LEACH协议无线传感器网络路由算法仿真系统

资 源 简 介

本系统是一个专门用于无线传感器网络（WSN）路由协议设计与性能评估的仿真平台，主要针对本科及毕业设计中常见的LEACH（低功耗自适应分层路由协议）及其改进方案进行复现。 核心功能涵盖了传感器网络的全生命周期模拟，具体实现流程如下： 第一，网络拓扑构建：系统支持在二维平面区域内按照均匀分布或随机分布的方式生成传感器节点，并设定基站（Sink节点）的具体坐标位置。 第二，分簇机制模拟：利用概率函数实现簇头节点的动态选举。在每一轮仿真中，节点通过生成的随机数与预设阈值对比来决定是否担任簇头。改进型算法还引入了节

详 情 说 明

基于MATLAB的无线传感器网络LEACH分层路由算法仿真系统

本系统是一个专门用于无线传感器网络（WSN）路由协议设计与性能评估的仿真平台。系统通过MATLAB语言实现了经典的LEACH（低功耗自适应分层路由协议）及其基于剩余能量权重的改进版本。该项目旨在展示WSN中节点能效管理、分簇机制以及网络生命周期的动态演变过程，适用于科研教学及协议优化验证。

项目核心功能

1. 环境与节点初始化

系统在指定的二维区域内（默认100x100m）随机分布传感器节点。通过配置一阶无线电能量耗尽模型，为每个节点分配初始能量、坐标及状态标识。同时，系统支持在区域边界外设定基站（Sink节点）的具体坐标，模拟典型的远程监控场景。

1. 动态分簇选举机制

系统严格遵循LEACH协议的轮次（Round）逻辑。在每一轮开始时，系统根据候选比例因子计算选举阈值。本代码在此基础上引入了剩余能量权重因子：节点的剩余能量越高，其成为簇头的概率越大。通过随机数与动态阈值的对比，筛选出当轮的簇头节点（CH）。

1. 簇形成与多对一传输模拟

普通节点（Non-CH）通过计算欧几里得距离，自动关联至距离最近的簇头节点以形成簇。系统模拟了普通节点向簇头发送监测数据的过程，并根据节点与簇头之间的距离自动切换无线电传播模型（自由空间或多径衰落）。

1. 数据聚合与远程透传

簇头节点承担数据汇聚任务，负责接收簇内所有节点的数据，并执行数据融合损耗计算。随后，簇头将经过压缩处理后的数据跨越较长距离直接透传给远端的基站节点。

1. 实时可视化监控

系统集成了动态绘图功能，包括：

• 网络拓扑实时图：动态展示簇头选举、普通节点存活及死亡节点的分布。
• 存活节点演变曲线：记录随仿真轮数增加而减少的存活节点数量。
• 总能量消耗曲线：实时描绘全网剩余总能量的下降趋势。
• 数据吞吐量统计图：累计呈现基站接收到的有效数据包总量。

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系统逻辑实现细节

1. 能量耗尽模型逻辑 代码精确计算了四种主要的能量消耗：

• 发射损耗：根据距离与传播阈值（do）的关系，计算自由空间模式（平方损耗）或多径衰落模式（四次方损耗）下的能量支出。
• 接收损耗：模拟节点电路接收数据时的固定能耗。
• 数据融合损耗：簇头在处理接收到的簇内数据时产生的特定损耗。
• 控制开销：计算了簇头发放通告信息时所消耗的控制数据包能量。

2. 关键算法公式

• 选举阈值 (T_n)：在标准LEACH公式 $p / (1 - p * (r mod (1/p)))$ 的基础上，乘以当前节点剩余能量与初始能量的比值，优化了簇头分布的科学性。
• 距离计算：使用 sqrt((S(i).xd - sink.x)^2 + (S(i).yd - sink.y)^2) 实时计算节点间及节点与基站间的欧氏距离。

3. 生命周期评估指标 系统自动识别并输出以下关键性能指标（KPIs）：

• FND (First Node Dead)：第一个节点能量耗尽的轮数，衡量网络稳定性的重要指标。
• LND (Last Node Dead)：最后一个节点死亡的轮数，代表网络的最长生命周期。
• 累计数据包量：反映了网络在生命周期内的总监控效率。

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使用方法

1. 启动仿真：在MATLAB开发环境中打开主程序文件。
2. 参数配置：可根据需要修改代码开头的仿真参数，如节点总数 (n)、初始能量 (Eo)、预设簇头比例 (p) 等。
3. 运行程序：点击“运行”按钮，系统将自动弹出仿真窗口。
4. 结果查看：仿真过程中可实时观察左侧拓扑图的动态变化，仿真结束或全网死亡后，系统将自动汇总统计曲线并在命令行窗口输出最终评估报告。

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系统要求

• 环境软件：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件配置：主流处理器及4GB以上内存（由于包含实时动态绘图，建议配置独立显卡以获得更流畅的显示效果）。
• 工具箱依赖：无需特殊工具箱，纯基于核心MATLAB语言编写。