[发明专利]一种基于SDN的UWSNs时空路由架构获取方法

摘要

本发明属于无线传感器网络技术领域，本发明公开了一种基于SDN的UWSNs时空路由架构获取方法。本发明利用SDN技术解耦UWSNs的数据控制平面和数据转发平面，将UWSNs分为数据层、路由层和控制层。在此基础上，定义信标帧以实现网络拓扑感知与数据同步，并实现相关网络链路与控制链路的主动探测；其次，基于感知到的网络拓扑与信息，通过由SDN控制器引导的网络全局层次定位计算，并以此估算网络时空信息；最后，基于网络的时空信息，利用时间扩展网络抽象网络时空特征，继而实现数据时空路由。本发明考虑UWSNs实际复杂的动态时空变化环境，为UWSNs提供一套高效、安全、透明的数据路由架构。

主权项

1.一种基于SDN的UWSNs时空路由架构获取方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)建立基于SDN的UWSNs网络模型：利用SDN将UWSNs网络的数据控制单元从设备转发单元中解耦出来，然后抽象网络功能，将UWSNs网络分为三个层次：(1.1)数据层：主要由水下数据采集传感器组成，拖曳式或非拖曳式传感器对水下工业数据进行采集与监控，并实时请求其在路由层的数据转发或网关节点转发其采集的数据；(1.2)路由层：包括水下网关节点，主要由移动式和拖曳式路由节点组成，用于转发收集数据层节点采集的数据；水下网关节点配有陀螺仪、加速度传感器和压力传感器，用于获得路由节点的方向、速度、加速度和深度，且每个路由节点仅被唯一一个在控制层的SDN控制器所控制；(1.3)控制层：主要由SDN控制器组成，包括局部控制器LC和全局控制器MC，每个局部控制器LC处理其辖区内的路由节点的数据传输控制任务，并由一个统一的布置在水面的全局控制器MC全局协调控制；(2)时空路由构架：分为三个步骤，具体如下：(2.1)拓扑感知：基于SDN的UWSNs网络模型，利用SDN技术定义信标帧，包括DETECT_beacon和SYNC_beacon；其中，DETECT_beacon用于探测控制器与路由节点之间的控制链路及路由节点之间的链路；SYNC_beacon用于将路由节点的信息同步到局部控制器LC或全局控制器MC中，路由节点的信息包括方向、速度、加速度和深度；(2.1.1)利用DETECT_beacon和SYNC_beacon对2种链路时延进行探测：第一种：路由节点u和v在同一局部控制器LC控制范围，则，链路<u,v>的链路时延d(u,v)表达式为：其中，τ_arr(LC)、τ_dep(LC)为在局部控制器LC端记录的DETECT_beacon离开和到达的时间，RTT_LC,u、RTT_LC,v为利用SYNC_beacon在同步路由节点u、v的信息到局部控制器LC的过程中从请求到信息到达的往返时延；第二种：路由节点u由局部控制器LC₁控制和v由局部控制器LC₂控制，路由节点u和v不在同一局部控制器LC控制范围，则，链路<u,v>的链路时延探测需要全局控制器MC介入，d(u,v)表达式为：其中，τ_arr(MC)、τ_dep(MC)为在全局控制器MC端记录的DETECT_beacon离开和到达的时间，为利用SYNC_beacon在同步路由节点u、v的信息到全局控制器MC的过程中从请求到信息到达的往返时延；(2.1.2)基于SDN的UWSNs网络模型的链路时延由数据水下传播时延和传输时延组成，数据水下传播时延由水下距离决定，传输时延由数据上传速率决定，因此，在水声网络中，当数据传输速率和数据传输大小固定后，路由节点u和v的距离的公式计算如下：其中，L_b为数据包大小，为数据上传速率，为声音在水中的传播速度；链路时延和路由节点距离的计算过程在局部控制器LC或全局控制器MC中完