【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下无线传感网络，特别是涉及一种基于改进sdn架构的多模态水下无线传感器网络节能路由策略方法。
技术介绍
1、水下无线传感器网络(uwsn)由具有水声通信能力和计算能力的节点组成。由于其具有实时、便捷、易扩展的优点，近年来被广泛应用于水下预警、目标探测、环境监测等领域，帮助人们对海洋展开系统的监测与研究。随着海洋应用种类的不断增加，普通的uwsns的传输能力无法满足海洋应用对不同数据传输的需求。水下数据通常包括事件种类和时间时效性，称之为信息价值量voi。数据包的voi来表示海洋应用的传输时延要求。一个数据的事件种类越重要，时效性越强，该数据的voi越高，越需要被快速传输。为了提高uwsns的传输能力，多模态水下通信系统作为一种潜在的解决方案被提出。多模态水下通信系统通常被定义为包含一组非相互干扰的水下通信技术的系统。水声传感器网络中的节点装配上多模态通信系统被称为多模态水下无线传感器网络(m-uwsns)。一个m-uwsn可以通过uac-uwoc组合的水声通信(uac)和水下无线光通信(uwoc)，或uac和水下磁感应通信(umic)的uac-umic组合，或一组工作在不同频段的uac模块来设计。由uac-uac组成的m-uwsns具有潜在的应用价值。这是因为多个正交频带的uacs不仅可以协同传输数据，而且具有一定的互补性。例如，低频uac可以在几公里范围内实现kbit/s的传输速率，高频uac可以在几百米范围内传输几十kbit/s的传输速率。
2、在m-uwsns中通过路由实现数据包的快速、可靠传输
3、为了适应水下动态环境和满足海洋传输需求，近年来许多路由协议中引入了强化学习(rl)。基于强化学习的水下无线传感器网络智能路由策略在处理动态水下通信环境方面表现出优异的性能。例如期刊论文“finding marlin:exploiting multi-modalcommunications for reliable and low-latency underwater networking”中提出了一种基于多模态强化学习的路由策略marlin。该策略采用多频段uac模块交替传输数据包。在保持低时延的同时，提高了包投递率。但是，上述网络中所有节点奖励函数的权重相同，并没有考虑节点负载、位置、传输包的voi等差异性，造成网络性能不佳。而如何合理的分配奖励函数的权重，需要考虑节点的分布特征。sdn，全称为软件定义网络(software-definednetworking)，是一种网络架构和管理方法。sdn架构可以提供对整个网络的全局视图和网络状态信息，通过这些信息，可以更好地适应水下动态环境，并根据传输需求采取相应的路由策略。
4、另外，现有技术的dijkstra存在一些限制，它只考虑了节点之间距离，忽略了节点到sink总跳数的影响。节点之间总距离长度相等，而跳数不等时分辨不出来。希望在这种情况下选择跳数较少的那条路径。此外，为了以选择跳数较少的那条路径和进一步均衡网络负载，节点的剩余能量也不可忽视。因此有必要对控制包路由提出改进的dijkstra算法。
技术实现思路
1、针对现有强化学习框架应用于uwsn领域所存在的问题，本专利技术提出了一种基于sdn架构的多模态水下传感器网络路由系统及方法，在改进的sdn架构和强化学习算法相结合的基础上，为水下传感器网络中的每个节点设计具有不同收益的路由策略，实现了在满足多种传输需求的前提下提高网络寿命的多模态水下传感器网络路由决策方案。
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术利用以下技术方案实现：
3、一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由系统，包括控制包路由100)和数据包路由200)；其中：
4、所述控制包路由100进一步包括网关节点1和多模态水下传感网络单元2；所述网关节点1进一步包括sdn控制器10；所述多模态水下传感网络单元2进一步包括多个水下传感节点20，每个水下传感节点20通过上行流和下行流与所述sdn控制器10相连；所述水下传感节点20将状态信息通过上行流11上传控制数据封包到sdn控制器10；所述sdn控制器10将控制信息通过下行流12下发控制数据封包到每个水下传感节点20；所述上行流由hf调制解调器4和高频信道6实现；所述下行流由lf调制解调器3和低频信道5实现；所述权重计算模块9与所述sdn控制器10连接，用于计算权重向量；
5、所述数据包路由200进一步包括改进rl框架的节能路由算法模块7和权重加载模块8，所述改进rl框架的节能路由算法模块7实现每个水下传感节点的奖励函数定制，所述权重加载模块8将所述权重计算模块9得到的权重向量加载到各个水下传感系节点的奖励函数，以优化路由传输决策。
6、一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：
7、步骤1：利用网关节点s中的sdn控制器控制每个水下传感节点收集自身的状态信息，状态信息经上行流发送到sdn控制器，构建高频水下传感节点网络拓扑；sdn控制器根据水下传感节点节点之间的连接关系比较节点之间的偏移距离，构建低频水下传感节点网络拓扑；
8、步骤2、计算初始奖励值通过sdn控制器计算每个水下传感节点vi的初始奖励值，即，从vi向sdn控制器节点发送数据包的传输奖励如下式所示：
9、
10、其中，ni表示水下传感节点vi的邻居节点总数量，β表示调整因子；
11、计算传输成本cij，如下式所示：
12、
13、其中，dij表示水下传感节点vi和邻居节点vj之间的距离，vs表示水声传播速度，rl是高频通信半径，表示控制封包大小，rateh为高频数据传输速率；
14、重复上述计算过程，直到每个水下传感节点获得初始奖励值
15、步骤3：重复上述计算过程，直到每个水下传感节点获得初始奖励
16、步骤4：判断控制周期是否结束；如是，执行步骤5；如否，转至步骤7；
17、步骤5：计算水下传感节点vi的权重向量；
18、步骤6，将得到权重向量下发至数据包路由中的权重加载模块，由所述权重加载模块将权重向量加载到每个水下传感节点；
19、步骤7：结合权重向量更新初始奖励计算新的奖励值，获得直接奖本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由系统，其特征在于，包括控制包路由(100)和数据包路由(200)；其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由系统，其特征在于，所述下行流(12)向水下传感节点(20)下发控制包，将所述上行流(11)的路径信息嵌入到控制数据包中进行解析和处理，利用所述水下传感节点(20)保存上行流的路径信息，后续所述上行流(11)根据上行流的路径信息上传水下传感节点状态信息至所述SDN控制器(10)。
3.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由系统实现的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，包括：
4.根据权利要求3所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，其特征在于，进一步包括利低频水下传感节点网络拓扑中的每个水下传感节点寻找最短路径，过程如下：
5.根据权利要求3所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述步骤5的计算水下传感节点vi的权重向量，
6.根据权利要求3所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，其特征在于，归一化的剩余能量ej、归一化的时延分别表示为:
7.根据权利要求3所述的一种基于SDN架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，还包括利用改进的Dijkstra算法为低频水下传感节点网络拓扑中的每个水下传感节点寻找最短路径，具体算法包括以下过程：
...【技术特征摘要】
1.一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由系统，其特征在于，包括控制包路由(100)和数据包路由(200)；其中：
2.根据权利要求1所述的一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由系统，其特征在于，所述下行流(12)向水下传感节点(20)下发控制包，将所述上行流(11)的路径信息嵌入到控制数据包中进行解析和处理，利用所述水下传感节点(20)保存上行流的路径信息，后续所述上行流(11)根据上行流的路径信息上传水下传感节点状态信息至所述sdn控制器(10)。
3.根据权利要求1-2任一项权利要求所述的一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由系统实现的一种基于sdn架构的多模态水下无线传感器网络路由方法，包括：
4.根据...
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