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一种基于信息熵的WSN节点拥塞避免机制

作者:时间:2011-06-28来源:网络收藏

摘要:无线传感器网络()中多对一通信产生的网络是一个亟待解决的问题。针对生命期有限的情况,引入了相对熵的概念,提出相对熵的:节点首先计算其联合熵为上游节点分配数据窗;然后上游节点根据收到的数据窗的大小来决定向下游节点发送数据包的大小。仿真分析表明,该算法有效地了网络数据包的丢失,减少了网络传输延迟,且具有良好的能量有效性。
关键词:无线传感器网络;节点相对信息熵;;数据窗

0 引言
与物理世界紧密耦合的无线传感器网络()具有大规模密集部署、节点资源受限、无线带宽小、拓扑结构动态变化等特点。其节点采集到的数据以多跳的方式发送到基站。这种多对一的数据传输方式以及待检测事件的突发性,使得能量、处理能力及通信能力都受限的WSN在数据传输过程中经常发生拥塞,从而导致数据包的大量丢失和网络传输的延迟等问题。对于能源非常有限的节点,如何延长无线传感器网络的生命期是一个很重要的问题。在无线传感器网络中,无线通信是能源的主要消耗者,无线通信主要是数据包的转发,减少数据包的转发次数,合理分配节点发送数据包的大小,有效利用节点转发的数据包不但可以减少无线传感器网络的能量消耗,而且还可以保证在突发情况下保证网络的畅通,降低灾害事件的发生。因此,节点拥塞避免是保证无线传感器网络正常传输的一个关键手段。
近年来,WSN中的拥塞问题日益引起了学术界的广泛关注。研究人员逐步提出了多种针对WSN自身特点的控制策略(如CODA,ESRT,Fusion等)。这些控制算法采用了不同的有效地减轻拥塞,是一种被动的方式,可能导致节点数据的重发,且一般不能完全消除节点拥塞现象。
现有无线传感器网络的节点拥塞控制都是在节点发生拥塞时才采取一定的拥塞控制措施。但是,无线传感器网络节点大规模密集部署,在突发数据流引发拥塞后,再采用拥塞控制措施也不一定可以完全避免节点拥塞,很有可能导致灾难性的后果发生。因此,在本文中,提出了节点相对信息熵的拥塞避免机制,该拥塞避免机制是事件的有效信息量,真正体现无线传感器网络以事件为中心的特点。

1 基于信息熵的节点拥塞避免策略
节点拥塞避免的重要问题是按一定的策略,为网络资源均衡合理地分配数据窗的大小。在无线传感器网络中,由于节点大规模部署,若两个节点位于各自的通信半径内,它们可以直接通信。节点响应监测区域内的事件或周期性地产生数据并发送至基站。如图1所示,对于相同的感知区域,把感知到的数据转发到下游节点,其下游节点不断把数据再转发到自身的下游节点,这样不断地进行数据转发,最后可能导致下游的某个节点产生拥塞。显然,对于大规模部署和处理紧急事件的无线传感器网络来讲,拥塞不仅严重浪费了节点能量还降低了转发效率,而且还可能导致不可预料的事件发生。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/161901.htm

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1.1 WSN节点网络模型
WSN由分布在各个地方的传感器节点通过自组织方式所形成的网络模型。在该模型中,传感器节点采集数据,通过无线传感器网络传递到基站,然后再传递给检测中心。在这里假设每一个传感器节点都有直接或间接与基站通信的能力,则节点会响应监测区域内的事件或周期性地产生数据并发送到基站。
假设N个传感器节点按相对均匀的随机高密度部署在一个监测区域内,具有以下性质:
(1)N个传感器节点被随机部署在监测区域,基站不受能源限制,且位于一个区域的边界上,其他传感器节点为电池驱动;
(2)所有节点都为静止节点,且各节点的软硬件同构,通信频率相同;
(3)每个节点采用全向天线,节点之间为双向链路即A节点能和B节点通信,B节点也能和A节点通信,节点的通信范围有限且通信半径保持为R;
(4)WSN的信道质量可靠且传输的误码率基本可以忽略,其路由机制保持相对静止,不会出现很大范围的路由变化。


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