基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方法的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetworks,WSNs)是由部署在一定區(qū)域內(nèi)大量 的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目 的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測對象發(fā)送給觀察者。由于其具有低功 耗、低成本、自組織的能力，而被廣泛的應(yīng)用。
[0003] 由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，由電池供 電，不宜使用更換電池的方式來補(bǔ)充能量，能源無法替代，為了延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期，需 要使用大量的冗余節(jié)點(diǎn)，并令它們依次工作。由此可見，能耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的 核心問題，因此，如何采用合理機(jī)制在保證傳輸可靠性的同時使傳感節(jié)點(diǎn)輪流進(jìn)入休眠狀 態(tài)，降低其能量消耗，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間對無線傳感器網(wǎng)節(jié)能具有重要意義。
[0004] 降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗可從減少參與信息傳遞的節(jié)點(diǎn)個數(shù)和減少通信網(wǎng)絡(luò)中的 通信鏈路兩個角度進(jìn)行?；谶@兩點(diǎn)，通過運(yùn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織算法，網(wǎng)絡(luò)將會產(chǎn) 生一個子拓?fù)?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織算法可劃分為去除冗余鏈路和去除冗余節(jié)點(diǎn)的兩種 自組織算法。去除冗余鏈路的自組織算法只需要相對精簡的通信鏈路進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸。 去除冗余節(jié)點(diǎn)的自組織算法只需要一部分性能參數(shù)比較符合的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳遞過程。其 中第二種自組織算法可以使被去除的節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式來節(jié)省能量，同時剩下的子節(jié)點(diǎn)集 形成一個骨干網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明提出的基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自 組織休眠方法屬于去除冗余節(jié)點(diǎn)的的自組織算法。
[0005] 元胞自動機(jī)（cellularautomata,CA)是定義在一個具有離散、有限狀態(tài)的由元胞 組成的空間上，按照一定局部規(guī)則在離散時間維上同步演化的動力學(xué)系統(tǒng)。元胞在微觀層 面通過簡單規(guī)則進(jìn)行交互，表現(xiàn)出宏觀上的一種突現(xiàn)行為。作為集數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和 系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科交叉的邊緣領(lǐng)域，近年來，元胞自動機(jī)也被應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)行為的研究，并且 因其結(jié)構(gòu)簡單，容易在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，能夠以簡單的規(guī)則揭示復(fù)雜的全局特性，已成為研究 自組織系統(tǒng)時空演化規(guī)律的重要工具。
[0006] 元胞自動機(jī)由四元組A= {Ld，S，N，f}構(gòu)成，其中Ld為元胞空間（d為元胞空間的維 數(shù)）、S為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集合、N為鄰居節(jié)點(diǎn)集合、f為狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。在常規(guī)的基于元胞自動機(jī) 模型的WSN自組織節(jié)點(diǎn)休眠算法中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)格狀分布，狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則通常采用"生 命游戲"規(guī)則，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)處于工作/休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)來決定自身下一時刻的狀態(tài)， 或者只考慮了節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的能量剩余狀況，這兩者都是不全面的。且通常在每個周期 結(jié)束都要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的判斷，然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的關(guān)閉/開啟操作是各能源消耗 方面比較昂貴的一部分，所以頻繁地狀態(tài)轉(zhuǎn)換反而增加了能量的消耗。
[0007] 為了評價無線傳感網(wǎng)絡(luò)自組織算法的好壞，定義面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二維元胞 自動機(jī)模型的性能指標(biāo)為：
[0008] (1)網(wǎng)絡(luò)總能量：在特定時間點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)所含剩余能量的總和；
