基于元胞自动机的环形WSN脉冲耦合振荡器时间同步模型的制作方法

本发明具体涉及一种基于元胞自动机的环形wsn脉冲耦合振荡器时间同步模型，属于无线网络通讯技术领域。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetwork，wsn)是分布式系统，因其广泛的应用前景而成为当前的研究热点之一。无线传感器网络在军事监控、环境监测、医疗护理、智慧工厂、智慧城市、以及煤矿井下的安全监测等领域，都发挥着重要的作用。wsn节点之间相互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地时钟。时钟的计时信号一般由廉价的晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工艺的限制，并且其在运行过程中易受到电压、温度及晶体老化等多种偶然因素的影响，晶体振荡器的频率很难保持一致性，导致网络中节点的计时速率总有偏差，造成了网络节点时间的失步。为了维护节点本地时间的一致性，必须经常性进行时间同步操作。因此相对于通常的分布式系统，wsn对时间同步的需求尤为重要，可以说时间同步是wsn的一项支撑技术。目前，在定位、测距、数据融合、mac层协议、睡眠调度、路由协议、协作传输、数据库同步等几乎所有的场合都对时间同步有明确的要求。

脉冲耦合振荡器(pulsecoupledoscillator)是通过脉冲形式的信号来相互传递信息的，如萤火虫同步闪烁、心脏起搏细胞等，由这样的振子组成的网络系统被称为脉冲耦合系统(pulsecoupledsystem)。在全连接网络的脉冲耦合系统中，所有节点互相传递耦合信息，虽然耦合存在的时间非常短暂，但是整个系统却能表现出惊人的同步性。应用于wsn时间同步中，可以在物理层的同步信号，而与来源无关；可以很好的适应网络的动态拓扑，具有非常好的可扩展性；各个节点只需执行一个相同而简单的机制就可达到同步，可以不存储时间信息，非常适合各种资源都有限的无线传感器网络。

虽然脉冲耦合振荡器网络同步模型很好的应用于无线传感器网络时间同步中，但限制于全连接的网络拓扑。如煤矿井下这一特殊物理环境中，由于煤矿井下物理环境与地面截然不同，并且传统的二维网络拓扑不能直接应用，比如在井下巷道的分岔口处，相比全连接网络的脉冲耦合振荡器网络同步模型而言，复杂的井下巷道更适用于非全连接的环状网络拓扑。在环状网络拓扑中，由于脉冲形式的信号的信息传递范围只能在最邻近的邻居节点，当某一节点无法正常工作时，环状网络也无法实现同步。并且在网络同步的过程中，需要大量的脉冲耦合信息传递，很难在环状网络中达到完全同步。

技术实现要素：

本发明提出了一种适应用环状网络拓扑的无线传感器网络的时间同步模型，以非漏电脉冲耦合振荡器模型为理论模型，构建一种基于元胞自动机的脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

具体的，本发明提供的基于元胞自动机的wsn脉冲耦合振荡器时间同步模型，所述模型为：

将每一个振荡器看做为一个元胞，且在元胞自动机中用方格表示振荡器，由于脉冲耦合振荡器网络中若存在某个振荡器节点达到激发态，产生脉冲信号，那么其他节点将会受到耦合因子的影响，从而刺激自身相位发生状态改变；在同步演进的过程中，符合同步条件的节点在受到激励耦合机制下，系统出现多个振荡器组，直到最终只有一个振荡器组时逐渐实现同步状态；

设定n个振荡器节点组成邻近耦合网络，映射到由n个首尾相连的方格排成一行的一维元胞自动机中，将每个振荡器看做为一个元胞，将元胞的两种状态随机分布初始状态中有一个节点到达激发态，即为“1”形态；非激发状态为“0”形态；随着大量元胞通过脉冲耦合振荡器同步演化规则的相互作用，在第(n+1)/2行实现全部方格变为激发态，并且整个元胞自动机系统达到稳定状态，映射到脉冲耦合振荡器最近邻网络的同步中；

