专利名称：基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法
技术领域：
本发明涉及网格计算和无线传感器网络相结合的技术领域，具体涉及一种基于能 量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法。
背景技术：
今年来，随着无线技术和传感器技术的高速发展，微电子学、嵌入式系统等技术的 进步推动着无线传感器网络技术的快速发展。无线传感器网络由一系列的传感器节点构 成，每个节点都具有环境感知、数据处理和无线通信能力。传感器节点具有电池供电、计算 存储能力有限、通信带宽低的特点，这使其在处理和利用所得数据时受到了限制。网格计算 是将地理上分布的、异构的各种资源连接在一起，形成一台虚拟的高性能超级计算机，为用 户提供随处可得并且可靠的计算能力。现在，具有高速计算能力、巨量存储能力和高速通信 带宽特点的网格技术已经成为在动态虚拟社区中解决大规模分布式、异构资源共享的一个 标准方式。随着传感器技术和网格技术研究的深入，传感器节点越来越被作为一种资源引入 到了网格中，从而可以将网格技术和传感器技术结合起来，利用传感器节点实时获取资源， 通过网格平台进行共享；利用网格拥有的计算资源和存储资源通过数据挖掘、数据融合、分 布式数据库等技术对传感器节点收集到的大量数据进行处理、分析和存储。目前，网格研究者着力于研究网格资源调度(资源节点的选择问题)，即对于一个 网格任务，选择合适的网格资源节点进行映射，使其在调度的过程中效益最大化。近年来， 网格研究者提出了很多网格资源调度算法，但是这些调度算法主要是针对传统网格所设计 的，对于不同领域内的传统网格，其网格资源调度算法的研究目标可能侧重点不同。如对资 源有要求的高性能计算，资源调度算法需要考虑的首要问题是QoS;随着各种能量储备有 限的设备越来越多的加入到网格中来，能量优化也成了网格资源调度算法需要关注的一个 方面。与传统网格中资源调度相比，无线传感器网格中传感器节点能量限制和传感器网 格任务对资源节点的QoS要求，使得资源调度时必须综合考虑无线传感器网格中能量消耗 和QoS约束对资源调度的影响。因此，有必要提供一种适合无线传感器网格环境下的传感 器资源节点选择方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合无线传感器网格环境下的传感器资源节点选择方 法，综合考虑无线传感器网格中能量消耗和QoS约束对资源调度的影响。为了实现上述目的，本发明提供了一种基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节 点选择方法，包括如下步骤(1)根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进行测试，获取各个 任务的QoS约束级别，所述QoS约束级别包括硬性QoS约束、软性级QoS约束、尽力级QoS约束；( 根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进行测试，判断各个 任务在各个资源上是否可执行，其中可执行表示资源满足任务的QoS要求；(3)获取各级别QoS约束中每个任务对应的有效资源的数量；(4)先调度硬性QoS约束的任务，再调度软性级QoS约束的任务，最后调度尽力级 QoS约束的任务，对于同一级别QoS约束的任务，优先调度该级别QoS约束任务中有效资源 数量最少的任务，对于有效资源数量相同的任务，同时考虑节点的能量消耗和各节点之间 的能量均衡，采用评估函数评估每个任务调度到每个资源上试执行的消耗值，使用Min-min 算法寻找具有最小的最小消耗值的任务，将所述具有最小的最小消耗值的任务分配到获得 该最小的最小消耗值的资源上。与现有技术相比，本发明基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法具 有如下优点(1)对任务的QoS约束进行了分级，分别为硬性级QoS约束、软性级QoS约束和尽 力级QoS约束，根据不同QoS约束级别对调度的影响程度区分任务的优先级，QoS约束级别 高的任务优先调度；(2)在满足任务的QoS约束的基础上，考虑任务在调度过程中的能量消耗，将节点 的能量消耗作为评估函数的一个方面对每一次的调度消耗进行评估，尽量降低资源节点的 能量消耗；(3)在考虑能量优化的同时，将各节点能量消耗的均衡也作为一个因素，在调度的 过程中尽量选择那些剩余能量较多的资源节点，从而达到整个传感器网络节点能量消耗的 均衡化，提高传感器网络的可靠性和生命周期。