基于無線節點資源的通信路徑選擇在自組網中的應用專利技術綜述
于湃 王文曉
（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州，450000）
摘要 本文旨在對基于無線節點資源的通信路徑選擇在自組網中的應用的相關專利情況進行分析，具體從專利申請量、專利申請分布、重要申請人分布情況、以及專利技術分析四個方面進行了詳細分析，并預測未來自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法技術領域的發展趨勢。
關鍵詞 自組織網絡；通信路徑；無線節點
1概述
無線自組網是無線通信網絡中的一種常用的網絡類型，具有自動配置、多跳性、無中心和自組織性以及動態拓撲、具有明顯的寬帶限制、單向信道等特點，其自組織的特點提供了可以快速部署網絡的能行性，目前已經大量地使用在民用和軍事應用中[1]。節點通過無線發送裝置上的天線裝置向外發送信號，天線的類型和發送功率使得節點之間的拓撲結構隨時可能發生變化。無線節點的能源來源是通常是能量有限的電池，當電池無法再提供為節點能量時，節點將被迫停止工作。也就是說，無線節點的資源問題制約著網絡的性能。因此，需要我們設計節能有效的通信路徑來對自組網的各個組成模塊進行協調，從而合理地使用自組織網有限的能量資源 。基于對目前在自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法的了解，其總體上可以分為三類，基于傳輸功率的通信路徑選擇，基于可用天線的特性的通信路徑選擇，基于可用功率或能量的通信路徑選擇。本文從這幾類主要自組網通信路徑選擇方法入手，從專利文獻的角度出發，對自組網通信路徑查找技術領域的重要專利進行了梳理、分析與總結。
2 傳感網路由協議技術專利申請現狀分析
本文選取CNABS(中國專利文摘數據庫)和DWPI(德溫特世界專利索引數據庫)作為檢索基礎數據庫，涉及網絡拓撲為自組網絡，例如特定網絡或傳感器網絡的相關分類號主要為H04W84/18及以下小組，涉及基于無線節點資源的通信路由或通信路徑查找的相關分類號主要為H04W40/04及以下小組，涉及功率管理的相關分類號主要為H04W52/00及以下小組，涉及無線資源管理的相關分類號主要為H04W72/00及以下小組，涉及無線信道接入相關分類號主要為H04W74/00及以下小組。截至2019年5月13日，通過以上分類號和相關關鍵詞（通信路徑、通信路由）檢索到關于基于無線節點資源的通信路徑選擇在自組網中的應用的申請950件，其中國內申請量為138件，國外申請量812件，下面對這950件專利從專利申請量、專利申請地域分布、重要申請人進行分析。
2.1專利申請量
隨著自組織網絡在各個領域的大量使用，面對如何無線節點資源受限而造成的節點損壞的問題，自組織網絡的通信路由或通信路徑查找方法越來越受到關注。從申請量來看專利申請最早出現在2000年，在隨后幾年內持續申請量猛增，在2004年達到了一個小高峰，在05年申請量下降，從2005年到2015年專利申請量每年以一個相對穩定速度增加，16年和17年相對15年來說申請量有一個階段性的增加， 2018年還有部分專利沒有公開，2019年還有大部分專利沒有公開，可以預見，2018、2019年的專利申請量很多，這一領域在接下來的一段時間依舊申請量會處在持續增加的狀態中。可見，自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法出現時間晚，目前仍然處于快速穩定發展過程中。
圖1全球專利申請量變化趨勢
2.2專利申請的分布情況
專利申請地域分布反映了在各個區域該領域的專利技術申請的情況，其一定程度上能夠反映出各區域在相關技術領域的技術進展。從圖2中可以看出，美國、歐洲、中國、韓國、印度、日本是申請量的主要貢獻者，基于無線節點資源的通信路徑選擇在自組網中的應用相關技術在美國的專利申請量占據了全球的45%，歐洲、中國、日本、韓國、印度的專利申請量相對較少，反映了在這一領域美國的技術無疑是最豐富的。
圖2全球地域排名
2.3重要申請人以及國內申請人分布情況
專利申請地域分布反映了各個申請人在該領域的專利技術持有量的情況，其一定程度上能夠反映出對相關技術研究主要分布情況。圖3為在自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法領域的重要申請人分布，從圖中可以看出，該領域的重要申請人主要為歐美、日韓企業，可見在自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法具有重要的商業價值。
圖3 重要申請人分布
3. 專利技術分析
在自組網中，無線節點資源限制著網絡的性能以及存活時間。基于對自組網中無線節點資源的分析了解，其大致可以分為三類：傳輸功率，可用天線的特性以及可用功率或能量。由此可以根據自組網中無線節點資源的類型，確定通信路徑選擇方法的技術分支。本節從自組網中基于無線節點資源的通信路徑選擇方法的技術分類出發，了解這一領域各類技術的近些年的主要發展路線，繪制出技術路線圖，并分析該領域各技術分支的重點專利申請。
3.1基于傳輸功率的通信路徑選擇
