基于非易失性二维元胞自动机的无线传感网络建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络建模方法，具体利用二维元胞自动机对无线传感器网络的时空演化规律，将无线传感网络中海量的无线传感器节点视为元胞自动机中的元胞，并引入具有记忆功能的第四类基本元件——忆阻器构建非易失性元胞自动机，进而通过设计合理的活跃机制和元胞间的协同，实现了在邻居状态异步输入的情况下，中心元胞状态与邻居元胞状态的同步更新，从而大大减少元胞与其邻居元胞间的信息交互，降低元胞节点的能量耗费。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种无线传感器网络模型的设计。
技术介绍
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs)是由部署在一定区域内大量 的微型传感器节点组成的，节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统。其目 的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象发送给观察者。由于其具有低功 耗、低成本、自组织的能力，被广泛的应用在环境监测、生物医疗、抢险救灾、防恐反恐、危险 区域远程控制等领域。 在实际的应用中，传感节点通常部署在环境恶劣或人迹罕至的地区，人为维护的 间隔周期较长，这使得频繁更换传感节点的电池变得不切实际。为保证信息传输的可靠性， 现有的做法通常是在部署传感节点时采取冗余配置方式。因此，如何在保证传输可靠性的 同时使传感节点能轮流进入休眠状态、降低其能量消耗、从而延长整个网络生存时间是国 内外对无线传感网节能研究的重点。 元胞自动机（Cellular Automata，CA)是定义在一个具有离散、有限状态的由元胞 组成的空间上，按照一定局部规则在离散时间维上同步演化的动力学系统。元胞在微观层 面通过简单规则进行交互，表现出宏观上的一种突现行为。作为集数学、物理学、生物学和 系统科学等多学科交叉的边缘领域，元胞自动机模型最初主要用于生物、交通和地理信息 系统等方面的动力学研究。近年来，元胞自动机模型也被应用到网络行为的研究，并且因其 结构简单，容易在计算机上实现，能够以简单的规则揭示复杂的全局特性，已成为研究自组 织系统时空演化规律的重要工具。 由于元胞自动机的结构简单、易于计算机实现，同时能以简单的规则揭示复杂的 全局特性。而无线传感网络是一种典型的自组织通信网络，大量分布式的传感器节点只能 够与临近节点相互通信，并依靠局部信息做出行为决策，各节点通常由电池供电，因而需要 能量保护机制使电池能量最大化，从而延长整个网络的生存期。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了降低无线传感网络能耗、延长整个无线传感网络的生存期， 提出一种基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络建模方法。 为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于非易失性二维元胞自动机的 无线传感器网络建模方法，包括步骤： 步骤1.构建面向无线传感器网络的二维元胞自动机模型： 所述二维元胞自动机具体为离散的动力学系统，由1X1个独立元胞对象排列在 二维空间，其中，1和r分别表示二维网格中网格单元的行数和列数。元胞自动机A由四元 组A = {Cd，Q，N，f}表示，其中，Cd表示元胞空间，d表示元胞空间的维数，Q为元胞的有限离 散状态集，N表示包括中心元胞在内的所有邻域内元胞的组合，f表示状态转换规则函数， 每一个元胞被赋予一个状态（取自有限状态集Q)，元胞在时刻t的状态依赖于邻域元胞组 合N在t-Ι时刻的状态，按照转换规则函数f进行转换； 步骤2.定义元胞空间模型要素： 在无线传感网络通信模型中，N个静态独立的传感节点以随机的方式布撒在一个 包含lXr个网格单元的规则的二维网格中，该网格即代表一个二维元胞空间，假设一个 网格单元至多包含一个传感节点。这个平面无线传感网即构成元胞空间，一个传感节点 就是元胞空间中的一个元胞，任何节点在空间中的位置可以用该二维网格中的水平坐标 i和垂直坐标j唯一标识，记表示处于（i，j)坐标的节点或元胞，元胞空间记为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络建模方法，包括步骤：步骤1.构建面向无线传感器网络的二维元胞自动机模型：所述二维元胞自动机是一个离散的动力学系统，由l×r个独立元胞对象排列在二维空间，其中，l和r分别表示二维网格中网格单元的行数和列数，元胞自动机A由四元组A＝{Cd,Q,N,f}表示，其中，Cd表示元胞空间，d表示元胞空间的维数，Q为元胞的有限离散状态集，N表示包括中心元胞在内的所有邻域内元胞的组合，f表示状态转换规则函数，每一个元胞被赋予一个状态，所述状态取自有限状态集Q，元胞在时刻t的状态依赖于邻域元胞组合N在t‑1时刻的状态，按照转换规则函数f进行转换；步骤2.