[0009] (2)連通度：所有連通的節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)的比例（活躍的節(jié)點(diǎn)有活躍的鄰居節(jié)點(diǎn)，則 認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)具有連通性）；
[0010] (3)覆蓋度：在特定時間點(diǎn)，所有活躍節(jié)點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域所占的百分比；
[0011] (4)存活的傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)：在特定時間點(diǎn)，還有剩余能量的傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)；
[0012] (5)網(wǎng)絡(luò)生存時間：從仿真開始到所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡所經(jīng)過的時間；
[0013] (6)系統(tǒng)耗能指數(shù)：在特定時間點(diǎn)，所有處于活躍狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)與整個無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值，反映系統(tǒng)消耗能量的多少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的基于元胞自動機(jī)模型的自組織休眠 方法在減少系統(tǒng)能量消耗方面并不全面的問題，提出了一種基于元胞自動機(jī)模型的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方法。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方 法，包括以下步驟：
[0016] S1、搭建感知區(qū)域；
[0017] S2、構(gòu)建元胞自動機(jī)模型；
[0018] S3、初始化節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；
[0019] S4、初始化節(jié)點(diǎn)計時器；
[0020] S5、各節(jié)點(diǎn)獲取自身屬性；
[0021] S6、判斷是否還存在存活的節(jié)點(diǎn)，若是則進(jìn)入步驟S7,否則結(jié)束對無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的調(diào)節(jié)；
[0022] S7、判斷節(jié)點(diǎn)計時器是否為0,若是則傳感器節(jié)點(diǎn)判斷自身下一個時刻的狀態(tài)，重 置節(jié)點(diǎn)計時器并返回步驟S5,否則傳感器節(jié)點(diǎn)保持自身原來的狀態(tài)并返回步驟S5。
[0023] 進(jìn)一步地，步驟S1包括：設(shè)置感知區(qū)域尺寸L、獲取現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù) NodeAmount以及設(shè)置各傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信距離Rc。
[0024] 進(jìn)一步地，步驟S2包括以下分步驟：
[0025] S21、確定元胞空間；
[0026] S22、定義鄰居節(jié)點(diǎn)集合；
[0027] S23、定義節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集合；
[0028] S24、定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。
[0029] 進(jìn)一步地，步驟S21具體為：
[0030] 首先將步驟S1中搭建的感知區(qū)域映射為元胞空間，將其劃分為LXL的方格，每 個方格的距離為傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信距離Rc，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在里面，若方格中包含傳感器 節(jié)點(diǎn)，則將這兩個映射起來，初始化元胞能量為節(jié)點(diǎn)的初始能量，若方格中不包含傳感器節(jié) 點(diǎn)，則將此網(wǎng)格對應(yīng)轉(zhuǎn)化成一個初始化能量為0的元胞；由此得到元胞空間為：
[0031] L=IA，JIi，jGZ，0 彡i彡L，0 彡j彡L}。
[0032]進(jìn)一步地，步驟S22中鄰居節(jié)點(diǎn)集合\j定義為：
[0034] 進(jìn)一步地，步驟S23中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集合定義為：
[0035] S= {S^e{〇, 1} |c^eL}，其中表示節(jié)點(diǎn)Cy的狀態(tài)，0和1分別表示該節(jié) 點(diǎn)處于休眠或活躍狀態(tài)。
[0036] 進(jìn)一步地，步驟S24中狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則包括：
[0037] 轉(zhuǎn)換規(guī)則1 :所有傳感器節(jié)點(diǎn)一直處于活躍狀態(tài)，直至能量耗盡；
[0038] 轉(zhuǎn)換規(guī)則2 :某時刻若傳感器節(jié)點(diǎn)有一個以上的鄰居處于活躍狀態(tài)，則它將自己 的狀態(tài)置為休眠狀態(tài)；
[0039] 轉(zhuǎn)換規(guī)則3 :"生命游戲"規(guī)則；
[0040] 轉(zhuǎn)換規(guī)則4 :判斷傳感器節(jié)點(diǎn)是否有鄰居節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)，若是則該節(jié)點(diǎn)在下 一個周期進(jìn)入休眠；否則該節(jié)點(diǎn)以一定的概率P進(jìn)入活躍狀態(tài)，以（1-P)的概率進(jìn)入休眠狀 ??τ〇
[0041] 進(jìn)一步地，步驟S4具體為：