傳輸功率直接影響了傳輸的距離，從而影響網絡連接是否可靠。從傳輸功率的角度來看，通信路徑的最終目標是在能夠保證數據傳輸可靠的前提下，選擇傳輸功率較低的鏈路，從而節省能耗。不同網絡結構，節點的拓撲結構不同。隨著網絡結構的發展，各公司紛紛提出了針對不同類型的網絡結構的基于傳輸功率的通信路徑選擇方法，從而能夠保證數據傳輸性能的前提下，減少功率消耗和干擾。
從網絡技術誕生以來，傳統網絡結構在各個領域發揮著作用。對于傳統的多跳無線網絡，通常采用功率受控的多跳調度為無線網絡內的所有節點路徑提供公平性，例如高通2007年提出了多跳無線網絡中基于流的公平調度（申請號：US11495002）。
隨著社會的發展，傳統的網絡結構越來越受到限制，網狀網絡結構的節點互聯互通、自愈合、兼容性等優點得到了重視。因此，各公司針對網狀網絡結構提出了針對性的路徑選擇方法，可以設定無線通信實體目標節點的功率簡檔，依據功率簡檔確定節點的傳輸路徑，例如高通2012年提出的網狀網絡中的功率優化行為（申請號：US13564648）。
為了解決固定的網絡拓撲不能滿足網絡的動態變化特性的問題，各類多接口網絡接連出現。因此，各公司針對多接口網絡可以設置多個等級傳輸功率鏈路的特點，設置網絡拓撲中同時存在不同傳輸功率鏈路，在保證數據傳輸性能的前提下，動態選擇合適的傳輸功率鏈路，盡可能減少功率消耗，例如思科2013年提出的在計算機網絡中交替低和中傳輸功率信道的方法（申請號：US13960663）。與此類似的，還有思科同年提出的相關構思的申請(申請號：US13960639)。
3.2基于可用天線的特性的通信路徑選擇
天線作為節點信號接收與發送的主要元件，用于輻射和接收無線電信號，決定了數據傳輸的方向。當某個節點天線的工作能力減弱或者完全消失時，自組網絡的拓撲結果將會發生變化，無法維持正常的網絡信息發送和接收，并且已經構建好的自組網絡通常無法再增加節點，只能根據已有的節點構建新的通信路徑。
根據天線的導向與節點的數據傳輸方向之間的關聯關系，一些公司提出了可以重新設定節點天線導向從而選擇替補節點加入通信路徑中的方案，例如索尼2004年提出了通信系統和方法（申請號：CN200510125156.3）通過改變窄波束天線的相應導向方向執行替換通信路徑的建立。
然而隨著替換通信路徑的建立，網絡可以正常進行通信，問題節點有可能得到修復，這一部分方案沒有考慮如何利用恢復后的節點工作能力，存在沒有充分利用節點資源的缺點。針對這一問題，陸續有公司提出了在網絡節點中斷的時，根據補償天線參數集重新配置天線參數來準備可用的可重新配置的物理天線對網絡進行補償，并且在網絡節點恢復后，將補償網絡的可重新配置的物理天線返回到初始天線參數集，例如愛立信2010年提出的通信網絡系統中的小區中斷補償方法(申請號：US13885451)。針對如何配置替代天線，愛立信還提出了相關的關于通信網絡系統中的替代天線配置的專利申請（申請號：US13885462）。
3.3基于可用功率或能量的通信距離選擇
節點的可用功率或能量為節點數據傳輸提供能量，決定了網絡的生存時間長短。為了能夠盡可能地延長網絡的生存時間，各公司在建立通信路徑時，均考慮電池電平、能量、功率水平等因素，優先選擇將電池電平、能量水平高、功耗小的節點加入通信路徑中，以盡可能延長網絡壽命。
早期申請簡單地將節點能量滿足單閾值時視為可用節點，排除其他不滿足要求的節點，存在沒有對充分利用節點的剩余能量的問題，例如，愛立信2002年提出的用于AD-HOC WLAN系統中的方法（申請號：US10528776），一個節點接收到的另外一個節點的信號的信號電平只有超過設定閾值電平時才將這個節點加到本節點的路由表中，從而可以得到新近鄰節點。2003年提出的預測性AD-HOC（申請號：US10584290），基于節點之間的鏈路狀態信息來更新路由，鏈路狀態信息可以是網絡中的節點的電池電平或能量狀態，以便在路由路徑中排除不滿足要求的節點。
為了能夠充分地利用節點的剩余能量，使得網絡中的能量能夠充分得到利用，盡可能地延長網絡的生存時間。各公司陸續對節點的剩余能量進行分級以能夠使得具有不同能量的節點能夠充分得到利用，例如，聯通2019提出了中間節點的剩余能量進行分級，根據等級選擇對應的路由處理策略（申請號201910114598.X）。
4結論與啟示
通過對上述專利分析可以看出，隨著自組網在生活中的應用越來越普遍，其應用環境將愈發復雜多樣，如何針對新的應用環境的網絡進行通信路徑設計，針對已有的應用環境的網絡進行改進將是未來一段時間內的研究重點。經過分析筆者發現，國外企業主要在根據節點的信號傳輸功率、強度、能量對通信路徑進行切換或節點選擇這一方面進行專利布局。這一過程中，難點在于如何根據應用環境的特點設計具體的通信路徑切換和節點選擇機制。國內相關企業和高校院所可以投入更多的精力在以無線節點資源為設計變量，針對自組網應用場景的不同特點進行通信路徑選擇機制設計和改進，完善專利申請方面的缺陷。
參考文獻
[1]張寧.基于機會路由的無線傳感網絡分簇路由算法[D].大連理工大學.2014
作者簡介：
于湃（1990-），女，遼寧營口人，碩士研究生，實習研究員，審查員，研究方向：計算機輔助設計、一般圖像處理、虛擬現實審查。
王文曉（1985-），男，本科，助理研究員，審查員，研究方向：計算機輸入輸出設備與技術，防偽印刷技術，靜態存儲器驅動電路技術等領域發明專利申請實質審查
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