基于元胞自动机模型的无线传感器网络自组织休眠方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信网络技术领域，具体涉及一种基于元胞自动机模型的无线传感器 网络自组织休眠方法的设计。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（wirelesssensornetworks,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，而被广泛的应用。
[0003] 由于传感器节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，由电池供 电，不宜使用更换电池的方式来补充能量，能源无法替代，为了延长整个网络的生存期，需 要使用大量的冗余节点，并令它们依次工作。由此可见，能耗问题是无线传感器网络研究的 核心问题，因此，如何采用合理机制在保证传输可靠性的同时使传感节点轮流进入休眠状 态，降低其能量消耗，从而延长整个网络的生存时间对无线传感器网节能具有重要意义。
[0004] 降低无线传感网络能耗可从减少参与信息传递的节点个数和减少通信网络中的 通信链路两个角度进行。基于这两点，通过运行无线传感器网络的自组织算法，网络将会产 生一个子拓扑，无线传感器网络自组织算法可划分为去除冗余链路和去除冗余节点的两种 自组织算法。去除冗余链路的自组织算法只需要相对精简的通信链路进行通信数据传输。 去除冗余节点的自组织算法只需要一部分性能参数比较符合的节点进行信息传递过程。其 中第二种自组织算法可以使被去除的节点处于睡眠模式来节省能量，同时剩下的子节点集 形成一个骨干网来进行数据传输。本发明提出的基于元胞自动机模型的无线传感器网络自 组织休眠方法属于去除冗余节点的的自组织算法。
[0005] 元胞自动机（cellularautomata,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，近年来，元胞自动机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。
[0006] 元胞自动机由四元组A= {Ld，S，N，f}构成，其中Ld为元胞空间（d为元胞空间的维 数）、S为节点状态集合、N为邻居节点集合、f为状态转换规则。在常规的基于元胞自动机 模型的WSN自组织节点休眠算法中，网络节点按照网格状分布，状态转换规则通常采用"生 命游戏"规则，根据邻居节点处于工作/休眠状态的节点个数来决定自身下一时刻的状态， 或者只考虑了节点和邻居节点的能量剩余状况，这两者都是不全面的。且通常在每个周期 结束都要进行状态转换的判断，然而在实际网络中，节点的关闭/开启操作是各能源消耗 方面比较昂贵的一部分，所以频繁地状态转换反而增加了能量的消耗。
[0007] 为了评价无线传感网络自组织算法的好坏，定义面向无线传感器网络的二维元胞 自动机模型的性能指标为：
[0008] (1)网络总能量：在特定时间点，所有节点所含剩余能量的总和；
[0009] (2)连通度：所有连通的节点占总节点的比例（活跃的节点有活跃的邻居节点，则 认为该节点具有连通性）；
[0010] (3)覆盖度：在特定时间点，所有活跃节点监测区域所占的百分比；
[0011] (4)存活的传感器节点总数：在特定时间点，还有剩余能量的传感器节点总数；
[0012] (5)网络生存时间：从仿真开始到所有节点能量耗尽所经过的时间；
[0013] (6)系统耗能指数：在特定时间点，所有处于活跃状态的节点总数与整个无线传 感器网络的节点数的比值，反映系统消耗能量的多少。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是为了解决现有技术中常规的基于元胞自动机模型的自组织休眠 方法在减少系统能量消耗方面并不全面的问题，提出了一种基于元胞自动机模型的无线传 感器网络自组织休眠方法。
[0015] 本发明的技术方案为：一种基于元胞自动机模型的无线传感器网络自组织休眠方 法，包括以下步骤：
[0016] S1、搭建感知区域；
[0017] S2、构建元胞自动机模型；
[0018] S3、初始化节点状态；
[0019] S4、初始化节点计时器；
[0020] S5、各节点获取自身属性；
[0021] S6、判断是否还存在存活的节点，若是则进入步骤S7,否则结束对无线传感器网络 的调节；
[0022] S7、判断节点计时器是否为0,若是则传感器节点判断自身下一个时刻的状态，重 置节点计时器并返回步骤S5,否则传感器节点保持自身原来的状态并返回步骤S5。
[0023] 进一步地，步骤S1包括：设置感知区域尺寸L、获取现有传感器节点总数 NodeAmount以及设置各传感器节点间的通信距离Rc。
[0024] 进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
[0025] S21、确定元胞空间；
