基于能耗均衡策略的WSN分级聚类路由协议仿真系统

资 源 简 介

本项目开发了一个用于无线传感器网络（WSN）路由协议分析的MATLAB仿真平台，重点实现了高效的选簇机制。系统首先在设定的地理区域内随机生成传感器节点，并依据选簇算法（如LEACH或其改进版本）动态执行簇头选举。功能核心包含三个主要阶段：第一是簇头竞选阶段，系统根据节点剩余能量、历史簇头频率及邻居节点密度计算阈值，自动选取最优簇头节点；第二是簇群建立阶段，非簇头节点根据接收到的信号强度指数（RSSI）判断距离，自主加入最匹配的簇群，形成网络拓扑；第三是数据传输阶段，节点采用TDMA机制将数据汇总至簇头，簇

详 情 说 明

基于能耗均衡策略的WSN分级聚类路由协议模型

本项目提供了一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）分级聚类路由协议仿真平台。该模型针对无线传感器网络中能量受限的关键问题，通过改进经典的LEACH协议，引入了能量异构性感知和动态选簇机制，旨在均衡网络能耗并延长整体生命周期。

项目核心功能特性

1. 动态拓扑模拟：系统能在指定的100x100米地理区域内随机生成并分布100个传感器节点，并实时动态展现节点的生存状态及网络拓扑演化。
2. 改进型选簇机制：在传统的LEACH协议基础上，加入节点剩余能量作为权重因子参与阈值计算，确保能量充足的节点有更高概率成为簇头。
3. 自主组簇策略：非簇头节点根据接收信号强度指数（RSSI）转换的物理距离，自主选择并加入距离最近的簇群，实现了高效的簇内通信链路构建。
4. 能耗精准建模：集成了典型的无线传导能耗模型，精准计算包括发射、接收、自由空间衰耗、多径衰减及数据融合在内的每一笔电量支出。
5. 实时统计与监控：提供实时更新的存活节点曲线、系统剩余总能量曲线，并在仿真结束时自动生成统计结果，包括网络寿命特征值（FND/LND）及基站接收吞吐量分析。

实现逻辑与流程

主控制逻辑严格遵循WSN轮转周期的执行规律，每轮循环包含以下四个关键阶段：

第一阶段：环境感知与状态更新 系统在每轮开始前检索全体节点状态。根据剩余能量判断节点存活情况，累加当前生存节点数量及系统总剩余能量。对于存活节点，依据预设的周期（1/p）重置其选簇状态位，确保每个节点在周期内都有机会担任簇头。

第二阶段：自适应簇头竞选 系统采用改进的阈值公式 T(n) 进行计算。除了考虑当前的轮数和预设簇头比例外，该逻辑显式地引入了节点当前能量与初始能量的比值。随机数落入阈值内的节点将晋升为簇头。若本轮无节点胜出，系统将触发保底机制，随机指派一名存活节点为临时簇头，以保证通信链不中断。

第三阶段：簇群建立与簇内通信 普通节点根据欧式距离计算其与各簇头之间的物理间距。节点将自主关联至最近的簇头并发送加入请求报文。此阶段系统会计算普通节点发送报文的能耗（依据自由空间或多径衰减模型）以及簇头接收报文的功耗。

第四阶段：数据融合与基站传输 簇头节点接收所在簇内所有成员的数据后，执行数据融合算法，根据预设的融合能耗参数扣除相应能量。随后，簇头将压缩后的汇总报文通过单跳方式传输至位于区域中心的基站（Sink）。逻辑根据簇头与基站的距离，自动切换对应的能耗放大器模型。

关键算法与实现细节分析

选簇阈值优化算法 代码通过计算阈值(p / (1 - p * (mod(r, round(1/p))))) * (nodes(i).E / Eo)来实现负载均衡。这种实现方式使得即使在周期规律内，能量较低的节点由于其比值项较小，成为簇头的概率也会显著降低，从而避免了弱势节点因过度承担路由任务而过早死亡。

双路径能耗模型 在能量消耗计算函数中实现。算法通过临界距离（do = sqrt(Efs/Emp)）动态选择耗能模型：当节点间距小于临界距离时，使用基于d平方的自由空间模型；当距离较大时，切换为基于d四次方的多径衰减模型。这真实还原了物理世界中信号衰减对能耗的不同影响。

实时可视化引擎 仿真过程中，主逻辑每隔20轮会强制刷新拓扑视图。簇头、普通节点、死亡节点分别以蓝、绿、黑等不同标识区分，并用背景线段实时描绘节点与簇头、簇头与基站之间的链路连接，通过drawnow指令实现动画级刷新，便于直观观察能量空洞现象。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 硬件要求：建议 8GB RAM 以上，以确保大规模迭代及实时可视化绘图的流畅度。

使用方法

1. 配置环境：打开MATLAB软件，并将本项目的文件夹设置为当前工作路径。
2. 启动仿真：在命令行窗口输入 main 即可运行仿真逻辑。
3. 过程监控：在弹出的图形窗口中观察节点死亡演化、能量消耗速率以及网络拓扑结构的动态变化。
4. 结果采集：仿真达到最大迭代轮数或节点全部死亡后，查看控制台输出的 FND（第一个节点死亡轮数）和 LND（最后一个节点死亡轮数），并分析生成的统计图表进行学术研究或项目验收。