[發明專利]一種基于SDN的UWSNs時空路由架構獲取方法有效
| 申請號： | 201910225366.1 | 申請日： | 2019-03-25 |
| 公開（公告）號： | CN109831344B | 公開（公告）日： | 2020-05-19 |
| 發明（設計）人： | 韓光潔;林川;杜嘉欣;王照輝 | 申請（專利權）人： | 大連理工大學 |
| 主分類號： | H04L12/24 | 分類號： | H04L12/24;H04L12/751;H04W24/08;H04W40/04;H04W40/12 |
| 代理公司： | 大連理工大學專利中心 21200 | 代理人： | 隋秀文;溫福雪 |
| 地址： | 116024 遼*** | 國省代碼： | 遼寧;21 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 sdn uwsns 時空 路由 架構 獲取 方法 | ||
1.一種基于SDN的UWSNs時空路由架構獲取方法，其特征在于，具體步驟如下：
(1)建立基于SDN的UWSNs網絡模型：利用SDN將UWSNs網絡的數據控制單元從設備轉發單元中解耦出來，然后抽象網絡功能，將UWSNs網絡分為三個層次：
(1.1)數據層：由水下數據采集傳感器組成，拖曳式或非拖曳式傳感器對水下工業數據進行采集與監控，并實時請求其在路由層的數據轉發或網關節點轉發其采集的數據；
(1.2)路由層：包括水下網關節點，由移動式和拖曳式路由節點組成，用于轉發收集數據層節點采集的數據；水下網關節點配有陀螺儀、加速度傳感器和壓力傳感器，用于獲得路由節點的方向、速度、加速度和深度，且每個路由節點僅被唯一一個在控制層的SDN控制器所控制；
(1.3)控制層：由SDN控制器組成，包括局部控制器LC和全局控制器MC，每個局部控制器LC處理其轄區內的路由節點的數據傳輸控制任務，并由一個統一的布置在水面的全局控制器MC全局協調控制；
(2)時空路由構架獲取方法：分為三個步驟，具體如下：
(2.1)拓撲感知：基于SDN的UWSNs網絡模型，利用SDN技術定義信標幀，包括DETECT_beacon和SYNC_beacon；其中，DETECT_beacon用于探測控制器與路由節點之間的控制鏈路及路由節點之間的鏈路；SYNC_beacon用于將路由節點的信息同步到局部控制器LC或全局控制器MC中，路由節點的信息包括方向、速度、加速度和深度；
(2.1.1)利用DETECT_beacon和SYNC_beacon對2種鏈路時延進行探測：
域內節點路由鏈路：路由節點u和v在同一局部控制器LC控制范圍，則，鏈路u,v的鏈路時延d(u,v)表達式為：
其中，τarr(LC)、τdep(LC)為在局部控制器LC端記錄的DETECT_beacon離開和到達的時間，RTTLC,u、RTTLC,v為利用SYNC_beacon在同步路由節點u、v的信息到局部控制器LC的過程中從請求到信息到達的往返時延；
域間節點路由鏈路：路由節點u由局部控制器LC1控制和v由局部控制器LC2控制，路由節點u和v不在同一局部控制器LC控制范圍，則，鏈路u,v的鏈路時延探測需要全局控制器MC介入，d(u,v)表達式為：
其中，τarr(MC)、τdep(MC)為在全局控制器MC端記錄的DETECT_beacon離開和到達的時間，為利用SYNC_beacon在同步路由節點u、v的信息到全局控制器MC的過程中從請求到信息到達的往返時延；
(2.1.2)基于SDN的UWSNs網絡模型的鏈路時延由數據水下傳播時延和傳輸時延組成，數據水下傳播時延由水下距離決定，傳輸時延由數據上傳速率決定，因此，在水聲網絡中，當數據傳輸速率和數據傳輸大小固定后，路由節點u和v的距離的公式計算如下：
其中，Lb為數據包大小，為數據上傳速率，為聲音在水中的傳播速度；
