一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的gaf路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法。本發(fā)明的方法通過節(jié)點(diǎn)執(zhí)行元胞自動(dòng)機(jī)模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則自動(dòng)地?fù)?dān)任簇頭或進(jìn)入睡眠狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)中被劃分的一個(gè)虛擬單元格代表一個(gè)簇，同一虛擬單元格中的節(jié)點(diǎn)通過簇頭選舉方法產(chǎn)生簇頭，其余節(jié)點(diǎn)關(guān)閉通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)約能量消耗；將一個(gè)簇看為一個(gè)元胞空間單元，同一個(gè)虛擬單元格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通過執(zhí)行統(tǒng)一的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，進(jìn)行獨(dú)立決策，每個(gè)簇之間不需要嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。本發(fā)明的方法同完全型簇頭選舉方法相比，節(jié)點(diǎn)無需掌握所在虛擬格中其他節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，因此節(jié)點(diǎn)不必維護(hù)大量的全局信息；同隨機(jī)型簇頭選舉方法相比，節(jié)點(diǎn)無需發(fā)送大量的測(cè)試信息來競爭簇頭。
【專利說明】—種基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種GAF路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GAF(geographical adaptive fidelity)算法是 ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的一種路由算法，它以節(jié)點(diǎn)的地理位置作為分簇的依據(jù)，之后GAF算法被引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，加入了節(jié)點(diǎn)睡眠機(jī)制，成為一種經(jīng)典的分簇節(jié)能路由算法。該算法把被監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為虛擬單元格，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻撒落在相應(yīng)劃入的虛擬格子內(nèi)，并以地理位置信息作為劃分依據(jù)。一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)虛擬格子內(nèi)通過簇頭選舉過程產(chǎn)生一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)工作工程中，只有簇頭節(jié)點(diǎn)保持工作狀態(tài)，其他同一虛擬格子內(nèi)的節(jié)點(diǎn)均進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)約能量消耗。
[0003]GAF算法作為一種較新的路由算法，自身存在許多有待改進(jìn)的不完善之處，主要問題在于=(I)GAF算法中每個(gè)虛擬格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)需要跟相鄰虛擬格內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)保證通信，而四邊形的虛擬單元格結(jié)構(gòu)限制了節(jié)點(diǎn)和對(duì)角邊上的節(jié)點(diǎn)之間的通信，這樣會(huì)增加路由跳數(shù)而增大能量消耗。近年來以蜂窩形即正六邊形的虛擬格形狀對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域劃分的方法被提出，提高了能量的使用效率，增長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。(2)GAF算法是一種分簇節(jié)能路由算法，但在進(jìn)行簇頭選舉時(shí)沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，而是隨機(jī)地選擇簇頭，對(duì)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡方面的問題沒有優(yōu)化措施，這樣可能會(huì)導(dǎo)致簇頭負(fù)擔(dān)更多的通信和數(shù)據(jù)處理任務(wù)，消耗更多的能量，最終提前死亡。因此，應(yīng)當(dāng)使擁有更多剩余能量的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭。研究人員提出了 GAF簇頭選舉改進(jìn)算法，提出兩種簇頭選擇方法:完全型簇頭選擇算法與隨機(jī)型簇頭選擇算法，改進(jìn)的簇頭選舉算法增長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，避免網(wǎng)絡(luò)分隔。(3)GAF算法中規(guī)定節(jié)點(diǎn)均勻分布在規(guī)則的虛擬格子中，限制了節(jié)點(diǎn)的分布，而實(shí)際的應(yīng)用場景當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)往往是隨機(jī)分布或分布很不規(guī)則，可能會(huì)出現(xiàn)某些虛擬格子中沒有節(jié)點(diǎn)分布而某些虛擬格子中出現(xiàn)過多節(jié)點(diǎn)的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法，包括如下步驟:
[0006]S1:對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬單元格劃分，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)自身的地理位
置信息；
[0007]S2:建立元胞自動(dòng)機(jī)模型，包括元胞空間、元胞鄰居模型、元胞的狀態(tài)集和元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則的確定；
[0008]S3:執(zhí)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的簇頭選舉方法，選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)；
[0009]S4:當(dāng)節(jié)點(diǎn)若收到鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為簇頭的信息，則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)；同樣通過元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則競爭簇頭不成功的節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入睡眠狀態(tài)；[0010] S5:當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時(shí)器Ta，代表節(jié)點(diǎn)處在活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間，當(dāng)Ta超時(shí)，所述節(jié)點(diǎn)重新加入簇頭競爭中，回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)；簇頭競選失敗的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，設(shè)置定時(shí)器Ts，定時(shí)器超時(shí)后由睡眠狀態(tài)回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)再次與虛擬單元格內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)交換?目息，以確定自己是否能夠成為族頭。
[0011]進(jìn)一步的，步驟SI所述的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自身的地理位置信息表示方法如下:
