基于选票分簇算法的无线传感器网络能量仿真研究

资 源 简 介

本项目在MATLAB环境下构建了一个完整的无线传感器网络（WSN）仿真平台，重点研究基于选票选举机制的分簇算法对网络能量平衡及生命周期的影响。 程序首先在指定的地理区域内随机生成传感器节点，并初始化各节点的坐标位置、初始能量、通信半径等参数。 核心功能是实现了选票分簇协议的完整逻辑，包括节点间的投票过程、簇头的产生、成员节点的入簇关联以及数据的多级传输机制。 在每一轮通信模拟中，系统会精密计算节点在发射数据、接收数据以及执行数据融合时所产生的能量损耗，并根据能量衰减模型更新节点状态。 此功能可用于对比不同

详 情 说 明

基于选票分簇算法的无线传感器网络能量消耗仿真研究

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）能量消耗仿真平台。该研究旨在模拟并分析一种基于“选票选举机制”的分簇协议对网络生命周期和能量均衡的影响。通过数学建模和动态循环仿真，项目复现了节点在自组织投票、簇头选举、数据采集与传输过程中的物理行为和能量损耗过程。该工具能够直观地展示网络拓扑的演变、存活节点的数量波动以及总能量的消耗趋势，为优化WSN分簇协议提供数据支持。

功能特性

1. 自组织拓扑构建：在预设的地理区域内随机生成节点，支持自定义基站（Sink）位置及节点属性。
2. 选票选举机制：实现了基于能量权重的投票逻辑，节点通过竞争获得成为簇头的资格，有效平衡了网络负载。
3. 分层通信模型：支持“成员节点-簇头-基站”的多级传输路径，模拟真实的分簇网络通信流程。
4. 混合能量损耗模型：集成了自由空间模型和多径衰落模型，根据传输距离自动切换能耗计算方式。
5. 实时动态监测：仿真过程中每隔固定轮次自动更新网络状态图，以不同颜色和图标直观区分死亡节点、普通节点和簇头。
6. 详尽的结果评估：自动生成存活节点演进图和总剩余能量演变图，并统计第一个节点死亡时间等关键指标。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
2. 硬件环境：建议主频2.0GHz以上，内存4GB以上以确保实时绘图顺畅。
3. 依赖项：无需额外工具箱。

核心功能与逻辑说明

程序代码严格按照WSN的生命周期流程实现，各阶段逻辑如下：

1. 参数初始化阶段 设置仿真区域边界（100x100），定义基站坐标，初始化100个节点及其初始能量（0.5J）。设定通信参数包括发射/接收电路损耗、放大器能耗系数、数据融合损耗以及节点通信半径（30m）。

2. 存活监测与状态重置 在每一轮循环开始时，程序会自动统计当前存活节点及其总剩余能量。如果所有节点死亡，则立即终止仿真。每轮开始前会清空上一轮的选票数和簇头身份。

3. 基于权重的投票阶段 每个存活节点计算自身的权重，权重与其剩余能量成正比。节点搜索其通信半径（R_com）范围内的所有邻居，并将选票投给该范围内权重最大的节点。该过程包含了发送控制包所产生的能量损耗。

4. 簇头产生阶段 系统根据所有节点获得的票数进行降序排列，选票数最多的前10%（由目标比例p决定）的节点被任命为该轮的簇头（CH），负责数据汇聚与转发。

5. 成员关联与数据传输阶段 非簇头节点（普通节点）会自动寻找距离其最近的簇头并加入该簇。普通节点将采集的数据包发送给簇头，簇头在接收数据并执行数据融合（EDA）后，将最终结果转发给位于区域中心的基站。

6. 能量更新与状态判断 根据节点间距离，程序利用能量衰减模型实时扣除节点的能量。若节点剩余能量小于等于0，则标记为死亡状态，后续不再参与投票或通信。

关键函数与算法分析

1. 选票选举算法 (Voting Logic) 这是该程序的核心算法。与传统的随机选择簇头（如LEACH）不同，该算法引入了邻域竞争。通过局部权重（能量比例）的对比，确保了剩余能量较多的节点有更大概率获得选票并成为簇头，从而延长了第一个节点死亡的时间，保证了网络的稳定性。

2. 混合能量损耗计算函数 (calculate_energy) 该函数实现了无线通信的一阶放射模型。内部逻辑判断传输距离：

• 当距离小于临界阈值 do 时，采用自由空间模型（Efs），能量损耗与距离的平方成正比。
• 当距离大于或等于 do 时，采用多径衰落模型（Emp），能量损耗与距离的四次方成正比。

这种双模型切换准确描述了无线信号在不同距离下的衰减特性。

3. 数据融合能耗 (EDA) 簇头不仅承担数据转发，还负责处理接收到的成员节点数据。程序计入了 EDA 能效参数，体现了簇头在数据聚合处理过程中的计算开销。

4. 动态可视化逻辑 利用 MATLAB 的绘图句柄，程序实现了仿真过程的视觉监控。绿色点代表普通存活节点，蓝色实心圆代表簇头，黑色叉号代表已能量耗尽的死亡节点，通过这种动态变化，用户可以直观观察到“能量空洞”现象的产生过程。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将程序代码文件放置在当前工作路径下。
3. 在命令行窗口输入 main 并按回车键运行。
4. 运行开始后，Figure 1 窗口将动态展示每一轮的节点状态。
5. 仿真结束后，Figure 2 窗口将自动弹出并展示网络存活节点和总能量随时间变化的统计曲线。
6. 命令行窗口会输出仿真结果汇总，包括第一个节点死亡的轮次。