基于无线节点资源的通信路径选择在自组网中的应用专利技术综述
于湃 王文晓
（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州，450000）
摘要 本文旨在对基于无线节点资源的通信路径选择在自组网中的应用的相关专利情况进行分析，具体从专利申请量、专利申请分布、重要申请人分布情况、以及专利技术分析四个方面进行了详细分析，并预测未来自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法技术领域的发展趋势。
关键词 自组织网络；通信路径；无线节点
1概述
无线自组网是无线通信网络中的一种常用的网络类型，具有自动配置、多跳性、无中心和自组织性以及动态拓扑、具有明显的宽带限制、单向信道等特点，其自组织的特点提供了可以快速部署网络的能行性，目前已经大量地使用在民用和军事应用中[1]。节点通过无线发送装置上的天线装置向外发送信号，天线的类型和发送功率使得节点之间的拓扑结构随时可能发生变化。无线节点的能源来源是通常是能量有限的电池，当电池无法再提供为节点能量时，节点将被迫停止工作。也就是说，无线节点的资源问题制约着网络的性能。因此，需要我们设计节能有效的通信路径来对自组网的各个组成模块进行协调，从而合理地使用自组织网有限的能量资源 。基于对目前在自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法的了解，其总体上可以分为三类，基于传输功率的通信路径选择，基于可用天线的特性的通信路径选择，基于可用功率或能量的通信路径选择。本文从这几类主要自组网通信路径选择方法入手，从专利文献的角度出发，对自组网通信路径查找技术领域的重要专利进行了梳理、分析与总结。
2 传感网路由协议技术专利申请现状分析
本文选取CNABS(中国专利文摘数据库)和DWPI(德温特世界专利索引数据库)作为检索基础数据库，涉及网络拓扑为自组网络，例如特定网络或传感器网络的相关分类号主要为H04W84/18及以下小组，涉及基于无线节点资源的通信路由或通信路径查找的相关分类号主要为H04W40/04及以下小组，涉及功率管理的相关分类号主要为H04W52/00及以下小组，涉及无线资源管理的相关分类号主要为H04W72/00及以下小组，涉及无线信道接入相关分类号主要为H04W74/00及以下小组。截至2019年5月13日，通过以上分类号和相关关键词（通信路径、通信路由）检索到关于基于无线节点资源的通信路径选择在自组网中的应用的申请950件，其中国内申请量为138件，国外申请量812件，下面对这950件专利从专利申请量、专利申请地域分布、重要申请人进行分析。
2.1专利申请量
随着自组织网络在各个领域的大量使用，面对如何无线节点资源受限而造成的节点损坏的问题，自组织网络的通信路由或通信路径查找方法越来越受到关注。从申请量来看专利申请最早出现在2000年，在随后几年内持续申请量猛增，在2004年达到了一个小高峰，在05年申请量下降，从2005年到2015年专利申请量每年以一个相对稳定速度增加，16年和17年相对15年来说申请量有一个阶段性的增加， 2018年还有部分专利没有公开，2019年还有大部分专利没有公开，可以预见，2018、2019年的专利申请量很多，这一领域在接下来的一段时间依旧申请量会处在持续增加的状态中。可见，自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法出现时间晚，目前仍然处于快速稳定发展过程中。
图1全球专利申请量变化趋势
2.2专利申请的分布情况
专利申请地域分布反映了在各个区域该领域的专利技术申请的情况，其一定程度上能够反映出各区域在相关技术领域的技术进展。从图2中可以看出，美国、欧洲、中国、韩国、印度、日本是申请量的主要贡献者，基于无线节点资源的通信路径选择在自组网中的应用相关技术在美国的专利申请量占据了全球的45%，欧洲、中国、日本、韩国、印度的专利申请量相对较少，反映了在这一领域美国的技术无疑是最丰富的。
图2全球地域排名
2.3重要申请人以及国内申请人分布情况
专利申请地域分布反映了各个申请人在该领域的专利技术持有量的情况，其一定程度上能够反映出对相关技术研究主要分布情况。图3为在自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法领域的重要申请人分布，从图中可以看出，该领域的重要申请人主要为欧美、日韩企业，可见在自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法具有重要的商业价值。
图3 重要申请人分布
3. 专利技术分析
在自组网中，无线节点资源限制着网络的性能以及存活时间。基于对自组网中无线节点资源的分析了解，其大致可以分为三类：传输功率，可用天线的特性以及可用功率或能量。由此可以根据自组网中无线节点资源的类型，确定通信路径选择方法的技术分支。本节从自组网中基于无线节点资源的通信路径选择方法的技术分类出发，了解这一领域各类技术的近些年的主要发展路线，绘制出技术路线图，并分析该领域各技术分支的重点专利申请。
3.1基于传输功率的通信路径选择
