一種基于信息熵的WSN節(jié)點擁塞避免機制
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1．2 WSN中信息熵的數(shù)學(xué)定義
在此基于WSN的網(wǎng)絡(luò)模型和信息論，給出WSN節(jié)點的信息熵的數(shù)學(xué)定義。
定義1：節(jié)點信息熵：根據(jù)香農(nóng)的定義，自信息的數(shù)學(xué)期望為信息熵，因此節(jié)點信息熵表示節(jié)點N每發(fā)送一個數(shù)據(jù)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(xiàn)的概率，節(jié)點信息熵H(X)表征了傳感器節(jié)點整體的統(tǒng)計特征，是總體平均不確定性的量度(單位：比特／數(shù)據(jù)包)。式(1)中的單位取決于對數(shù)函數(shù)的底數(shù)。本文中，取對數(shù)函數(shù)底數(shù)為2，即表示每個數(shù)據(jù)包含有1比特的信息量。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)既存在一定的差異又有一定的冗余，為了表征節(jié)點之間的這種關(guān)系，下面引入了節(jié)點相對信息熵。
定義2：節(jié)點相對信息熵：假設(shè)P和Q是兩個概率分布函數(shù)，則定義P相對于Q的信息距離即節(jié)點相對信息熵為：
式中：Pi和Qi為一個字符在節(jié)點中所出現(xiàn)的概率。
節(jié)點相對信息熵可用于計算任意兩節(jié)點之間節(jié)點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(jié)點相對信息熵D(P‖Q)，如果這個值越小，表明兩組概率分布越接近，這兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)相似程度越大，則節(jié)點P就可以減少向節(jié)點Q發(fā)送數(shù)據(jù)包以保證網(wǎng)絡(luò)的暢通。對于極限情況，當D(P‖Q)=0時，表示兩組概率分布完全相等，則這兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)幾乎一樣，此時，節(jié)點P可以暫停向節(jié)點Q發(fā)送數(shù)據(jù)包。
1．3 基于節(jié)點信息熵的擁塞避免策略
在一種路由協(xié)議機制下，若一個數(shù)據(jù)包從節(jié)點u發(fā)送至鄰居節(jié)點d，則稱u是d的上游節(jié)點，d是u的下游節(jié)點。在本文的網(wǎng)絡(luò)模型中，總是假設(shè)路由機制是靜態(tài)的或是很少進行更新的，因此可知每個下游節(jié)點d總是可以知道有多少個上游節(jié)點u。按照上述基本假設(shè)，本文提出的擁塞避免策略過程如圖2所示。本文引用地址：http://www.104case.com/article/161901.htm
1．4 算法的分析與實現(xiàn)
在這里以雙重身份節(jié)點m(節(jié)點m既可以看作下游節(jié)點，也可以看作上游節(jié)點)作為主要考慮節(jié)點，首先當節(jié)點m作為上游節(jié)點時，向其自己的上游節(jié)點發(fā)送消息req>，然后根據(jù)上游節(jié)點集反饋回來的消息req>來計算節(jié)點相對信息熵的大小，根據(jù)計算出來的節(jié)點相對信息熵的大小來決定其分配的發(fā)送數(shù)據(jù)窗的大小。其中消息req>主要包含發(fā)送節(jié)點的id、各數(shù)據(jù)包的信息量大小以及統(tǒng)計特性等信息。具體的擁塞避免算法實現(xiàn)過程如下：
(1)如果節(jié)點m發(fā)送數(shù)據(jù)窗SDWm>0且當前信道可用，則節(jié)點m根據(jù)其收到的下游節(jié)點發(fā)送的廣播消息LMS>來決定發(fā)送自己的數(shù)據(jù)窗大小；
(2)否則節(jié)點m發(fā)送數(shù)據(jù)窗SDWm=0，然后向其上游節(jié)點集發(fā)送消息req>；
(3)如果僅作為上游節(jié)點u的發(fā)送數(shù)據(jù)窗SDWm>0，則上游節(jié)點u退出上游節(jié)點集
，此時上游節(jié)點u不響應(yīng)下游節(jié)點d發(fā)送的req>，也不發(fā)送消息req>；
(4)如果僅作為上游節(jié)點u發(fā)送數(shù)據(jù)窗SDWm=0，上游節(jié)點集則向下游節(jié)點發(fā)送消息(req>；
(5)下游節(jié)點m收到消息req>開始計算節(jié)點相對信息熵的大小；
(6)根據(jù)計算得到節(jié)點相對信息熵的大小向上游節(jié)點集廣播消息LMS>，通知上游節(jié)點u各自發(fā)送數(shù)據(jù)窗的大小，然后上游節(jié)點u根據(jù)收到的發(fā)送數(shù)據(jù)窗的大小來決定向下游節(jié)點發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，其中廣播消息LMS>主要包括發(fā)送節(jié)點id及相應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)窗的大小，且各發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小之和小于本地可用緩沖區(qū)間。
在上述過程中，若上游節(jié)點u當前的發(fā)生數(shù)據(jù)窗大于0，則不響應(yīng)下游節(jié)點d發(fā)送的req>，也不發(fā)送消息req>，此時下游節(jié)點d不為上游節(jié)點u重新分配發(fā)送數(shù)據(jù)窗；若上游節(jié)點u完成了當前的發(fā)生數(shù)據(jù)窗，則等待下游節(jié)點d發(fā)送下一個消息req>。因此每個上游節(jié)點只有在收到消息LMS>和之后的req>之間發(fā)送數(shù)據(jù)包，可得知下游節(jié)點d處不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)擁塞，整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點擁塞因此而避免發(fā)生。
2 實驗仿真
為了驗證本文所提出的避免節(jié)點擁塞機制的性能，選取經(jīng)典的CODA算法作比較。現(xiàn)假設(shè)本文的仿真實驗環(huán)境設(shè)置如下：
(1)選取200個節(jié)點隨機部署在600×600的正方形區(qū)域內(nèi)，基站選擇在該區(qū)域邊界上；
(2)節(jié)點的位置是固定的，且節(jié)點之間的通信半徑R=50，網(wǎng)絡(luò)帶寬設(shè)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(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包大小相同，且報文的產(chǎn)生率為每單位時間10個數(shù)據(jù)包，節(jié)點可用最大緩沖區(qū)間為15個數(shù)據(jù)包。
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