CN104320484A - 一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，包括：1.簇头节点接收到一组待完成任务集，对簇内节点划分等级，对子任务进行分配，通过提供给簇内节点积分奖励换取簇内节点的服务，完成任务集中的任务。2.簇内节点执行簇头节点分配的任务，如果成功完成任务，获取奖励积分，如果未成功完成任务，扣除惩罚积分。3.如果簇内节点发现自己为不稳定节点，但还有未完成的任务，需通过积分兑换将任务迁移到簇内其他节点上。4.如果簇内节点死亡，簇头节点即时发现，并将死亡节点上的任务重新分配到簇内其他节点上。通过该方法，可以在节点不稳定或死亡的情况下，保证任务在期限内完成，提高任务处理效率，延长网络寿命。

Description

一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法

技术领域

本发明属于无线多媒体传感器网络领域，具体地本发明涉及一一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，将积分激励机制引入无线传感器网络中的任务分配问题，并解决了由于节点失效而发生的任务迁移问题，可提高任务处理效率，平衡网络负载，延长网络寿命。

背景技术

随着无线传感器网络应用实时性要求越来越高，节点上分配的任务在时间期限内成功完成是保证整个应用实时性的重要条件。但在无线传感器网络环境中，无线节点很容易因为能量耗竭或受到恶意节点的攻击而失效，所以当一个正在执行任务的节点即将失效时，或是已经死亡时，如何找到一种能够快速、低耗又成功率高的任务迁移方法，将失效节点上的任务迁移到其他节点上去是非常必要的，这可以在个别节点失效的情况下，保证任务的顺利执行。

相关研究文献如下：

2005年，Y.Tian等人在《Energy-Constrained Task Mapping and Schedulingin Wireless Sensor Networks》提出了一种基于能耗限制的任务映射及调度算法EcoMaps，该算法分为两个阶段，第一阶段是簇头将任务映射到簇内节点上，使得在能耗限制的条件下调度长度最小；第二阶段是节点故障后快速恢复阶段，在节点发生故障的情况下，使用快速恢复方法，将故障节点上的任务合并到其它最空闲的节点上，避免了重新调度，减少了能耗。然而该算法没有考虑到任务的时间限制，任务超时的概率较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：将积分激励制引入任务分配，当网络中有节点失效或者死亡后，可以快速将该节点上的任务迁移到其他合适的节点上，保证任务在时间期间内完成。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的具体步骤如下：

步骤一、无线传感器网络由多个簇组成，每个簇由簇头和簇内节点组成，簇头用CHead表示，簇内节点用V_j表示，簇头与簇内节点、簇内节点之间均采用单跳方式进行通信；

簇头接收到一组待完成任务集，任务集中有多个相互独立的子任务，由T＝{T₁,T₂,K,T_n}表示，每个子任务都有时间期限deadline；簇头对簇内节点划分等级，对子任务进行分配，通过提供给簇内节点奖励积分换取簇内节点的服务，使每个子任务分配到最合适的节点上；簇头进行任务分配时优先挑选高级节点，保证任务的完成质量，在高级节点中选择节点任务奖励积分最小的节点执行任务，保证能量消耗低；

步骤二、簇内节点执行簇头分配的任务，根据节点积分汇率和完成任务能耗，获取相应积分；所述积分汇率用表示，是节点消耗单位能量所应获积分，体现了节点完成任务的性价比；所述积分是用来衡量节点完成任务的历史表现，可以增加节点执行任务的参与度，用积分对节点完成任务的表现进行量化考核，并进行记录，分为奖励积分和惩罚积分，所述奖励积分用表示，惩罚积分用表示，如果成功完成任务，可获得相应的奖励积分，如果未成功完成任务，会被扣除相应的惩罚积分，所述奖励积分是指节点成功完成任务后可获得相应的积分，所述惩罚积分是指节点未成功完成任务，扣除相应的积分，节点通过完成任务累积起来的积分总和称为总积分，用表示，总积分决定了节点的等级；

步骤三、如果簇内节点发现自己发生故障或是受到其他恶意节点攻击，即认为是不稳定节点，不稳定节点上如果有有未完成的任务，需通过兑换积分的方式将任务迁移到簇内其他节点上；

