[发明专利]一种基于元胞自动机的GAF路由方法

摘要

本发明公开了一种基于元胞自动机的GAF路由方法。本发明的方法通过节点执行元胞自动机模型的状态转换规则自动地担任簇头或进入睡眠状态；网络中被划分的一个虚拟单元格代表一个簇，同一虚拟单元格中的节点通过簇头选举方法产生簇头，其余节点关闭通信模块进入睡眠状态，节约能量消耗；将一个簇看为一个元胞空间单元，同一个虚拟单元格内的节点通过执行统一的状态转换规则，进行独立决策，每个簇之间不需要严格的时钟同步。本发明的方法同完全型簇头选举方法相比，节点无需掌握所在虚拟格中其他节点的地理位置信息，因此节点不必维护大量的全局信息；同随机型簇头选举方法相比，节点无需发送大量的测试信息来竞争簇头。

主权项

一种基于元胞自动机的GAF路由方法，包括如下步骤：S1：对无线传感器网络进行虚拟单元格划分，网络中的节点都维护自身的地理位置信息；S2：建立元胞自动机模型，包括元胞空间、元胞邻居模型、元胞的状态集和元胞自动机状态转换规则的确定；S3：执行基于元胞自动机的簇头选择算法，选举出簇头节点；S4：当节点若收到邻居节点已经成为簇头的信息，则直接进入睡眠状态；同样通过元胞自动机状态转换规则竞争簇头不成功的节点也进入睡眠状态；S5：当选为簇头的节点设置定时器Ta，代表节点处在活动状态的时间，当Ta超时，所述节点重新加入簇头竞争中，回到发现状态；簇头竞选失败的节点进入睡眠状态，设置定时器Ts，定时器超时后由睡眠状态回到发现状态的节点再次与虚拟单元格内其他节点交换信息，以确定自己是否能够成为簇头；步骤S1所述的网络中的节点自身的地理位置信息表示方法如下：设节点P的位置坐标为(x,y)，则沿x轴方向节点所在虚拟单元格的编号xloc由公式xloc＝(int)x/grid_size计算得出，其中，grid_size为正方形虚拟单元格的边长；沿y轴方向节点所在虚拟单元格的编号yloc由公式yloc＝(int)y/grid_size计算得出；节点在网络中所在虚拟单元格编号grid_ID由公式grid_ID＝(yloc*grid_X+xloc)计算得出，其中，grid_X表示网络中沿x轴方向虚拟单元格的数量；步骤S2所述的建立元胞自动机模型的具体过程如下：网络中每个虚拟单元格即为一个元胞空间，在以一个虚拟单元格为单元的元胞空间内，通过不规则元胞自动机邻居元胞的划分方法确定邻居节点：节点有睡眠状态、发现状态和活动状态三个状态，用00表示睡眠状态，01表示发现状态，11表示活动状态；设t时刻元胞(i,j)的状态为Qi,j(t)，其邻居节点状态之和定义为Ni,j(t)＝∑Qi,j(t)，其中某节点的邻居节点是指在该节点单跳通信范围内的节点；状态转换规则函数f，即定义如下：如果则其中，变量energy代表本节点剩余能量，avr_energy代表本节点及所有邻居节点的平均剩余能量；当节点当前状态为01，即为发现状态时，节点通过与同一虚拟单元格内邻居节点交换信息判定自身的剩余能量与平均剩余能量之间的关系；当节点剩余能量大于或等于平均剩余能量时，下一时刻节点状态变为11，即进入活动状态，成为簇头；当节点剩余能量小于平均剩余能量时，下一时刻节点状态变为00，即进入睡眠状态；当节点进入活动状态时证明竞争簇头成功，成为虚拟单元格的簇头，担任通信任务，设置cluster＝1，所述cluster表示节点当选簇头，设置定时器Tc，记录节点担任簇头的时长，计时器超时后节点回到状态01，即发现状态，进入下一轮簇头的竞争中；进入睡眠状态的节点开启计时器Ts，记录节点睡眠的时长，并将睡眠/工作状态标志sleepflag置为0；如果则节点当前状态为00，若sleepflag为1，则该节点在下一时刻的状态转换为发现状态“01”，否则节点仍保持为睡眠状态；如果则节点当前状态为11，即节点处于活动状态，担任簇头，若cluster为1，则保持活动状态，否则cluster＝0，节点处于活动时间超时，回到发现状态。