CN105530679A - 一种基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，该方法为：当监测区域有突发业务时，管控中心执行路由调整过程，包括如下步骤：根据SDSN节点剩余能量情况选择接入节点，执行最小跳数路由发现，根据网络中数据业务情况和接入节点功率上限计算最优接入节点发射功率和各链路业务流速率矩阵，根据计算结果生成镜像文件并传输给各SDSN节点、SDSN节点接收管控中心分发的镜像文件并通过重编程调整发射功率及路由。整个路由协议可在基于CC2530和PC搭建的平台上验证。该方法有效实现了网络中控制平面和数据转发平面的解耦，弥补了传统传感器网络分布式算法收敛性差、调整延时的缺点，确保了网络的稳定性和鲁棒性。

Description

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

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

本发明方法包括如下步骤：

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；

2)管控中心执行路由发现过程，得到所有可用链路集合；

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；

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。

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。

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：

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和各链路上业务流速率矩阵F；

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；

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F^*和接入链路的可达传输速率

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。

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：

$\tilde{p}\left(\tilde{r}\right)={(I+G-diag(e^{\tilde{r}}\left)G\right)}^{-1}diag(e^{\tilde{r}}-1)v$

其中，为接入节点发射功率，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。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

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Bluetooth、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

图1SDSN工作场景

图2突发业务发生，SDSN重新配置路由

图3路由协议实现流程图

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

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其中n₁表示普通节点数；SDSN节点集合其中n₂表示SDSN节点数。所有节点及管控中心的集合为系统工作在离散时隙序列上，时隙t表示时间区间[t,t+1)，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。

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：

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

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：

a、假设所有接入节点组成集合找出区域内所有可以一跳与中节点通信的普通节点为集合并将这些一跳链路加入可用链路集合

b、在剩余的节点中找出所有可以一跳与中节点通信的节点为集合同样将这些单跳链路加入可用链路集合

c、重复上述过程，直到区域内所有节点都能通过一跳或多跳与管控中心通信。路由发现过程结束即可以得到所有可用链路集合并且假设各直通链路对应一个发射节点和一个接收节点 和分别表示以节点v为发射节点和接收节点的链路集合。

3)管控中心根据网络中各业务数据到达率、接入节点的功率上限、可用链路的流速率上限，以最大化系统吞吐量为目标，计算最优的接入链路传输速率和各链路上业务流速率矩阵F^*，具体过程如下：

a、首先，计算各链路的接收SINR。对于给定链路l，其SINR为：

${\mathrm{\γ}}_l\left(t\right)=\frac{h_{ll}\left(t\right)p_l\left(t\right)}{N_l+{\mathrm{\Σ}}_{k\≠l}{h}_{kl}\left(t\right)p_k}$

其中，p_l(t)为链路l在时隙t时的发射功率，元素h_kl表示时隙t从发射节点b(k)到接收节点e(l)的信道功率增益，N_l为其他噪声在链路l上的总和。

b、计算链路l在时隙t的可达数据传输速率：

R_l(t)＝log(1+γ_l(t))

对于普通节点，假设其发射功率确定，即R_l(t)为固定值，且不随时间t变化。而对于接入节点，其发射功率在每轮开始前由管控中心进行集中式配置，且受限于门限值即：

c、根据业务流m在各节点上到达的数据量应大于等于传输的数据量得到约束条件一、二：

其中，M为t时刻系统中端到端业务流数量，其集合为各个业务流的源节点构成集合α_m(t)为业务流m产生的数据量。f_l,m(t)≥0为业务流m在t时刻链路l上的流速率，f(t)为所有f_l,m(t)构成的向量。

d、根据链路上的业务流传输速率之和不能超过该链路的可达数据传输速率得到约束条件三：

e、系统应尽量将业务流上传至管控中心，得到系统目标的数学表达式：

$max\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{l\∈o\left(s_m\right)}{\Σ}{J}_{l,m}\left(t\right)f_{l,m}\left(t\right),$

其中变量为F(t)，即系统目标为最大化系统吞吐量；

f、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。具体为：引入非负矩阵 $G_{k,1}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{H_{k,l}}{H_{l,l}}& k\≠l\\ 0& Otherwise\end{array}\right.$ 和向量 $v={(\frac{n_1}{H_{1,1}},\frac{n_2}{H_{2,2}},...,\frac{n_L}{H_{L,L}})}^T,$ 得到和之间的一一对应关系：

$\tilde{p}\left(\tilde{r}\right)={(I+G-diag(e^{\tilde{r}}\left)G\right)}^{-1}diag(e^{\tilde{r}}-1)v$