步骤四、如果簇内节点死亡，簇头节点即时发现，并将死亡节点上的任务重新分配到簇内其他节点上。

上述步骤二中簇内节点执行任务、获取积分的具体过程如下：

(2a)节点V_j在任务期限deadline内完成任务T_i，认为是节点V_j成功完成任务T_i，节点V_j自动获取个奖励积分，并更新节点V_j的总积分和积分汇率，连同任务结果一起返回给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表；

(2b)节点V_j未能在任务期限deadline内完成任务T_i，认为节点V_j未能成功完成任务T_i，节点V_j自动在原有总积分中扣除个惩罚积分，节点V_j更新总积分和积分汇率，通过定期报告传送给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率。在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头节点重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表。

上述步骤二中积分具体的计算过程如下：

(3a)计算节点积分汇率表示节点V_j每消耗一焦耳的能量，应该获得的奖励积分，与节点剩余能量、节点总积分两者有关，节点积分汇率表示为： ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}=\frac{1}{E_{\mathrm{residual}}^{V_j}}\×{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j},$ 其中为节点V_j的剩余能量，为节点V_j的总积分。

(3b)计算节点完成任务能量能耗，包括计算能耗和通信能耗；

$C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{comp}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right);$

其中，表示任务T_i在节点V_j上的总消耗，表示任务T_i在节点V_j上的计算能耗，表示任务T_i在节点V_j上的通信能耗；

计算消耗：表示单位时间内节点V_j平均能量消耗，表示任务T_i在节点V_j上的执行时间，表示任务T_i的计算量，表示节点V_j的执行速率；

通信消耗： $C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right);$ 其中，表示节点V_j为完成任务T_i传输数据包所需能耗，表示节点V_j为完成任务T_i接收数据包所需能耗；

$C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)=\left\{\begin{array}{c}({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{fs}}*d^2)*l,d<d_0\\ ({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{mp}}*d^4)*l,d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.$

$C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}*l$

l表示传输的数据包大小，d表示发送方和接收方的距离。ξ_elec、ξ_fs、ξ_mp是与硬件相关参数，d₀为固定参数；

(3c)节点任务奖励积分即节点V_j成功完成任务T_i应获得的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}+C_{\mathrm{tatal}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中为节点V_j的积分汇率，为节点V_j完成任务T_i的总能量消耗；

(3d)节点任务惩罚积分即节点V_j未成功完成任务T_i应扣除的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_i\right)=\mathrm{\&beta;}\&times;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中β为可调节参数；

(3e)计算节点总积分是节点V_j完成任务累积起来的积分总和，即所有奖励积分之和减去所有惩罚积分之和；

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}=\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}P{\mathrm{oint}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_s\right)-\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}P{\mathrm{oint}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_f\right)$

其中，V_j(T)是节点V_j上分配的所有任务，T_s是节点V_j上成功完成的任务，T_f是节点V_j上未成功完成的任务。

上述步骤二中簇头节点根据簇内节点的总积分及完成任务数量这两个因素构造了一个变量节点积分等级来表示节点历史完成任务的好坏，根据值将节点的划分成两级：高级节点和低级节点；高级节点表示完成任务数量多、质量好，可以提供相应较好服务质量的节点；低级节点表示提供服务质量不高的节点；具体分级过程如下：

(4a)计算节点积分等级节点V_j完成任务的效果的评价，与节点的总积分和节点接受任务数有关；节点V_j处理任务的积分等级可以表示为：

$D_{V_j}=\frac{{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}}{\underset{T_i\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)}\&times;\frac{N_{V_j}}{N_{\mathrm{CHead}}},D_{V_j\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]}$

其中，表示节点V_j上分配到的任务数量，N_CHead表示簇头分配的任务的总数量；

(4b)节点等级划分：簇头对簇内所有节点积分等级进行排序，用α表示高级节点占簇内所有节点的比率，簇内节点积分等级排在前α的节点划分高级节点，其余节点划分为低级节点，α可动态调节,α∈(0,1)；

(4c)簇头将簇内节点等级划分好后，形成节点等级表，表中记载节点ID号、对应的等级、节点积分等级节点积分汇率，簇头将每个节点所处等级的消息传送给簇内节点，每个簇内节点知道自己所处等级；