定义元胞空间模型要素：在无线传感网络通信模型中，N个静态独立的传感节点以随机的方式布撒在一个包含L×L个格子单元的规则的二维网格中，该网格即代表一个二维元胞空间，假设一个网格单元至多包含一个传感节点；平面无线传感网即构成元胞空间，一个传感节点就是元胞空间中的一个元胞，任何节点在空间中的位置可以用该二维网格中的水平坐标i和垂直坐标j唯一标识，记Ci,j表示处于(i,j)坐标的节点或元胞，元胞空间记为：C＝{(i,j)|i,j∈Ζ,0≤i≤L,0≤j≤L}；每个节点存在最大通信距离Rc，二维元胞模型中的邻居定义由该最大通信距离Rc决定，定义节点邻域为Moore型结构，节点Ci,j的通信邻居集合Ni,j定义为：Ni,j={(k,l)∈C|(k-i)2+(l-j)2≤Rc};]]>传感器节点采用S‑MAC协议，节点周期地按照状态转换规则选择活跃或休眠状态。休眠状态时，节点进入休眠状态以节省能量；活跃状态时，节点检测周围环境并进行相应处理。所以本专利技术定义包含N个元胞状态的集合Q＝{Qi,j∈{0,1}|(i,j)∈C}，其中Qi,j表示节点Ci,j的状态，0和1分别表示该节点处于休眠或活跃状态；状态转换函数：设t时刻元胞Ci,j的状态为其邻居状态之和定义为：对于任意元胞Ci,j:(i,j)∈C，局部状态转换规则f：即t+1时刻的节点状态是由t时刻该节点邻域状态按照一定规则f确定的。步骤3.忆阻器元胞设计：忆阻器元胞MCi,j由一个无源忆阻器和开关组成，电流脉冲发生器Ip(t)向忆阻器和开关提供脉冲波，忆阻器元胞MCi,j的输出Yi,j(t)为：Yi,j(t)=v(t)=M(q(t))×Ip(t),Ip(t)>00,Ip(t)≤0,]]>其中，q(t)=∫0tIi,j(t)dt,]]>t为时间变量，Ii,j(t)为电流源输入，M(q(t))为忆阻器所储存的电荷量为q(t)时，忆阻器的阻值；忆阻器元胞由电压控制电流源输入，在没有来自邻居节点的输入时，每个忆阻器元胞独立工作的情况下，输入的电压Ui,j(t)序列为正负脉冲对，正脉冲用于对忆阻器元胞充电，负脉冲用于对忆阻器元胞放电；当输入的Ui,j(t)序列为“11”、“01”、“00”和“10”，忆阻器元胞的输出Yi,j(t)只取1和0这两个值，因此元胞是二值元胞，所输出的离散值1和0分别表示元胞处于激活和抑制状态。步骤4.非易失性二维元胞自动机模型设计：所述非易失性二维元胞自动机模型通过步骤3所设计的忆阻器元胞实现，该模型包括忆阻器元胞MCi,j、电流脉冲发生器、信号发生器和电压控制电流源，忆阻器元胞MCi,j具有来自八个邻居的异步输入，权重为bkl(k,l∈{‑1,0,1})，假定仅有输入Ui,j和Ui‑1,j，对应的有效权重b0,0和b‑1,0等于1，而其它权重为0；定义在1≤q≤2时，M(q)＝1，然后通过异步输入序列Ui‑1,j和Ui,j，即先输入Ui‑1,j序列，再输入Ui,j序列给元胞MCi,j，可得输出序列Yi,j与输入Ui,j、Ui‑1,j之间满足异或关系；步骤5.构建基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络模型：将步骤4中所设计的非易失性二维元胞自动机模型引入到步骤1中，构建面向无线传感器网络的非易失性二维元胞自动机模型，即用非易失性二维元胞自动机替换无线传感网络中的传感节点。...

【技术特征摘要】
2014.05.30 CN 201410239834.81. 一种基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络建模方法，包括步骤： 步骤1.构建面向无线传感器网络的二维元胞自动机模型： 所述二维元胞自动机是一个离散的动力学系统，由IXr个独立元胞对象排列在二维 空间，其中，1和r分别表示二维网格中网格单元的行数和列数，元胞自动机A由四元组A= {Cd，Q，N，f}表示，其中，Cd表示元胞空间，d表示元胞空间的维数，Q为元胞的有限离散状态 集，N表示包括中心元胞在内的所有邻域内元胞的组合，f表示状态转换规则函数，每一个 元胞被赋予一个状态，所述状态取自有限状态集Q，元胞在时刻t的状态依赖于邻域元胞组 合N在t-1时刻的状态，按照转换规则函数f?进行转换； 步骤2.定义元胞空间模型要素： 在无线传感网络通信模型中，N个静态独立的传感节点以随机的方式布撒在一个包 含LXL个格子单元的规则的二维网格中，该网格即代表一个二维元胞空间，假设一个网 格单元至多包含一个传感节点；平面无线传感网即构成元胞空间，一个传感节点就是元 胞空间中的一个元胞，任何节点在空间中的位置可以用该二维网格中的水平坐标i和 垂直坐标j唯一标识，记Ci^表示处于（i，j)坐标的节点或元胞，元胞空间记为：每个节点存在最大通信距离R。，二维元胞模型中的邻居定义由该最大通信距 离R。决定，定义节点邻域为Moore型结构，节点Ci;j的通信邻居集合\j定义为：传感器节点采用S-MC协议，节点周期地按照状态转换规则选择活跃或休眠状态。休 眠状态时，节点进入休眠状态以节省能量；活跃状态时，节点检测周围环境并进行相应处 理。所以本发明定义包含N个元胞状态的集合Q={QuG{〇，1}I(i，j)GC}，其中Qu表 示节点Ci;j的状态，0和1分别表示该节点处于休眠或活跃状态； 状态转换函数：设t时刻元胞Cu的状态为0?，其邻居状态之和#^定义为：'对于任意元胞Cu: (i，j)GC，局部状态转换规则f:，即t+1 时刻的节点状态是由t时刻该节点邻域状态按照...

【专利技术属性】
技术研发人员：于秦，姜微，冷甦鹏，毛玉明，罗俊海，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51