在环形网络拓扑的无线传感器网络中，构建脉冲耦合振荡器最近邻网络同步模型，将每个振荡器看做为一个传感器节点，通过振荡器-元胞-振荡器-传感器节点的关联方式，将同步系统的同步演化映射到无线传感器网络时间同步中，得到应用于环状网络拓扑的wsn脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

本发明的有益效果：

本发明针环形链状的无线传感器网络的时间同步，以脉冲耦合网络同步模型为理论基础，在萤火虫同步技术的一耦即增机制下，使用线性的状态变化函数，结合一维元胞自动机，将元胞自动机“规则254”涌现出的同步形态映射到最近邻耦合网络的同步演进中。通过振荡器-元胞-振荡器-传感器节点的关联方式，提出了一种基于元胞自动机的wsn脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型，适应用于非全连接的环状网络拓扑的无线传感器网络时间同步技术中。对实际生产有一定的理论指导意义和应用价值。

附图说明

图1为最近邻耦合网络示意图。

图2为脉冲耦合网络节点的线性变化函数示意图。

图3为“规则254”示意图。

图4为元胞自动机“规则254”的时空图。

图5为25个节点的相位随时间变化示意图。

图6为同步模型状态响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明针对环状网络拓扑的无线传感器网络，通过一维元胞自动机规则“254”模型延伸到传统脉冲耦合振荡器网络同步模型的信息传递方式，实现环状网络拓扑的无线传感器网络时间同步，构建一种基于元胞自动机的wsn脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

将每一个振荡器看做为一个元胞，且在元胞自动机中用方格表示振荡器，由于脉冲耦合振荡器网络中若存在某个振荡器节点达到激发态，产生脉冲信号，那么其他节点将会受到耦合因子的影响，从而刺激自身相位发生状态改变。在同步演进的过程中，符合同步条件的节点在受到激励耦合机制下，系统出现多个振荡器组，直到最终只有一个振荡器组时逐渐实现同步状态。因此，基于上述“一耦即增”的脉冲耦合振荡器同步机制，对一维元胞自动机进行规则设定。

设定n个振荡器节点组成邻近耦合网络，映射到由n个首尾相连的方格排成一行的一维元胞自动机中，将每个振荡器看做为一个元胞，将元胞的两种状态随机分布初始状态中有一个节点到达激发态，即为“1”形态，用黑色方格表示；非激发状态为“0”形态，用白色方格表示。随着大量元胞通过脉冲耦合振荡器同步演化规则的相互作用，在第(n+1)/2行实现全部方格变为黑色，即全为“1”形态，并且整个元胞自动机系统达到稳定状态，映射到脉冲耦合振荡器最近邻网络的同步中。在wolfram对一维元胞自动机的研究中称该变化为“规则254”。

在环形网络拓扑的无线传感器网络中，构建脉冲耦合振荡器最近邻网络同步模型，将每个振荡器看做为一个传感器节点，通过振荡器-元胞-振荡器-传感器节点的关联方式，将同步系统的同步演化映射到无线传感器网络时间同步中，得到应用于环状网络拓扑的wsn脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型。

以下通过实例验证本发明的实施效果：

步骤1：构建基于元胞自动机的脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型

(1)环状网络拓扑的最近邻脉冲耦合网络的耦合机制

m&s模型是一个不带耦合时滞的脉冲耦合模型，该模型是一个由n个节点组成的网络，每个节点都由一个状态变量xi来表示，并且假设xi按照规则xi＝f(φi)由下阈值xi＝0连续变化到达上阈值xi＝1。且当xi＝0时，φi＝0，当节点i到达上阈值xi＝1时，φi＝1。因此，f满足f(0)＝0，f(1)＝1。该模型是通过脉冲形式的信号来互相传递耦合刺激信息，在这种脉冲耦合网络中，虽然耦合存在的时间非常短暂，但却可以涌现出很强的同步性，如萤火虫的同步闪烁现象。