(4d)每个簇内节点处理完任务之后，自身总积分、处理任务个数都会发生变化，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头需重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，从而更新等级表，簇头只将消息发送给等级发生改变的节点，从而减少通信开销，如果节点的等级与之前发生变化，则簇头发送消息告诉等级发生变化的节点更新后的等级，如果节点等级未发生改变，则簇头不发送消息给节点。

上述步骤三中不稳定节点兑换积分寻求其他节点协作的过程是采用拍卖机制，对拍卖形式进行改进，具体任务迁移过程如下：

(5a)当有执行任务在身的簇内成员节点发现自己为不稳定节点时，不能继续执行已经分配的任务，于是发起一个拍卖来寻找任务的接替节点，不稳定节点用V_failure表示，不稳定节点上未完成的任务用T_failure表示；不稳定节点V_failure作为招标节点向同簇内的节点发送招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)，标书中包括了任务描述，任务期限，以及该节点为该任务付出的最大预算Point_budget，最大预算等于该节点的总积分

(5b)当簇内节点收到招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)后，采用选择性竞标策略，即根据招标书中的要求对自身情况进行评判，来决定是否参与竞标，如果不参与就不予动作，如果参与就根据自身情况给出报价；决定是否参与竞标的过程如下：

竞标节点首先考虑任务时间期限因素，如果竞标节点已经有原先分配的任务，而新任务的预计完成时间大于标书中规定的时间期限deadline，则不参与竞标；

如果竞标节点预计完成时间小于等于标书中规定的时间期限deadline，则计算完成该任务积分价格 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)={\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}\&times;C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right),$ 其中为竞标节点V_j的积分汇率，为竞标节点V_j完成任务T_failure的总能量消耗；

如果竞标节点完成任务的积分价格大于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)>{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点不参与竞标，

如果竞标节点完成任务的积分价格小于或者等于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)\&le;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点可参与竞标，且作为投标价格；

(5c)竞标节点投标时采用错时投标策略，即根据竞标节点所在等级不同，从而使得其投标时间不同，如果竞标节点是高级节点，则在时间t₁内进行投标，如果竞标是低级节点，则在时间t₂内进行投标，t₂＞t₁，即高级节点比低级节点有更大的投标优先权；

(5d)采用第一投标者中标策略，即第一个投递标书的节点就作为中标节点，如果t₁时间内有节点中标，招标节点将中标通知告知其他参与的高级节点和低级节点；如果t₂时间内有中标节点，即表示高级节点中无节点投标，招标节点将中标通知告知参与的低级节点；

(5e)中标节点确定后，招标节点V_failure将任务T_failure迁移给中标节点，在总积分中扣除个积分。并将更新后的总积分、中标节点、迁移任务等信息作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头；

(5f)簇头重新计算不稳定节点V_failure的服务能力，更新节点等级表；

(5g)中标节点执行任务，成功完成任务后获得个奖励积分，并将任务处理结果返回给簇头；

(5h)如果在t₂时间内无节点中标，不稳定节点V_failure将任务T_failure作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头，由簇头将任务T_failure指定分配到簇内其他节点上，不稳定节点V_failure扣除相应的惩罚积分。

上述步骤四所述簇头将死亡节点上未执行完成的任务分配到其他节点上的具体步骤为：

(6a)簇内节点需定期向簇头节点发送定期报告Report_periodic，包括剩余能量、总积分、积分汇率的信息，簇头根据定期报告Report_periodic，定期更新节点等级表；

(6b)如果在规定时间内，没有收到某个节点的定期报告Report_periodic，也没有收到该节点的突发事件报告Report_emergency，簇头认定该节点死亡；

(6c)簇头判断该死亡节点上是否有未完成的任务，如果没有，就直接更新节点等级表，将该节点从表中删除；如果有未完成的任务，先对该未完成任务进行重新分配后，再更新节点等级表。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明提供了一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，簇头根据节点积分对其划分等级，并根据等级分配任务，节点成功完成任务获取积分，从而平衡了各节点负载，延长网络生命周期；在节点失效的情况下，可将失效节点上未完成的任务迁移到其他合适的节点上，保证了任务在时间期限内完成，提高了任务分配效率及完成质量。

