[发明专利]一种无线传感器网络中分布式服务组合寻优方法

摘要

目前，无线传感器网络应用越来越广泛，涵盖的节点数量越来越多、种类越来越趋于多样化，异构节点间服务组合与网内协作越来越重要。针对无线传感器网络分布式自组织、节点能量受限以及用户任务请求服务质量约束等，本发明公开了一种无线多跳传感器网络中分布式服务组合寻优方法，采用广度优先回溯搜索寻优算法，其搜索效率比深度优先逐条路径回溯搜索方法明显提升；在寻优过程中结合服务节点组合通信时延与可用能量约束条件，将部分不满足约束条件服务节点组合筛除，有效抑制了搜索寻优规模；综合考虑服务节点可用能源与网络通信延迟等指标评价服务节点组合性能，保障了服务质量与可靠性。

主权项

1.一种无线传感器网络中分布式服务组合寻优方法，其特征在于，该方法采用图模型对网络节点服务与用户应用任务请求进行建模描述，将任务请求拆分成两个特别节点n_start，n_end，两节点的服务描述为：S_start:{φ,input_T}，S_end:{output_T,φ}，那服务组合请求演变为寻找一条从节点n_end回溯，到节点n_start结束的最优服务路径，以n_end为根服务请求节点，采用广度优先的回溯方法寻找最优服务节点组合，具体包含以下步骤：步骤1，服务请求扩散阶段；步骤2，广度优先回溯搜索寻优阶段；所述步骤1包括：步骤1.1，以n_end为根服务请求节点，开始回溯搜索过程，向其邻居节点广播初始服务请求数据包Packet1，寻找一条到达源节点n_start的服务路由，初始服务请求数据包格式，该服务请求数据包包括以下信息，根节点n_end服务S_end:{output_T,φ}以及源节点服务S_start:{φ,input_T}，服务组合寻优约束值D_T、E_T；为避免数据包大量重复转发浪费网络资源，采用三步握手转发机制：1)转发节点将转发数据包映射为概要元数据，并先将元数据发送给周围邻居节点；2)邻居节点根据元数据信息判断是否已经接收相同数据，若有，则丢弃；若无，则返回REQ请求消息给转发节点；3)转发节点将原始数据包发送给返回REQ请求消息的邻居节点；每个节点维护服务路由表SerRoute_Table，该表包括：源节点服务、本节点所属服务层级Ser_Level、上一级服务节点ID、到根节点服务路由平均可用能量Avr_AvaEnergy，到根节点服务路由通信延时Total_ComDelay、服务搜索是否完成标志；步骤1.2，网络中根服务请求节点n_end各邻居节点n_i接收到初始服务请求数据包，首先进行是否满足通信延迟与可用能量约束的判定：1)计算该节点到根服务请求节点n_end通信延时，若Total_ComDelay_i＞D_T则表示到达所允许的扩散边界，直接丢弃服务请求数据包；2)若Total_ComDelayi≤DT，计算其可用能量是否大于约束值E_T，若则直接向邻居节点转发数据包Packet1；若Total_ComDelay_i≤D_T且计算服务s_i:{input_i,output_i,f_i,metadata_i}与请求数据包中根节点服务S_end:{output_T,φ}以及源节点服务S_start:{φ,input_T}的匹配程度：If output_T＝output_i，则表示节点n_i输出与根节点服务输入匹配，节点n_i的服务路由表SerRoute_Table_i新增一条记录：源节点服务S_start:{φ,input_T}，本节点所属服务层级Ser_Level，上一级服务节点ID＝n_end、到根节点服务路由平均可用能量Avr_AvaEnergy_i，到根节点服务路由通信延时Total_ComDelay_i，服务搜索是否完成标志flag；其中，若input_i≠input_T，服务请求完成标志flag＝0，否则，flag＝1；匹配结束后节点n_i向其邻居节点继续转发数据包Packet1；If