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水下传感器网络是由具有声学通信与计算能力的传感器节点构成的网络系统，其是开展海洋数据监测处理的重要技术手段。相对常见的海洋通信系统，水下传感器网络具有基础设施简单、节点体积微小和设备成本低廉等优势，在海洋数据采集、环境监控、资源勘测、地震与海啸监控、海洋军事科学、辅助导航、水下机器人和AUV控制等方面具备广阔的应用前景。传统的水下传感器网络极大的依赖硬件基础架构，存在应用和服务受限，管控和维护困难，部署后系统风险无法掌控等缺陷。冗余部署是保障水下传感器网络可靠性的重要措施，但对在相同水域实施节点再部署造成障碍，同时存在严重的资源浪费和高昂的部署成本。软件定义网络（SDN，Software Defined Networking）是一种创新网络架构，它将网络功能和业务处理抽象化，以构建基于用户编程的统一便捷网络管理。SDN为水下传感器网络的发展提供新的解决方案。基于SDN架构可设计开放标准通信协议和编程接口，实施虚拟化的网络复用，构建控制平面和数据平面分离的网络架构，实现水下传感器网络的集中动态管控。
本文开展水下传感器网络SDN架构设计及关键技术研究。其主要研究内容和创新点如下：
（1）研究水下传感器网络SDN架构设计并实施核心设备原型开发。主要包括：定义数据平面和控制平面的功能需求和设备对象，基于FlowVisor实施网络虚拟化，并设计相关SDN通信消息；设计基于多流表结构的水下节点硬件系统，构建基于Open vSwitch的水下节点软件平台；规划水面控制器的SDN硬件架构，设计基于OpenDayLight的水面控制器软件系统，并实施设备管理器、拓扑管理器、链路负载监控器、数据转发器、路由管理器等五个核心功能模块开发。通过研究，构建基于SDN架构的水下节点和水面控制器原型，为实施基于用户编程管控的水下传感器网络开发提供基础。
（2）研究水下传感器网络上行MC-CDMA通信技术并设计一种基于凸优化求解的多用户检测算法。主要包括：构建水下传感器网络上行MC-CDMA通信系统架构；设计MC-CDMA发射机和接收机模型；基于凸优化技术实现一种多用户检测算法-COBA；通过仿真实验进行ML、ZF、MMSE、COBA等四种多用户检测算法的性能对比。结果表明，COBA算法实现了检测性能和计算复杂度的折中。通过研究，实现一种水下传感器网络高性能通信技术，为实施SDN数据平面提供支撑。
（3）研究水下传感器网络SDN路由方案，并设计基于割集优化和路由优化的两种最小生成路由算法。主要包括：设计基于SDN架构的节点分簇算法-CASDN；实现基于三角模糊推理和最小生成树技术的两种水下传感器网络SDN路由算法-FCO_MST和FPO_MST；设计仿真实验，进行分簇算法和路由算法的性能分析。分簇实验结果表明，CASDN算法在存活节点数、网络生存时间、簇的稳定性和覆盖率等方面具备优势，实现了计算复杂度和分簇性能的均衡。路由实验结果表明，FCO_MST和FPO_MST两种算法在数据包交付率、端到端时延、吞吐量等性能方面优于LEACH、EEHC和Dipanwita’s算法。计算复杂度对比表明，FPO_MST适合于节点稀疏的水下传感器网络，而FCO_MST更加适合节点密集的网络环境。通过研究，实现在控制器上运行的SDN路由算法，以提高路由计算的可靠性和敏捷性，同时减轻网络负载，为构建水下传感器网络SDN控制平面提供支撑。