附图说明

图1：簇头分配任务流程图

图2：任务迁移流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其步骤包括：

步骤一、无线传感器网络由多个簇组成，每个簇由簇头和簇内节点组成，簇头用CHead表示，簇内节点用V_j表示，簇头与簇内节点、簇内节点之间均采用单跳方式进行通信；

簇头接收到一组待完成任务集，任务集中有多个相互独立的子任务，由T＝{T₁,T₂,K,T_n}表示，每个子任务都有时间期限deadline；簇头对簇内节点划分等级，对子任务进行分配，通过提供给簇内节点奖励积分换取簇内节点的服务，使每个子任务分配到最合适的节点上；簇头进行任务分配时优先挑选高级节点，保证任务的完成质量，在高级节点中选择节点任务奖励积分最小的节点执行任务，保证能量消耗低；

步骤二、簇内节点执行簇头分配的任务，根据节点积分汇率和完成任务能耗，获取相应积分；所述积分汇率用表示，节点消耗单位能量所应获积分，体现了节点完成任务的性价比；所述积分是用来衡量节点完成任务的历史表现，可以增加节点执行任务的参与度，用积分对节点完成任务的表现进行量化考核，并进行记录，分为奖励积分和惩罚积分，所述奖励积分用表示，惩罚积分用表示，如果成功完成任务，可获得相应的奖励积分，如果未成功完成任务，会被扣除相应的惩罚积分，所述奖励积分是指节点成功完成任务后可获得相应的积分，所述惩罚积分是指节点未成功完成任务，扣除相应的积分，节点通过完成任务累积起来的积分总和称为总积分，用表示，总积分决定了节点的等级；

步骤三、如果簇内节点发现自己发生故障或是受到其他恶意节点攻击，即认为是不稳定节点，不稳定节点上如果有有未完成的任务，需通过兑换积分的方式将任务迁移到簇内其他节点上；

步骤四、如果簇内节点死亡，簇头节点即时发现，并将死亡节点上的任务重新分配到簇内其他节点上。

上述步骤二中簇内节点执行任务、获取积分的具体过程如下：

(2a)节点V_j在任务期限deadline内完成任务T_i，认为是节点V_j成功完成任务T_i，节点V_j自动获取个奖励积分，并更新节点V_j的总积分和积分汇率，连同任务结果一起返回给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表；

(2b)节点V_j未能在任务期限deadline内完成任务T_i，认为节点V_j未能成功完成任务T_i，节点V_j自动在原有总积分中扣除个惩罚积分，节点V_j更新总积分和积分汇率，通过定期报告传送给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率。在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头节点重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表。

上述步骤二中积分具体的计算过程如下：

(3a)计算节点积分汇率表示节点V_j每消耗一焦耳的能量，应该获得的奖励积分，与节点剩余能量、节点总积分两者有关，节点积分汇率表示为： ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}=\frac{1}{E_{\mathrm{residual}}^{V_j}}\&times;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j},$ 其中为节点V_j的剩余能量，为节点V_j的总积分。

(3b)计算节点完成任务能量能耗，包括计算能耗和通信能耗；

$C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{comp}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right);$

其中，表示任务T_i在节点V_j上的总消耗，表示任务T_i在节点V_j上的计算能耗，表示任务T_i在节点V_j上的通信能耗；

计算消耗：表示单位时间内节点V_j平均能量消耗，表示任务T_i在节点V_j上的执行时间，表示任务T_i的计算量，表示节点V_j的执行速率；

通信消耗： $C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right),$ 其中，表示节点V_j为完成任务T_i传输数据包所需能耗，表示节点V_j为完成任务T_i接收数据包所需能耗；

$C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)=\left\{\begin{array}{c}({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{fs}}*d^2)*l,d<d_0\\ ({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{mp}}*d^4)*l,d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.$

$C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}*l$

l表示传输的数据包大小，d表示发送方和接收方的距离。ξ_elec、ξ_fs、ξ_mp是与硬件相关参数，d₀为固定参数；

(3c)节点任务奖励积分即节点V_j成功完成任务T_i应获得的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}+C_{\mathrm{tatal}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中为节点V_j的积分汇率，为节点V_j完成任务T_i的总能量消耗；

(3d)节点任务惩罚积分即节点V_j未成功完成任务T_i应扣除的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_i\right)=\mathrm{\&beta;}\&times;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中β为可调节参数；

(3e)计算节点总积分是节点V_j完成任务累积起来的积分总和，即所有奖励积分之和减去所有惩罚积分之和；

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}=\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}P{\mathrm{oint}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_s\right)-\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}P{\mathrm{oint}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_f\right)$

