[发明专利]基于非易失性二维元胞自动机的无线传感网络建模方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无线传感器网络模型的设计。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明的技术方案是：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＝{C_d,Q,N,f}表示，其中，C_d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-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×r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C_i,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≤r}，Z表示整数集；

邻居集合：由于信号强度路径衰减，每个节点存在最大通信距离R_c，二维元胞模型中的邻居定义由该最大通信距离决定，定义节点邻域为Moore型结构，节点C_i,j的通信邻居集合N_i,j定义为：

节点状态集：本发明考虑传感器节点采用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。所以本发明定义包含N个元胞状态的集合Q＝{Q_i,j∈{0,1}|(i,j)∈C}，其中，Q_i,j表示节点C_i,j的状态，0和1分别表示该节点处于休眠或活跃状态；