在脉冲耦合网络中，最近邻耦合网络是一种非全连接的环状网络拓扑，网络是通过最近邻方式互相耦合的，即节点只与自身节点相邻的邻居节点之间进行耦合行为，并且系统是由n≥3的脉冲耦合振荡器所组成的网络，所有节点都具有相同的动力学行为，每个节点都由一个状态变量xi来表示。如图1所示，在一个具有n个节点的最近邻节点耦合网络设置为环形，其中每一个节点都只和与它最近的两个邻居节点相连接。图2给出了脉冲耦合网络节点的线性变化函数的示意图，在应用于无线传感器网络中的脉冲耦合振荡器同步模型中，将每个传感器节点看作为单个的脉冲振荡器，可以周期性输出脉冲信号作用在其它振荡器上，该模型具有线性的状态函数，其线性变化函数如式(1)

x＝f(φ)＝φ,φ∈[0,1](1)

在没有耦合时，节点按如下规则实现周期激发：当xi达到上阈值xi＝1时，节点激发，同时xi瞬间回到下阈值xi＝0并重复该变化规则，开始下一个周期，如式(2)

当整个网络通过最近邻连接的脉冲耦合方式相互耦合时：当一个给定的节点在t时刻激发时，它使其邻居节点的状态变量提升ε个单位，或者直接提升到上阈值1，其中ε被称为网络的耦合强度。如式(3)

系统在随机的初始状态下，如果在t0≥0，使得

此刻该网络达到同步状态。

即脉冲耦合振荡器网络的“一耦即增”机制，使得各个节点的状态发生变化，并且在复杂的同步演进中，不同状态的节点进行耦合变化，达到状态相同的节点之间组成一个振荡器组。当整个脉冲耦合网络同步演进到只有两个较大的振荡器组时，接下来即将成为一个振荡器组，系统逐渐到达同步。

(2)基于最近邻耦合网络的一维元胞自动机“规则254”模型

元胞自动机是定义在一个由具有离散、有限状态的元胞组成的元胞空间上，并按照一定局部规则，在离散的时间维上演化的动力学系统。构成元胞自动机的部件被称为“元胞”，每个元胞在某一时刻具有一个状态，这个状态只选取某个有限状态集中的一个，这些元胞规则地排列在被为称“元胞空间”的空间格网上，它们各自的状态随着时间变化，根据一个局部规则来进行更新。一个元胞在某时刻的状态取决于上一时刻该元胞的状态以及该元胞的左右邻居元胞的状态，元胞空间内的元胞依照这样的局部规则进行同步的状态更新，整个元胞空间则表现为在离散的时间维上的变化。

一维元胞自动机最基本的组成为元胞、元胞空间、邻居及规则四部分。

1)元胞：元胞分布在离散的一维空间的晶格点上，其状态变化是{0,1}的二进制形式。

2)元胞空间：理论上是任意维数的欧几里德空间规则划分，在各维向上是无限延展的。对于一维空间的元胞自动机，元胞空间表现为一个首尾相接的“圈”。

3)邻居：在一维元胞自动机中，通常以半径来确定邻居，距离一个元胞内的所有元胞均被认为是该元胞的邻居。

4)规则：根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数。

设d代表空间维数，k代表元胞的状态，并在一个有限集合s中取值，r代表元胞的邻居半径。z是整数集，表示一维空间。t代表时间，在离散的时间维上演化，t+1代表元胞受到规则演变后的状态时刻。当d＝1时，那么整个元胞空间就是在一维空间，将整数集z上的状态集s的分布，记为s^z。元胞自动机的动态演化就是在时间上状态组合的变化，可以记为:

这个动态演化又由各个元胞的局部演化规则f所决定的,局部函数f又被称为局部规则。对于一维空间，元胞及其邻居可以记为s^2r+1，局部函数则可以记为:

对于局部规则f来讲，函数的输入、输出集均为有限集合，在r＝1时，对元胞空间内的元胞i，独立施加局部变化规则，得到全局的演化

其中变量有三个，每个变量取两个状态值，有2×2×2＝8种组合，给出在这8个自变量组合上的值来确定f。

在最近邻耦合网络中，脉冲耦合振荡器网络状态变化机制为：节点与相邻的邻居节点通过耦合强度的“一耦即增”的机制进行状态的改变；在一维元胞自动机中，多个元胞组成收尾相连的元胞自动机系统的变化机制为：同一时刻自身元胞在受到邻居元胞的状态影响下，下一时刻的状态发生改变。元胞自动机由大量简单的个体(元胞)组成，不存在中央控制，每一个个体都只与少量的其他个体互动，如萤火虫根据周围萤火虫的亮灭来调整自身的闪烁频率。因此，将每一个振荡器看做为一个元胞，在一维元胞自动机中找出最近邻耦合网络的同步涌现。

