本發(fā)明涉及無線物聯(lián)網(wǎng)，尤其涉及一種用于無線物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點能量負載平衡的動態(tài)調(diào)度方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代無線物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，節(jié)點的能量管理和負載平衡是影響網(wǎng)絡(luò)壽命和性能的關(guān)鍵因素。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的急劇增加和應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的能量管理方法已無法有效應(yīng)對節(jié)點能量消耗不均衡、動態(tài)環(huán)境變化以及拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁調(diào)整等問題。這些問題直接導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的可靠性下降和整體壽命的縮短。

2、首先，傳統(tǒng)的節(jié)點能量管理和負載平衡方法通常依賴于預(yù)定義的靜態(tài)策略。這些策略在設(shè)計時考慮了某些固定的網(wǎng)絡(luò)條件，但難以適應(yīng)實際運行中的動態(tài)變化。例如，節(jié)點的能量消耗速率可能隨通信頻率、數(shù)據(jù)傳輸量以及節(jié)點間距離的變化而變化，但靜態(tài)策略無法實時調(diào)整，導(dǎo)致部分節(jié)點的能量迅速耗盡，從而引發(fā)整個網(wǎng)絡(luò)的失效。此外，通信鏈路的質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化也使得靜態(tài)策略無法保證負載的均衡分布，進一步加劇了能量消耗的不均衡性。

3、其次，現(xiàn)有的動態(tài)調(diào)度算法雖然在某種程度上解決了部分能量管理問題，但通常只關(guān)注某一特定因素的優(yōu)化，例如數(shù)據(jù)傳輸速率或通信鏈路質(zhì)量，而忽略了網(wǎng)絡(luò)的全局能量負載平衡。這種單一維度的優(yōu)化方式無法充分考慮節(jié)點之間的相互影響，尤其是在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化的情況下，更容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體性能的下降。此外，現(xiàn)有的調(diào)度算法通常沒有考慮拓撲相變理論和博弈論的應(yīng)用，缺乏對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的節(jié)點策略行為進行精確預(yù)測的能力，難以實現(xiàn)全局能量負載的最優(yōu)分配。

4、第三，傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計在面對高動態(tài)性和不確定性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時表現(xiàn)出一定的局限性。集中式的調(diào)度方式容易導(dǎo)致中心節(jié)點的過載或失效，從而使得整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度失效。而分布式的調(diào)度方式雖然具備一定的靈活性，但在應(yīng)對節(jié)點間復(fù)雜的相互依賴關(guān)系時，缺乏足夠的協(xié)同優(yōu)化機制，導(dǎo)致整體能量負載分配的效率不高。此外，現(xiàn)有的能量管理方法普遍缺乏對反熵驅(qū)動機制的利用，難以實現(xiàn)對熵增速率的有效控制，從而無法在動態(tài)環(huán)境中維持網(wǎng)絡(luò)的能量負載平衡和穩(wěn)定性。

5、綜上所述，現(xiàn)有的無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能量管理和負載平衡方法在面對動態(tài)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，存在如下主要缺陷：一是缺乏對網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化的適應(yīng)能力，二是無法在全局范圍內(nèi)有效平衡能量負載，三是調(diào)度策略在高動態(tài)性和不確定性環(huán)境中缺乏魯棒性。因此，如何提供一種用于無線物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點能量負載平衡的動態(tài)調(diào)度方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個目的在于提出一種用于無線物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點能量負載平衡的動態(tài)調(diào)度方法。本發(fā)明充分利用了拓撲相變理論、逆博弈學(xué)習(xí)算法和反熵驅(qū)動機制，詳細描述了通過動態(tài)調(diào)度實現(xiàn)節(jié)點能量平衡的策略，具備適應(yīng)性強、能量利用效率高和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強的優(yōu)點。

2、根據(jù)本發(fā)明實施例的一種用于無線物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點能量負載平衡的動態(tài)調(diào)度方法，包括如下步驟：

3、s1、采集無線物聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點的能量狀態(tài)信息，信息內(nèi)容包括節(jié)點的剩余能量、能耗速率、通信鏈路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點之間的距離；

