一种基于SDN网络的异构物联网终端接入方法及系统

本发明涉及SDN网络技术，具体涉及一种基于SDN网络的异构物联网终端接入方法及系统。

随着物联网技术发展越来越快，物联网应用场景越来越广，导致物联网接入设备越发复杂，接入效率低下。现有的无线接入技术在覆盖范围与传输速率之间存在矛盾，高速率依靠高频段和大带宽，而无线传播的特性又决定了频段越高，覆盖范围越小，穿透能力越弱。而基于网络的重叠覆盖以及多模终端的灵活性，异构网络中的接入控制系统能够依据终端的特点(例如H2H终端或M2M终端)、传输数据的特点(例如对时延的敏感程度)以及接入网络的特点来为终端分配最优的网络，保障更好的服务质量。在此背景下，如何合理的分配接入资源以实现不同网络间的优势互补，以及如何协调管理不同的网络从而使得系统资源的最大化利用是异构网络场景下亟待解决的一个问题。

为了解决现有技术中提出的问题，本发明提出一种基于SDN的异构物联网终端接入方法及系统，提高设备接入效率。

技术方案：一种基于SDN的异构物联网终端接入方法，包括以下步骤：

当有新的终端接入请求Ri时，搜索终端所能接入的所有AP点，记为集合B(Ri)，并收集接入各AP点的连接时延，将所有能接入的AP点按连接时延由小到大升序排列，选择连接时延最小的AP点执行初始接入申请；

若接入申请Ri在初始接入时被阻塞，则根据终端侧信息和网络侧信息计算切换代价，根据切换代价确定终端进行动态负载传递的优先级；

将传递优先级最高的终端作为目标移动终端，由该终端当前接入的AP点发送切换请求以及目标切换AP点，目标移动终端收到请求后断开与当前AP点的接入，并向目标切换AP点发送接入请求，进行负载传递；

若负载传递成功执行，则将新到达的接入申请接入至有终端移出的AP点。

进一步地，选择连接时延最小的AP点执行初始接入申请包括：如果所选择的AP点的负载小于该AP点的负载上限，则新的接入请求被接受，接入成功，如果所选择的AP点的负载已经达到该AP点的负载上限，则该申请被拒绝，接着尝试接入时延次小的AP点，如果所有能接入的Ap点都拒绝了接入申请，则该新到达的接入申请初始接入失败。

进一步地，根据终端侧信息和网络侧信息计算切换代价包括：

将终端所能接入的AP点的集合记为B(Ri)，该集合所含元素的个数记为N，B(Ri)集合中的各Ap点收集有其所接纳的各终端与优先级评估相关联的信息，将这些信息做归一化处理后得到终端侧归一化传递代价矢量其中k表示可能影响优先级评估的终端侧信息的个数，将终端MTCi切换到其他AP点所需要付出的归一化矢量记为其中表示第i个终端切换到第n个AP点的代价，则切换代价函数C的计算方法如下式：

其中ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξk]k是可能影响优先级评估的各种终端侧归一化参数的权重矢量；r表示网络侧相关归一化参数所占的权重；矩阵S＝[s1,s2,…,sm]，而si＝min(Qi)，表示第i个终端切换出去所要承担的网络侧的最小归一化代价。

进一步地，所述计算方式如下：

其中是终端预计切换至的第n个AP点的网络侧状态；βx是的权重值；l是可能影响优先级评估的网络侧信息的个数。

进一步地，根据切换代价确定终端进行动态负载传递的优先级包括：通过求解切换代价函数C的值来确定终端进行动态负载传递的优先级，其中切换代价函数C的值越高说明将该终端切换至指定AP点接入的成本越高，该动态负载传递的优先级越低。

一种基于SDN的异构物联网终端接入系统，包括：

初始接入模块，用于当有新的终端接入请求Ri时，搜索终端所能接入的所有AP点，记为集合B(Ri)，并收集接入各AP点的连接时延，将所有能接入的AP点按连接时延由小到大升序排列，选择连接时延最小的Ap点执行初始接入申请；

负载传递优先级确定模块，用于在接入申请Ri在初始接入被阻塞时，根据终端侧信息和网络侧信息计算切换代价，根据切换代价确定终端进行动态负载传递的优先级；

负载传递执行模块，用于将传递优先级最高的终端作为目标移动终端，由该终端当前接入的AP点发送切换请求以及目标切换AP点，目标移动终端收到请求后断开与当前AP点的接入，并向目标切换AP点发送接入请求，进行负载传递；

第二接入模块，用于在负载传递成功执行的情况下，将新到达的接入申请接入至有终端移出的AP点。

本发明还提供一种计算机设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于SDN网络的异构物联网终端接入方法的步骤。

