CN105722174A - 异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，当簇首节点的数目小于等于最佳分簇数目时，根据最小距离准则将所述网络区域中的从节点加入到匹配的分簇中；根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，最后所述从节点根据通信模式进行数据传输。本发明通过采用混合通信方式，实现了异构融合网络区域中能耗均衡。

Description

异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法。

背景技术

在智能电网的大背景下，用电信息采集系统肩负着用电信息自动采集、高效共享和实时监控的重要任务，是智能用电服务体系的重要基础和用户用电信息的重要来源。在用电信息采集系统中的本地通信网络具有节点多，应用场景复杂的特点。传感器网络具有低功耗、低成本、抗干扰性强、高灵活性、建设周期短等优势，已经广泛应用于用电信息采集系统。本发明考虑采用灵活性较强的无线传感器网络组成本地网络，在Sink节部署集中器，在源节点处部署采集器。无线采集器是异构的微功率无线设备，其异构性体现在采集器的感知能力，通信能力和能量等。因此可以将用电信息采集系统的本地通信网络看作异构的无线传感器网络。由于传感器节点是能量受限的，无线通信的过程是能量消耗的主要环节，网络中不可避免的存在不同的传感器节点之间能量消耗不均衡的问题，由此导致传感节点覆盖范围减小或整个网络瘫痪。Y.Qian等人在“Prolongingthelifetimeofwirelesssensornetworkviamultihopclustering”中采用多跳方式，从整个网络的能量消耗为出发点来延长网络的生命周期。徐顺杰和刘志分别在“基于地理位置的无线传感器网络分簇路由协议研究”和“基于分环多跳的无线传感网分簇路由算法”中将监测区域分成若干虚拟网格或者环，利用非均匀分簇的思想解决网络中节点能耗不均衡的问题。孙毅等人在“面向用电信息采集的WSN非均匀分簇多跳路由算法”提出一种面向用电信息采集的WSN非均匀分簇多跳路由算法，将网络分为虚拟块，并在簇头路由时考虑节点位置和剩余能量的影响，解决了同构无线传感器网络中的“热区”问题。

现有的技术无法解决异构融合用电信息采集网络场景中的节点能量消耗不均衡的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，该方法为：根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，当簇首节点的数目小于等于最佳分簇数目时，根据最小距离准则将所述网络区域中的从节点加入到匹配的分簇中；根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，最后所述从节点根据通信模式进行数据传输。

上述方案中，该方法还包括：当簇首节点的数目大于最佳分簇数目时，将距离最近的两个簇首节点中能量大的一个选为簇首节点，另外一个成为从节点，直至簇首节点的数目等于最佳分簇数目。

上述方案中，所述从节点根据通信模式进行数据传输之后，该方法还包括：本轮数据传输完毕后，更新从节点的剩余能量，若网络区域中还有存活节点，进行下一轮的网络构建；否则，所述网络区域的生命周期结束。

上述方案中，所述网络区域分成m个分簇，每个分簇中有且仅有一个簇首节点，其余为从节点，所述簇首节点收集该分簇内信息，融合数据并把数据直接发送给Sink节点，所述从节点与簇首节点通信采用单跳模式或者多跳模式。

上述方案中，所述根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，具体通过以下步骤实现：

步骤1.1，分析簇中从节点的能量消耗，在网络生命周期T内，一个分簇中的从节点的所有能量消耗为：

步骤1.2，分析网络中整个簇的能量消耗为：

E_total＝E_NON-CH+E_CH，

将相关公式代入可得：

其中

步骤1.3，E_total是关于m的非单调函数，令：

步骤1.4，解出m的值，得到最佳分簇数目

上述方案中，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，具体通过以下步骤实现：

步骤2.1，由最佳分簇数目m_opt得到期望的簇首节点比例为

步骤2.2，设节点S_i被选为簇首的周期为t_i，Q_i为S_i在t_i轮中在选簇首的平均概率，设E_i(r)表示S_i在第r轮剩余的能量值，设表示网络在第r轮的平均能量值，