[0012]設(shè)節(jié)點(diǎn)P的位置坐標(biāo)為(X，y)，則沿X軸方向節(jié)點(diǎn)所在虛擬單元格的編號(hào)Xl。。由公式xloc = (int)xgrid_size計(jì)算得出，其中，grid_size為正方形虛擬單元格的邊長；沿y軸方向節(jié)點(diǎn)所在虛擬單元格的編號(hào)Y1。。由公式y(tǒng)1()。= (int)ygrid_size計(jì)算得出；節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所在虛擬單元格編號(hào)grid_ID由公式grid_ID = (yloc ? grid_X+xloc)計(jì)算得出，其中，grid_X表示網(wǎng)絡(luò)中沿X軸方向虛擬單元格的數(shù)量。
[0013]進(jìn)一步的，步驟S2所述的建立元胞自動(dòng)機(jī)模型的具體過程如下:
[0014]網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)虛擬單元格即為一個(gè)元胞空間，在以一個(gè)虛擬單元格為單元的元胞空間內(nèi)，通過不規(guī)則元胞自動(dòng)機(jī)鄰居元胞的劃分方法確定鄰居節(jié)點(diǎn):
[0015]節(jié)點(diǎn)有睡眠狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)三個(gè)狀態(tài)，用00表示睡眠狀態(tài)，01表示發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，11表示活動(dòng)狀態(tài)；
[0016]設(shè)t時(shí)刻元胞(i，j)的狀態(tài)為QiJt),其鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之和定義為=Σ QiJt),其中某節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)是指在該節(jié)點(diǎn)單跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)；
[0017]狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則函數(shù)f，即
【權(quán)利要求】
1.一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法，包括如下步驟: 51:對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬單元格劃分，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)自身的地理位置信息； 52:建立元胞自動(dòng)機(jī)模型，包括元胞空間、元胞鄰居模型、元胞的狀態(tài)集和元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則的確定； 53:執(zhí)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的簇頭選擇算法，選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)； 54:當(dāng)節(jié)點(diǎn)若收到鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為簇頭的信息，則直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)；同樣通過元胞自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則競爭簇頭不成功的節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入睡眠狀態(tài)； 55:當(dāng)選為簇頭的節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時(shí)器Ta，代表節(jié)點(diǎn)處在活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間，當(dāng)Ta超時(shí)，所述節(jié)點(diǎn)重新加入簇頭競爭中，回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)；簇頭競選失敗的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，設(shè)置定時(shí)器Ts，定時(shí)器超時(shí)后由睡眠狀態(tài)回到發(fā)現(xiàn)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)再次與虛擬單元格內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)交換信息，以確定自己是否能夠成為旗頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法，其特征在于，步驟SI所述的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自身的地理位置信息表示方法如下: 設(shè)節(jié)點(diǎn)P的位置坐標(biāo)為U，y)，則沿X軸方向節(jié)點(diǎn)所在虛擬單元格的編號(hào)Xl。。由公式Xioc = (int)xgrid_size計(jì)算得出，其中，grid_size為正方形虛擬單元格的邊長；沿丨軸方向 節(jié)點(diǎn)所在虛擬單元格的編號(hào)yloc由公式y(tǒng)loc = (int)ygrid_size計(jì)算得出；節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所在虛擬單元格編號(hào)grid_ID由公式grid_ID = (yloc ? grid_X+xloc)計(jì)算得出，其中，grid_X表示網(wǎng)絡(luò)中沿X軸方向虛擬單元格的數(shù)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法，其特征在于，步驟S2所述的建立元胞自動(dòng)機(jī)模型的具體過程如下: 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)虛擬單元格即為一個(gè)元胞空間，在以一個(gè)虛擬單元格為單元的元胞空間內(nèi)，通過不規(guī)則元胞自動(dòng)機(jī)鄰居元胞的劃分方法確定鄰居節(jié)點(diǎn): 節(jié)點(diǎn)有睡眠狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)三個(gè)狀態(tài)，用00表示睡眠狀態(tài)，01表示發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，11表示活動(dòng)狀態(tài)； 設(shè)t時(shí)刻元胞(i，j)的狀態(tài)為QiJt),其鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之和定義為NiJt) =E Qua)，其中某節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)是指在該節(jié)點(diǎn)單跳通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)； 狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則函數(shù)f，mT =，定義如下: 如果
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法,其特征在于，avr_energy定義為
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的GAF路由方法，其特征在于，S3所述的選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)的具體過程如下: 初始狀態(tài)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)均處于發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)向鄰居元胞節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息通告自己的剩余能量信息，是否為簇頭節(jié)點(diǎn)，即發(fā)送消息M = (Ep, cluster), Ep為節(jié)點(diǎn)剩余能量，cluster標(biāo)志位表示節(jié)點(diǎn)是否為簇頭結(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的鄰居的信息，按照狀態(tài)規(guī)則函數(shù)f決定是否能夠成為簇頭。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103957573SQ201410166158
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】于秦, 姜微, 安寧, 冷甦鵬, 毛玉明 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)