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】
[0001] 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】
[0002] 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擁痪。Y.Qian等人在"Prolonging the lifetime of wireless sensor network via multi hop clustering"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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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：
[0011] 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：
[0013] 步骤1.2,分析网络中整个簇的能量消耗为：
[0014] Etotai = Enon-ch+Ech ,
[0015] 将相关公式代入可得：
[0017] 其中
；
[0018] 步骤1.3，Et〇tai是关于m的非单调函数，令：
[0019]步骤1.4,解出m的值，得到最佳分簇数目
[0021] 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：
[0022] 步骤2.1，由最佳分簇数目mcipt得到期望的簇首节点比例为
[0023] 步骤2.2,设节点Si被选为簇首的周期为ti，Qi为Si在ti轮中在选簇首的平均概率，
，设Edr)表示&在第r轮剩余的能量值，设百D表示网络在第r轮的平均能量值，
[0024]
[0025] 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1
[0026] 步骤2.4,利用公式如下公式计算各节点成为簇首的概率
[0029]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：
[0031 ]其中:r是目前进行的轮数;G代表最近^轮中还没有当选过簇头的节点集合。
[0032]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：
[0033] 步骤3.1，计算选择单跳通信的概率；
[0034] 步骤3.2，每个分簇产生一个0~1之间的随机数；
[0035] 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。
[0036] 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： [0037]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;
[0038]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：
[0040] 在一个数据采集周期内，中心区域节点的平均能量消耗为：
[0041] Em(R)=NUM(R) ? ETr(R)+ETX(R)
[0042] 将公式（1)，（3)，（5)带入(6)可得：
[0044] 其中，ei由R的大小决定，当R<do时，ei = ￡fs，R》do时，ei = eamp;
[0045] 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：
[0047] 其中 a = nR，
[0048] 第i环区域的节点平均能量消耗为：
[0049] Em(iR)=NUM(iR) ? ETr(iR)+ETX(iR)，
[0050] 代入公式得：
[0052] 步骤3.1.4,分析单跳通信的能量消耗，当i = l，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：
[0053] Es =Eeiec+e*ak；
[0054]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：
[0055] Es(iR)=Eeiec+e*(iR)k,i > 1
[0056] 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：
[0057] E(iR，P)=PTEs(iR) + (l-P)TEm(iR)，
[0058]考虑中心节点的能量消耗为：
[0059] E(R，P)=PTEs(R) + (l_P)TEm(R)，
[0060] 最外环区域节点的能量消耗为：
[0061 ] E(a,P)=PTEs(a) + (l-P)TEm(a)