[发明专利]一种软件定义传感网集中式路由计算方法

权利要求书

1.一种软件定义传感网集中式路由计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据上层应用需求，数据转发平面中的异构节点向中央控制器报告当前的位置和剩余能量信息；

(2)根据数据转发平面中异构节点报告的信息以及网络限制条件，中央控制器将路由计算问题建模成一个最优化问题：首先建立网络模型，然后将网络分簇并选取簇首节点，最后在簇首节点之间建立多跳路由；该步骤的具体过程如下：

(201)建立网络模型

网络区域大小为M×M，G＝(V,E)表示网络的有向图，其中V表示节点集，包括普通传感器节点集V₁、软件定义传感节点集V₂、控制节点集V₃以及一个中央控制器，E表示有向边集；

(202)确定网络分簇并选取簇首节点

从软件定义传感节点中选出部分节点作为簇首节点，并将网络分成若干簇，剩下的没有被选作簇首节点的软件定义传感节点被当作普通传感节点，每个簇包含一个簇首节点和一些普通传感节点，簇内普通传感节点通过单跳将数据发送给簇首节点，簇首节点对数据进行压缩；W(t)∈V₂表示t时刻的簇首节点集，U(t)∈V₁+V₂-W(t)表示t时刻的非簇首节点集；

设节点u的有效通信半径为D_u，节点u和节点w之间的距离为d_uw，则节点u和节点w能够通信当且仅当d_uw≤D_u，其中，u∈U(t)，w∈W(t)；(u,w)表示节点u和节点w之间的链路，所有簇内节点和簇首节点能够通信的链路组成一个链路集：ε＝{(u,w)|d_uw≤D_u,u∈U(t),w∈W(t)}，f_(u,w)(t)表示t时刻经过链路(u,w)上的流，则在单位时间内节点u发送f_(u,w)(t)bits数据所消耗的能量为：

其中，d₀是距离阈值，E_elect为射频能耗系数，E_fs和E_mp分别为不同信道传播模型下的功率放大电路能耗系数，当传输距离小于d₀时，信道传输模型为自由空间信道模型，此时功率放大电路系数为E_fs，当传输距离大于d₀时，信道传输模型为多径衰落信道模型，此时功率放大电路系数为E_mp，则在单位时间内节点u接收f_(u,w)(t)bits数据所消耗的能量为：

设表示非簇首节点u的能量负载，表示簇首节点w的能量负载，则有：

其中，E_u表示非簇首节点u的剩余能量，E_U表示节点u的初始能量；E_w表示簇首节点w的剩余能量，E_W表示节点w的初始能量；利用Jain公平指数，得能量平衡因子ξ为：

其中，γ为权重因子，|U(t)|、|W(t)|分别为U(t)、W(t)的长度，从而建立并求解如下最优化问题：

目标函数：maxξ

约束条件：

其中，E_v为软件定义节点的能量，c(u,w)为该链路单位时间内信息量的上限，R_w(t)为对应簇首节点可获得的数据率；

(203)确定簇首节点间多跳路由

确定簇首节点到控制节点的最优多跳路径从而平衡簇首节点的负载，减少簇首节点的能量消耗：首先找到所有簇首节点到控制节点能够获得的路径{L_m＝(m,k)|m,k∈W(t)ork∈V₃}，然后采用启发式算法从L_m中确定簇间多跳路径；

(3)根据计算出的路由信息，中央控制器以“流表”的形式将需要完成的数据采集任务和路径信息传递给网络中的节点；

所述“流表”包括数据流表和控制流表，其中，控制流表定义了网络中路由信息的帧格式，包括5个部分：specified ID域，用于标识控制流表的目的节点和控制报文的转发；action域，有转发和丢弃两种动作；value域，与action域相关的数值，当action域为转发时，value域中的值表示下一跳的节点ID；task域，表示数据平面需执行的任务；time-out域，用于记录当前时间；数据流表定义了网络中节点进行数据传输的帧格式，包括6个部分：specified ID域，用于数据帧匹配；action域；value域；data域，表示传感器节点采集的数据；count域，表示数据报文的计数；time-out域；

(4)数据转发平面中的节点按照“流表”采集数据并上传给中央控制器。