有益效果：本发明对于新到达的接入请求，首先将其能够接入的AP点按照接入时延从低到高升序排列，优先选择时延较低的AP点接入，如果请求被拒绝则选择较高的AP点接入。如果所有能接入的AP点均拒绝的接入请求，则接入阻塞，此时就会触发传递优先级评估算法，计算出所有能接入AP点已连接设备的切换代价函数值，选取代价值最低即传递优先级最高的终端执行切换步骤，随后新的接入申请可以接入切换终端离开的AP点，有利于异构物联网环境中的设备接入效率。

图1为本发明的SDN网络架构图；

图2为本发明的接入方法整体流程图。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明基于SDN网络架构，利用SDN网络的多域架构，利用智能交换机作为单域控制器，计算物联网设备的请求接入。在下文中，物联网设备也称为物联网终端或简称为终端。

智能交换机可以根据位置、QoS、时延等信息进行智能接入。本发明将智能交换机统称为AP点，记为APt(t＝1,2,…T)，其中T表示整个区域内所有无线接入点的个数。由各AP接收终端接入请求，每个AP都在总控制器(图1所示的顶层设备)控制下处理接入请求。新到达的接入请求被记为Ri，搜索其所能接入的所有AP点，并将这些AP点的集合记为B(Ri)，且该集合所含设备的个数记为N，该集合中的元素需要按照接入时延大小升序排列，即接入时延最短的排在集合的最前面。假设当前AP点已经接纳的终端数为m，分别记为MTCi(i＝1,2,…m)，当前接入点的实时负载记为Cn，负载上限记为Mn。

对于新到达的接入请求，首先将其能够接入的AP点按照接入时延从低到高升序排列，优先选择时延较低的AP点接入，如果请求被拒绝则选择较高的AP点接入。如果所有能接入的AP点均拒绝的接入请求，则接入阻塞，此时就会触发传递优先级估计算法，计算出所有能接入AP点已连接设备的切换代价函数值，选取代价值最低即传递优先级最高的终端执行切换步骤，随后新的接入申请可以接入切换终端离开的AP点。

如图2所示，具体步骤包括：

(1)终端定时上报信息：

整个系统内接入的所有终端周期性的向所接入的AP点报告自己的地理位置、移动速度、QoS需求、连接时延、任务完成情况等影响优先级评估的终端侧的信息；针对终端接入，考虑地理位置，根据就近原则可以更加快速的接入，考虑服务质量，可以将QoS需求更大的终端连接至更空闲交换机上，等等。

(2)初始接入：

终端向交换机发起接入请求，当有新的接入请求到达交换机时，优先执行初始接入步骤，即搜索自己所能接入的所有AP点，记为集合B(Ri)，并收集接入各AP点的连接时延，将所有能接入的AP点按连接时延由小到大升序排列。选择连接时延最小的AP点执行接入申请，如果当前AP点的负载小于该AP点的负载上限，则新的接入请求被接受，接入成功。如果当前AP点的负载已经达到该AP点的负载上限，则该申请就会被拒绝，那么接着尝试接入时延次小的AP点，以此类推。如果所有能接入的AP点都拒绝了接入申请，则该新到达的接入申请初始接入失败。

(3)执行传递优先级评估算法：

假设接入申请Ri在初始接入时被阻塞，则将其所能接入的AP点的集合记为B(Ri)，该集合所含元素的个数记为N。B(Ri)集合中的各AP点收集有其所接纳的各终端的地理位置、移动方向、移动速度、QoS需求、连接时延、任务完成情况等影响优先级评估的终端侧的信息，将这些信息做归一化处理后得到终端侧归一化传递代价矢量其中k表示可能影响优先级评估的终端侧信息的个数。终端MTCi(i＝1,2,…m)切换到其他AP点所需要付出的归一化矢量记为其中表示第i个终端切换到第n个AP点的代价，其计算方式如下：

其中是终端预计切换至的第n个AP点的网络侧状态，这些网络侧状态信息主要包括带宽使用情况、CPU使用情况、接入资源使用情况，同样也需要经过归一化处理；βx是的权重值，βx∈(0,1)；l是可能影响优先级评估的网络侧信息的个数。

则切换代价函数C的计算方法如下式：

其中ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξk]k是可能影响优先级评估的各种终端侧归一化参数的权重矢量；r表示网络侧相关归一化参数所占的权重；矩阵S＝[s1,s2,…,sm]，而si＝min(Qi)，表示第i个终端切换出去所要承担的网络侧的最小归一化代价。

通过求解切换代价函数C的值来确定终端进行动态负载传递的优先级，其中切换代价函数C的值越高说明将该终端切换至指定AP点接入的成本越高，该动态负载传递的优先级越低。所以，该算法选取优先级最高即代价最小的负载传递终端和目标AP点，执行切换过程，使得新的接入申请能够被接纳，系统接入资源被更合理的利用。

