基于WSN的分层簇间路由通讯仿真系统

资 源 简 介

本项目主要实现了无线传感器网络中一种典型且高效的分层簇间路由通讯方法。通过MATLAB平台对传感器节点进行建模，模拟了在大面积监测区域内，节点如何通过特定的分簇机制形成分层网络架构。其核心逻辑包括簇头节点的动态选举、簇内成员的加入与数据上报、以及簇头间通过多跳或单跳路径向基站（Sink）发送聚合后的敏感数据。该系统的功能重点在于模拟真实的能量消耗过程，涵盖了无线信号发射损耗、接收损耗以及数据处理损耗。该代码架构具有高度的通用性，用户只需运行主脚本即可自动触发多轮次仿真，并实时监测网络节点的状态。本项目最大

详 情 说 明

基于无线传感器网络(WSN)的分层簇间路由通讯仿真系统

项目介绍

本项目是一个用于评估无线传感器网络(WSN)性能的数学建模与仿真系统。系统模拟了在一个典型地理区域内，大量传感器节点通过分层分簇机制进行数据采集与传输的全过程。其核心目的在于通过模拟真实的物理能量损耗模型，验证改进型LEACH协议在延长网络生存期、均衡节点能耗方面的有效性。该仿真系统能够精确捕捉网络从部署初始到最后一个节点死亡的完整动态过程，为WSN协议优化提供量化的数据支持。

主要功能特性

• 动态分簇机制：实现了基于概率阈值的簇头选举算法，确保网络在运行过程中簇头身份能循环更替，避免单一节点因负载过重而过早失效。
• 混合能量损耗模型：集成了自由空间（Free Space）和多径衰落（Multi-path Fading）两种无线电传播模型。系统会根据节点间的传输距离自动切换能耗计算公式，使仿真结果更贴近真实物理环境。
• 簇间多跳路由寻址：在簇头向基站发送数据时，系统具备简化的多跳路由逻辑。若簇头距离基站过于遥远，会优先寻找距离基站更近且在通信半径内的其他簇头进行数据中转，从而降低长距离传输造成的剧烈能量衰减。
• 全方位性能评价指标：系统自动生成四类关键指标图表，包括网络生存期曲线（存活节点数）、剩余能量变化轨迹、每轮簇头分布数量以及基站接收到的累计数据量。
• 节点部署可视化：在仿真结束时，系统会绘制节点状态分布图，直观展示存活节点、死亡节点以及基站的空间位置关系。

系统实现逻辑详解

该仿真系统的核心逻辑遵循循环演进的原则，每一轮（Round）仿真均包含以下关键阶段：

1. 参数初始化与节点部署 系统预设了仿真区域（100x100m）、节点总数、初始能量（0.5J）、簇头占比等物理参数。节点被随机散布在区域内，并初始化能量状态、选举标志位和生存状态。

2. 簇头选举阶段 每一轮开始前，系统会根据LEACH算法的阈值公式计算出一个选举概率。未在当前周期内担任过簇头的存活节点会生成一个随机数，若小于阈值则晋升为簇头（CH），负责本轮的数据中转与聚合。

3. 簇内关联阶段 普通节点（非簇头节点）会扫描当前所有簇头的位置，通过计算欧式距离找到距离自己最近的簇头并与之关联。此时系统会计算普通节点向簇头发送数据所消耗的能量。

4. 能量损耗计算逻辑

• 节点发送能耗：由电路损耗及放大器损耗组成。当通信距离小于阈值（do）时，采用自由空间模型（d²）；当距离大于阈值时，采用多径衰落模型（d⁴）。
• 簇头接收能耗：簇头在接收成员节点数据时，会产生接收电路损耗及数据融合处理损耗。

5. 簇间传输与中转逻辑 这是系统的一大特色，簇头在向基站（Sink）回传聚合数据时，会判断直接传输与多跳传输的收益。如果存在一个中转簇头，其距离基站的距离比当前簇头更近，且该中转簇头与当前簇头的距离在合理范围内（小于到基站距离的1.5分之一），系统将执行多跳回传逻辑，由多个簇头共同分担长距离传输压力。

6. 回收处理与统计 每轮结束后，系统会检查各节点剩余能量，将能量耗尽的节点标记为死亡状态。当所有节点死亡或达到预设的最大仿真轮数后，程序终止并弹出可视化分析结果。

关键技术参数说明

• 数据包大小：统一设定为4000 bits，用于计算能量损耗。
• 能量常数：发射/接收电路耗能为50 nJ/bit，数据聚合耗能为5 nJ/bit。
• 放大器系数：自由空间为10 pJ/bit/m²，多径衰落为0.0013 pJ/bit/m⁴。
• 特殊场景处理：若某一轮未能选举出簇头，存活节点将直接尝试与基站通信，并设定较低的数据权重以模拟非效率传输。

使用方法

1. 环境准备：确保计算机已安装MATLAB（建议R2016b及以上版本）。
2. 配置参数：用户可根据研究需要，在主脚本的参数设置区域修改节点总数、初始能量、簇头比例或仿真区域大小。
3. 运行仿真：直接运行主脚本文件。
4. 监测进度：仿真将在命令行实时运行，用户无需人工干预。
5. 分析结果：运行完成后，系统会自动弹出两个窗口：

* 窗口一展示网络整体性能随轮数变化的四象限图。 * 窗口二展示仿真结束时网络拓扑的最终状态。

系统要求

• 软件环境：MATLAB
• 性能要求：100节点规模下的2000轮仿真通常在1分钟内完成。
• 技术背景：适用于通信工程、WSN协议研究、传感器网络优化等学术领域。