步骤2.3，在第r轮，用此时节点的能量与网络平均能量做比值，得到

步骤2.4，利用公式如下公式计算各节点成为簇首的概率

其中

步骤2.5，每个节点产生一个0～1之间的随机数，并计算一个门限值，若随机数小于该门限值，该节点成为候选簇头，门限值计算如下：

其中：r是目前进行的轮数；G代表最近t_i轮中还没有当选过簇头的节点集合。

上述方案中，所述根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1，计算选择单跳通信的概率；

步骤3.2，每个分簇产生一个0～1之间的随机数；

步骤3.3，利用公式计算一个门限值若随机数小于该门限值，该簇中的从节点采用单跳通信方式，否则采用多跳通信方式。

上述方案中，所述步骤3.1中计算选择单跳通信的概率，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1.1，对随机分布的节点位置进行理想化，认为第n环区域的节点都分布在边界上，如认为中心区域的节点与簇首的通信距离为R；第2环区域内节点与簇首的通信距离为2R；

步骤3.1.2，分析一种最简单的2跳通信，因为节点均匀分布在整个网络区域，中心区域每个节点平均转发的数据包的个数为：

在一个数据采集周期内，中心区域节点的平均能量消耗为：

E^m(R)＝NUM(R)·E_Tr(R)+E_Tx(R)

将公式(1)，(3)，(5)带入(6)可得：

其中，ε₁由R的大小决定，当R＜d₀时，ε₁＝ε_fs，R≥d₀时，ε₁＝ε_amp；

步骤3.1.3，推广至多跳通信，第i环区域的节点平均转发数据包的个数为：

其中a＝nR，

第i环区域的节点平均能量消耗为：

E^m(iR)＝NUM(iR)·E_Tr(iR)+E_Tx(iR)，

代入公式得：

步骤3.1.4，分析单跳通信的能量消耗，当i＝1,R＝a时，簇内所有节点与簇首直接通信，节点平均能量消耗为：

E^s'＝E_elec+ε_*a^k；

步骤3.1.5，若第i环区域的节点与簇首进行单跳通信，节点的平均能量消耗为：

E^s(iR)＝E_elec+ε_*(iR)^k,i≥1

步骤3.1.6，假设网络的生命周期有T轮，则节点的平均能量消耗为：

E(iR,P)＝PTE^s(iR)+(1-P)TE^m(iR)，

考虑中心节点的能量消耗为：

E(R,P)＝PTE^s(R)+(1-P)TE^m(R)，

最外环区域节点的能量消耗为：

E(a,P)＝PTE^s(a)+(1-P)TE^m(a)

＝PTE^s(a)+(1-P)TE^s(R)；

步骤3.1.7，令E(a,P)＝E(R,P)可解出最优的单跳通信概率：

上述方案中，所述步骤1.2中，每个节点在进行数据传输时的能量消耗的计算步骤如下：

步骤1.2.1，设E₀表示普通节点的初始能量，E_h表示高能节点的初始能量，h为高能节点所占比例，则在总的N个节点中有hN个高能节点,(1-h)*N个普通节点；

步骤1.2.2，采用普遍应用的无线能量模型，发送节点和接收节点之间的距离d小于d₀时，采用自由空间模型，发射功率呈d²减；否则采用多路径衰减模型，发射功率呈d⁴衰减，在发送和接收1比特消息经过距离为d的过程中能量消耗定义如下式所示，

E_Rx(d)＝E_elec，

其中，E_elec为处理一个数据包的能耗，E_Tx为发送电路的耗损能量，E_Rx为接收电路的耗损能量，ε_fsε_amp分别为两种信道模型下功放系数，临界距离

步骤1.2.3，节点转发一个包的能量消耗为：

E_Tr(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)；

步骤1.2.4，簇首节点既要组织成簇，收集簇内信息，又要融合数据并把数据转发给基站，因此，簇头节点的能量消耗要比普通节点多，簇首节点的能量消耗为：

E_CH(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)+E_BF，

其中E_BF为处理1比特信息所需要的能量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、从场景角度，考虑了异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度问题。结合用电信息采集系统的特点，采用灵活性较强的无线传感器网络组成本地网络，在Sink节部署集中器，在源节点处部署采集器。无线采集器是异构的微功率无线设备。

2、从能源消耗角度，网络节点采用混合通信方式。在进行网络通信时，如果只采取单一的通信方式可能会造成节点能量消耗的不均衡，因此考虑将两种通信方式混合使用，从节点的与簇首通信时以P的概率选择单跳模式，以1-P的概率选择多跳模式。在整个网络的生命周期内，令中心区域节点的能量消耗与簇最外环节点能量消耗相同，使簇内节点能量消耗均衡。