(4)执行动态负载传递。

对传递优先级最高的终端执行负载传递，由该终端当前接入的AP点发送切换请求以及目标切换AP点，目标移动终端(即传递优先级最高的的终端)收到请求后断开与当前Ap点的接入，并向目标切换AP点发送接入请求，如果目标切换Ap点的当前负载小于负载上限，则接收该切换的移动终端，否则拒绝请求，当次负载传递失败，重新执行步骤(3)出传递优先级次高的负载传递操作，如果所有可接入的AP点均无法执行切换，则负载传递失败。

(5)新到达接入申请执行接入。

若步骤(4)中的负载传递成功执行，则将新到达的接入申请接入至有终端移出的AP点，若步骤(4)中的负载传递执行失败，则新到达的接入申请无法接入系统。

本发明还提供一种基于SDN的异构物联网终端接入系统，包括：

初始接入模块，用于当有新的终端接入请求Ri时，搜索终端所能接入的所有AP点，记为集合B(Ri)，并收集接入各AP点的连接时延，将所有能接入的AP点按连接时延由小到大升序排列，选择连接时延最小的AP点执行初始接入申请；

负载传递优先级确定模块，用于在接入申请Ri在初始接入被阻塞时，根据终端侧信息和网络侧信息计算切换代价，根据切换代价确定终端进行动态负载传递的优先级；

负载传递执行模块，用于将传递优先级最高的终端作为目标移动终端，由该终端当前接入的Ap点发送切换请求以及目标切换AP点，目标移动终端收到请求后断开与当前AP点的接入，并向目标切换AP点发送接入请求，进行负载传递；

第二接入模块，用于在负载传递成功执行的情况下，将新到达的接入申请接入至有终端移出的AP点。

根据本发明的实施方式，初始接入模块选择连接时延最小的AP点执行初始接入申请包括：如果所选择的AP点的负载小于该AP点的负载上限，则新的接入请求被接受，接入成功，如果所选择的AP点的负载已经达到该AP点的负载上限，则该申请被拒绝，接着尝试接入时延次小的AP点，如果所有能接入的AP点都拒绝了接入申请，则该新到达的接入申请初始接入失败。

根据本发明的实施方式，负载传递优先级确定模块包括切换代价计算单元，用于根据终端侧信息和网络侧信息计算切换代价，具体计算方法包括：

将终端所能接入的AP点的集合记为B(Ri)，该集合所含元素的个数记为N，B(Ri)集合中的各Ap点收集有其所接纳的各终端与优先级评估相关联的信息，将这些信息做归一化处理后得到终端侧归一化传递代价矢量其中k表示可能影响优先级评估的终端侧信息的个数，将终端MTCi切换到其他AP点所需要付出的归一化矢量记为其中表示第i个终端切换到第n个AP点的代价，则切换代价函数C的计算方法如下式：

其中ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξk]k是可能影响优先级评估的各种终端侧归一化参数的权重矢量；r表示网络侧相关归一化参数所占的权重；矩阵S＝[s1,s2,…,sm]，而si＝min(Qi)，表示第i个终端切换出去所要承担的网络侧的最小归一化代价。

根据本发明的实施方式，的计算方式如下：

其中是终端预计切换至的第n个AP点的网络侧状态；βx是的权重值；l是可能影响优先级评估的网络侧信息的个数。

根据本发明的实施方式，负载传递优先级确定模块还包括优先级确定单元，用于根据切换代价确定终端进行动态负载传递的优先级，具体方法包括：通过求解切换代价函数C的值来确定终端进行动态负载传递的优先级，其中切换代价函数C的值越高说明将该终端切换至指定AP点接入的成本越高，该动态负载传递的优先级越低。

根据本发明的实施方式，终端侧信息包括地理位置、移动方向、移动速度、QoS需求、连接时延、任务完成情况。

根据本发明的实施方式，网络侧状态信息包括带宽使用情况、CPU使用情况、接入资源使用情况。

根据本发明的实施方式，负载传递执行模块进行负载传递具体包括：如果目标切换AP点的当前负载小于负载上限，则接收该切换的移动终端，否则拒绝请求，当次负载传递失败，重新出传递优先级次高的负载传递操作。

本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于SDN网络的异构物联网终端接入方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明通过对接入请求基于接入时延从低到高升序排列，优先选择时延较低的AP点接入，如果请求被拒绝则选择较高的AP点接入，提高接入的时效性。如果所有能接入的AP点均拒绝的接入请求，则接入阻塞，此时就会触发传递优先级评估算法，计算出所有能接入AP点已连接设备的切换代价函数值，选取代价值最低即传递优先级最高的终端执行切换步骤，随后新的接入申请可以接入切换终端离开的AP点，有利于异构物联网环境中的设备接入效率。