一種基于信息熵的WSN節點(diǎn)擁塞避免機制

摘要：無(wú)線(xiàn)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。針對WSN節點(diǎn)生命期有限的情況，引入了節點(diǎn)相對信息熵的概念，提出基于節點(diǎn)相對信息熵的擁塞避免機制：節點(diǎn)首先計算其聯(lián)合信息熵為上游節點(diǎn)分配數據窗；然后上游節點(diǎn)根據收到的數據窗的大小來(lái)決定向下游節點(diǎn)發(fā)送數據包的大小。仿真分析表明，該算法有效地避免了網(wǎng)絡(luò )數據包的丟失，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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；節點(diǎn)相對信息熵；擁塞避免；數據窗

0 引言
與物理世界緊密耦合的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)具有大規模密集部署、節點(diǎn)資源受限、無(wú)線(xiàn)帶寬小、拓撲結構動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。其節點(diǎn)采集到的數據以多跳的方式發(fā)送到基站。這種多對一的數據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在數據傳輸過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生擁塞，從而導致數據包的大量丟失和網(wǎng)絡(luò )傳輸的延遲等問(wèn)題。對于能源非常有限的節點(diǎn)，如何延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命期是一個(gè)很重要的問(wèn)題。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)線(xiàn)通信是能源的主要消耗者，無(wú)線(xiàn)通信主要是數據包的轉發(fā)，減少數據包的轉發(fā)次數，合理分配節點(diǎn)發(fā)送數據包的大小，有效利用節點(diǎn)轉發(fā)的數據包不但可以減少無(wú)線(xiàn)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，降低災害事件的發(fā)生。因此，節點(diǎn)擁塞避免是保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )正常傳輸的一個(gè)關(guān)鍵手段。
近年來(lái)，WSN中的擁塞問(wèn)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(diǎn)的控制策略(如CODA，ESRT，Fusion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(dòng)的方式，可能導致節點(diǎn)數據的重發(fā)，且一般不能完全消除節點(diǎn)擁塞現象。
現有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)擁塞控制機制都是在節點(diǎn)發(fā)生擁塞時(shí)才采取一定的擁塞控制措施。但是，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)大規模密集部署，在突發(fā)數據流引發(fā)擁塞后，再采用擁塞控制措施也不一定可以完全避免節點(diǎn)擁塞，很有可能導致災難性的后果發(fā)生。因此，在本文中，提出了基于節點(diǎn)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，真正體現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以事件為中心的特點(diǎn)。

1 基于信息熵的節點(diǎn)擁塞避免策略
節點(diǎn)擁塞避免的重要問(wèn)題是按一定的策略，為網(wǎng)絡(luò )資源均衡合理地分配數據窗的大小。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于節點(diǎn)大規模部署，若兩個(gè)節點(diǎn)位于各自的通信半徑內，它們可以直接通信。節點(diǎn)響應監測區域內的事件或周期性地產(chǎn)生數據并發(fā)送至基站。如圖1所示，對于相同的感知區域，把感知到的數據轉發(fā)到下游節點(diǎn)，其下游節點(diǎn)不斷把數據再轉發(fā)到自身的下游節點(diǎn)，這樣不斷地進(jìn)行數據轉發(fā)，最后可能導致下游的某個(gè)節點(diǎn)產(chǎn)生擁塞。顯然，對于大規模部署和處理緊急事件的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)講，擁塞不僅嚴重浪費了節點(diǎn)能量還降低了轉發(fā)效率，而且還可能導致不可預料的事件發(fā)生。

1．1 WSN節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )模型
WSN由分布在各個(gè)地方的傳感器節點(diǎn)通過(guò)自組織方式所形成的網(wǎng)絡(luò )模型。在該模型中，傳感器節點(diǎn)采集數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳遞到基站，然后再傳遞給檢測中心。在這里假設每一個(gè)傳感器節點(diǎn)都有直接或間接與基站通信的能力，則節點(diǎn)會(huì )響應監測區域內的事件或周期性地產(chǎn)生數據并發(fā)送到基站。
假設N個(gè)傳感器節點(diǎn)按相對均勻的隨機高密度部署在一個(gè)監測區域內，具有以下性質(zhì)：
(1)N個(gè)傳感器節點(diǎn)被隨機部署在監測區域，基站不受能源限制，且位于一個(gè)區域的邊界上，其他傳感器節點(diǎn)為電池驅動(dòng)；
(2)所有節點(diǎn)都為靜止節點(diǎn)，且各節點(diǎn)的軟硬件同構，通信頻率相同；
(3)每個(gè)節點(diǎn)采用全向天線(xiàn)，節點(diǎn)之間為雙向鏈路即A節點(diǎn)能和B節點(diǎn)通信，B節點(diǎn)也能和A節點(diǎn)通信，節點(diǎn)的通信范圍有限且通信半徑保持為R；
(4)WSN的信道質(zhì)量可靠且傳輸的誤碼率基本可以忽略，其路由機制保持相對靜止，不會(huì )出現很大范圍的路由變化。