?

近年來，WSN中的擁塞問題日益引起了學術界的廣泛關注。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，Fusion等)。這些控制算法采用了不同的機制有效地減輕擁塞，是一種被動的方式，可能導致節(jié)點數據的重發(fā)，且一般不能完全消除節(jié)點擁塞現象。
??? 現有無線傳感器網絡的節(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，無線傳感器網絡節(jié)點大規(guī)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(jié)點擁塞，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(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，真正體現無線傳感器網絡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，為網絡資源均衡合理地分配數據窗的大小。在無線傳感器網絡中，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，它們可以直接通信。節(jié)點響應監(jiān)測區(qū)域內的事件或周期性地產生數據并發(fā)送至基站。如圖1所示，對于相同的感知區(qū)域，把感知到的數據轉發(fā)到下游節(jié)點，其下游節(jié)點不斷把數據再轉發(fā)到自身的下游節(jié)點，這樣不斷地進行數據轉發(fā)，最后可能導致下游的某個節(jié)點產生擁塞。顯然，對于大規(guī)模部署和處理緊急事件的無線傳感器網絡來講，擁塞不僅嚴重浪費了節(jié)點能量還降低了轉發(fā)效率，而且還可能導致不可預料的事件發(fā)生。

1．1 WSN節(jié)點網絡模型
??? 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絡模型。在該模型中，傳感器節(jié)點采集數據，通過無線傳感器網絡傳遞到基站，然后再傳遞給檢測中心。在這里假設每一個傳感器節(jié)點都有直接或間接與基站通信的能力，則節(jié)點會響應監(jiān)測區(qū)域內的事件或周期性地產生數據并發(fā)送到基站。
??? 假設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，具有以下性質：
??? (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，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，不會出現很大范圍的路由變化。

?

1．2 WSN中信息熵的數學定義
??? 在此基于WSN的網絡模型和信息論，給出WSN節(jié)點的信息熵的數學定義。
??? 定義1：節(jié)點信息熵：根據香農的定義，自信息的數學期望為信息熵，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(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，即表示每個數據包含有1比特的信息量。
??? 在無線傳感器網絡中，節(jié)點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(jié)點之間的這種關系，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P和Q是兩個概率分布函數，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)點之間的數據相似程度越大，則節(jié)點P就可以減少向節(jié)點Q發(fā)送數據包以保證網絡的暢通。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)點之間的數據幾乎一樣，此時，節(jié)點P可以暫停向節(jié)點Q發(fā)送數據包。