传输功率直接影响了传输的距离，从而影响网络连接是否可靠。从传输功率的角度来看，通信路径的最终目标是在能够保证数据传输可靠的前提下，选择传输功率较低的链路，从而节省能耗。不同网络结构，节点的拓扑结构不同。随着网络结构的发展，各公司纷纷提出了针对不同类型的网络结构的基于传输功率的通信路径选择方法，从而能够保证数据传输性能的前提下，减少功率消耗和干扰。
从网络技术诞生以来，传统网络结构在各个领域发挥着作用。对于传统的多跳无线网络，通常采用功率受控的多跳调度为无线网络内的所有节点路径提供公平性，例如高通2007年提出了多跳无线网络中基于流的公平调度（申请号：US11495002）。
随着社会的发展，传统的网络结构越来越受到限制，网状网络结构的节点互联互通、自愈合、兼容性等优点得到了重视。因此，各公司针对网状网络结构提出了针对性的路径选择方法，可以设定无线通信实体目标节点的功率简档，依据功率简档确定节点的传输路径，例如高通2012年提出的网状网络中的功率优化行为（申请号：US13564648）。
为了解决固定的网络拓扑不能满足网络的动态变化特性的问题，各类多接口网络接连出现。因此，各公司针对多接口网络可以设置多个等级传输功率链路的特点，设置网络拓扑中同时存在不同传输功率链路，在保证数据传输性能的前提下，动态选择合适的传输功率链路，尽可能减少功率消耗，例如思科2013年提出的在计算机网络中交替低和中传输功率信道的方法（申请号：US13960663）。与此类似的，还有思科同年提出的相关构思的申请(申请号：US13960639)。
3.2基于可用天线的特性的通信路径选择
天线作为节点信号接收与发送的主要元件，用于辐射和接收无线电信号，决定了数据传输的方向。当某个节点天线的工作能力减弱或者完全消失时，自组网络的拓扑结果将会发生变化，无法维持正常的网络信息发送和接收，并且已经构建好的自组网络通常无法再增加节点，只能根据已有的节点构建新的通信路径。
根据天线的导向与节点的数据传输方向之间的关联关系，一些公司提出了可以重新设定节点天线导向从而选择替补节点加入通信路径中的方案，例如索尼2004年提出了通信系统和方法（申请号：CN200510125156.3）通过改变窄波束天线的相应导向方向执行替换通信路径的建立。
然而随着替换通信路径的建立，网络可以正常进行通信，问题节点有可能得到修复，这一部分方案没有考虑如何利用恢复后的节点工作能力，存在没有充分利用节点资源的缺点。针对这一问题，陆续有公司提出了在网络节点中断的时，根据补偿天线参数集重新配置天线参数来准备可用的可重新配置的物理天线对网络进行补偿，并且在网络节点恢复后，将补偿网络的可重新配置的物理天线返回到初始天线参数集，例如爱立信2010年提出的通信网络系统中的小区中断补偿方法(申请号：US13885451)。针对如何配置替代天线，爱立信还提出了相关的关于通信网络系统中的替代天线配置的专利申请（申请号：US13885462）。
3.3基于可用功率或能量的通信距离选择
节点的可用功率或能量为节点数据传输提供能量，决定了网络的生存时间长短。为了能够尽可能地延长网络的生存时间，各公司在建立通信路径时，均考虑电池电平、能量、功率水平等因素，优先选择将电池电平、能量水平高、功耗小的节点加入通信路径中，以尽可能延长网络寿命。
早期申请简单地将节点能量满足单阈值时视为可用节点，排除其他不满足要求的节点，存在没有对充分利用节点的剩余能量的问题，例如，爱立信2002年提出的用于AD-HOC WLAN系统中的方法（申请号：US10528776），一个节点接收到的另外一个节点的信号的信号电平只有超过设定阈值电平时才将这个节点加到本节点的路由表中，从而可以得到新近邻节点。2003年提出的预测性AD-HOC（申请号：US10584290），基于节点之间的链路状态信息来更新路由，链路状态信息可以是网络中的节点的电池电平或能量状态，以便在路由路径中排除不满足要求的节点。
为了能够充分地利用节点的剩余能量，使得网络中的能量能够充分得到利用，尽可能地延长网络的生存时间。各公司陆续对节点的剩余能量进行分级以能够使得具有不同能量的节点能够充分得到利用，例如，联通2019提出了中间节点的剩余能量进行分级，根据等级选择对应的路由处理策略（申请号201910114598.X）。
4结论与启示
通过对上述专利分析可以看出，随着自组网在生活中的应用越来越普遍，其应用环境将愈发复杂多样，如何针对新的应用环境的网络进行通信路径设计，针对已有的应用环境的网络进行改进将是未来一段时间内的研究重点。经过分析笔者发现，国外企业主要在根据节点的信号传输功率、强度、能量对通信路径进行切换或节点选择这一方面进行专利布局。这一过程中，难点在于如何根据应用环境的特点设计具体的通信路径切换和节点选择机制。国内相关企业和高校院所可以投入更多的精力在以无线节点资源为设计变量，针对自组网应用场景的不同特点进行通信路径选择机制设计和改进，完善专利申请方面的缺陷。
参考文献
[1]张宁.基于机会路由的无线传感网络分簇路由算法[D].大连理工大学.2014
作者简介：
于湃（1990-），女，辽宁营口人，硕士研究生，实习研究员，审查员，研究方向：计算机辅助设计、一般图像处理、虚拟现实审查。
王文晓（1985-），男，本科，助理研究员，审查员，研究方向：计算机输入输出设备与技术，防伪印刷技术，静态存储器驱动电路技术等领域发明专利申请实质审查
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