基于LEACH协议的无线传感器网络能量仿真项目

资 源 简 介

该项目实现了无线传感器网络中经典的LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）低功耗自适应分簇分层路由协议的完整仿真过程。其核心功能包括传感器节点的随机部署、基于循环概率模型的簇头选举机制、非簇头节点向最近簇头的入簇过程、簇内数据聚合以及簇头到基站的数据远程传输。通过模拟在多轮运行下节点的能量消耗情况，详细展示了网络生命周期的动态变化过程。算法通过周期性的随机旋转簇头任务，使得网络中的能量负载能够均匀分配给各个节点，从而有效延长了整个传感器网络的存活时间。

详 情 说 明

基于MATLAB的LEACH分簇路由协议仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）仿真平台，专门用于模拟和分析经典的LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议。LEACH是一种自适应分簇分层路由协议，旨在通过周期性地随机更换簇头，平衡网络中所有节点的能量消耗。该仿真涵盖了从节点部署、分簇选举、数据聚合到远程传输的全生命周期建模，是研究传感器网络节能算法、评估网络生存周期的理想工具。

功能特性

• 动态分簇机制：实现了基于阈值公式的簇头动态竞选和旋转过程，确保每个节点都有机会担任簇头。
• 能效均衡：通过随机化簇头任务，防止特定节点因过度使用而过早退服，有效延长全网存活时间。
• 完整能耗模型：集成了典型的一阶无线电通信能量模型，支持自由空间传输（d²损耗）和多径退化（d⁴损耗）两种模式。
• 实时可视化界面：仿真过程中动态展示节点状态，包括普通节点（圆形）、簇头（方块）、死亡节点（叉号）以及基站位置。
• 多指标性能评估：自动生成网络存活节点演变曲线和能量衰减曲线，并计算首节点死亡（FND）及全节点死亡（LND）等关键学术指标。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 硬件要求：基础办公配置即可，仿真运行时间取决于设定的最大轮数与节点密度。

核心实现逻辑与功能说明

该仿真的程序逻辑严格遵循LEACH协议的轮迭代（Round-based）机制，主要包含以下核心步骤：

1. 环境配置与节点部署

仿真区域设定在指定尺寸的矩形空间内，基站（Sink Node）通常布置在区域边界外。系统通过随机坐标生成机制实现节点的初始部署，每个节点被赋予相同的初始能量和属性。

1. 簇头选举算法（Set-up Phase）

在每一轮开始时，每个节点会生成一个0到1之间的随机数。如果该随机数小于当前轮次的阈值 $T(n)$，且该节点在当前循环周期内未曾担任过簇头，则该节点当选为簇头。

• 阈值计算：基于预设的理想簇头比例和当前轮次计算动态阈值。
• 备选方案：代码中包含容错机制，若某一轮未能通过概率公式选出簇头，则系统会自动强制选举剩余能量最高的节点作为簇头，以保证通信不中断。

1. 入簇与关联建立

选举产生的簇头会向全网广播信号。普通节点根据接收到的信号强度（在代码中体现为欧几里得距离），选择距离自己最近的簇头并加入，形成一个簇。若没有任何簇头存在，普通节点将采取高能耗模式直接与基站通信。

1. 能量消耗模型（Steady-state Phase）

• 发送能耗：根据传输距离与阈值 $d_0$ 的关系，自动切换自由空间模型或多径衰减模型计算发送 bits 产生的功耗。
• 接收能耗：计算簇头接收来自多个成员节点数据时产生的电路损耗。
• 数据融合：簇头在转发数据前，会针对采集到的信息进行聚合处理，计算数据融合（Aggregation）带来的额外能量支出。
• 远程传输：簇头将聚合后的长数据包发送至远端基站，承担跨区域通信的主要能耗负担。

1. 状态监测与退出机制

每一轮循环都会实时检查所有节点的剩余能量。一旦节点能量归零，其标志位将被设为死亡，且不再参与后续的分簇与通信。仿真将一直运行至达到设定的最大轮数或所有节点能量耗尽为止。

关键算法细节分析

• 分簇概率周期性重置：通过取模运算 $mod(r, 1/p)$，确保在每一个 $1/p$ 轮周期内，每个节点都有且仅有一次机会尝试成为簇头，这体现了LEACH协议的公平性。
• 分段式能量消耗分析：

* 当节点间距离小于 $d_0$ 时，采用 $E_{fs}$（自由空间）系数，能耗较低。 * 当距离大于等于 $d_0$ 时，采用 $E_{mp}$（多径衰减）系数，能耗随距离的四次方增长。

• 动态列表管理：代码实时维护一个簇头索引列表，用于快速匹配普通节点的入簇归属，并准确计算簇头在接收阶段的累积能量支出。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，将项目所在文件夹设为当前工作路径。
2. 直接运行仿真主程序。
3. 观察弹出的 Figure 1 动画，了解节点在各轮次下的实时存活分布与分簇动态。
4. 仿真结束后，查看 Figure 2 获取网络性能分析图，并在控制窗口中获取 FND、LND 等数值结果。
5. 如需自定义仿真环境，可修改程序开头的参数设置部分（如节点数 n、初始能量 Eo 或区域范围等）。