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法的流程图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。在说明本发明基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法之前，先说明 该方法涉及的多维QoS约束下的传感器资源调度问题、传感器网格环境下的能量消耗均衡 问题、传感器网格资源调度环境描述、调度方法中的相关参数。多维QoS约束下的传感器资源调度问题在多维QoS约束的传感器网格资源调度环境下，任务对资源的QoS要求是多方面 的，只考虑一维或几维的QoS约束显然是不符合任务的调度要求。所以对传感器资源进行 调度的过程中，必须充分考虑多QoS约束的问题。对传感器网格中对资源有要求的高性能计算，即用户的提交任务对传感器节点具 有较多的QoS要求，因此充分考虑任务与资源的QoS(Quality of krvice，服务质量)要求 在调度算法中尤为重要。在传感器网格环境下，按照任务对资源的QoS要求不同对任务的CN 102143526 A
说明书
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QoS约束进行分级(1)硬性级QoS 对资源系统平台、CPU和带宽等的QoS约束均属于硬性级QoS约 束；(2)软性级QoS 费用、可靠性等均属于软性级QoS约束；(3)尽力级QoS 除硬性级QoS约束和软性级QoS约束以外的QoS约束均属于尽力 级QoS约束。由上面的分类原理可知，硬性级QoS是所有级别QoS中对资源要求最高的，对资源 调度起着决定性的作用，只有符合硬性级QoS的调度才是有效的，具有该硬性级QoS的任务 才能被映射执行。如果任务满足软性级QoS，则调度有效，并可使效益最大化；如果任务不 满足软性级QoS，则调度是有效，但效益降低。尽力级QoS约束对资源调度的影响较小，任务 的尽力级QoS约束将会尽量实现和满足。根据上面三种QoS约束的分级，考虑资源对任务的有效性，将多维QoS约束下的传 感器网格资源调度问题归结为任务的选择问题，即在调度的过程中任务选择的优先级问题传感器网格环境下的能量消耗均衡问题由于传感器网格中的传感器资源节点通常布置于特殊场合，使用电池供电，电源 不可更换，因此传感器节点的节能问题变得非常重要；由于有些传感器节点能量的消耗殆 尽，可能会影响到整个区域内其它传感器节点的使用效率，因此传感器节点能量消耗均衡 的问题也必须考虑(这样在不影响传感器节点的使用效率的情况下，在完成用户提交任务 的基础上，尽可能延长网格的生命周期，即在传感器资源节点的能量消耗完前使其效用最 大化)。由于进行资源选择的过程中需要考虑传感器节点的节能和能量消耗均衡，因此可 以将传感器网格资源调度问题转化为资源的选择问题，即对于一个网格任务，如何选择最 优的资源进行映射使传感器节点在节能和能量均衡上达到平衡。传感器网格资源调度环境描述考虑到传感器资源节点具有分布性、异构性、无线等特点，传感器网格资源调度环 境如下(1)各个待调度的网格任务都是独立任务，任务之间无数据依赖或通信；(2) 一个资源节点在同一时刻只能执行一个任务，直到本任务完成才能执行其他 任务，即任务独占一个资源直到完成；(3)每个传感器资源节点的能量是有限的，不同传感器资源节点的能量初始值不 同；(4)传感器资源节点处于空闲状态时没有能量消耗；(5)传感器资源节点的能量消耗只限于任务执行能量消耗；(6)资源以描述其可提供的QoS服务方式发布，任务以描述其需要的QoS服务的方 式提交。调度方法中的相关参数与QoS约束有关的参数定义(1)集合 T= It1, t2，. . .，tm}表示 m 个独立的任务、(i = l，2，...，m)的集合；(2)集合R= {巧，巧，...，rn}表示网格环境下η个异构资源节点巧(i = 1,2,...,η)的集合；(3)任务的预期执行时间矩阵ETC = {ety} mxn= I其中元素eh, j表示根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进 行测试时，测试出的任务、在资源&上的执行时间，如果资源满足任务的QoS要求，记录其 预期执行时间，如果资源h不符合任务、的QoS要求，则ety的值定义为⑴，即资源不能 满足任务的QoS要求，任务、不能在资源。上执行； (4)任务的可执行矩阵CE = {cy}mxn=』‘',其中元素Ci,」表示任务、
