[发明专利]多跳BackCom网络能量优化路由方案

说明书

本发明涉及一种应用于BackCom网络的能量优化路由协议，针对通信距离短，对多跳路由问题进行建模；针对节点反向散射传输范围不同，为节点选择不同的转发区域；考虑节点位置以及一跳范围内节点剩余能量设置能量优化路由度量；针对节点所获能量不同，根据与射频源距离动态调整路由度量权重来权衡不同区域的能量平衡和能源效率要求；提出了稳定区域，稳定区节点通过协作来不定时更换稳定点。该协议旨在解决较远距离反向散射通信的网络寿命及能耗问题。

技术领域

本发明属于反向散射通信领域，所提的路由方案能够提高能量的均衡性和有效性，是一种适用于反向散射通信网络的能量优化路由方法。

背景技术

由于低功耗，反向散射通信(BackCom)已经成为最近物联网中一种很有前途的技术。然而，BackCom具有独特的通信特性，如通信距离较短，节点的反向散射传输范围不同，不同区域节点所获取的能量也各不相同。目前在反向散射下的路由协议研究较少，现有的路由协议主要考虑固定路径和可靠性，而不是能耗问题。

本发明综合考虑了能量的均衡性和有效性。首先对多跳反向散射网络的路由问题进行建模。其次根据距离阈值为每个节点选择不同的转发区域，以限制候选节点的范围，从而降低转发冗余，提高能源效率。最后设计能量平衡度和路径趋势度两种路由度量，为了权衡不同区域的能量平衡和能源效率要求，我们根据与射频源的距离动态调整路由度量的权重。划分稳定区域，对于非稳定区域通过质量函数计算不同中继节点的质量因子，选取最优中继节点，对于稳定区域需要通过节点之间的协作来对稳定点进行不定期替换。

发明内容

本发明基于BackCom网络的路由问题进行建模，提出了一种适用于多跳BackCom网络的能量优化路由方案，包括以下几个步骤：

A.转发区域选择：设定距离阈值R_th划分不同区域，根据不同节点反向散射传输范围的大小，选择不同的转发区域，限制候选节点的范围。使用角度θ来表示转发区域，θ的中心线为源到目的的理想路径。设定函数使θ随着节点与射频源之间距离的增加而变化；当节点与射频源之间距离大于距离阈值时，随着距离的增加，节点反向散射传输范围较小且使用更加频繁，θ设为定值。

B.动态调整路由度量权重：设计能量优化路由度量，能量平衡度和路径趋势度。能量平衡度与节点n_i一跳范围内的邻居节点动态变化的剩余能量有关。路径趋势度是n_i与中继节点与n_i与目的节点的接近度。β和α分别表示路由度量的权重。节点所获能量不同，不同区域对能源平衡和能源效率的要求就不同。设定α随着节点到射频源距离的增加而动态减少，β随着节点到射频源距离的增加而动态增加。

C.中继节点选择：根据启用阈值划分稳定区域。对于非稳定区域，假设候选节点n_j被选择为n_i的中继节点，若转发成功，通过路由度量函数，求得n_j质量因子Q。选择Q_max的候选节点作为中继节点进行转发，重复该操作直到到达目的节点。

D.稳定点替换：对于稳定区域中的中继节点设为稳定点，当稳定点的剩余能量低于能量阈值时，质量因子较高的邻居节点将替换该稳定点直接进行数据传输。

E.最优路径：目的节点可以接收多个路由请求，在路由请求信息中传递从源节点到目的节点的总质量因子。选择具有最优总质量因子的路径作为能量优化的路由路径。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.提出对不同区域的节点，根据不同的反向散射传输范围选取转发区域，限制候选节点的范围，降低转发冗余，提高能量有效性。

2.考虑到不同节点所获能量各不相同，根据节点到射频源的距离动态调整路由度量权重，权衡不同区域能量均衡和能量效率的需求，延长了网络生存寿命，降低了节点剩余能量方差以及端对端能耗。