3、确定最优簇数目。因为簇首节点的能量消耗要比普通节点多，划分簇的数量并非越多或越少就越好。若簇的数量过少，和平面路由协议相差并不大。反之，若簇的分布过于密集，过多的节点成为簇首节点，网络系统则会由于簇首节点多余的能量消耗使得网络系统的生命周期变短。因此确定最优分簇数目可以有效延长网络生命周期。

4、进行簇首节点选举时，考虑采集节点的位置和剩余能量的影响。让剩余能量高的节点有更大的概率当选簇头节点，动态的调整网络结构，最大化利用网络能量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法流程图。

图2是本发明实施例提供的异构融合用电信息采集网络中的异构融合用电信息采集网络模型图；

图3是本发明实施例提供的簇的虚拟分区模型。

图4是本发明实施例提供的不同通信模式下网络生命周期比较。

图5是本发明实施例提供的不同通信模式下剩余总能量比较。

图6是本发明实施例提供的不同通信模式下sink节点接收到的数据包数目。

图7是本发明实施例提供的网络稳定期与网络规模的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，该方法为：根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，当簇首节点的数目小于等于最佳分簇数目时，根据最小距离准则将所述网络区域中的从节点加入到匹配的分簇中；根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，最后所述从节点根据通信模式进行数据传输。

本发明通过采用混合通信方式，实现了异构融合网络区域中能耗均衡。

如图1所示，本发明实施例提供一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，具体通过以下步骤实现：

S101：初始化网络，网络中每个节点向邻近节点发送消息，包含自己的ID、位置信息等；

S102：根据网络中的能量消耗，计算整个网络区域的最佳分簇数目m_opt；

具体的，步骤1.1，分析簇中从节点的能量消耗。在网络生命周期T内，一个簇中的从节点的所有能量消耗为：

步骤1.2，分析网络中整个簇的能量消耗为：

E_total＝E_NON-CH+E_CH，

将相关公式代入可得：

其中

步骤1.3，E_total是关于m的非单调函数。令：

步骤1.4，解出m的值，得到最佳分簇数目

S103：在网络区域中选举簇首节点；

具体的，步骤2.1，由最优分簇数目m_opt得到期望的簇首比例为

步骤2.2，设节点S_i被选为簇首的周期为t_i，Q_i为S_i在t_i轮中在选簇首的平均概率，设E_i(r)表示S_i在第r轮剩余的能量值，设表示网络在第r轮的平均能量值，