在资源h上是否可执行(即资源&是否满足任务、的QoS要求)，如果可执行则Cm的值 为1，表示资源。符合指定任务、的QoS约束，该任务的QoS约束可能是硬性级QoS、软性 级QoS或尽力级QoS中的任何一种；不可执行则其值为0，表示该任务为硬性QoS约束而对 应的资源无法满足任务的QoS约束(任务的可执行矩阵CE反映资源对于任务的有效性情 况，可以根据预期执行时间矩阵ETC得出，依次遍历矩阵ETC中的每一个元素，如果其值为 数字，则可执行矩阵CE中对应的元素置为1 ；若ETC中的元素值为⑴，则可执行矩阵CE中 对应的元素置为0，当然任务的可执行矩阵CE也可以根据任务提交的QoS要求对所有可用 资源提供的QoS服务进行测试时，判断各个任务在各个资源上是否可执行得出)；(5)任务的QoS约束级别数组QoL = (Hi1, m2，...，mm)表示m个独立的任务的QoS 约束级别，根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进行测试，获取各个任 务的QoS约束级别，得到任务的QoS约束级别数组QoL，其中值为2时表示为硬性QoS约束， 为3表示软性QoS约束，为4则表示尽力级QoS约束；(6)任务优先级向量NoRl =(叫，n2，…，nn)表示QoS约束级别为硬性QoS的任 务对应的有效资源数量，如Iii表示QoS约束级别为硬性QoS的任务i对应的有效资源的数 量为叫，如果对应的任务的QoS级别不为硬性QoS则其值定义为⑴，即系统定义的最大值； 同理任务优先级向量NoR2 = (H1, n2，. . .，nn)表示QoS约束级别为软性QoS的任务对应的 有效资源数量，任务优先级向量NoR3 = (ni，n2，. . .，nn)表示QoS约束级别为尽力级QoS的 任务对应的有效资源数量，NoR向量的每一个分量NoIii (i = 1,2,3)可由任务的可执行矩阵 CE得出，NoR向量的每一个分量等于可执行矩阵CE的一列的和。与能量消耗有关的参数定义 (1)能量参数矩阵E= Iejmxn=: ，，该矩阵为一个ηΧ2矩阵，其中ei,
！表示资源i的剩余能量值，β,,2表示资源i的执行能量消耗率(单位时间内资源i执行任 务所消耗的能量值)； (2)任务的执行能量消耗EoCi,」。任务的执行能量消耗EoCiij为任务、在资源r」 上的执行时间ety与资源j的执行能量消耗率。,3的乘积，如下式
EoCijj = Gtijj^ejj3(4-1)资源。执行完任务、后的剩余能量是资源。的剩余能量值与任务的执行能 量消耗EoCm的差值，用差值 工^⑷㈩替换能量参数矩阵E中的值。在一个任务选择 不同的资源节点时，传感器资源节点的剩余能量将作为参考依据，即优先选择剩余能量最 多的资源作为映射结果。若具有多个传感器资源节点的剩余能量相同时，优先选择能量消 耗最小的资源作为映射结果，从而达到节能的目的。与最优跨度有关的参数定义
权利要求
1. 一种基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法，包括如下步骤 根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进行测试，获取各个任务的 QoS约束级别，所述QoS约束级别包括硬性QoS约束、软性级QoS约束、尽力级QoS约束；根据任务提交的QoS要求对所有可用资源提供的QoS服务进行测试，判断各个任务在 各个资源上是否可执行，其中可执行表示资源满足任务的QoS要求；获取各级别QoS约束中每个任务对应的有效资源的数量；先调度硬性QoS约束的任务， 再调度软性级QoS约束的任务，最后调度尽力级QoS约束的任务，对于同一级别QoS约束的 任务，优先调度该级别QoS约束任务中有效资源数量最少的任务，对于有效资源数量相同 的任务，采用评估函数评估每个任务调度到每个资源上试执行的消耗值，使用Min-min算 法寻找具有最小的最小消耗值的任务，将所述具有最小的最小消耗值的任务分配到获得该 最小的最小消耗值的资源上。
全文摘要
本发明公开了一种基于能量均衡和QoS约束的传感器资源节点选择方法，其结合传感器节点能量有限及无线传感器网格环境下资源调度的特点，将对无线传感器网格环境下任务的QoS约束进行分级，区分不同QoS约束级别对资源调度的影响程度，在满足QoS约束的条件下，对不同级别QoS约束的任务，QoS约束级别越高的任务越优先调度。对于同一级别QoS约束的任务，在进行资源选择时使用评估函数来评估一次资源调度的消耗值，考虑传感器节点的能量消耗和各节点能量消耗之间的均衡，选择具有最小的最小消耗值的任务和资源作为映射结果。本方法在资源调度时综合考虑了无线传感器网格中能量消耗和QoS约束对资源调度的影响。
文档编号H04W84/18GK102143526SQ20111009570
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者李军, 李春林 申请人:武汉理工大学