面向无线传感器网络的非易失性元胞自动机建模及分析

本项目利用二维元胞自动机对无线传感网络时空演化规律展开研究，将无线传感网络中的海量传感器节点视为元胞自动机中的元胞，通过设计合理的活跃机制和元胞间的协同，建立无线传感器网络的二维元胞自动机模型，实现无线传感器网络的自组织算法，分析无线传感器网络的时空特性、拓扑控制和网络整体行为。并进一步引入具有记忆功能的第四类基本原件-忆阻器（Memristor）构建非易失性元胞自动机，实现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之间的信息交互，降低元胞节点的能量耗费。通过本项目的研究，将为揭示无线传感网络的内在复杂性、解决大规模通信网络系统的设计分析问题、合理设计节点自组织机制、解决快速响应、可靠性与耗能之间的平衡提供重要的理论基础和实验基础。

在无线传感网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）的拓扑构建中，由于缺少外部或集中控制的条件，为了形成和维护网络自身时间上、空间上以及功能上的结构，节点需要进行动态自适应。但随着网络规模的不断增长，网络拓扑结构更为复杂，以及时间延迟、资源限制、反馈环路等因素产生的非线性，使得无线传感器网络所发生的突现行为变得难以预测。针对上述问题，本项目以元胞自动机理论为基础，构建面向无线传感网络的二维元胞自动机模型并进行分析。主要研究成果包括：（1）构建基于二维元胞自动机的无线传感网通信模型；（2）考虑到各元胞在遵循相同演化规则进行同步更新时需获取其邻居元胞在上一时刻的状态信息，引入忆阻器构建无线传感网络的非易失性二维元胞自动机模型；（3）在上述非易失性元胞自动机模型的基础上，本项目进一步对无线传感网元胞自动机模型中的节点空间、邻居、节点状态集和节点状态转换规则等要素进行设计，设计并实现基于规则和不规则元胞自动机的无线传感网的节能算法。研究成果对于合理设计节点自组织机制、解决快速响应、可靠性与耗能之间的问题、构建未知环境中运行的网络在灵活性、适应性和有效性上的平衡具有理论和实践意义。