其中，V_j(T)是节点V_j上分配的所有任务，T_s是节点V_j上成功完成的任务，T_f是节点V_j上未成功完成的任务。

上述步骤二中簇头节点根据簇内节点的总积分及完成任务数量这两个因素构造了一个变量节点积分等级来表示节点历史完成任务的好坏，根据DVj值将节点的划分成两级：高级节点和低级节点；高级节点表示完成任务数量多、质量好，可以提供相应较好服务质量的节点；低级节点表示提供服务质量不高的节点；具体分级过程如下：

(4a)计算节点积分等级节点V_j完成任务的效果的评价，与节点的总积分和节点接受任务数有关；节点V_j处理任务的积分等级可以表示为：

$D_{V_j}=\frac{{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}}{\underset{T_i\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)}\&times;\frac{N_{V_j}}{N_{\mathrm{CHead}}},D_{V_j\&Element;\left[\mathrm{0,1}\right]}$

其中，表示节点V_j上分配到的任务数量，N_CHead表示簇头分配的任务的总数量；

(4b)节点等级划分：簇头对簇内所有节点积分等级进行排序，用α表示高级节点占簇内所有节点的比率，簇内节点积分等级排在前α的节点划分高级节点，其余节点划分为低级节点，α可动态调节,α∈(0,1)；

(4c)簇头将簇内节点等级划分好后，形成节点等级表，表中记载节点ID号、对应的等级、节点积分等级节点积分汇率，簇头将每个节点所处等级的消息传送给簇内节点，每个簇内节点知道自己所处等级；

(4d)每个簇内节点处理完任务之后，自身总积分、处理任务个数都会发生变化，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头需重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，从而更新等级表，簇头只将消息发送给等级发生改变的节点，从而减少通信开销，如果节点的等级与之前发生变化，则簇头发送消息告诉等级发生变化的节点更新后的等级，如果节点等级未发生改变，则簇头不发送消息给节点。

上述步骤三中不稳定节点兑换积分寻求其他节点协作的过程是采用拍卖机制，对拍卖形式进行改进，具体任务迁移过程如下：

(5a)当有执行任务在身的簇内成员节点发现自己为不稳定节点时，不能继续执行已经分配的任务，于是发起一个拍卖来寻找任务的接替节点，不稳定节点用V_failure表示，不稳定节点上未完成的任务用T_failure表示；不稳定节点V_failure作为招标节点向同簇内的节点发送招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)，标书中包括了任务描述，任务期限，以及该节点为该任务付出的最大预算Point_budget，最大预算等于该节点的总积分

(5b)当簇内节点收到招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)后，采用选择性竞标策略，即根据招标书中的要求对自身情况进行评判，来决定是否参与竞标，如果不参与就不予动作，如果参与就根据自身情况给出报价；决定是否参与竞标的过程如下：

竞标节点首先考虑任务时间期限因素，如果竞标节点已经有原先分配的任务，而新任务的预计完成时间大于标书中规定的时间期限deadline，则不参与竞标；

如果竞标节点预计完成时间小于等于标书中规定的时间期限deadline，则计算完成该任务积分价格 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)={\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}\&times;C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right),$ 其中为竞标节点V_j的积分汇率，为竞标节点V_j完成任务T_failure的总能量消耗；

如果竞标节点完成任务的积分价格大于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)>{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点不参与竞标，

如果竞标节点完成任务的积分价格小于或者等于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)>{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点可参与竞标，且作为投标价格；

(5c)竞标节点投标时采用错时投标策略，即根据竞标节点所在等级不同，从而使得其投标时间不同，如果竞标节点是高级节点，则在时间t₁内进行投标，如果竞标是低级节点，则在时间t₂内进行投标，t₂＞t₁，即高级节点比低级节点有更大的投标优先权；

(5d)采用第一投标者中标策略，即第一个投递标书的节点就作为中标节点，如果t₁时间内有节点中标，招标节点将中标通知告知其他参与的高级节点和低级节点；如果t₂时间内有中标节点，即表示高级节点中无节点投标，招标节点将中标通知告知参与的低级节点；

