?

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。

?

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(dāng)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。