务出现时，需要对就绪队列进行处理，有两种处理方式：第一种是把新加入的多个阅读器以一个阅读器为单位，构成多个并行集合，根据优先级大小加入到就绪队列中，称之为单元加入方式；另一种方式把新加入的阅读器与之前已经在就绪队列中的阅读器一起组织成新的RFID网络，重新计算并行集并放入到就绪队列中，称之为再计算加入方式。针对阅读器就绪队列的“单元加入方式”和“再计算加入方式”，分别采用“全冲突方式”和“更新冲突方式”生成冲突矩阵。“全冲突方式”是指新加入的阅读器与之前的阅读器都冲突，且冲突的权值极大。“更新冲突方式”是根据实际的阅读器网络拓扑结构来更新冲突矩阵，冲突的权值大小根据冲突的面积大小来确定冲突的权值。最后，通过冲突矩阵重新计算整个阅读器网络的并行集。

6.如权利要求1、3所述的阅读器动态并行集，当前就绪队列中的阅读器在调度的过程中需要退出调度序列，需要对当前阅读器拓扑结构网络进行更新。并行集有两种更新方式：一种是“直接去除法”，另一种是“再网络去除法”。“直接去除法”只需要从并行集中删除要退出的阅读器即可，然后对现存的并行集按照优先级权值进行排序，重新进行调度。“再网络去除法”中，删除要退出调度的阅读器后，重新根据当前的阅读器拓扑网络构建并行集。

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