一种基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于SDN的异构无线传感器网络中联合功率控制的路由协议，属 于无线传感器网络中的路由协议领域。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是一种综合信息感知采集、融合传输和信息处理功能于一体的智 能网络信息系统。十几年的发展使无线传感器网络中的关键技术如路由传输协议、拓扑控 制和数据融合等趋于成熟，但同时也迎来了瓶颈：1)、传统WSN为特定应用而设计，硬件标准 不统一且难以复用；2)、受节点的能量、计算能力等资源限制，WSN缺乏弹性改变能力，需通 过手动更新配置才能改变节点功能;3)、现有理论体系的分布式架构构建于多年以前，难以 引入网络管理系统对WSN进行动态跟踪管理。
[0003] 而近几年兴起的SDN技术正可以为上述难题带来解答。SDN技术的核心思想是将传 统的控制逻辑和数据转发功能紧耦的网络解耦成应用、控制、基础转发设施三层分离架构。 已有研究指出SDN技术以其灵活性、动态性和可编程等特性可以带来集中式控制、降低网络 复杂度、减少网络设备开销等好处。OpenFlow作为SDN的原型实现方式，代表了 SDN控制转发 分离架构的技术实现。如今关于基于SDN的无线传感器网络（SDSN)的研究也越来越多。例 如，有研究提出了 SDSN节点的硬件设计方案，尽可能在能耗较低的情况下实现节点重编程 的功能；另一些研究人员则尝试改造 OpenFlow协议来适应无线传感器网络的特点。但关于 SDSN的研究还处于起步阶段，在拓扑控制、路由协议优化等方面存在很多问题，技术也并不 成熟，许多方面需要深入探索和研究。
[0004] 在无线传感器网络中，无线传感器网络路由算法是指在传感网络中将监测数据从 监测区域转发到目的区域的一种方法。需要综合考虑节点的感测能力、计算处理能力、通信 能力和能量等异构特性以平衡每个节点的能量消耗速率，将传感到的数据及时有效的转发 到目的区域。在SDSN中，源节点到目的节点的路由选择对于整个无线传感器网络系统的性 能具有重要作用。传统无线传感器网络路由基本上都是基于分布式算法得到的，在路由协 议的自适应性以及动态环境下路由协议的性能方面考虑不周全。因受外界环境变化，节点 能量和信道带宽限制，网络节点加入、退出或移动等因素影响，无线传感器网络拓扑变化往 往较为频繁。由于采用分布式的方法，网络节点不能有效获取全网节点在位置、剩余能量、 感知范围、发射功率等方面的信息，单节点只能根据自身及其相邻节点的信息进行局部的 网络控制，因此网络的性能不能达到全局最优。而且当网络发生突发事件时，由于缺乏一个 集中的管控中心，网络资源不能实时有效的传递到突发区域，网络路由的调整存在一定滞 后性。
[0005] 而由于软件定义传感网的相关特性，当有突发事件发生时SDSN管控中心可以接收 到源节点发起的数据发送请求，管控中心根据网络中的业务数据状态集中调取网络中的有 效信息用于路由计算，并将计算得到的路由表通过改进的OpenFlow协议广播，以达到集中 控制下整个网络的当前业务下的最优路由。借助SDN特性很容易使SDSN中路由算法具有很 强的实时性、灵活性，且集中式算法更易得到全局最优解。因此很有必要对SDSN中路由算法 进行深入的研究。
【发明内容】
[0006] 技术问题:本发明提供一种借助SDN技术的特点以集中式的方法动态地优化网络 路由，在保证业务服务质量的同时最大化系统吞吐量的基于软件定义网络的无线传感器网 络路由方法。
[0007] 技术方案:本发明的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法在无线传感器 网络中增设了 SDSN节点和集中式管控中心，管控中心首先检测网络中是否有突发业务，当 有突发业务时，管控中心开始调整网络路由，具体包括接入节点的选择，路由发现过程，最 优接入节点发射功率和各链路业务流速率矩阵的计算，镜像文件的生成与传输、SDSN节点 接收镜像文件并重编程四个过程。
[0008] 本发明方法包括如下步骤：
[0009] 1)管控中心根据各SDSN节点的剩余能量情况，选择剩余能量前P%的SDSN节点作 为接入节点担任网关功能，P%为网络期望的接入节点百分比；
[0010] 2)管控中心执行路由发现过程，得到所有可用链路集合；