基于最近邻耦合网络的一维元胞自动机中，元胞在t时刻的状态为脉冲耦合网络节点的当前状态，元胞在t+1时刻的状态为脉冲耦合网络中“一耦即增”机制涌现出的节点同步状态。即t到t+1时间的变化过程中，包含了邻近脉冲耦合网络同步过程中振荡器同步组的出现，即相邻节点在状态同步后形成为一个振荡器组，继续参与网络的同步演进。因此，将元胞收尾相连，每个元胞皆有两个最近邻的邻居元胞，三个元胞中只要含有一个为“1”的元胞形态，则设定中间元胞下一时刻的变化为“1”形态。映射得到f的形式规则：

[1,1,1]→1；[1,1,0]→1；[1,0,1]→1；[1,0,0]→1；

[0,1,1]→1；[0,1,0]→1；[0,0,1]→1；[0,0,0]→0；

将该规则表示为以下图形方式(黑色方块代表l，白色方块代表0)，如图3所示，在wolfram对元胞自动机的研究中称该变化为“规则254”。

步骤2：基于构建模型对环状网络拓扑同步过程进行模拟

元胞自动机是一个动态系统，一个元胞在t+1的时刻决定于t时刻的该元胞及其邻居元胞的状态。在环状网络拓扑中，对基于元胞自动机的wsn脉冲耦合振荡器最近邻网络时间同步模型进行同步模拟。

首先，在t时刻对系统进行初始赋值，假设第一行收尾相连的元胞空间只有一个激发状态，即为“1”(黑色方格表示)。然后，通过三个元胞状态更新而得到下一刻的中间元胞的状态，观察每一行元胞的状态结果。最后，基于局部的相互作用来研究系统的整体行为，通过mathematica软件编程运行元胞自动机，绘制得到时空图。图4展示了元胞自动机的时空图，表示了元胞自动机的随时间的变化而发生改变，最顶行是一维元胞自动机的初始状态设置，下面依次是每一步更新后的状态。时空图中在初始状态只有一个激发元胞的情况下，随着时间的改变和“一耦即增”变化机制的作用下，所有元胞的状态趋于相同。

步骤3：基于构建模型对环状网络拓扑的wsn时间同步进行同步过程跟踪

(1)系统内各节点相位跟踪

在环状网络拓扑的wsn最近邻脉冲耦合振荡器时间同步模型中，跟踪振荡器节点的相位变化，从而观察模型的同步过程。首先，对系统内所有振荡器节点设定不同的初始相位，使得系统最初处于一个不同步状态。然后，等间隔的对整个系统的同步过程就是相位抽样，得到系统内所有节点在某一时刻的相位信息。最后，通过分析各个节点在每一次等间隔抽样的相位变化，观察整个环状网络的同步过程。如图5所示，是由25个节点所组成的环状网络在最近邻耦合脉冲耦合振荡器同步模型中的相位随时间的相位变化情况，邻居振荡器节点根据已激发的振荡器的耦合强度调整自己的相位，最后所有激发的振荡器被合并为一个振荡器组，各个节点由初始状态的不同相位逐渐实现相位同步。

(2)验证构建模型的同步效果

环状网络拓扑的wsn最近邻脉冲耦合振荡器时间同步模型中，不同节点各自的线性变化函数，能够体现节点在同步周期的每一次同步过程中的状态变化过程。由于耦合强度的激励作用，使得节点出现状态的提升效果，因此，通过状态响应曲线验证同步模型的同步效果。如图6所示，在同步模拟实验过程中，分别对网络中初始状态各异的节点进行状态分析，随着同步次数的增加得到节点的状态响应曲线，并且观察到每个节点在受到邻居激发节点的耦合强度的激励影响下，出现状态的提升，最终可以用一个线性变化函数来表示所有节点的状态变化，使得状态各异的节点逐渐趋于同步状态。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。