步骤2.3，在第r轮，用此时节点的能量与网络平均能量做比值，可以得到

步骤2.4，利用公式如下公式计算各节点成为簇首的概率

其中

步骤2.5，每个节点产生一个0～1之间的随机数，并计算一个门限值，若随机数小于该门限值，该节点成为候选簇头。门限值计算如下：

其中，r是目前进行的轮数；G代表最近t_i轮中还没有当选过簇头的节点集合。

在网络区域中选举簇首。如果簇首个数大于最优簇首数目，转向步骤104，否则转向步骤105。

S104：非簇首节点以最短距离原则加入相应的簇中；

具体的，当簇首节点的数目大于最佳分簇数目时，将距离最近的两个簇首节点中能量大的一个选为簇首节点，另外一个成为从节点，直至簇首节点的数目等于最佳分簇数目。

S105：平衡分簇内的能量消耗，确定从节点与簇首节点通信方式；

S106：进行数据传输，本轮数据传输完毕后，更新节点的剩余能量，进入下一轮的网络构建阶段。

具体的，步骤3.1，计算选择单跳通信的概率；

步骤3.2，每个簇产生一个0～1之间的随机数；

步骤3.3，并利用如下公式计算一个门限值，若随机数小于该门限值，该簇中的从节点采用单跳通信方式，否则采用多跳通信方式。

需要说明的是，步骤3.1具体实施步骤为：

1)对随机分布的节点位置进行理想化，认为第n环区域的节点都分布在边界上，如认为中心区域的节点与簇首的通信距离为R；第2环区域内节点与簇首的通信距离为2R；

2)分析一种最简单的2跳通信，因为节点均匀分布在整个网络区域，中心区域每个节点平均转发的数据包的个数为：

在一个数据采集周期内，中心区域节点的平均能量消耗为：

E^m(R)＝NUM(R)·E_Tr(R)+E_Tx(R)，

将公式(1)，(3)，(5)带入(6)可得：

其中，ε₁由R的大小决定，当R＜d₀时，ε₁＝ε_fs，R≥d₀时，ε₁＝ε_amp。

3)推广至多跳通信。第i环区域的节点平均转发数据包的个数为：

其中a＝nR。

第i环区域的节点平均能量消耗为：

E^m(iR)＝NUM(iR)·E_Tr(iR)+E_Tx(iR)，

代入公式得：

4)分析单跳通信的能量消耗。当i＝1,R＝a时，簇内所有节点与簇首直接通信，节点平均能量消耗为：

E^s'＝E_elec+ε_*a^k；

5)若第i环区域的节点与簇首进行单跳通信，节点的平均能量消耗为：

E^s(iR)＝E_elec+ε_*(iR)^k,i≥1；

6)假设网络的生命周期有T轮，则节点的平均能量消耗为：

E(iR,P)＝PTE^s(iR)+(1-P)TE^m(iR)，

考虑中心节点的能量消耗为：

E(R,P)＝PTE^s(R)+(1-P)TE^m(R)，

最外环区域节点的能量消耗为：

7)令E(a,P)＝E(R,P)可解出最优的单跳通信概率：

步骤7：进行数据传输。本轮数据传输完毕后，更新节点的剩余能量。若网络中还有存活节点，进行下一轮的网络构建，转向步骤2；否则，网络生命周期结束。

如图2所示，本发明为异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法的网络模型，将监测环境抽象为一个A×A的矩形二级能量异构的融合网络，忽略其他异构因素。网络中的节点仅包含高能节点和普通节点，高能节点的初始能量高于普通节点。网络中的N个节点随机均匀分布网络区域，网络中节点不具备移动性，可以直接与Sink节点通信，也可以与其他网络节点进行通信，节点间可以交互具体位置信息。整个网络中有且仅有一个Sink节点部署在网络区域内部中心位置(Sink点的位置对网络性能的研究没有影响)。本文采用层次组网的思想，将网络区域分成m个簇，每个簇中有且仅有一个簇首节点，其余为从节点。簇首收集簇内信息，融合数据并把数据直接发送给Sink节点。非簇首节点与簇首通信可以选择单跳模式或者多跳模式。其中，单跳模式可以减少离簇首近的节点转发数据的负担，然而多跳模式可以减小离簇首远的节点的长距离通信的负担。

如图3所示，网络中的簇的覆盖区域认为是圆形的，一个簇中只有唯一簇首，为保证所有的簇能够覆盖整个网络区域，设簇的半径为a，若一个簇内最多可以进行n跳通信，则将将簇分成n个等间隔的同心环，从内向外圆环分别编号为第1层，第2层，…，第n层，如图2，则单跳的通信范围为从节点的与簇首通信时以P的概率选择单跳模式，以1-P的概率选择多跳模式，使整个网络的能量消耗均衡，在进行多跳通信时，环内的节点为环外节点提供转发服务。

本发明考虑的是数据上行通信的情况，因此在一轮数据采集周期，认为从节点只与所在簇的从节点或簇首进行通信，簇首收集整个簇中从节点的数据，并与Sink节点通信，完成整个簇内数据的上传任务。设E₀表示普通节点的初始能量，E_h表示高能节点的初始能量。h为高能节点所占比例，则在总的N个节点中有hN个高能节点,(1-h)*N个普通节点。

本发明采用普遍应用的无线能量模型，发送节点和接收节点之间的距离d小于d₀时，采用自由空间模型，发射功率呈d²减；否则采用多路径衰减模型，发射功率呈d⁴衰减，在发送和接收1比特消息经过距离为d的过程中能量消耗定义如下式所示。

E_Rx(d)＝E_elec，

其中，E_elec为处理一个数据包的能耗，E_Tx为发送电路的耗损能量，E_Rx为接收电路的耗损能量，ε_fsε_amp分别为两种信道模型下功放系数，临界距离则节点转发一个包的能量消耗为：