(5e)中标节点确定后，招标节点V_failure将任务T_failure迁移给中标节点，在总积分中扣除个积分。并将更新后的总积分、中标节点、迁移任务等信息作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头；

(5f)簇头重新计算不稳定节点V_failure的服务能力，更新节点等级表；

(5g)中标节点执行任务，成功完成任务后获得个奖励积分，并将任务处理结果返回给簇头；

(5h)如果在t₂时间内无节点中标，不稳定节点V_failure将任务T_failure作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头，由簇头将任务T_failure指定分配到簇内其他节点上，不稳定节点V_failure扣除相应的惩罚积分。

上述步骤四所述簇头将死亡节点上未执行完成的任务分配到其他节点上的具体步骤为：

(6a)簇内节点需定期向簇头节点发送定期报告Report_periodic，包括剩余能量、总积分、积分汇率的信息，簇头根据定期报告Report_periodic，定期更新节点等级表；

(6b)如果在规定时间内，没有收到某个节点的定期报告Report_periodic，也没有收到该节点的突发事件报告Report_emergency，簇头认定该节点死亡；

(6c)簇头判断该死亡节点上是否有未完成的任务，如果没有，就直接更新节点等级表，将该节点从表中删除；如果有未完成的任务，先对该未完成任务进行重新分配后，再更新节点等级表。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明提供了一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，簇头根据节点积分对其划分等级，并根据等级分配任务，节点成功完成任务获取积分，从而平衡了各节点负载，延长网络生命周期；在节点失效的情况下，可将失效节点上未完成的任务迁移到其他合适的节点上，保证了任务在时间期限内完成，提高了任务分配效率及完成质量。

Claims (6)

1.一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤一、无线传感器网络由多个簇组成，每个簇由簇头和簇内节点组成，簇头用CHead表示，簇内节点用V_j表示，簇头与簇内节点、簇内节点之间均采用单跳方式进行通信；

簇头接收到一组待完成任务集，任务集中有多个相互独立的子任务，由T＝{T₁,T₂,K,T_n}表示，每个子任务都有时间期限deadline；簇头对簇内节点划分等级，对子任务进行分配，通过提供给簇内节点奖励积分换取簇内节点的服务，使每个子任务分配到最合适的节点上；簇头进行任务分配时优先挑选高级节点，保证任务的完成质量，在高级节点中选择节点任务奖励积分最小的节点执行任务，保证能量消耗低；

步骤二、簇内节点执行簇头分配的任务，根据节点积分汇率和完成任务能耗，获取相应积分；所述积分汇率用表示，是节点消耗单位能量所应获积分，体现了节点完成任务的性价比；所述积分是用来衡量节点完成任务的历史表现，可以增加节点执行任务的参与度，用积分对节点完成任务的表现进行量化考核，并进行记录，分为奖励积分和惩罚积分，所述奖励积分用表示，惩罚积分用表示，如果成功完成任务，可获得相应的奖励积分，如果未成功完成任务，会被扣除相应的惩罚积分，所述奖励积分是指节点成功完成任务后可获得相应的积分，所述惩罚积分是指节点未成功完成任务，扣除相应的积分，节点通过完成任务累积起来的积分总和称为总积分，用表示，总积分决定了节点的等级；

步骤三、如果簇内节点发现自己发生故障或是受到其他恶意节点攻击，即认为是不稳定节点，不稳定节点上如果有有未完成的任务，需通过兑换积分的方式将任务迁移到簇内其他节点上；

步骤四、如果簇内节点死亡，簇头节点即时发现，并将死亡节点上的任务重新分配到簇内其他节点上。

2.根据权利要求1所述的一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于，所述步骤二中簇内节点执行任务、获取积分的具体过程如下：

(2a)节点V_j在任务期限deadline内完成任务T_i，认为是节点V_j成功完成任务T_i，节点V_j自动获取个奖励积分，并更新节点V_j的总积分和积分汇率，连同任务结果一起返回给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表；

(2b)节点V_j未能在任务期限deadline内完成任务T_i，认为节点V_j未能成功完成任务T_i，节点V_j自动在原有总积分中扣除个惩罚积分，节点V_j更新总积分和积分汇率，通过定期报告传送给簇头，簇头更新等级表中该节点的总积分和积分汇率，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头节点重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，更新等级表。

3.根据权利要求1所述的一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于，所述步骤二中积分具体的计算过程如下：

