一種基于信息熵的WSN節(jié)點擁塞避免機制

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中多對一通信產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁塞是一個亟待解決的問題。針對WSN節(jié)點生命期有限的情況，引入了節(jié)點相對信息熵的概念，提出基于節(jié)點相對信息熵的擁塞避免機制：節(jié)點首先計算其聯(lián)合信息熵為上游節(jié)點分配數(shù)據(jù)窗；然后上游節(jié)點根據(jù)收到的數(shù)據(jù)窗的大小來決定向下游節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小。仿真分析表明，該算法有效地避免了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的丟失，減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，且具有良好的能量有效性。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點相對信息熵；擁塞避免；數(shù)據(jù)窗

0 引言
與物理世界緊密耦合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)具有大規(guī)模密集部署、節(jié)點資源受限、無線帶寬小、拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化等特點。其節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送到基站。這種多對一的數(shù)據(jù)傳輸方式以及待檢測事件的突發(fā)性，使得能量、處理能力及通信能力都受限的WSN在數(shù)據(jù)傳輸過程中經(jīng)常發(fā)生擁塞，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的大量丟失和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t等問題。對于能源非常有限的節(jié)點，如何延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期是一個很重要的問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線通信是能源的主要消耗者，無線通信主要是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，減少數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，合理分配節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小，有效利用節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包不但可以減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，而且還可以保證在突發(fā)情況下保證網(wǎng)絡(luò)的暢通，降低災(zāi)害事件的發(fā)生。因此，節(jié)點擁塞避免是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵手段。
近年來，WSN中的擁塞問題日益引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。研究人員逐步提出了多種針對WSN自身特點的控制策略(如CODA，ESRT，F(xiàn)usion等)。這些控制算法采用了不同的機制有效地減輕擁塞，是一種被動的方式，可能導(dǎo)致節(jié)點數(shù)據(jù)的重發(fā)，且一般不能完全消除節(jié)點擁塞現(xiàn)象。
現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點擁塞控制機制都是在節(jié)點發(fā)生擁塞時才采取一定的擁塞控制措施。但是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大規(guī)模密集部署，在突發(fā)數(shù)據(jù)流引發(fā)擁塞后，再采用擁塞控制措施也不一定可以完全避免節(jié)點擁塞，很有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果發(fā)生。因此，在本文中，提出了基于節(jié)點相對信息熵的擁塞避免機制，該擁塞避免機制是基于事件的有效信息量，真正體現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以事件為中心的特點。

1 基于信息熵的節(jié)點擁塞避免策略
節(jié)點擁塞避免的重要問題是按一定的策略，為網(wǎng)絡(luò)資源均衡合理地分配數(shù)據(jù)窗的大小。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點大規(guī)模部署，若兩個節(jié)點位于各自的通信半徑內(nèi)，它們可以直接通信。節(jié)點響應(yīng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的事件或周期性地產(chǎn)生數(shù)據(jù)并發(fā)送至基站。如圖1所示，對于相同的感知區(qū)域，把感知到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到下游節(jié)點，其下游節(jié)點不斷把數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)發(fā)到自身的下游節(jié)點，這樣不斷地進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，最后可能導(dǎo)致下游的某個節(jié)點產(chǎn)生擁塞。顯然，對于大規(guī)模部署和處理緊急事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，擁塞不僅嚴重浪費了節(jié)點能量還降低了轉(zhuǎn)發(fā)效率，而且還可能導(dǎo)致不可預(yù)料的事件發(fā)生。

1．1 WSN節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型
WSN由分布在各個地方的傳感器節(jié)點通過自組織方式所形成的網(wǎng)絡(luò)模型。在該模型中，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞到基站，然后再傳遞給檢測中心。在這里假設(shè)每一個傳感器節(jié)點都有直接或間接與基站通信的能力，則節(jié)點會響應(yīng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的事件或周期性地產(chǎn)生數(shù)據(jù)并發(fā)送到基站。
假設(shè)N個傳感器節(jié)點按相對均勻的隨機高密度部署在一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，具有以下性質(zhì)：
(1)N個傳感器節(jié)點被隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，基站不受能源限制，且位于一個區(qū)域的邊界上，其他傳感器節(jié)點為電池驅(qū)動；
(2)所有節(jié)點都為靜止節(jié)點，且各節(jié)點的軟硬件同構(gòu)，通信頻率相同；
(3)每個節(jié)點采用全向天線，節(jié)點之間為雙向鏈路即A節(jié)點能和B節(jié)點通信，B節(jié)點也能和A節(jié)點通信，節(jié)點的通信范圍有限且通信半徑保持為R；
(4)WSN的信道質(zhì)量可靠且傳輸?shù)恼`碼率基本可以忽略，其路由機制保持相對靜止，不會出現(xiàn)很大范圍的路由變化。