（4）研究多控制器架构的水下传感器网络SDN负载均衡技术，并设计多控制器域覆盖算法及负载检测与负载算法。主要包括：设计水下传感器网络多控制器负载均衡模型，构建基于学习自动机（LA）和受度约束连通支配集（d-CDS）的多控制器域覆盖算法-CCLA&d-CDS；量化控制器负载类型实现一种负载检测方法，构建基于一致性哈希的多控制器负载分配算法；设计仿真实验，进行多控制器负载均衡技术以及SULA&LB、SUNE、TULA、TUNE等四种水下传感器网络的性能分析。结果表明，构建的SDN负载均衡技术能实现网络负载的灵活分配，结合CCLA&d-CDS算法和负载均衡架构的水下传感器网络（SULA&LB）实现了生存时间、误码率和计算复杂度等指标的均衡。通过研究，解决单控制器瓶颈问题，为构建多控制器的大规模SDN水下传感器网络提供支撑。
本文开展水下传感器网络SDN架构设计及关键技术研究。其主要研究内容和创新点如下：
（1）研究水下传感器网络SDN架构设计并实施核心设备原型开发。主要包括：定义数据平面和控制平面的功能需求和设备对象，基于FlowVisor实施网络虚拟化，并设计相关SDN通信消息；设计基于多流表结构的水下节点硬件系统，构建基于Open vSwitch的水下节点软件平台；规划水面控制器的SDN硬件架构，设计基于OpenDayLight的水面控制器软件系统，并实施设备管理器、拓扑管理器、链路负载监控器、数据转发器、路由管理器等五个核心功能模块开发。通过研究，构建基于SDN架构的水下节点和水面控制器原型，为实施基于用户编程管控的水下传感器网络开发提供基础。
（2）研究水下传感器网络上行MC-CDMA通信技术并设计一种基于凸优化求解的多用户检测算法。主要包括：构建水下传感器网络上行MC-CDMA通信系统架构；设计MC-CDMA发射机和接收机模型；基于凸优化技术实现一种多用户检测算法-COBA；通过仿真实验进行ML、ZF、MMSE、COBA等四种多用户检测算法的性能对比。结果表明，COBA算法实现了检测性能和计算复杂度的折中。通过研究，实现一种水下传感器网络高性能通信技术，为实施SDN数据平面提供支撑。
（3）研究水下传感器网络SDN路由方案，并设计基于割集优化和路由优化的两种最小生成路由算法。主要包括：设计基于SDN架构的节点分簇算法-CASDN；实现基于三角模糊推理和最小生成树技术的两种水下传感器网络SDN路由算法-FCO_MST和FPO_MST；设计仿真实验，进行分簇算法和路由算法的性能分析。分簇实验结果表明，CASDN算法在存活节点数、网络生存时间、簇的稳定性和覆盖率等方面具备优势，实现了计算复杂度和分簇性能的均衡。路由实验结果表明，FCO_MST和FPO_MST两种算法在数据包交付率、端到端时延、吞吐量等性能方面优于LEACH、EEHC和Dipanwita’s算法。计算复杂度对比表明，FPO_MST适合于节点稀疏的水下传感器网络，而FCO_MST更加适合节点密集的网络环境。通过研究，实现在控制器上运行的SDN路由算法，以提高路由计算的可靠性和敏捷性，同时减轻网络负载，为构建水下传感器网络SDN控制平面提供支撑。
（4）研究多控制器架构的水下传感器网络SDN负载均衡技术，并设计多控制器域覆盖算法及负载检测与负载算法。主要包括：设计水下传感器网络多控制器负载均衡模型，构建基于学习自动机（LA）和受度约束连通支配集（d-CDS）的多控制器域覆盖算法-CCLA&d-CDS；量化控制器负载类型实现一种负载检测方法，构建基于一致性哈希的多控制器负载分配算法；设计仿真实验，进行多控制器负载均衡技术以及SULA&LB、SUNE、TULA、TUNE等四种水下传感器网络的性能分析。结果表明，构建的SDN负载均衡技术能实现网络负载的灵活分配，结合CCLA&d-CDS算法和负载均衡架构的水下传感器网络（SULA&LB）实现了生存时间、误码率和计算复杂度等指标的均衡。通过研究，解决单控制器瓶颈问题，为构建多控制器的大规模SDN水下传感器网络提供支撑。