output_T≠output_i，则表示节点n_i数据输出与根节点服务输入不匹配，直接转发数据包Packet1到其邻居节点；步骤1.3，网络中下游节点接收到初始服务请求数据包Packet1并完成步骤1.2的处理后，向其邻居节点转发初始服务请求数据包，直到到达扩散边界，该扩散边界由服务节点组合总通信延迟上限D_T决定，接收转发节点判断若Total_ComDelay>D_T，则丢弃不转发；步骤1.4，经过步骤1.1到步骤1.3的过程，根服务请求节点获取其服务组合集中第1级Ser_Level＝1所有服务节点ID，并开始第二阶段的广度优先回溯搜索，获取最优服务节点组合；其中，input_i/output_i为服务s_i的输入集/输出集，f_i为输入/输出的变换函数，metadata_i为描述服务s_i的元数据，包括节点可用能量、计算与存储资源；所述步骤2包括：步骤2.1，按广度优先搜索原则，第1级服务节点中每个节点n_i作为新的搜索发起节点，该节点n_i随后向网络广播新的服务请求数据包Packet2，该数据包格式，包括：本节点所属服务层级Ser_Level，本服务节点ID，本节点服务s_i:{input_i,output_i}，源节点服务S_start:{φ,input_T}，上一级服务节点ID，到根节点服务路由平均可用能量Avr_AvaEnergy_i，到根节点服务路由通信延时Total_ComDelay_i，服务组合寻优约束值D_T、E_T；步骤2.2，网络中节点n_k接收到Packet2后，根据自身提供的服务s_k:{input_k,output_kf_k,metadata_k}，按照步骤1.2到步骤1.3，首先进行约束条件是否满足判定计算，其次计算与上一级节点服务s_i:{input_i,output_i}的服务匹配度，并继续转发Packet2；在计算服务匹配度过程中，如果output_k＝input_i，则代表与上一级节点服务s_i匹配并成为第二级服务节点集成员，并在其服务路由表SerRoute_Table_k新增一条记录：源节点服务S_start:{φ,input_T}，本节点所属服务层级Ser_Level＝2，上一级服务节点ID＝n_i、到根节点服务路由平均可用能量Avr_AvaEnergy_k，到根节点服务路由通信延时Total_ComDelay_k，服务搜索是否完成标志flag；同时，后续搜索轮次中，如果节点收到的服务请求数据包含有相同的服务匹配项input_i，则直接丢弃该数据包；步骤2.3，按广度优先搜索原则，第2级服务节点集中各个节点发起下一级搜索，搜索过程按照步骤2.1至步骤2.2进行；步骤2.4，依据广度优先原则，重复步骤2.1至步骤2.3，直到服务搜索过程最终匹配到源节点服务S_start:{φ,input_T}，搜索过程完成需满足以下条件：即某服务节点n_u所提供服务s_u:{input_u,output_u,fu,metadata_u}满足input_u＝input_T，该节点n_u发送服务请求完成数据包finish_packet_u给根服务请求节点，包括：本服务节点ID、服务请求完成标志flag，所属服务级数Ser_Level，服务节点组合总通信延时Total_ComDelay_u以及平均可用能量Avr_AvaEnergy_u；根服务请求节点n_end接收到服务请求完成数据包finish_packet_u，将服务节点组合总通信延时Total_ComDelay_u以及平均可用能量Avr_AvaEnergy_u进行归一化处理并计算综合评价值：OPT_u＝μ·Avr_AvaEnergy_u‑λ·Total_ComDelay_u   (2)上式中，μ与λ为服务节点组合总通信延时与平均可用能量进行综合计算的权重值；整个服务组合搜索寻优过程中，根服务节点会收到多个服务节点返回的服务请求完成数据包，均按公式(2)计算通信延时和评价可用能量综合评价值，选择综合评价值最大的服务节点组合作为最优组合，分布式服务组合搜索寻优过程结束。