成并最终利用SYNC_beacon实现同步和共享；(2.2)网络时空特征估计：通过网络全局层次化地理位置估计算法SDN‑HL并结合在拓扑感知阶段同步获取的路由节点参数，估算网络拓扑及各链路状态、时延的网络时空特征；(2.2.1)通过网络全局层次化地理位置估计算法SDN‑HL实现定位：利用SDN控制器全网收集到的网络信息，根据路由节点深度，将全网按照深度划分层次，然后执行如下操作：选择水面可接收GPS信号的浮标作为参考路由节点，由全局控制器MC引导定位水下第一层路由节点；在第一层选择参考路由节点，定位第二层路由节点，以此类推，直至可探测同步到的所有路由节点都被定位；在选择参考路由节点时，通过决定指数量化参考节点的优劣，路由节点u的决定指数为：其中，x_u、y_u和z_u为路由节点u的坐标，x_v、y_v和z_v为路由节点v的坐标；在路由节点定位时，如果待定位路由节点u的参考路由节点数量大于4，则选择4个决定指数最高的路由节点r₁、r₂、r₃和r₄作为待定位路由节点u的参考路由节点；利用Adam算法优化最小化加权误差表达式，直到min O(r₁,r₂,r₃,r₄)≤th，th为优化边界阈值；再利用最小二乘法计算待定位路由节点u的坐标，并计算待定位路由节点u的决定指数并存储在局部控制器LC中；待定位路由节点u的最小化加权误差min O(r₁,r₂,r₃,r₄)的表达式如下：其中，如果待定位路由节点u的参考路由节点数量等于3，且3个参考路由节点可构成间接链路以扩展节点定位规模，则通过构成间接链路计算第4个参考路由节点，增加参考路由节点的数量；否则待定位路由节点u无法定位，路由节点u不参与目标数据的路由；通过扩展间接连接链路，增加参考路由节点的数量，具体流程如下：1)已知参考路由节点a、b和c为待定位路由节点u的邻节点；由全局控制器MC引导，选取参考路由节点a、b并将a、b和一个待选择的参考路由节点d映射到一个以被定位路由节点u为水平面的二维平面上，映射后的参考路由节点为a'、b'和d'，其中，在拓扑感知阶段，存在链路<a,u>和<b,u>，参考路由节点d和被定位路由节点u不存在直接链路；2)利用勾股定理计算在二维平面上映射的已知参考路由节点a'和b'到被定位路由节点u之间的距离，即计算和3)通过a'、b'和d'的坐标计算和4)利用勾股定理，计算∠ub'a'和∠ab'd'；5)利用余弦定理，计算继而计算6)最后，构成4个参考路由节点a、b、c和d以供待定位路由节点u的定位；(2.2.2)基于SDN‑HL以及在拓扑感知阶段同步得到的路由节点移动方向、速度及加速度信息，获得在时间段T内，路由节点u移动后的坐标为：其中，x_u、y_u和z_u为路由节点u移动前的坐标，和为路由节点u移动后的坐标；和分别为在T时间段内在x、y和z轴移动的距离，根据在拓扑感知阶段获取的路由节点速度、方向和加速度进行计算；经过时段T之后，链路<u,v>的平均链路时延d^T(u,v)的计算公式如下：其中，为在T时间段内，路由节点u和v之间的相对位移；(2.3)时空路由计算：采用时间扩展网络理论构造具有时空信息特征的水声网络，并基于所构造的时间扩展网络计算最优时空路由；时间扩展网络构造方法如下：(2.3.1)收缩网络规模：将原网络中每条链路的链路时延同除以μ，μ的大小根据实际问题规模确定；(2.3.2)构造路由节点集：把时段T划分成|T|个相等的按时序排列的时间间隔，针对每个时间间隔τ∈T，构造路由节点v^[τ]和u^[τ]；(2.3.3)构造边集：针对原网络中的链路<u,v>，基于时变链路时延d^τ(u,v)，τ∈T，构造并且赋权值lnd^τ(u,v)；构造<v^[τ],v^[τ+1]>，τ∈T，并赋权值ln1；最后，基于所构造的时间扩展网络，利用最短路径算法，求得时空路由的最优解。