鏈路時延和路由節點距離的計算過程在局部控制器LC或全局控制器MC中完成并最終利用SYNC_beacon實現同步和共享；
(2.2)網絡時空特征估計：通過網絡全局層次化地理位置估計算法SDN-HL并結合在拓撲感知階段同步獲取的路由節點參數，估算網絡拓撲及各鏈路狀態、時延的網絡時空特征；
(2.2.1)通過網絡全局層次化地理位置估計算法SDN-HL實現定位：利用SDN控制器全網收集到的網絡信息，根據路由節點深度，將全網按照深度劃分層次，然后執行如下操作：
選擇水面可接收GPS信號的浮標作為參考路由節點，由全局控制器MC引導定位水下第一層路由節點；在第一層選擇參考路由節點，定位第二層路由節點，以此類推，直至可探測同步到的所有路由節點都被定位；
在選擇參考路由節點時，通過決定指數量化參考節點的優劣，路由節點u的決定指數為：
v為浮標參考節點
其中，xu、yu和zu為路由節點u的坐標，xv、yv和zv為路由節點v的坐標；
在路由節點定位時，如果待定位路由節點u的參考路由節點數量大于4，則選擇4個決定指數最高的路由節點r1、r2、r3和r4作為待定位路由節點u的參考路由節點；利用Adam算法優化最小化加權誤差表達式，直到min O(r1,r2,r3,r4)≤th，th為優化邊界閾值；再利用最小二乘法計算待定位路由節點u的坐標，并計算待定位路由節點u的決定指數并存儲在局部控制器LC中；
待定位路由節點u的最小化加權誤差min O(r1,r2,r3,r4)的表達式如下：
s.t
其中，
如果待定位路由節點u的參考路由節點數量等于3，且3個參考路由節點可構成間接鏈路以擴展節點定位規模，則通過構成間接鏈路計算第4個參考路由節點，增加參考路由節點的數量；否則待定位路由節點u無法定位，路由節點u不參與目標數據的路由；
通過擴展間接連接鏈路，增加參考路由節點的數量，具體流程如下：
1)已知參考路由節點a、b和c為待定位路由節點u的鄰節點；由全局控制器MC引導，選取參考路由節點a、b并將a、b和一個待選擇的參考路由節點d映射到一個以被定位路由節點u為水平面的二維平面上，映射后的參考路由節點為a'、b'和d'，其中，在拓撲感知階段，存在鏈路a,u和b,u，參考路由節點d和被定位路由節點u不存在直接鏈路；
2)利用勾股定理計算在二維平面上映射的已知參考路由節點a'和b'到被定位路由節點u之間的距離，即計算和
3)通過a'、b'和d'的坐標計算和
4)利用勾股定理，計算∠ub'a'和∠ab'd'；
5)利用余弦定理，計算繼而計算
6)最后，構成4個參考路由節點a、b、c和d以供待定位路由節點u的定位；
(2.2.2)基于SDN-HL以及在拓撲感知階段同步得到的路由節點移動方向、速度及加速度信息，獲得在時間段T內，路由節點u移動后的坐標為：
其中，xu、yu和zu為路由節點u移動前的坐標，和為路由節點u移動后的坐標；和分別為在T時間段內在x、y和z軸移動的距離，根據在拓撲感知階段獲取的路由節點速度、方向和加速度進行計算；
經過時段T之后，鏈路u,v的平均鏈路時延dT(u,v)的計算公式如下：
其中，為在T時間段內，路由節點u和v之間的相對位移；
(2.3)時空路由計算：采用時間擴展網絡理論構造具有時空信息特征的水聲網絡，并基于所構造的時間擴展網絡計算最優時空路由；時間擴展網絡構造方法如下：
(2.3.1)收縮網絡規模：將原網絡中每條鏈路的鏈路時延同除以μ，μ的大小根據實際問題規模確定；
(2.3.2)構造路由節點集：把時段T劃分成|T|個相等的按時序排列的時間間隔，針對每個時間間隔τ∈T，構造路由節點v[τ]和u[τ]；
(2.3.3)構造邊集：針對原網絡中的鏈路u,v，基于時變鏈路時延dτ(u,v)，τ∈T，構造并且賦權值lndτ(u,v)；構造v[τ],v[τ+1]，τ∈T，并賦權值ln1；
最后，基于所構造的時間擴展網絡，利用最短路徑算法，求得時空路由的最優解。
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