一種基于信息熵的WSN節點(diǎn)擁塞避免機制
加入技術(shù)交流群
1．2 WSN中信息熵的數學(xué)定義
在此基于WSN的網(wǎng)絡(luò )模型和信息論，給出WSN節點(diǎn)的信息熵的數學(xué)定義。
定義1：節點(diǎn)信息熵：根據香農的定義，自信息的數學(xué)期望為信息熵，因此節點(diǎn)信息熵表示節點(diǎn)N每發(fā)送一個(gè)數據包所提供的平均信息量：
式中：q表示ai(i=1，2，…，q-1，q)的取值有q種可能性；P(ai)為字符ai出現的概率，節點(diǎn)信息熵H(X)表征了傳感器節點(diǎn)整體的統計特征，是總體平均不確定性的量度(單位：比特／數據包)。式(1)中的單位取決于對數函數的底數。本文中，取對數函數底數為2，即表示每個(gè)數據包含有1比特的信息量。
在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)感知到的數據既存在一定的差異又有一定的冗余，為了表征節點(diǎn)之間的這種關(guān)系，下面引入了節點(diǎn)相對信息熵。
定義2：節點(diǎn)相對信息熵：假設P和Q是兩個(gè)概率分布函數，則定義P相對于Q的信息距離即節點(diǎn)相對信息熵為：
式中：Pi和Qi為一個(gè)字符在節點(diǎn)中所出現的概率。
節點(diǎn)相對信息熵可用于計算任意兩節點(diǎn)之間節點(diǎn)信息熵的差異性的大小。它的物理意義是兩組概率分布之間的差異性程度，因而對于兩組不同的概率分布P和Q，計算其節點(diǎn)相對信息熵D(P‖Q)，如果這個(gè)值越小，表明兩組概率分布越接近，這兩個(gè)節點(diǎn)之間的數據相似程度越大，則節點(diǎn)P就可以減少向節點(diǎn)Q發(fā)送數據包以保證網(wǎng)絡(luò )的暢通。對于極限情況，當D(P‖Q)=0時(shí)，表示兩組概率分布完全相等，則這兩個(gè)節點(diǎn)之間的數據幾乎一樣，此時(shí)，節點(diǎn)P可以暫停向節點(diǎn)Q發(fā)送數據包。
1．3 基于節點(diǎn)信息熵的擁塞避免策略
在一種路由協(xié)議機制下，若一個(gè)數據包從節點(diǎn)u發(fā)送至鄰居節點(diǎn)d，則稱(chēng)u是d的上游節點(diǎn)，d是u的下游節點(diǎn)。在本文的網(wǎng)絡(luò )模型中，總是假設路由機制是靜態(tài)的或是很少進(jìn)行更新的，因此可知每個(gè)下游節點(diǎn)d總是可以知道有多少個(gè)上游節點(diǎn)u。按照上述基本假設，本文提出的擁塞避免策略過(guò)程如圖2所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/161901.htm
1．4 算法的分析與實(shí)現
在這里以雙重身份節點(diǎn)m(節點(diǎn)m既可以看作下游節點(diǎn)，也可以看作上游節點(diǎn))作為主要考慮節點(diǎn)，首先當節點(diǎn)m作為上游節點(diǎn)時(shí)，向其自己的上游節點(diǎn)發(fā)送消息req>，然后根據上游節點(diǎn)集反饋回來(lái)的消息req>來(lái)計算節點(diǎn)相對信息熵的大小，根據計算出來(lái)的節點(diǎn)相對信息熵的大小來(lái)決定其分配的發(fā)送數據窗的大小。其中消息req>主要包含發(fā)送節點(diǎn)的id、各數據包的信息量大小以及統計特性等信息。具體的擁塞避免算法實(shí)現過(guò)程如下：
(1)如果節點(diǎn)m發(fā)送數據窗SDWm>0且當前信道可用，則節點(diǎn)m根據其收到的下游節點(diǎn)發(fā)送的廣播消息LMS>來(lái)決定發(fā)送自己的數據窗大??；
(2)否則節點(diǎn)m發(fā)送數據窗SDWm=0，然后向其上游節點(diǎn)集發(fā)送消息req>；
(3)如果僅作為上游節點(diǎn)u的發(fā)送數據窗SDWm>0，則上游節點(diǎn)u退出上游節點(diǎn)集
，此時(shí)上游節點(diǎn)u不響應下游節點(diǎn)d發(fā)送的req>，也不發(fā)送消息req>；
(4)如果僅作為上游節點(diǎn)u發(fā)送數據窗SDWm=0，上游節點(diǎn)集則向下游節點(diǎn)發(fā)送消息(req>；
(5)下游節點(diǎn)m收到消息req>開(kāi)始計算節點(diǎn)相對信息熵的大??；
(6)根據計算得到節點(diǎn)相對信息熵的大小向上游節點(diǎn)集廣播消息LMS>，通知上游節點(diǎn)u各自發(fā)送數據窗的大小，然后上游節點(diǎn)u根據收到的發(fā)送數據窗的大小來(lái)決定向下游節點(diǎn)發(fā)送一定數量的數據包，其中廣播消息LMS>主要包括發(fā)送節點(diǎn)id及相應發(fā)送數據窗的大小，且各發(fā)送數據包的大小之和小于本地可用緩沖區間。
在上述過(guò)程中，若上游節點(diǎn)u當前的發(fā)生數據窗大于0，則不響應下游節點(diǎn)d發(fā)送的req>，也不發(fā)送消息req>，此時(shí)下游節點(diǎn)d不為上游節點(diǎn)u重新分配發(fā)送數據窗；若上游節點(diǎn)u完成了當前的發(fā)生數據窗，則等待下游節點(diǎn)d發(fā)送下一個(gè)消息req>。因此每個(gè)上游節點(diǎn)只有在收到消息LMS>和之后的req>之間發(fā)送數據包，可得知下游節點(diǎn)d處不會(huì )產(chǎn)生數據擁塞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)擁塞因此而避免發(fā)生。
2 實(shí)驗仿真
為了驗證本文所提出的避免節點(diǎn)擁塞機制的性能，選取經(jīng)典的CODA算法作比較?，F假設本文的仿真實(shí)驗環(huán)境設置如下：
(1)選取200個(gè)節點(diǎn)隨機部署在600×600的正方形區域內，基站選擇在該區域邊界上；
(2)節點(diǎn)的位置是固定的，且節點(diǎn)之間的通信半徑R=50，網(wǎng)絡(luò )帶寬設置為1 Mb／s；
(3)信道質(zhì)量相對可靠，可忽略信道對誤碼率的影響，源節點(diǎn)產(chǎn)生的數據包大小相同，且報文的產(chǎn)生率為每單位時(shí)間10個(gè)數據包，節點(diǎn)可用最大緩沖區間為15個(gè)數據包。
評論