接着定义矩阵和得到转换后的问题参数为接入链路的可达传输速率和各链路上业务流速率矩阵F；

g、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：

$\begin{array}{c}L(f_{l,m},\tilde{r},\mathrm{\η},\mathrm{\β},\mathrm{\μ},w,u)\\ =\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{l\∈o\left(s_m\right)}{\Σ}{f}_{l,m}-{\mathrm{\η}}^T(\underset{m\∈M}{\Σ}{f}_{l,m}-r)-{\mathrm{\β}}^T(\underset{m\∈M}{\Σ}{f}_{l,m}-\tilde{r})\\ -{\mathrm{\μ}}^T\left(\log \mathrm{\ρ}\tilde{B}diag\right(e^{\tilde{r}}\left)\right)-w^T(\underset{l\∈O\left(v\right)}{\Σ}{f}_{l,m}-\underset{k\∈T\left(v\right)}{\Σ}{f}_{k,m})-{\mathrm{\υ}}^T(\underset{l\∈O\left(s_m\right)}{\Σ}{f}_{l,m}-\mathrm{\α})\end{array}$

其中η,β,μ,w,υ为相应的拉格朗日乘子。并得到对偶问题：

min

D(η，β，μ，w，υ)

η≥0,β≥0,μ≥0,w≥0,υ≥0

其中， $D(\mathrm{\η},\mathrm{\β},\mathrm{\μ},w,\mathrm{\υ})=\begin{array}{c}\max \\ F,\tilde{r}\end{array}L(F,\tilde{r},\mathrm{\η},\mathrm{\β},\mathrm{\μ},w,\mathrm{\υ}).$

h、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F^*和接入链路的可达传输速率其中：

${\mathrm{\η}}_l(t+1)={\[{\mathrm{\η}}_l\left(t\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{t}\left(\underset{m\∈M}{\mathrm{\Σ}}{f}_{l,m}\right(t)-r_l)\]}^{+},$

${\mathrm{\β}}_l(t+1)={\[{\mathrm{\β}}_l\left(t\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{t}\left(\underset{m\∈M}{\mathrm{\Σ}}{f}_{l,m}\right(t)-{\tilde{r}}_l(t\left)\right)\]}^{+},$

${\mathrm{\μ}}_l(t+1)=\[{\mathrm{\μ}}_l\left(t\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{t}{\left(log\mathrm{\ρ}\right({\tilde{B}}_{l}diag\left(e^{\tilde{r}\left(t\right)}\right))\]}^{+},$

${\mathrm{\υ}}_l(t+1)={\[{\mathrm{\υ}}_l\left(t\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{t}\left(\underset{l\∈O\left(s_m\right)}{\mathrm{\Σ}}{f}_{l,m}\right(t)-{\mathrm{\α}}_m)\]}^{+},$

$w_l(t+1)=\[w_l\left(t\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}}{t}{\left(\right(\underset{l\∈O\left(v\right)}{\Σ}{f}_{l,m}\left(t\right)-\underset{k\∈T\left(v\right)}{\Σ}{f}_{k,m}\left(t\right))\]}^{+}.$

t为迭代步长，ε为迭代步长参数。

i、根据和接入节点的发射功率之间的对应公式，得到最优的接入节点发射功率

4)管控中心根据所述步骤3)计算得到的各链路上业务流速率矩阵F^*和接入节点发射功率生成镜像文件，并将镜像文件传输至各SDSN节点。SDSN节点通过OTA方法从管控中心处下载新的镜像文件并进行CRC校验。接着，SDSN节点通过硬件的重编程调整发射功率及路由，实现网络路由的集中式动态调整。

为验证所提出的SDSN中路由协议，构建基于SDN的异构无线传感器网络实验平台。SDSN中新型节点可基于TI公司的CC2530进行扩展得到，采用的片外flash(M25PE20)容量为256KB，通过SPI总线与CC2530之间传输数据。PC机和一个协调器节点共同担任管控中心。协调器节点负责向SDSN节点无线发送升级镜像，并通过串口与PC连接，可以向管控中心汇报节点更新进度信息等。SDSN节点通过OTA方法从协调器处下载新的镜像文件并进行CRC校验。当通过CRC校验后，节点把新镜像从第二存储区复制到第一存储区，新固件开始运行，从而实现硬件的重编程以调整节点发射功率及网络路由。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

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；

2)管控中心执行路由发现过程，得到所有可用链路集合；

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；

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。

2.如权利要求1所述的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，其特征在于：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。

3.如权利要求1所述的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，其特征在于：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：

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和各链路上业务流速率矩阵F；

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；

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F^*和接入链路的可达传输速率

4.如权利要求1、2或3所述的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，其特征在于：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。

5.如权利要求1、2或3所述的基于软件定义网络的无线传感器网络路由方法，其特征在于：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：

$\tilde{p}\left(\tilde{r}\right)={(I+G-diag(e^{\tilde{r}}\left)G\right)}^{-1}diag(e^{\tilde{r}}-1)v$

其中，为接入节点发射功率，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。