(3a)计算节点积分汇率表示节点V_j每消耗一焦耳的能量，应该获得的奖励积分，与节点剩余能量、节点总积分两者有关，节点积分汇率表示为： ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}=\frac{1}{E_{\mathrm{residual}}^{V_j}}\&times;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j},$ 其中为节点V_j的剩余能量，为节点V_j的总积分；

(3b)计算节点完成任务能量能耗，包括计算能耗和通信能耗；

$C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{comp}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right);$

其中，表示任务T_i在节点V_j上的总消耗，表示任务T_i在节点V_j上的计算能耗，表示任务T_i在节点V_j上的通信能耗；

计算消耗： 表示单位时间内节点V_j平均能量消耗，表示任务T_i在节点V_j上的执行时间， 表示任务T_i的计算量，表示节点V_j的执行速率；

通信消耗： $C_{\mathrm{comm}}^{V_j}\left(T_i\right)=C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)+C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right),$ 其中，表示节点V_j为完成任务T_i传输数据包所需能耗，表示节点V_j为完成任务T_i接收数据包所需能耗；

$C_{\mathrm{tran}}^{V_j}\left(T_i\right)=\left\{\begin{array}{c}({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{fs}}*d^2)*l,d<d_0\\ ({\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}+{\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{mp}}*d^4)*l,d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.$

$C_{\mathrm{rece}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{\&xi;}}_{\mathrm{elec}}*l$

l表示传输的数据包大小，d表示发送方和接收方的距离，ξ_elec、ξ_fs、ξ_mp是与硬件相关参数，d₀为固定参数；

(3c)节点任务奖励积分即节点V_j成功完成任务T_i应获得的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{teward}}^{V_j}\left(T_i\right)={\mathrm{point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}\&times;C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中为节点V_j的积分汇率，为节点V_j完成任务T_i的总能量消耗；

(3d)节点任务惩罚积分即节点V_j未成功完成任务T_i应扣除的积分为：

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_i\right)=\mathrm{\&beta;}\&times;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)$

其中β为可调节参数；

(3e)计算节点总积分是节点V_j完成任务累积起来的积分总和，即所有奖励积分之和减去所有惩罚积分之和；

${\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}=\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_s\right)-\underset{T_s\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Point}}_{\mathrm{punish}}^{V_j}\left(T_f\right)$

其中，V_j(T)是节点V_j上分配的所有任务，T_s是节点V_j上成功完成的任务，T_f是节点V_j上未成功完成的任务。

4.根据权利要求1所述的一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于，所述步骤二中簇头节点根据簇内节点的总积分及完成任务数量这两个因素构造了一个变量节点积分等级来表示节点历史完成任务的好坏，根据值将节点的划分成两级：高级节点和低级节点；高级节点表示完成任务数量多、质量好，可以提供相应较好服务质量的节点；低级节点表示提供服务质量不高的节点；具体分级过程如下：

(4a)计算节点积分等级节点V_j完成任务的效果的评价，与节点的总积分和节点接受任务数有关；节点V_j处理任务的积分等级可以表示为：

$D_{V_j}=\frac{{\mathrm{Point}}_{\mathrm{wealth}}^{V_j}}{\underset{T_i\&Element;V_j\left(T\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{Point}}_{\mathrm{reward}}^{V_j}\left(T_i\right)}\&times;\frac{N_{V_j}}{N_{\mathrm{CHead}}},D_{V_j}\&Element;[0,1]$

其中，表示节点V_j上分配到的任务数量，N_CHead表示簇头分配的任务的总数量；

(4b)节点等级划分：簇头对簇内所有节点积分等级进行排序，用α表示高级节点占簇内所有节点的比率，簇内节点积分等级排在前α的节点划分高级节点，其余节点划分为低级节点，α可动态调节,α∈(0,1)；

(4c)簇头将簇内节点等级划分好后，形成节点等级表，表中记载节点ID号、对应的等级、节点积分等级节点积分汇率，簇头将每个节点所处等级的消息传送给簇内节点，每个簇内节点知道自己所处等级；