[0011] 3)管控中心根据网络中业务数据到达情况和接入节点功率上限，以最大化系统吞 吐量为目标进行计算，得到最优的接入链路传输速率和各链路上业务流速率矩阵;然后根 据接入链路传输速率和接入节点发射功率之间的对应公式，计算得出接入节点发射功率；
[0012] 4)管控中心将所述步骤3)计算得到的各链路上业务流速率矩阵和接入节点发射 功率生成镜像文件，并将所述镜像文件传输至各接入节点；接入节点接收管控中心的镜像 文件，通过重编程调整发射功率及路由。
[0013] 进一步的，本发明方法中，所述SDSN节点根据管控中心的配置进行网络中数据的 转发，通过接收管控中心下发的镜像文件及重编程对自身的发射功率和路由进行调整，且 能够担任网关功能，将网络中的数据融合后上传至管控中心。
[0014] 进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中，最优的接入链路传输速率和各链路上业 务流速率矩阵按照以下方法计算：
[0015] 1)通过参数代换将最大化系统吞吐量问题转化为凸优化问题，得到转换后的问题 参数为接入链路的可达传输速率f和各链路上业务流速率矩阵F;
[0016] 2)将拉格朗日乘子向量引入所述凸优化问题，得到拉格朗日函数和对偶函数；
[0017] 3)通过次梯度方法迭代求出最优的各链路上业务流速率矩阵产和接入链路的可 达传输速率f。
[0018] 进一步的，本发明方法中，所述步骤2)中的路由发现过程由集中式最小跳数路由 发现过程实现。
[0019] 进一步的，本发明方法中，所述步骤3)中接入链路传输速率和接入节点发射功率 之间的对应公式，为：
[0020]
[0021]其中，卩为接入节点发射功率，f为接入链路的可达传输速率，I为对角矩阵，G为各 链路增益比值矩阵，V为各链路噪声和增益比值向量。
[0022]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0023]第一，增设了管控中心和新型SDSN传感器节点来实现网络中控制平面和数据转发 平面的解耦，网络中的节点只需要负责数据流的转发，减少了计算路由的开销，有利于延长 网络生命周期。第二，SDSN节点承担了网关的作用，对SDSN节点进行功能扩展，例如增加 SDSN节点支持的通信方式（如Bluet〇〇th、WiFi等），可以很容易地实现网络功能的扩展。第 三，网络中SDSN节点轮流担任网关节点，有效地实现了网络中节点能量的均衡，有益于平衡 网络消耗，延长网络寿命;第四，相对于传统的分布式无线传感器网络路由算法，SDSN中管 控中心可以集中调取有效信息用于路由计算，集中式控制算法具有很强的实时性、灵活性， 更易得到全局最优解，在研究异构SDSN路由协议方面具有参考价值。
【附图说明】
[0024] 图1 SDSN工作场景
[0025] 图2突发业务发生，SDSN重新配置路由
[0026] 图3路由协议实现流程图
【具体实施方式】
[0027] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0028] 如图1所示，本发明的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法在无线传感 器网络中增设了 SDSN节点和集中式管控中心。网络中普通节点集合1? = {4 = 1.2，...,《1丨，其中 m表示普通节点数;SDSN节点集合V; ={v,，j = l，2,...，/72}，其中n2表示SDSN节点数。所有节点及 管控中心的集合为V。:系统工作在离散时隙序列上，时隙t表示时间区间[t，t+l)，各时隙为 单位长度。管控中心首先检测网络中是否有突发业务，当有突发业务时，管控中心需要对网 络中的路由进行重新调整，尽可能地将系统中的业务数据上传，如图2所示。
[0029] 具体的路由调整过程包括接入节点的选择，路由发现过程，最优接入节点发射功 率和各链路业务流速率矩阵的计算，镜像文件的生成与传输、SDSN节点接收镜像文件并重 编程四个过程。其中，各步骤具体过程如下：
[0030] 1)接入节点选择：只有SDSN节点才能与管控中心直接通信，即成为接入节点。管控 中心根据网络中各SDSN节点剩余能量情况，选择剩余能量前P %的SDSN节点作为接入节点 担任网关功能，P%为网络期望的接入节点百分比。接入节点构成集合W(i)eV2;
[0031 ] 2)路由发现过程:管控中心执行集中式最小跳数路由发现过程，得到网络中所有 可用链路集合。该过程具体步骤如下：