[發明專利]無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法

有效

• 申請號: 202110038750.8
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112996073B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 任智源;王一鳴;程文馳;胡梅霞;陳晨;張海林
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/10;H04W4/38;H04W84/18;H04L45/121;H04L45/00;G06N3/00
• 代理公司: 北京世譽鑫誠專利代理有限公司 11368
• 代理人: 仲伯煊

本發明涉及無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法，包括以下步驟：(1)、構建WSN云霧網絡架構；(2)、制定能耗約束下的任務映射策略；(3)、利用BPSO算法求解最優映射關系模型。本發明公開的無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法具有以下有益效果：1、基于云霧網絡架構，將路徑式協同計算技術引入WSN，利用WSN中的匯聚節點構成霧計算層，將DAG形式的時延敏感型業務映射到匯聚節點上，利用其計算能力進行分步驟計算，實現業務的邊傳輸邊計算，降低了業務處理時延；2、考慮到WSN節點能耗有限，業務必須在一定的能耗約束下完成，因此將能耗約束考慮進路徑式協同計算技術內。

技術領域

本發明屬于通信領域，具體涉及一種無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法。

背景技術

隨著物聯網技術的不斷成熟以及5G無線網絡的大規模建設，萬物互聯時代即將到來。而作為物聯網底層網絡的重要技術形式，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)得到了快速而廣泛的發展，目前已被成功應用到了包括軍事、自然環境監測、醫療保健、智能家居、物流跟蹤等在內的多個領域之中。

現有的WSN系統一般由傳感器節點、匯聚(sink)節點、遠程管理中心三部分組成。傳感器節點一般集成有一個或多個不同類型的傳感器，主要負責采集監測區域的信息，并將采集到的數據通過一跳或多跳傳遞到匯聚節點；匯聚節點是WSN的骨干節點，其主要功能是匯聚和轉發網絡報文，具有較強的數據處理能力和通信能力；遠程管理中心相當于云平臺，利用網絡資源虛擬化技術構成資源池，存儲和處理WSN發來的數據，并將處理過的數據發送給用戶。然而，WSN采集的數據傳到云計算中心進行計算產生的通信開銷大，時延高，無法有效支撐如軍事偵察等時延敏感型業務。

針對云計算模式存在的高傳輸時延問題，學者們提出了邊緣計算技術，通過將數據分割并利用網絡邊緣設備(如WSN中的匯聚節點)的計算能力完成計算，縮短了數據的傳播距離。但傳統的邊緣計算技術不適合處理端到端的業務，缺乏邊傳輸邊計算的能力。

針對傳統邊緣計算存在的問題，有學者提出了基于步驟可分割的路徑式協同計算技術。該技術采用由多個服務功能組成的有向無環圖(directed acyclic graph,DAG)模型表征業務，通過將DAG形式的任務圖映射到網絡圖，利用網絡邊緣設備的能力，在數據傳輸的過程中完成業務處理，實現業務的邊傳輸邊計算，更適合處理復雜的新型信息業務；而且每個網絡節點只需加載映射到其上的服務功能即可，能有效降低單個網絡設備的計算負載，適用于負載能力受限的WSN節點。

針對路徑式協同計算技術的早期研究，學者們為優化網絡的路徑計算速率，將業務表示為樹狀圖或有向無環圖形式并將其映射到網絡上。Rost等學者在考慮了節點約束能力的同時，提出了將任務圖的邊與節點同時映射至網絡拓撲圖的方案，并在分布式云網絡場景中求解了最佳任務調度方案。Michael等制定了具有分支的任務圖映射方案，將任務圖擴展到任意DAG模型。

但是上述關于路徑式協同計算的研究均未考慮節點的能耗問題，WSN處理的任務增多導致網絡整體能耗增加，縮短WSN節點的工作壽命，且WSN節點通常位于野外，能量受限并難以補充，因此，路徑式協同計算如何進行任務映射，使得在能耗約束的前提下業務處理時延最短，成為一個急需解決的技術問題。

發明內容

發明目的：針對云計算應用于無線傳感器網絡時延敏感型業務時存在的高傳輸時延問題，提出了一種無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法。該方法基于一種云霧網絡架構，該架構利用匯聚節點組成霧計算層；在數據傳輸過程中基于霧計算層的計算能力分步驟完成任務計算,降低任務處理時延；由于匯聚節點計算能力較弱，時延降低將導致能耗增加，無線傳感器系統工作壽命減短，為此提出能耗約束下的任務映射策略，并利用離散二進制粒子群優化(Binary Particle Swarm Optimization,BPSO)算法解決能耗約束下的時延優化問題。

技術方案：無線傳感器低功耗低時延路徑式協同計算方法，包括以下步驟：