E_Tr(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)。

由于簇首节点既要承担组织成簇，收集簇内信息，又要融合数据并把数据转发给基站的任务，因此，簇头节点的能量消耗要比普通节点多。簇首节点的能量消耗为：

E_CH(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)+E_BF，

其中E_BF为处理1比特信息所需要的能量。

下面结合仿真对本发明的应用效果做进一步的说明：

1、仿真条件：

本发明的仿真中参数的配置如下表所示：

2、仿真内容与仿真结果：

考虑不同的通信方式，分别对单跳通信方式、多跳通信方式和混合通信方式进行仿真，结果如下：

2a)图4为本发明实施例提供的不同通信模式下网络生命周期的比较。网络生命周期是指从网络开始运行到全部节点死亡所经历的时间。网络的稳定期是指从网络开始运行到第一个节点死亡所经历的时间。网络处于稳定期时，所有节点都能正常工作，所以网络的稳定期越长说明网络越可靠。从图4中可以看出，多跳通信模式下的稳定期为231轮；单跳通信模式下的稳定期为462轮。混合通信模式下的稳定期为502轮。相对于多跳通信，混合通信的稳定期延长了117％，相对于单跳通信，混合通信的稳定期延长了8.7％，说明采用单跳和多跳混合通信的方式可以增加网络的稳定期。从图中可以看出三种通信模式下的网络生命周期在剩余节点不多的情况下一直延续，出现这种情况的可能是因为最后只有高能节点存活下来，这些节点只需要发送自身的数据包，不需要进行数据处理，节省了部分能量，同时它们可能分布在sink节点的附近，发送数据包也不会消耗太多能量，所以这段时间持续的较长。

2b)图5为本发明实施例提供的不同通信模式下剩余总能量比较，可知整个网络的总能量为50J，多跳模式耗能最快，单跳模式和混合模式明显优于多跳模式，混合模式的能量消耗比单跳模式略慢。在相同的参数设置下，混合模式能量消耗都比多跳模式和单跳模式少，说明混合模式通信可以较充分的利用能量进行数据传输，能量利用率更高，所以网络的稳定期最长。

2c)图6为本发明实施例提供的不同通信模式下sink节点收到的数据包数目。簇首在接收到本簇从节点的数据包后，将本簇中所有数据包融合成一个数据包发送给Sink节点，因此sink节点每轮接收到的数据包的数目是每轮中簇头的数目。从图中可以看出，在任一通信模式下，数据包数目的增长在网络稳定期都是线性的，在生命周期的不稳定期是非线性的，趋于一个稳定值的，这是因为在稳定期的每轮簇首数目为最优数目，在进入不稳定期后网络中多数节点能量迅速耗尽死亡，簇首数目也难以维持在原来的数目，迅速减少，数据包增加量自然会随之减少，数据包的传输量也会趋于一个定值。从图中还可以明显看到，在混合通信模式下，sink节点接收到的数据包多于另外两种单一通信模式的数据包量。

2d)图7为本发明实施例提供的网络稳定期随着网络区域变化的情况。在三种通信模式下，改变网络区域的大小，其他参数均保持不变。从图中可以看出，单跳网络的稳定期随着网络规模的增加迅速缩短，多跳模式下稳定期缩短的最慢，混合模式的稳定期缩短的程度介于二者之间。可见多跳网络适应网络规模变化的能力最强，单跳网络适应网络规模变化的能力最弱。将单跳通信与多跳通信结合，组成的混合通信模式可以提高网络的适应能力。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，其特征在于，该方法为：根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，当簇首节点的数目小于等于最佳分簇数目时，根据最小距离准则将所述网络区域中的从节点加入到匹配的分簇中；根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，最后所述从节点根据通信模式进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，其特征在于，该方法还包括：当簇首节点的数目大于最佳分簇数目时，将距离最近的两个簇首节点中能量大的一个选为簇首节点，另外一个成为从节点，直至簇首节点的数目等于最佳分簇数目。

3.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中的节点链路调度方法，其特征在于，所述从节点根据通信模式进行数据传输之后，该方法还包括：本轮数据传输完毕后，更新从节点的剩余能量，若网络区域中还有存活节点，进行下一轮的网络构建；否则，所述网络区域的生命周期结束。