[0042] 節(jié)點(diǎn)計時器被設(shè)置為1到5個時間單元中的任意值，節(jié)點(diǎn)計時器隨著每個周期的 結(jié)束遞減1，直至減為〇。
[0043] 進(jìn)一步地，步驟S5中節(jié)點(diǎn)的自身屬性包括節(jié)點(diǎn)序號、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、剩余 能量以及節(jié)點(diǎn)計時器的值。
[0044] 進(jìn)一步地，步驟S7中當(dāng)節(jié)點(diǎn)計時器遞減至0時，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則4來判 斷自己下一個時刻的狀態(tài)。
[0045] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將隨機(jī)部署的無線傳感器節(jié)點(diǎn)映射成規(guī)則的摩爾型 形狀CA，但又是特殊的CA，使得節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)分布；采用計時器來避免頻繁切換狀態(tài)和判 斷上的沖突；在以前基于元胞自動機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織算法的基礎(chǔ)上加入了能量狀 態(tài)參量，避免節(jié)點(diǎn)間剩余能量的不均衡，出現(xiàn)個別節(jié)點(diǎn)過早死亡導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)分割，使網(wǎng)絡(luò)盡 可能均勻耗能，以達(dá)到更好的網(wǎng)絡(luò)性能。
【附圖說明】
[0046] 圖1為本發(fā)明提供的基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方法流 程圖。
[0047] 圖2為本發(fā)明步驟S2的分步驟流程圖。
[0048] 圖3為四種轉(zhuǎn)換規(guī)則下網(wǎng)絡(luò)剩余總能量示意圖。
[0049] 圖4為四種轉(zhuǎn)換規(guī)則下各傳感器節(jié)點(diǎn)間連通度示意圖。
[0050] 圖5為四種轉(zhuǎn)換規(guī)則下傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度示意圖。
[0051] 圖6為四種轉(zhuǎn)換規(guī)則下網(wǎng)絡(luò)中存活的傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)示意圖。
[0052] 圖7為四種轉(zhuǎn)換規(guī)則下系統(tǒng)耗能指數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。
[0054] 本發(fā)明提供了一種基于元胞自動機(jī)模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織休眠方法，如圖 1所示，包括以下步驟：
[0055] S1、搭建感知區(qū)域：設(shè)置感知區(qū)域尺寸L、獲取現(xiàn)有傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)NodeAmount以 及設(shè)置各傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信距離Rc。
[0056] 本發(fā)明實(shí)施例中，感知區(qū)域尺寸L= 100,傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)NodeAmount= 5000,各 傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信距離Rc= 1。
[0057] S2、構(gòu)建元胞自動機(jī)模型。
[0058] 如圖2所示，該步驟包括以下分步驟：
[0059]S21、確定元胞空間：首先將步驟S1中搭建的感知區(qū)域映射為元胞空間，將其劃分 為LXL的方格，每個方格的距離為傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信距離Rc，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在里面，若 方格中包含傳感器節(jié)點(diǎn)，則將這兩個映射起來，初始化元胞能量為節(jié)點(diǎn)的初始能量，若方格 中不包含傳感器節(jié)點(diǎn)，則將此網(wǎng)格對應(yīng)轉(zhuǎn)化成一個初始化能量為〇的元胞，而初始化能量 不為〇的元胞都包含一個節(jié)點(diǎn)號。由此得到元胞空間為：
[0060] L=IA，JIi，jGZ，0 <i<L，0 <j<L}。
[0061] 利用此方法可以將不規(guī)則元胞自動機(jī)模型轉(zhuǎn)化為簡單的摩爾型元胞結(jié)構(gòu)模型。
[0062] S22、定義鄰居節(jié)點(diǎn)集合。
[0063] 節(jié)點(diǎn)」的鄰居節(jié)點(diǎn)集合N^」定義為：
[0065] 本發(fā)明實(shí)施例中，鄰居節(jié)點(diǎn)為相鄰的8個元胞，與傳統(tǒng)鄰居節(jié)點(diǎn)不同，有一部分鄰 居節(jié)點(diǎn)可能初始能量就為0。
[0066] S23、定義節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集合：S= {S^e{〇，1}|(：1,#1}，其中31」表示節(jié)點(diǎn)(：1」的狀 態(tài)，0和1分別表示該節(jié)點(diǎn)處于休眠或活躍狀態(tài)。
[0067]S24、定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則。
[0068] 狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則包括：
[0069] 轉(zhuǎn)換規(guī)則1 :所有傳感器節(jié)點(diǎn)一直處于活躍狀態(tài)，直至能量耗盡。
[0070] 轉(zhuǎn)換規(guī)則2 :某時刻若傳感器節(jié)點(diǎn)有一個以上的鄰居處于活躍狀態(tài)，則它將自己 的狀態(tài)置為休眠狀態(tài)。
[0071] 轉(zhuǎn)換規(guī)則3:"生命游戲"規(guī)則，即