4、s2、分析采集到的能量狀態(tài)信息，建立網(wǎng)絡(luò)拓撲與節(jié)點能量狀態(tài)的關(guān)聯(lián)模型，識別影響能量平衡的關(guān)鍵節(jié)點和通信鏈路；

5、s3、結(jié)合拓撲相變理論與逆博弈學(xué)習(xí)算法，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中可能發(fā)生的拓撲變化，通過推演各節(jié)點在拓撲變化中的策略行為，生成節(jié)點任務(wù)分配和能量消耗策略，實現(xiàn)能量負載的全局平衡；

6、s4、基于生成的節(jié)點任務(wù)分配策略，構(gòu)建動態(tài)調(diào)度模型，動態(tài)調(diào)整各節(jié)點的任務(wù)分配，以應(yīng)對實時的網(wǎng)絡(luò)變化和節(jié)點能量狀態(tài)；

7、s5、應(yīng)用反熵驅(qū)動的動態(tài)調(diào)度算法，通過計算網(wǎng)絡(luò)整體的熵增速率，優(yōu)先識別并處理可能導(dǎo)致能量不平衡的節(jié)點和路徑；

8、s6、執(zhí)行生成的動態(tài)調(diào)度策略，依據(jù)拓撲相變與逆博弈推演的結(jié)果，以及反熵驅(qū)動的計算，動態(tài)調(diào)整各節(jié)點的任務(wù)分配和通信路徑；

9、s7、實時監(jiān)測動態(tài)調(diào)度策略的執(zhí)行情況，通過監(jiān)測結(jié)果評估節(jié)點能量消耗和網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，持續(xù)優(yōu)化調(diào)度策略；

10、s8、基于調(diào)度策略的執(zhí)行評估結(jié)果，定期生成能量負載平衡優(yōu)化報告，分析全網(wǎng)能量利用效率，并對網(wǎng)絡(luò)整體進行持續(xù)優(yōu)化。

11、可選的，所述s3包括以下步驟：

12、s31、基于s2中建立的網(wǎng)絡(luò)拓撲與節(jié)點能量狀態(tài)的關(guān)聯(lián)模型，定義網(wǎng)絡(luò)拓撲圖g(v,e)，其中v表示節(jié)點集合，e表示節(jié)點間的通信鏈路，每個節(jié)點i的能量狀態(tài)表示為ei(t)，通信鏈路質(zhì)量表示為qij(t)，節(jié)點之間的距離表示為dij；

13、s32、應(yīng)用拓撲相變理論，分析網(wǎng)絡(luò)的臨界狀態(tài)，定義一個拓撲相變驅(qū)動矩陣m(t)，m(t)的元素mij(t)表示節(jié)點i和j在時間t處的相互作用強度，計算每個節(jié)點的局部相變系數(shù)θi(t)：

14、

15、其中，θi(t)為節(jié)點i在時間t的局部相變系數(shù)，衡量節(jié)點i周圍的拓撲相變潛力；vi為節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合，表示與節(jié)點i直接通信的其他節(jié)點；|vi|為鄰居節(jié)點集合的大小，表示與節(jié)點i直接相連的節(jié)點數(shù)目；mij(t)為節(jié)點i和節(jié)點j在時間t處的相互作用強度；ei(t)和ej(t)為節(jié)點i和節(jié)點j在時間t的剩余能量；∈為調(diào)節(jié)參數(shù)，用于控制能量差異對相變系數(shù)的影響，通常是一個小的正數(shù)，決定了能量差異對局部相變系數(shù)的敏感性；為衰減因子，用于描述兩個節(jié)點之間的能量差異對節(jié)點相互作用的影響，能量差異越大，衰減越明顯；

16、s33、當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的全局相變系數(shù)θ(t)＝∑i∈vθi(t)超過臨界值θc時，表明網(wǎng)絡(luò)即將進入拓撲相變狀態(tài)；此時，應(yīng)用逆博弈學(xué)習(xí)算法優(yōu)化節(jié)點策略；節(jié)點i的策略優(yōu)化目標為最小化節(jié)點能量消耗與局部相變系數(shù)的變化：

