改进型LEACH无线传感器网络路由协议仿真系统

资 源 简 介

本系统旨在通过对经典LEACH协议的优化来延长无线传感器网络的生存周期并提升能量利用效率。传统LEACH协议在簇头选举时具有盲目性，本改进方案在簇头选举阈值公式中引入了节点当前剩余能量与网络平均剩余能量的比值因子，并考虑了节点到基站的物理距离，从而避免了能量水平较低的节点过早承担簇头任务。项目实现了完整的网络生命周期动态仿真，包括节点在监测区域内的随机部署、轮次迭代的簇头竞争机制、非簇头节点加入最近簇头的过程以及数据传输阶段的能量损耗计算。系统特别强化了对能量消耗的监控功能，能够详细记录每一轮仿真迭代后全

详 情 说 明

改进型LEACH无线传感器网络分层路由协议仿真系统

本系统是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）仿真平台，专注于研究和实现一种优化的分层路由算法。通过改进传统LEACH协议的簇头选举策略，系统旨在均衡全网能耗，延长网络的存活时间，并提高整体吞吐量。

项目介绍

在无线传感器网络中，节点的能量通常是有限且不可补充的。传统的LEACH协议在随机选择簇头时未考虑节点的剩余能量和位置分布，容易导致部分能量较低的节点因承担簇头任务而过早死亡。本项目实现的改进型方案通过引入“剩余能量因子”和“距离因子”来动态调整簇头选举阈值。

系统模拟了从节点随机部署、簇头竞选、簇群建立、数据稳定传输到节点能量耗尽的完整生命周期。用户可以实时观测到网络拓扑的动态变化以及关键性能指标的演变过程。

功能特性

1. 动态拓扑可视化：实时展示监测区域内的节点存活状态，区分普通节点、簇头节点以及位于区域外部的基站位置。
2. 改进型选举算法：集成了一种基于能量权重与物理距离权重的自适应阈值计算机制。
3. 完善的能量模型：不仅包含发送和接收电路耗能，还引入了自由空间模型与多径衰落模型的切换机制，模拟真实环境的物理层传输损耗。
4. 网络性能监测：自动记录并绘制存活节点数、全网剩余总能量以及累计吞吐量的变化曲线。
5. 关键指标统计：仿真结束后自动计算并输出首个节点死亡时间（FND）、最后一个节点死亡时间（LND）以及总传输数据包量。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件环境：建议主频 2.0GHz 以上处理器，4GB 以上内存。

核心实现逻辑说明

系统的核心逻辑主要分为以下四个阶段：

1. 网络初始化

系统在100m x 100m的区域内随机分布100个初始能量为0.5J的节点。基站被安置在区域外（50, 150）的位置，以模拟远距离通信场景。

1. 改进型簇头选举

在每一轮迭代中，系统首先计算当前存活节点的平均能量。对于处于选举周期内的节点，计算改进后的阈值：

• 基础阈值：基于当前轮次和预期簇头比例计算的逻辑值。
• 能量因子：节点当前剩余能量与全网平均剩余能量的比值，剩余能量高于平均值的节点更有可能成为簇头。
• 距离因子：考虑节点到基站的物理距离，对距离进行归一化处理，平衡远近节点的能耗压力。

1. 簇群组建与能耗计算

• 成员加入：非簇头节点根据欧氏距离寻找到最近的簇头，并进入对应的簇。
• 数据接收能耗：簇头节点计算接收所有成员节点发送的数据包时产生的能耗，并包含数据融合（Data Aggregation）损耗。
• 普通节点能耗：根据节点到簇头的距离，自动切换自由空间（平方比）或多径衰落（四次方比）损耗模型。

1. 远程传输与状态更新

• 簇头转发：簇头将收集并融合后的数据发送至基站。
• 退化模式处理：若某一轮次未能产生簇头，所有存活节点将直接与基站通信，并计算相应的高额能耗。
• 网络维护：每一轮次结束后，系统剔除能量小于等于零的节点，更新存活统计数据。

实现细节分析

• 动态阈值公式：代码中实现的改进阈值公式为 $T(n) = T_base cdot (E_i / E_{avg}) cdot (0.8 + 0.2 cdot (d_{avg} / d_{i_bs}))$，这种设计通过权重分配确保了候选簇头的质量。
• 保护机制：引入了 $G$ 标志位，确保在 $1/p$ 的周期内，已经担任过簇头的节点不会重复当选，从而保证能耗分布的均匀性。
• 距离阈值 $d_0$：系统预设了临界距离阈值（约87米），当传输距离超过此值时，放大器耗能模型会自动从自由空间模型切换到更剧烈的多径衰落模型。
• 可视化反馈：每20轮进行一次图形刷新，红点代表当前轮次的簇头，蓝圈代表普通节点，清晰地反映了簇头在全网的随机游走和分布状态。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件。
2. 将仿真文件所在的文件夹设置为当前控制路径。
3. 运行对应的仿真脚本文件。
4. 运行开始后，将首先看到节点部署图，随后系统会自动弹出一个分为四个象限的动态监控窗口：

- 左上：实时拓扑图（红点为簇头）。 - 右上：存活节点数量随轮次变化的曲线。 - 左下：全网剩余能量衰减曲线。 - 右下：累计吞吐量增长曲线。

1. 待循环结束或节点全部死亡后，查看 MATLAB 命令行窗口输出的最终统计指标。