基于位置的分簇路由PBCR协议仿真系统

资 源 简 介

本项目通过将无线传感器网络中节点的地理位置信息与动态分簇路由技术深度结合，提出并实现了一套基于位置的分簇路由（PBCR）协议。其核心功能是利用节点的物理坐标来优化簇头的选择过程和簇结构的稳定性。系统首先通过获取网格内所有节点的空间坐标，依据节点到区域几何中心的距离以及当前剩余能量水平，综合评估并选举出最优簇头，从而解决传统分簇协议中簇头分布不均匀导致的网络能耗失衡问题。在数据传输阶段，PBCR协议利用位置预测和距离加权算法，构建从普通节点到簇头、再从簇头到基站的最优数据转发路径。该项目还包含了动态能量监控

详 情 说 明

基于位置的分簇路由（PBCR）协议仿真系统

1. 项目介绍 本项目是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）路由协议仿真平台，专门用于实现和评估基于位置的分簇路由（PBCR）协议。该系统模拟了传感器节点在特定区域内的动态行为，通过结合节点的实时剩余能量与地理空间坐标进行簇头选取。协议旨在解决无线传感器网络中常见的能耗平衡问题，通过位置优化和多跳转发机制，有效延长网络的生命周期并提高数据的可靠传输量。

2. 功能特性

• 启发式簇头选取机制：综合考虑节点的剩余能量百分比与到区域几何中心的距离，利用加权评分体系动态选举最适宜的簇头。
• 动态地理分簇：普通节点根据欧几里得距离自动关联至最近的簇头，优化簇内通信路径。
• 多跳位置加权路由：实现了从簇头到基站的多跳转发逻辑，簇头会根据地理位置寻找更靠近基站的其他簇头作为中继节点，降低长距离传输的能耗。
• 实时能量监控与预警：系统跟踪每个节点的能量消耗，并记录首个节点死亡、50%节点死亡以及全网能量耗尽的时间节点。
• 多维度可视化报告：包括动态网络拓扑演进图、网络生存期曲线、能量损耗趋势、数据吞吐量统计以及最终的节点能量分布热力图。

3. 使用方法

• 启动MATLAB软件，并将工作路径设置为包含仿真脚本的文件夹。
• 在命令行窗口直接调用主程序脚本。
• 系统将自动初始化一个100x100米的仿真区域及100个随机分布的传感器节点。
• 在仿真运行过程中，系统每隔50轮会自动更新一次网络拓扑图像，展示节点存活状态及簇头分布情况。
• 仿真结束后，程序会自动弹出性能分析统计图表，并在控制台打印实验报告。

4. 系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：建议 8GB RAM 以上，具备支持基础绘图功能的显卡。
• 无需安装额外工具箱，系统采用纯数学计算与标准绘图函数实现。

5. 逻辑实现说明

• 环境初始化逻辑：系统在启动阶段设定了基站（BS）位于区域上方外部（50, 150），并为每个节点分配初始能量0.5J，同时计算每个节点到区域几何中心（50, 50）的初始物理距离。
• 轮次仿真逻辑：每一轮仿真包含状态自检、簇头选取、簇内关联、数据传输与转发、历史记录五个阶段。
• 簇头选取逻辑：系统按0.6的能量权重和0.4的位置权重对所有存活节点进行评分。每轮从最高分开始依次选取总存活节点数10%的节点担当簇头任务。
• 能量消耗模型：应用无线通信首层模型，根据传输距离与阈值d0的关系切换自由空间模型（d²衰减）或多径衰减模型（d⁴衰减），同时计入电路损耗和数据融合损耗。
• 数据转发策略：非簇头节点若无法找到簇头，将直接与基站通信；簇头节点在向基站发送数据时，会搜索距离自己小于0.6倍基站距离且更靠近基站的其他簇头，若存在符合条件的中继，则采取多跳传输，否则进行直接传输。

6. 关键算法与细节分析

• 评分公式：Score = 0.6 * (E_res / E_init) + 0.4 * (1 - D_center / D_max)。该公式确保了剩余能量充足且靠近区域中心的节点更有可能成为簇头，从而改善网络拓扑的稳定性。
• 位置加权中继算法：在簇头通信阶段，系统通过计算 $d(relay+relay_to_bs) < d(current_to_bs)$ 的最短路径来优化路由链条，模拟了地理位置感知路由的精髓。
• 停止准则：当区域内所有节点能量归零（current_alive == 0）或者达到预设的最大1000轮迭代上限时，仿真自动停止。
• 热力图渲染技术：利用 griddata 函数对离散节点的剩余能量进行插值处理，配合 contourf 生成填充等高线图，直观反映网络中不同地理位置的能量消耗均衡性。
• 数据包量化：系统中区分了4000 bits的数据包和200 bits的控制包，分别应用于正常数据交互和协议开销计算，使仿真结果更接近真实物理环境。