[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

摘要

本发明公开了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，具体利用二维元胞自动机对无线传感器网络的时空演化规律，将无线传感网络中海量的无线传感器节点视为元胞自动机中的元胞，并引入具有记忆功能的第四类基本元件——忆阻器构建非易失性元胞自动机，进而通过设计合理的活跃机制和元胞间的协同，实现了在邻居状态异步输入的情况下，中心元胞状态与邻居元胞状态的同步更新，从而大大减少元胞与其邻居元胞间的信息交互，降低元胞节点的能量耗费。

主权项

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是一个离散的动力学系统，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＝{Cd,Q,N,f}表示，其中，Cd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，所述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，L×L个静态独立的传感节点以随机的方式布撒在一个包含L×L个格子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；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Ci,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∈Z,0≤i≤L,0≤j≤L}，Z表示整数集合；每个节点存在最大通信距离Rc，二维元胞模型中的邻居定义由该最大通信距离Rc决定，定义节点邻域为Moore型结构，节点Ci,j的通信邻居集合Nk,l定义为：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＝{Qi,j∈{0,1}|(i,j)∈C}，其中Qi,j表示节点Ci,j的状态，0和1分别表示该节点处于休眠或活跃状态；状态转换函数：设t时刻元胞Ci,j的状态为其邻居状态之和定义为：对于任意元胞Ci,j:(i,j)∈C，局部状态转换规则f：即t+1时刻的节点状态是由t时刻该节点邻域状态按照一定规则f确定的；步骤3.忆阻器元胞设计：忆阻器元胞MCi,j由一个无源忆阻器和开关组成，电流脉冲发生器Ip(t)向忆阻器和开关提供脉冲波，Ip(t)由正负电流脉冲对组成，当且仅当正电流脉冲为正时，开关闭合；忆阻器元胞MCi,j的输出Yi,j(t)为：其中，t为时间变量，Ii,j(t)为电流源输入，M(q(t))为忆阻器所储存的电荷量为q(t)时，忆阻器的阻值；忆阻器元胞由电压控制电流源输入，在没有来自邻居节点的输入时，每个忆阻器元胞独立工作的情况下，输入的电压Ui,j(t)序列为正负脉冲对，正脉冲用于对忆阻器元胞充电，负脉冲用于对忆阻器元胞放电；当输入的Ui,j(t)序列为“11”、“01”、“00”和“10”，忆阻器元胞的输出Yi,j(t)只取1和0这两个值，因此元胞是二值元胞，所输出的离散值1和0分别表示元胞处于激活和抑制状态步骤4.非易失性二维元胞自动机模型设计：所述非易失性二维元胞自动机模型通过步骤3所设计的忆阻器元胞实现，该模型包括忆阻器元胞MCi,j、电流脉冲发生器、信号发生器和电压控制电流源，忆阻器元胞MCi,j具有来自八个邻居的异步输入，权重为bx,y(x,y∈{‑1,0,1})，假定仅有输入Ui,j和Ui‑1,j，对应的有效权重b0,0和b‑1,0等于1，而其它权重为0；定义在1≤q≤2时，M(q)＝1，然后通过异步输入序列Ui‑1,j和Ui,j，先输入Ui‑1,j序列，再输入Ui,j序列给元胞MCi,j，可得输出序列Yi,j与输入Ui,j、Ui‑1,j之间满足异或关系；步骤5.构建基于非易失性二维元胞自动机的无线传感器网络模型：将步骤4中所设计的非易失性二维元胞自动机模型引入到步骤1中，构建面向无线传感器网络的非易失性二维元胞自动机模型，用非易失性二维元胞自动机替换无线传感网络中的传感节点。