(4d)每个簇内节点处理完任务之后，自身总积分、处理任务个数都会发生变化，在设定时间time后，或是新的一轮任务集到达簇头时，簇头需重新计算节点积分等级对簇内节点重新划分等级，从而更新等级表，簇头只将消息发送给等级发生改变的节点，从而减少通信开销，如果节点的等级与之前发生变化，则簇头发送消息告诉等级发生变化的节点更新后的等级，如果节点等级未发生改变，则簇头不发送消息给节点。

5.根根据权利要求1所述的一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于：步骤三中不稳定节点兑换积分寻求其他节点协作的过程是采用拍卖机制，对拍卖形式进行改进，具体任务迁移过程如下：

(5a)当有执行任务在身的簇内成员节点发现自己为不稳定节点时，不能继续执行已经分配的任务，于是发起一个拍卖来寻找任务的接替节点，不稳定节点用V_failure表示，不稳定节点上未完成的任务用T_failure表示；不稳定节点V_failure作为招标节点向同簇内的节点发送招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)，标书中包括了任务描述，任务期限，以及该节点为该任务付出的最大预算Point_budget，最大预算等于该节点的总积分

(5b)当簇内节点收到招标书Tender(T_failure,deadline,Point_budget)后，采用选择性竞标策略，即根据招标书中的要求对自身情况进行评判，来决定是否参与竞标，如果不参与就不予动作，如果参与就根据自身情况给出报价；决定是否参与竞标的过程如下：

竞标节点首先考虑任务时间期限因素，如果竞标节点已经有原先分配的任务，而新任务的预计完成时间大于标书中规定的时间期限deadline，则不参与竞标；

如果竞标节点预计完成时间小于等于标书中规定的时间期限deadline，则计算完成该任务积分价格 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)={\mathrm{Point}}_{\mathrm{rate}}^{V_j}\&times;C_{\mathrm{total}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right),$ 其中为竞标节点V_j的积分汇率，为竞标节点V_j完成任务T_failure的总能量消耗；

如果竞标节点完成任务的积分价格大于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)>{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点不参与竞标，

如果竞标节点完成任务的积分价格小于或者等于标书中的预算，即 ${\mathrm{Point}}_{\mathrm{price}}^{V_j}\left(T_{\mathrm{failure}}\right)\&le;{\mathrm{Point}}_{\mathrm{budget}},$ 则该竞标节点可参与竞标，且作为投标价格；

(5c)竞标节点投标时采用错时投标策略，即根据竞标节点所在等级不同，从而使得其投标时间不同，如果竞标节点是高级节点，则在时间t₁内进行投标，如果竞标是低级节点，则在时间t₂内进行投标，t₂＞t₁，即高级节点比低级节点有更大的投标优先权；

(5d)采用第一投标者中标策略，即第一个投递标书的节点就作为中标节点，如果t₁时间内有节点中标，招标节点将中标通知告知其他参与的高级节点和低级节点；如果t₂时间内有中标节点，即表示高级节点中无节点投标，招标节点将中标通知告知参与的低级节点；

(5e)中标节点确定后，招标节点V_failure将任务T_failure迁移给中标节点，在总积分中扣除个积分。并将更新后的总积分、中标节点、迁移任务等信息作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头；

(5f)簇头重新计算不稳定节点V_failure的服务能力，更新节点等级表；

(5g)中标节点执行任务，成功完成任务后获得个奖励积分，并将任务处理结果返回给簇头；

(5h)如果在t₂时间内无节点中标，不稳定节点V_failure将任务T_failure作为突发事件报告Report_emergency上传给簇头，由簇头将任务T_failure指定分配到簇内其他节点上，不稳定节点V_failure扣除相应的惩罚积分。

6.根根据权利要求1所述的一种基于积分激励机制的无线传感器网络中任务迁移方法，其特征在于：步骤四所述簇头将死亡节点上未执行完成的任务分配到其他节点上的具体步骤为：

(6a)簇内节点需定期向簇头节点发送定期报告Report_periodic，包括剩余能量、总积分、积分汇率的信息，簇头根据定期报告Report_periodic，定期更新节点等级表；

(6b)如果在规定时间内，没有收到某个节点的定期报告Report_periodic，也没有收到该节点的突发事件报告Report_emergency，簇头认定该节点死亡；

(6c)簇头判断该死亡节点上是否有未完成的任务，如果没有，就直接更新节点等级表，将该节点从表中删除；如果有未完成的任务，先对该未完成任务进行重新分配后，再更新节点等级表。