[發明專利]多跳BackCom網絡能量優化路由方案

在審

• 申請號: 202110649187.8
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113438706A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 黃庭培;張靜;祝虎;于向洋;李世寶;劉建航
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/22;H04W52/34;H04W52/46
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本發明涉及一種應用于BackCom網絡的能量優化路由協議，針對通信距離短，對多跳路由問題進行建模；針對節點反向散射傳輸范圍不同，為節點選擇不同的轉發區域；考慮節點位置以及一跳范圍內節點剩余能量設置能量優化路由度量；針對節點所獲能量不同，根據與射頻源距離動態調整路由度量權重來權衡不同區域的能量平衡和能源效率要求；提出了穩定區域，穩定區節點通過協作來不定時更換穩定點。該協議旨在解決較遠距離反向散射通信的網絡壽命及能耗問題。

技術領域

本發明屬于反向散射通信領域，所提的路由方案能夠提高能量的均衡性和有效性，是一種適用于反向散射通信網絡的能量優化路由方法。

背景技術

由于低功耗，反向散射通信(BackCom)已經成為最近物聯網中一種很有前途的技術。然而，BackCom具有獨特的通信特性，如通信距離較短，節點的反向散射傳輸范圍不同，不同區域節點所獲取的能量也各不相同。目前在反向散射下的路由協議研究較少，現有的路由協議主要考慮固定路徑和可靠性，而不是能耗問題。

本發明綜合考慮了能量的均衡性和有效性。首先對多跳反向散射網絡的路由問題進行建模。其次根據距離閾值為每個節點選擇不同的轉發區域，以限制候選節點的范圍，從而降低轉發冗余，提高能源效率。最后設計能量平衡度和路徑趨勢度兩種路由度量，為了權衡不同區域的能量平衡和能源效率要求，我們根據與射頻源的距離動態調整路由度量的權重。劃分穩定區域，對于非穩定區域通過質量函數計算不同中繼節點的質量因子，選取最優中繼節點，對于穩定區域需要通過節點之間的協作來對穩定點進行不定期替換。

發明內容

本發明基于BackCom網絡的路由問題進行建模，提出了一種適用于多跳BackCom網絡的能量優化路由方案，包括以下幾個步驟：

A.轉發區域選擇：設定距離閾值R_th劃分不同區域，根據不同節點反向散射傳輸范圍的大小，選擇不同的轉發區域，限制候選節點的范圍。使用角度θ來表示轉發區域，θ的中心線為源到目的的理想路徑。設定函數使θ隨著節點與射頻源之間距離的增加而變化；當節點與射頻源之間距離大于距離閾值時，隨著距離的增加，節點反向散射傳輸范圍較小且使用更加頻繁，θ設為定值。

B.動態調整路由度量權重：設計能量優化路由度量，能量平衡度和路徑趨勢度。能量平衡度與節點n_i一跳范圍內的鄰居節點動態變化的剩余能量有關。路徑趨勢度是n_i與中繼節點與n_i與目的節點的接近度。β和α分別表示路由度量的權重。節點所獲能量不同，不同區域對能源平衡和能源效率的要求就不同。設定α隨著節點到射頻源距離的增加而動態減少，β隨著節點到射頻源距離的增加而動態增加。

C.中繼節點選擇：根據啟用閾值劃分穩定區域。對于非穩定區域，假設候選節點n_j被選擇為n_i的中繼節點，若轉發成功，通過路由度量函數，求得n_j質量因子Q。選擇Q_max的候選節點作為中繼節點進行轉發，重復該操作直到到達目的節點。

D.穩定點替換：對于穩定區域中的中繼節點設為穩定點，當穩定點的剩余能量低于能量閾值時，質量因子較高的鄰居節點將替換該穩定點直接進行數據傳輸。

E.最優路徑：目的節點可以接收多個路由請求，在路由請求信息中傳遞從源節點到目的節點的總質量因子。選擇具有最優總質量因子的路徑作為能量優化的路由路徑。

本發明對比已有技術具有以下顯著優點：

1.提出對不同區域的節點，根據不同的反向散射傳輸范圍選取轉發區域，限制候選節點的范圍，降低轉發冗余，提高能量有效性。

2.考慮到不同節點所獲能量各不相同，根據節點到射頻源的距離動態調整路由度量權重，權衡不同區域能量均衡和能量效率的需求，延長了網絡生存壽命，降低了節點剩余能量方差以及端對端能耗。