4.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于：所述网络区域分成m个分簇，每个分簇中有且仅有一个簇首节点，其余为从节点，所述簇首节点收集该分簇内信息，融合数据并把数据直接发送给Sink节点，所述从节点与簇首节点通信采用单跳模式或者多跳模式。

5.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于，所述根据网络区域中节点的能量消耗确定网络区域的最佳分簇数目，具体通过以下步骤实现：

步骤1.1，分析簇中从节点的能量消耗，在网络生命周期T内，一个分簇中的从节点的所有能量消耗为：

$E_{NON-CH}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}E(iR,P)\·\frac{2i-1}{n^2}\·\frac{N}{m};$

步骤1.2，分析网络中整个簇的能量消耗为：

E_total＝E_NON-CH+E_CH，

将相关公式代入可得：

$E_{total}=m(\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(PT\left(E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_i{\left(iR\right)}^k\right)+\left(1-P\right)T\left(\left(2E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_1{R}^k\right)\frac{n^2-i^2}{2i-1}+\left(E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_1{R}^k\right)\right))\·\frac{2i-1}{n^2}\·\frac{N}{m}+E_{CH}),$

其中 $R=\frac{A}{n\sqrt{m\mathrm{\π}}};$

步骤1.3，E_total是关于m的非单调函数，令：

步骤1.4，解出m的值，得到最佳分簇数目

$m_{opt}=\frac{E_{CH}}{\frac{k}{2}{\left(\frac{A}{n\sqrt{\mathrm{\π}}}\right)}^{k}T\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{P\ϵ}}_i{i}^k+(1-P){\mathrm{N\ϵ}}_1\frac{n^2-{(i-1)}^2}{n^2})}.$

6.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于，在所述网络区域中选取若干个簇首节点，具体通过以下步骤实现：

步骤2.1，由最佳分簇数目m_opt得到期望的簇首节点比例为

步骤2.2，设节点S_i被选为簇首的周期为t_i，Q_i为S_i在t_i轮中在选簇首的平均概率，设E_i(r)表示S_i在第r轮剩余的能量值，设表示网络在第r轮的平均能量值，

$\stackrel{\‾}{E}\left(r\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_i\left(r\right);$

步骤2.3，在第r轮，用此时节点的能量与网络平均能量做比值，得到 $Q_i=Q_{opt}\frac{E_i\left(r\right)}{\stackrel{\‾}{E}\left(r\right)};$

步骤2.4，利用公式如下公式计算各节点成为簇首的概率

$Q_i=\left\{\begin{array}{c}\frac{Q_{opt}{E}_i\left(r\right)}{(1+\mathrm{\α}h)\stackrel{\‾}{E}\left(r\right)},E_i\left(1\right)=E_0\\ \frac{Q_{opt}(1+\mathrm{\α})E_i\left(r\right)}{(1+\mathrm{\α}h)\stackrel{\‾}{E}\left(r\right)},E_i\left(1\right)=E_h\end{array}\right.,$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{E_h-E_0}{E_0};$

步骤2.5，每个节点产生一个0～1之间的随机数，并计算一个门限值，若随机数小于该门限值，该节点成为候选簇头，门限值计算如下：

${\mathrm{Th}}_1\left(i\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{Q_i}{1-Q_i\mathrm{mod}(r,t_i)},S_i\∈G\\ 0,S_i\∉G,\end{array}\right.,$

其中：r是目前进行的轮数；G代表最近t_i轮中还没有当选过簇头的节点集合。

7.根据权利要求1所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于，所述根据能量消耗均衡准则确定每个分簇中从节点的通信模式，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1，计算选择单跳通信的概率；

步骤3.2，每个分簇产生一个0～1之间的随机数；

步骤3.3，利用公式计算一个门限值若随机数小于该门限值，该簇中的从节点采用单跳通信方式，否则采用多跳通信方式。

8.根据权利要求7所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于，所述步骤3.1中计算选择单跳通信的概率，具体通过以下步骤实现：

步骤3.1.1，对随机分布的节点位置进行理想化，认为第n环区域的节点都分布在边界上，如认为中心区域的节点与簇首的通信距离为R；第2环区域内节点与簇首的通信距离为2R；