17、

18、其中，為節(jié)點i的最優(yōu)策略組合，表示節(jié)點在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下采取的能量消耗和任務(wù)分配策略；為節(jié)點i的策略si對鄰居節(jié)點j的局部相變系數(shù)變化的影響，表示策略選擇如何改變鄰居節(jié)點的相變潛力；ei(t)為節(jié)點i在時間t時的剩余能量；λ為調(diào)節(jié)系數(shù)，平衡能量消耗與相變系數(shù)之間的關(guān)系；為能量消耗的變化率，用于控制節(jié)點策略對能量消耗的敏感性；

19、s34、在得到節(jié)點最優(yōu)策略后，構(gòu)建能量負載分布方程，描述節(jié)點任務(wù)分配與能量消耗的動態(tài)變化：

20、

21、其中，ei(t+1)為時間t+1時節(jié)點i的剩余能量，表示在執(zhí)行策略后節(jié)點的能量狀態(tài)；α為能量消耗系數(shù)，表示任務(wù)分配對能量消耗的影響程度；qij(t)為節(jié)點i和節(jié)點j之間在時間t時的通信鏈路質(zhì)量；dij為節(jié)點i和節(jié)點j之間的物理距離；β為調(diào)節(jié)系數(shù)，控制相變系數(shù)對能量消耗的影響程度；為相變系數(shù)比值，描述節(jié)點i和j的相變潛力對能量消耗的相對影響；

22、s35、基于逆博弈學(xué)習(xí)得到的最優(yōu)策略組合計算網(wǎng)絡(luò)在多種策略組合下的全局能量負載l(t)：

23、

24、其中，l(t)為時間t時全網(wǎng)絡(luò)的能量負載，衡量網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量分布的均勻性和拓撲穩(wěn)定性；ei(t+1)為時間t+1時節(jié)點i的剩余能量；為時間t+1時全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均能量；δ為調(diào)節(jié)系數(shù)，平衡能量分布均衡性和拓撲相變的穩(wěn)定性；θi(t)和θj(t)為節(jié)點i和j在時間t的局部相變系數(shù)，表示它們在相變中的潛在作用；

25、s36、根據(jù)最優(yōu)策略組合動態(tài)調(diào)整節(jié)點任務(wù)分配和通信路徑；

26、s37、實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，若檢測到新的相變臨界點或能量分布異常，重新應(yīng)用逆博弈學(xué)習(xí)算法進行策略優(yōu)化；

27、s38、將最終優(yōu)化后的任務(wù)分配和能量消耗策略輸入到后續(xù)的調(diào)度執(zhí)行中。

28、可選的，所述s4包括以下步驟：

29、s41、基于生成的節(jié)點任務(wù)分配策略定義每個節(jié)點的任務(wù)負載函數(shù)ti(t)，描述節(jié)點i在時間t時的任務(wù)分配情況，其中αi(t)為節(jié)點i在時間t的負載調(diào)節(jié)系數(shù)，表示節(jié)點在當(dāng)前狀態(tài)下的任務(wù)負載能力；為節(jié)點i的最優(yōu)策略組合；

30、s42、考慮節(jié)點能量狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)拓撲的實時變化，通過調(diào)節(jié)系數(shù)αi(t)對任務(wù)負載函數(shù)ti(t)進行動態(tài)調(diào)整；調(diào)節(jié)系數(shù)αi(t)計算公式為：

31、

32、其中，ei(t)為節(jié)點i在時間t時的剩余能量；vi為節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合；qij(t)為節(jié)點i和節(jié)點j之間在時間t時的通信鏈路質(zhì)量；

33、s43、構(gòu)建動態(tài)調(diào)度模型，描述任務(wù)在節(jié)點間的動態(tài)分配過程，動態(tài)調(diào)度模型d(t)表示為：

34、

35、其中，d(t)為時間t時的動態(tài)調(diào)度模型，表示任務(wù)在整個網(wǎng)絡(luò)中的分配情況；ti(t)為節(jié)點i在時間t的任務(wù)負載函數(shù)；|vi|為節(jié)點i的鄰居節(jié)點數(shù)量；

36、s44、結(jié)合動態(tài)調(diào)度模型和節(jié)點任務(wù)負載函數(shù)，對節(jié)點的任務(wù)分配和通信路徑進行實時調(diào)整，根據(jù)節(jié)點的能量消耗變化和通信鏈路質(zhì)量波動，動態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略p*：

