* )本文受国家重点基础研究发展计划 973 项目(2006CB303000), 国家自然基金重点项目(60533110), 国家自然科学基金(60703012)和 NSFC-RGC of
China(60831160525)资助。李国华（1984-），男，硕士，研究方向为传感器网络；骆吉洲（1975-），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为数据管理与
知识发现，传感器网络；李建中（1950-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为数据管理与知识发现，传感器网络。
基于 BP 神经网络的无线传感器网络的拥塞控制算法
* )
Back-propagating Neural Network Based Congestion Control Algorithm for WSN
李国华 骆吉洲 李建中
（哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院 哈尔滨 150001）
摘 要 针对无线传感器网络的拥塞控制问题，提出了一种基于 PID 控制和 BP 神经网络的分布式拥塞控制算法 BPCCP。BPCCP
算法的基本思想是，以能耗、公平性、吞吐量、接收率为性能指标，通过周期性地控制数据包进入节点缓冲区的总速率，使缓冲区
队列长度维持在一个理想值附近。理论分析与真实实验结果表明，在相同的实验初始条件下, BPCCP 算法与现有算法相比，显著地
改善了吞吐量，明显地提高了网络的负载平衡能力，具有很强的自适应性。
关键词 无线传感器网络，拥塞控制，BP 神经网络，PID 控制方法
1 引言
无线通讯技术、微电子技术及嵌入式计算技术的快速发
展使得无线传感器网络被广泛应用在环境监测、健康监护、
智能家居、战场监控及空间探测等领域。无线传感器网络技
术也迅速成为研究的热点
[1,2]
。无线传感器网络中的拥塞控制
旨在利用有效策略避免拥塞问题和在出现拥塞问题后快速恢
复。目前，无线传感器网络拥塞控制算法的研究是无线传感
器网络技术研究的重要方面
[3,4,5]
。
衡量拥塞控制算法的有效性主要有三个性能指标
[4]
。一
是能量有效性，即 1bit 的数据从数据源传输到 sink 节点所需
的平均能量。二是服务质量。三是加权公平性。传感器网络
中不同传感器节点的重要性不同，传感器节点的重要性用传
感器节点的权值表示，则拥塞控制算法应尽量保证不同传感
器节点产生的数据包被传输到 sink 节点比例正比于传感器节
点重要性。加权公平性是衡量拥塞控制算法性能的重要指标。
现有的拥塞控制算法均没有全面地从能量有效性、服务
质量和加权公平性三个方面进行考虑。[6,7]主要考虑了性能
能源有效性和服务质量，未涉及加权公平性。[8,9] 考虑了能
源有效性和服务质量，但仅考虑了简单的公平性，即保证 sink
节点在某段时间内接收每个传感器节点数据包一样多，并未
真正实现加权公平性。
基于此，本文综合考虑能量有效性、服务质量、公平性
等度量指标，给出了一种基于 BP(Back Propagation)神经网络
的分布式的拥塞控制算法 BPCCP。BPCCP 算法运行在每个
非 sink 节点上，周期性地执行。在每个周期开始时，以节点
采样信息及节点历史信息作为 BP 神经网络的输入，以维护
节点缓冲区队列长度接近理想值为目标，计算出节点接收数
据包的总速率；然后，将节点接收数据包的总速率按权值比
例大小分配给自己及其子节点，节点用自身分配得到的速率
来计算其采样频率，子节点用分配得到的速率作为向父节点
发送数据包的速率。理论分析和真实实验结果表明，本文提
出的 BPCCP 算法能够有效地避免拥塞。
本文其余部分组织结构如下。第 2 节介绍了相关工作。
第 3 节给出 BPCCP 算法并对它进行理论分析；第 4 节是实
验结果和分析。第 5 节是结论。
2 相关工作
无线传感器网络拥塞控制算法的相关工作可以分为被动
拥塞控制和主动拥塞控制两大类。被动拥塞控制用拥塞度量
检测到拥塞现象后再采取缓解拥塞的措施。主动拥塞控制也
称拥塞避免,它采取措施预防可能出现的拥塞现象。
[6]给出了最早的被动拥塞控制机制 CODA，它通过检测
传感器节点缓冲区队列的长度或信道利用率来侦测网络中是
否发生拥塞。如果发生了拥塞，则通过局部地降低上一跳节
点的发送速率来缓解局部拥塞，同时采用闭环多源调节机制
来缓解大范围拥塞和长期拥塞。[7]给出的 ESRT 协议是一个
基于事件可靠性的传输协议，它通过调节源节点的发送速率
来实现事件的可靠性。但是速率调节是通过 sink 节点长距离
通信实现的，这会对此时正在进行的数据传输造成干扰。[8]
给出的 Fusion 拥塞控制机制综合利用 3 种技术来进行拥塞控
制。一是在拥塞发生时逐跳地向源节点发反馈信息，以减少
数据包的丢失和避免能量浪费。二是限制源节点的发包速率。
三是用带优先权控制的 MAC 协议给缓冲区占有率高的节点
以更高的通信信道访问权。Fusion 机制能有效地缓解拥塞现
象，但没有给出保证事件公平性的措施。
主动拥塞控制方法的研究比较少。[10]提出了一种拥塞
避免的方法，即发送者只有在知道接收者通知其缓冲区未满
时才发送数据包。[4]以数据包的平均服务时间与包的平均到
达时间的比值作为拥塞度量，每个节点每接收到一定数目的
包，就通过广播将自己的拥塞度传递给子节点，子节点根据
父亲节点的拥塞度相应地调节自己的发送速率和采样速率。
本文给出的 BPCCP 算法属于主动拥塞控制方法。同[10]
中的方法相比， BPCCP 算法具有较好的能源有效性。这是
由于用 BPCCP 算法避免拥塞，数据包内无需包含额外的信
息。同[4]相比，BPCCP 算法运行时不使用特定的度量来衡
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