步骤3.1.2，分析一种最简单的2跳通信，因为节点均匀分布在整个网络区域，中心区域每个节点平均转发的数据包的个数为：

$NUM\left(R\right)=\frac{a^2-R^2}{R^2};$

在一个数据采集周期内，中心区域节点的平均能量消耗为：

E^m(R)＝NUM(R)·E_Tr(R)+E_Tx(R)

将公式(1)，(3)，(5)带入(6)可得：

$E^m\left(R\right)=(2E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_1{R}^k)\frac{a^2-R^2}{R^2}+(E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_1{R}^k)$

其中，ε₁由R的大小决定，当R＜d₀时，ε₁＝ε_fs，R≥d₀时，ε₁＝ε_amp；

步骤3.1.3，推广至多跳通信，第i环区域的节点平均转发数据包的个数为：

$\begin{array}{c}NUM\left(iR\right)=\frac{a^2-i^2{R}^2}{(a^2-{(i-1)}^2{R}^2)-(a^2-i^2{R}^2)}\\ =\frac{n^2-i^2}{2i-1}\end{array},$

其中a＝nR，

第i环区域的节点平均能量消耗为：

E^m(iR)＝NUM(iR)·E_Tr(iR)+E_Tx(iR)，

代入公式得：

$E^m\left(iR\right)=(2E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_{*}{R}^k)\frac{n^2-i^2}{2i-1}+(E_{elec}+{\mathrm{\ϵ}}_{*}{R}^k);$

步骤3.1.4，分析单跳通信的能量消耗，当i＝1,R＝a时，簇内所有节点与簇首直接通信，节点平均能量消耗为：

E^s'＝E_elec+ε_*a^k；

步骤3.1.5，若第i环区域的节点与簇首进行单跳通信，节点的平均能量消耗为：

E^s(iR)＝E_elec+ε_*(iR)^k,i≥1

步骤3.1.6，假设网络的生命周期有T轮，则节点的平均能量消耗为：

E(iR,P)＝PTE^s(iR)+(1-P)TE^m(iR)，

考虑中心节点的能量消耗为：

E(R,P)＝PTE^s(R)+(1-P)TE^m(R)，

最外环区域节点的能量消耗为：

E(a,P)＝PTE^s(a)+(1-P)TE^m(a)

＝PTE^s(a)+(1-P)TE^s(R)；

步骤3.1.7，令E(a,P)＝E(R,P)可解出最优的单跳通信概率：

$P=\frac{E^s\left(R\right)-E^m\left(R\right)}{2E^s\left(R\right)-E^m\left(R\right)-E^s\left(a\right)}.$

9.根据权利要求5所述的异构融合用电信息采集网络中节点链路调度方法，其特征在于，所述步骤1.2中，每个节点在进行数据传输时的能量消耗的计算步骤如下：

步骤1.2.1，设E₀表示普通节点的初始能量，E_h表示高能节点的初始能量，h为高能节点所占比例，则在总的N个节点中有hN个高能节点,(1-h)*N个普通节点；

步骤1.2.2，采用普遍应用的无线能量模型，发送节点和接收节点之间的距离d小于d₀时，采用自由空间模型，发射功率呈d²减；否则采用多路径衰减模型，发射功率呈d⁴衰减，在发送和接收1比特消息经过距离为d的过程中能量消耗定义如下式所示，

$E_{Tx}\left(d\right)=E_{elec}+E_{amp}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{c}{E}_{elec}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{fs}{d}^2,d<d_0\\ E_{elec}+{\mathrm{\&epsiv;}}_{amp}{d}^4,d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.,$

E_Rx(d)＝E_elec，

其中，E_elec为处理一个数据包的能耗，E_Tx为发送电路的耗损能量，E_Rx为接收电路的耗损能量，ε_fsε_amp分别为两种信道模型下功放系数，临界距离 $d_0=\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_{fs}/{\mathrm{\&epsiv;}}_{amp}};$

步骤1.2.3，节点转发一个包的能量消耗为：

E_Tr(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)；

步骤1.2.4，簇首节点既要组织成簇，收集簇内信息，又要融合数据并把数据转发给基站，因此，簇头节点的能量消耗要比普通节点多，簇首节点的能量消耗为：

E_CH(d)＝E_Tx(d)+E_Rx(d)+E_BF，

其中E_BF为处理1比特信息所需要的能量。