[发明专利]一种软件定义传感网集中式路由计算方法

说明书

本发明公开了一种软件定义传感网集中式路由计算方法。将周期性信息采集与集中式决策相结合，首先中央控制器采集节点信息，然后中央控制器进行路由计算并将路径信息以“流表”的形式传递给网络中的节点，最后节点按要求采集数据并将数据上传给中央控制器。其中路由计算过程是本发明的重点，根据数据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；最后基于簇首节点的负载均衡，在簇首节点之间建立多跳路由。本发明能够有效平衡软件定义传感网中节点的能耗和负载，提高了软件定义传感网的网络生命和资源的利用率。

技术领域

本发明属于移动通信技领域，特别涉及了一种软件定义传感网集中式路由计算方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)是一种分布式传感网络，由大量按需部署的各类传感器节点组成。这些节点具有自组织、自恢复和自适应的特点，通过无线通信的方式协同感知和采集监测区域内的信息。WSNs低成本、低功耗和传感器多功能的特性使其在环境感测，栖息地监测和跟踪，军事防御等领域被广泛应用，引发了无线传感器及其相关研究领域对人类世界的变革。

随着WSNs的快速发展，关于WSNs的研究在取得了突破性进展的同时，WSNs也存在着固有的缺点。一方面，传统的WSNs一般为具体应用而设计，各个节点的行为属性在部署时已确定，很难再更改；另一方面，由于节点资源有限(如处理器，内存，能量等)，难以实现全局网络优化和智能管理。

为解决以上问题，我们将基于OpenFlow的软件定义网络(Software-DefinedNetwork，SDN)架构引入WSNs领域。SDN是一个新兴的网络架构，有希望改变当前网络基础设施的局限性。一方面，它将网络的控制逻辑(控制平面)从下层负责转发数据的路由机和交换机(数据平面)分离出来，打破了传统网络架构的垂直统一管理架构。另一方面，随着控制平面和数据平面的分离，网络交换机变成简单的转发设备，控制平面由逻辑上集中的中央控制器(或网络操作系统)实现，大大简化了策略实施和网络重配置。因此为了改进现有的无线传感器网络，基于SDN的新兴传感器网络架构，即软件定义传感器网络(Software-Defined Sensor Network,SDSN)，在一些文献中已经被提出。Kreutz D等人在文献“Software-Defined Networking:A Comprehensive Survey”(软件定义网络：一个全面的调研)(Proceedings of the IEEE[J],2014,103(1):10-13)给出了SDSN的基本架构，主要由一个传感控制服务器和一些软件定义传感器节点组成。SDSN是一种即使在网络部署完成后仍可以通过与传感器节点通信来改变节点的功能的新型网络模式。允许通过集中式管理和网络设备控制程序来提高网络的可靠性。一个SDSN节点可以配备几个不同类型的传感器，例如：超声波传感器、光电传感器、红外传感器等，其中每一个传感器都负责一个特定的感测任务。SDSN节点能根据注入其中的程序进行不同的传感任务。SDSN不仅改变了传统WSN部署成本较高，不同厂商开发的无线传感器网络之间难以进行通信，以及硬件回收难等问题，同时也增加网络的灵活性，实现了从感知到服务的实时响应。

目前，WSNs的路由协议已相对成熟，但绝大多数都是针对分布式网络结构，难以直接应用到SDSN中。同时，现有的WSN路由协议设计主要考虑了如何降低整个网络的能量消耗，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的不周全。由于环境变化，节点能量和信道带宽限制，网络节点加入、退出或移动等因素的影响，其路由协议在适应高拓扑变化上面临着巨大挑战。基于SDSN架构的集中式路由计算方法可以解决传统WSN中路由算法面临的问题，通过将路由计算从网络节点处移至中央控制器，可以降低网络节点的能耗。与分布式路由协议相比，集中式路由协议具有易于管理，低功耗，传感器节点简单等优点。

发明内容