多跳BackCom网络能量优化路由方案
阅读说明：本技术 多跳BackCom网络能量优化路由方案 (Multi-hop backhaul Com network energy optimization routing scheme ) 是由 黄庭培 张静 祝虎 于向洋 李世宝 刘建航 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to an energy optimization routing protocol applied to a backhaul Com network, aiming at short communication distance and modeling a multi-hop routing problem; selecting different forwarding areas for the nodes according to different backscattering transmission ranges of the nodes; setting energy optimization routing metric by considering the node position and the node residual energy in the one-hop range; aiming at different energy obtained by nodes, the energy balance and energy efficiency requirements of different areas are balanced by dynamically adjusting the routing metric weight according to the distance from the radio frequency source; a stable region is proposed, and stable region nodes change stable points at irregular time through cooperation. The protocol aims to solve the problems of network life and energy consumption of long-distance backscatter communication.)
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Rth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ni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ni与中继节点与ni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nj被选择为ni的中继节点，若转发成功，通过路由度量函数，求得nj质量因子Q。选择Qmax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。
3.为了进一步降低能耗，对于稳定区域内的稳定点，通过节点之间的协作对其进行不定期替换。
附图说明
图1是本发明的总体流程图。
图2是本发明的路由模型图。
图3是本发明的转发区域选择图。
图4是本发明的中继节点选择图。
图5是本发明与RCRP算法的网络生存寿命对比图。
图6，7是本发明与RCRP算法分别在不同轮数和不同节点数下的节点剩余能量方差对比图。
图8，9是本发明与能量均衡路由算法和RCRP算法分别在不同轮数和不同节点数下的端对端能耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的实施方式。
图1是一种适用于多跳反向散射网络的能量优化路由方案的总流程图，包括：对多跳路由问题建模，转发区域选择，动态调整路由度量权重，不定期稳定点，中继节点选择，最优路径。
图2对多跳反向散射的路由问题进行建模。通过射频源发送射频波形，射频源辐射范围内的节点可以从RF信号获得能量。节点A希望与节点D通信，但D不在其反向散射传输范围内。节点A首先从射频源获得入射能量，然后将信息反向散射到候选节点B或C。当B或C接收到A转发的信息时，它将继续反向散射到候选节点D。每次跳转都会重复这个步骤，直到到达目的地。
图3为转发区域的选择过程。多跳反向散射网络中，节点从射频信号中获得能量，导致节点的反向散射传输范围不同，影响候选节点的数量。我们设定距离阈值Rth，为不同区域节点的反向散射传输范围rmax选择相应的转发区域。灰色扇区分别是节点n1和n2的转发区域θ。设定函数使θ随着节点与射频源之间距离的增加而增加；当节点与射频源之间距离大于Rth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。
图4为中继节点的选择过程。综合考虑能量均衡度和路径趋势度，在较短的路径下实现节点之间的能量平衡。靠近射频源的节点获得能量更多，目的地附近的节点获得能量更少且使用频繁，即不同区域对能源平衡和能源效率的要求不同。设定α随着节点到射频源距离的增加而动态减少，β反之。通过路由度量函数，选择质量因子最大的候选节点作为中继节点进行转发。
图5比较了在不同节点数下的网络生存寿命(网络中第一个节点的能量耗尽(或失效)的时间)。随着节点数量的增加，本发明的网络生存寿命逐渐变长。在节点数量和分布相同的情况下，本发明的网络生存寿命比RCRP的要长。这是因为尽管RCRP考虑了节点的剩余能量，但路由路径是固定的，因此节点密度对其影响很小。本发明在路径趋势的综合考虑下优先选取剩余能量较高的节点。可以看出本发明延长了网络生存寿命，提高了节点间的能量平衡。
图6，7分别比较了不同轮数和不同节点数下的节点剩余能量方差。在不同轮数下，本发明的剩余能量方差明显小于RCRP。RCRP的数据转发路径固定，直到节点有中断的风险，在大约60轮时，第一个节点失败，参与节点的总数增加。本发明考虑了节点之间的能量平衡，节点之间剩余能量的差值随轮数的增加而逐渐减小。当第一个节点的能量耗尽(或失效)时，节点剩余能量方差会随着节点数量的增加而增加，然而，本发明的剩余能量方差增长相对比较平缓，在能量平衡方面优于RCRP。
图8，9比较了不同轮数和不同节点数下的端到端能耗。在不同轮数下，本发明的端到端能耗较低。本发明考虑了路径趋势、转发区域和稳定点的替换，因此能源效率相对较高。然而，能量平衡路由协议只考虑节点之间的能量平衡，这可能会导致较长的路径和转发冗余等问题。当第一个节点的能量耗尽(或失效)时，节点密度对RCRP影响不大，因此端到端能耗较低。本发明与能量均衡路由协议相比端到端能耗显著降低。随着节点数量的增加，本发明的端到端能耗增长地更加平稳，这意味着本发明的能量效率较高。