37、

38、其中，p*(t)為時間t時的最優(yōu)調(diào)度策略組合，表示在給定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的任務(wù)和通信路徑分配策略；γ為調(diào)節(jié)系數(shù)，平衡任務(wù)分配和通信鏈路質(zhì)量之間的關(guān)系；

39、s45、在實際應(yīng)用中，節(jié)點依據(jù)動態(tài)調(diào)度模型和最優(yōu)調(diào)度策略組合，實時調(diào)整任務(wù)分配和通信路徑，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的能量消耗變化和拓撲結(jié)構(gòu)變化，維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和能量負載平衡；

40、s46、實時監(jiān)測節(jié)點任務(wù)分配和能量消耗情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對調(diào)節(jié)系數(shù)αi(t)和調(diào)度策略p*(t)進行自適應(yīng)調(diào)整。

41、可選的，所述s5包括以下步驟：

42、s51、定義網(wǎng)絡(luò)的能量狀態(tài)矩陣e(t)，其中每個元素ei(t)表示節(jié)點i在時間t的剩余能量，基于矩陣e(t)，計算整個網(wǎng)絡(luò)的初始能量熵h(t)：

43、

44、其中，h(t)為時間t時網(wǎng)絡(luò)的能量熵，用于量化網(wǎng)絡(luò)中能量分布的均勻性；ei(t)為節(jié)點i在時間t的剩余能量；v為整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合；

45、s52、基于初始能量熵h(t)，定義熵增速率δh(t)，用于表征網(wǎng)絡(luò)在能量分布上的變化趨勢；

46、s53、應(yīng)用反熵驅(qū)動機制，通過調(diào)節(jié)節(jié)點的任務(wù)分配和能量消耗策略，抑制熵增速率δh(t)的過快增長；節(jié)點i的優(yōu)化策略目標為最小化對全局熵增速率的貢獻：

47、

48、其中，為節(jié)點i的最優(yōu)調(diào)度策略，表示節(jié)點在當(dāng)前狀態(tài)下的能量消耗和任務(wù)分配；δhi(t)為節(jié)點i對網(wǎng)絡(luò)整體熵增速率的貢獻；為節(jié)點i的策略對鄰居節(jié)點j的熵增速率的影響；qij(t)為節(jié)點i和節(jié)點j之間在時間t的通信鏈路質(zhì)量；ζ調(diào)節(jié)系數(shù)，控制節(jié)點策略對熵增速率的影響；為能量差異影響因子，表示能量差異對相互作用的影響；

49、s54、基于上述優(yōu)化策略，構(gòu)建反熵驅(qū)動的全局調(diào)度模型，描述在節(jié)點任務(wù)分配和通信路徑調(diào)整下的能量熵變化趨勢：

50、

51、其中，δhtotal(t+1)為時間t+1時的全局熵增速率，描述網(wǎng)絡(luò)整體能量熵的變化；為節(jié)點i的最優(yōu)策略組合；為全局熵增抑制因子，用于減緩熵增速率的過快增長；

52、s55、在實際應(yīng)用中，節(jié)點根據(jù)反熵驅(qū)動的調(diào)度策略，實時調(diào)整任務(wù)分配和通信路徑，以應(yīng)對能量消耗變化和網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，維持網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性和能量負載平衡；

53、s56、通過對網(wǎng)絡(luò)的全局熵增模型進行實時監(jiān)測，識別可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的節(jié)點和路徑，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)整調(diào)度策略組合p*(t)；

54、s57、動態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略組合p*(t)，在不增加全局熵增的前提下，提升網(wǎng)絡(luò)的能量分布均衡性，同時抑制局部能量消耗的過快增長。

55、可選的，所述s6包括以下步驟：

56、s61、基于拓撲相變與逆博弈學(xué)習(xí)算法的推演結(jié)果，以及反熵驅(qū)動的調(diào)度策略，定義節(jié)點任務(wù)分配函數(shù)fi(t)，表示節(jié)點i在時間t時的任務(wù)分配策略；任務(wù)分配函數(shù)定義為：