[0026] S22、定义邻居节点集合；
[0027] S23、定义节点状态集合；
[0028] S24、定义状态转换规则。
[0029] 进一步地，步骤S21具体为：
[0030] 首先将步骤S1中搭建的感知区域映射为元胞空间，将其划分为LXL的方格，每 个方格的距离为传感器节点间的通信距离Rc，节点随机部署在里面，若方格中包含传感器 节点，则将这两个映射起来，初始化元胞能量为节点的初始能量，若方格中不包含传感器节 点，则将此网格对应转化成一个初始化能量为0的元胞；由此得到元胞空间为：
[0031] L=IA，JIi，jGZ，0 彡i彡L，0 彡j彡L}。
[0032]进一步地，步骤S22中邻居节点集合\j定义为：
[0034] 进一步地，步骤S23中节点状态集合定义为：
[0035] S= {S^e{〇, 1} |c^eL}，其中表示节点Cy的状态，0和1分别表示该节 点处于休眠或活跃状态。
[0036] 进一步地，步骤S24中状态转换规则包括：
[0037] 转换规则1 :所有传感器节点一直处于活跃状态，直至能量耗尽；
[0038] 转换规则2 :某时刻若传感器节点有一个以上的邻居处于活跃状态，则它将自己 的状态置为休眠状态；
[0039] 转换规则3 :"生命游戏"规则；
[0040] 转换规则4 :判断传感器节点是否有邻居节点处于活跃状态，若是则该节点在下 一个周期进入休眠；否则该节点以一定的概率P进入活跃状态，以（1-P)的概率进入休眠状 ??τ〇
[0041] 进一步地，步骤S4具体为：
[0042] 节点计时器被设置为1到5个时间单元中的任意值，节点计时器随着每个周期的 结束递减1，直至减为〇。
[0043] 进一步地，步骤S5中节点的自身属性包括节点序号、节点位置、节点的状态、剩余 能量以及节点计时器的值。
[0044] 进一步地，步骤S7中当节点计时器递减至0时，传感器节点根据转换规则4来判 断自己下一个时刻的状态。
[0045] 本发明的有益效果是：本发明将随机部署的无线传感器节点映射成规则的摩尔型 形状CA，但又是特殊的CA，使得节点可以随机分布；采用计时器来避免频繁切换状态和判 断上的冲突；在以前基于元胞自动机的无线传感器网络自组织算法的基础上加入了能量状 态参量，避免节点间剩余能量的不均衡，出现个别节点过早死亡导致的网络分割，使网络尽 可能均匀耗能，以达到更好的网络性能。
【附图说明】
[0046] 图1为本发明提供的基于元胞自动机模型的无线传感器网络自组织休眠方法流 程图。
[0047] 图2为本发明步骤S2的分步骤流程图。
[0048] 图3为四种转换规则下网络剩余总能量示意图。
[0049] 图4为四种转换规则下各传感器节点间连通度示意图。
[0050] 图5为四种转换规则下传感器网络的覆盖度示意图。
[0051] 图6为四种转换规则下网络中存活的传感器节点总数示意图。
[0052] 图7为四种转换规则下系统耗能指数示意图。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0054] 本发明提供了一种基于元胞自动机模型的无线传感器网络自组织休眠方法，如图 1所示，包括以下步骤：
[0055] S1、搭建感知区域：设置感知区域尺寸L、获取现有传感器节点总数NodeAmount以 及设置各传感器节点间的通信距离Rc。
[0056] 本发明实施例中，感知区域尺寸L= 100,传感器节点总数NodeAmount= 5000,各 传感器节点间的通信距离Rc= 1。
[0057] S2、构建元胞自动机模型。
[0058] 如图2所示，该步骤包括以下分步骤：
[0059]S21、确定元胞空间：首先将步骤S1中搭建的感知区域映射为元胞空间，将其划分 为LXL的方格，每个方格的距离为传感器节点间的通信距离Rc，节点随机部署在里面，若 方格中包含传感器节点，则将这两个映射起来，初始化元胞能量为节点的初始能量，若方格 中不包含传感器节点，则将此网格对应转化成一个初始化能量为〇的元胞，而初始化能量 不为〇的元胞都包含一个节点号。由此得到元胞空间为：
[0060] L=IA，JIi，jGZ，0 <i<L，0 <j<L}。
[0061] 利用此方法可以将不规则元胞自动机模型转化为简单的摩尔型元胞结构模型。
[0062] S22、定义邻居节点集合。
[0063] 节点」的邻居节点集合N^」定义为：
[0065] 本发明实施例中，邻居节点为相邻的8个元胞，与传统邻居节点不同，有一部分邻 居节点可能初始能量就为0。
[0066] S23、定义节点状态集合：S= {S^e{〇，1}|(：1,#1}，其中31」表示节点(：1」的状 态，0和1分别表示该节点处于休眠或活跃状态。
[0067]S24、定义状态转换规则。
[0068] 状态转换规则包括：
[0069] 转换规则1 :所有传感器节点一直处于活跃状态，直至能量耗尽。
[0070] 转换规则2 :某时刻若传感器节点有一个以上的邻居处于活跃状态，则它将自己 的状态置为休眠状态。
[0071] 转换规则3:"生命游戏"规则，即