57、

58、其中，fi(t)為節(jié)點i在時間t時的任務(wù)分配函數(shù)；為節(jié)點i的最優(yōu)策略組合；zi(t)為節(jié)點i的標準化因子；δhi(t)為節(jié)點i對網(wǎng)絡(luò)整體熵增速率的貢獻；h(t)為時間t時網(wǎng)絡(luò)的能量熵；

59、s62、結(jié)合拓撲相變預(yù)測和逆博弈學(xué)習(xí)算法的結(jié)果，更新每個節(jié)點的通信路徑選擇函數(shù)pi(t)，函數(shù)pi(t)描述了節(jié)點i在時間t時選擇的通信路徑：

60、

61、其中，pi(t)為節(jié)點i在時間t時的通信路徑選擇函數(shù)；qij(t)為節(jié)點i與節(jié)點j之間的通信鏈路質(zhì)量；dij為節(jié)點i與節(jié)點j之間的物理距離；δhj(t)節(jié)點j對網(wǎng)絡(luò)整體熵增速率的貢獻；

62、s63、基于節(jié)點任務(wù)分配函數(shù)fi(t)和通信路徑選擇函數(shù)pi(t)，構(gòu)建全局能量負載模型etotal(t)，描述網(wǎng)絡(luò)中能量的實時分布情況；

63、s64、執(zhí)行生成的全局能量負載模型etotal(t)，根據(jù)節(jié)點的任務(wù)分配和通信路徑選擇實時調(diào)整各節(jié)點的操作；

64、s65、在實際操作過程中，實時監(jiān)測節(jié)點的能量消耗和通信鏈路質(zhì)量，并基于這些監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整標準化因子zi(t)和調(diào)度策略組合

65、s66、根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果，自適應(yīng)調(diào)整全局能量負載模型和各節(jié)點的任務(wù)分配與通信路徑，以應(yīng)對動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，維持網(wǎng)絡(luò)的整體性能和能量負載平衡；

66、s67、定期評估全網(wǎng)絡(luò)的能量負載模型和實際調(diào)度效果，并生成優(yōu)化報告，為后續(xù)的動態(tài)調(diào)度策略提供數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化方向。

67、本發(fā)明的有益效果是：

68、(1)本發(fā)明提出了一種用于無線物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點能量負載平衡的動態(tài)調(diào)度方法，通過結(jié)合拓撲相變理論與逆博弈學(xué)習(xí)算法，動態(tài)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，并基于節(jié)點能量狀態(tài)生成最優(yōu)的任務(wù)分配策略，有效地實現(xiàn)了能量負載的全局平衡，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和壽命，特別是在節(jié)點能量消耗不均衡和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境頻繁變化的情況下表現(xiàn)尤為突出。

69、(2)本發(fā)明引入了反熵驅(qū)動的動態(tài)調(diào)度算法，通過計算網(wǎng)絡(luò)整體的熵增速率，優(yōu)先識別并處理可能導(dǎo)致能量不平衡的節(jié)點和路徑，從而優(yōu)化節(jié)點的能量調(diào)度策略。通過反熵驅(qū)動機制，實時抑制全局能量熵的過快增長，確保在復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，能量分布的均衡性得以維持，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率和魯棒性。

70、(3)本發(fā)明通過實時監(jiān)測動態(tài)調(diào)度策略的執(zhí)行情況，并基于監(jiān)測結(jié)果對調(diào)度策略進行持續(xù)優(yōu)化，確保了各節(jié)點任務(wù)分配和通信路徑的動態(tài)調(diào)整，適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化和能量消耗情況，增強了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，從而在多變的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中有效維持網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性。

71、(4)本發(fā)明構(gòu)建了一個全局能量負載模型，通過動態(tài)調(diào)度模型和反熵驅(qū)動算法的協(xié)同作用，動態(tài)調(diào)整各節(jié)點的任務(wù)分配和通信路徑，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中能量負載的實時平衡。不僅有效避免了因節(jié)點能量耗盡引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)失效，還通過多層次的動態(tài)調(diào)度策略，提升了網(wǎng)絡(luò)的整體能量利用效率和節(jié)點間的協(xié)同工作能力。