基于改进分簇机制的WSN路由仿真系统

资 源 简 介

本系统是一个集成化的MATLAB仿真平台，专门用于模拟和分析无线传感器网络中的路由协议性能。其最核心的功能是在定义的二维地理空间内随机部署大量具有初能限制的传感器节点，并模拟其在复杂通信环境下的能量消耗过程。系统实现了动态选簇功能，通过设定能量阈值和概率因子在每一轮仿真中自动选举簇头节点，从而解决传统平面路由中节点能量消耗不均、距离基站较远的节点易过早死亡的问题。系统包含了完整的节点生命周期管理模型，具体流程包括：首先进行网络拓扑初始化，接着进入循环选簇阶段，节点根据剩余能量及邻居分布自主决定是否竞选簇头

详 情 说 明

基于改进分簇机制的无线传感器网络(WSN)路由仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的集成化无线传感器网络（WSN）仿真平台，旨在模拟和分析分簇路由协议在不同网络环境下的性能。系统构建了一个二维地理空间模型，通过模拟大量具有能量限制的传感器节点，深度还原了无线通信中的信号衰减、电路能耗及数据融合过程。核心机制采用了改进型的 LEACH 协议，通过引入节点剩余能量作为选簇权重因子，实现了更公平的簇头选举，有效平衡了网络整体载荷，延长了传感器的生命周期。

功能特性

1. 动态拓扑模拟：支持在指定区域内随机部署传感器节点，并自动计算节点与簇头、节点与基站之间的欧氏距离。
2. 能量感知选簇：在基础 LEACH 阈值公式的基础上，融入了节点当前剩余能量与初始能量的比值，动态调整竞选概率。
3. 完整的能耗模型：实现了经典的无线通信能量消耗模型，涵盖电路损耗、自由空间模型（$d^2$）能耗、多径衰落模型（$d^4$）能耗以及数据融合损耗。
4. 网络生命周期监测：实时跟踪并记录第一个节点死亡（FND）、半数节点死亡（HND）以及全部节点死亡（LND）的关键时间点。
5. 实时可视化反馈：仿真过程中每隔固定轮数自动更新网络拓扑图，通过颜色和形状区分普通节点、簇头节点以及死亡节点。
6. 多维性能评估：自动生成节点存活数量、全网剩余总能量、基站吞吐量随仿真轮数变化的分析图表。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件要求：建议内存 4GB 以上，以支持高轮数仿真的数据计算与绘图。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件。
2. 将仿真脚本文件放置在 MATLAB 的工作路径下。
3. 直接运行主程序脚本。
4. 程序将自动开始迭代仿真，并在命令行窗口实时输出当前轮数与关键指标。
5. 仿真结束后，系统将弹出性能分析看板，并输出详细的量化实验报告。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 网络初始化阶段 系统首先在 100x100 的二维区域内生成 100 个随机位置的节点，基站（Sink）通常设置在区域外的固定坐标点（50, 150）。每个节点被赋予相同的初始能量（0.5J），并初始化相关标志位，如节点类型（'N'为普通节点）和簇头选举标志位 G。

#### 2. 生命周期管理 在每一轮循环开始时，系统首先遍历所有节点，检查其剩余能量。如果能量降至 0 以下，则标记为死亡状态（'D'）。通过统计存活节点数量，系统能够动态识别出网络生存周期的三大里程碑：FND、HND 和 LND。一旦所有节点死亡，仿真将提前终止以节省计算资源。

#### 3. 改进型簇头选举算法 选举机制每轮更新一次。节点根据 LEACH 协议的标准概率公式计算阈值 $T(n)$。为了优化能量分配，算法在阈值中乘以了 $(S(i).E / Eo)$ 因子。这意味着剩余能量越高的节点，其计算出的门限值越大，通过随机数判定的几率越高，从而更有可能承担簇头的重任，减缓低能量节点的过快衰竭。

#### 4. 簇内协作与通信逻辑

• 选簇过程：选举出的簇头直接计算与基站的距离，并根据临界距离 $d_0$ 选择自由空间或多径衰落模型进行数据回传，消耗相应能量。
• 集群构建：非簇头节点计算与所有已选簇头的距离，自动加入最近的簇以最小化发射功率。
• 数据聚合：簇头在接收到成员节点的数据包后，会根据设定的 Eda 参数计算数据融合损耗，有效模拟了实际 WSN 中通过数据压缩降低冗余的过程。

#### 5. 能耗计算模型 系统严格执行分段能效计算：

• 当传输距离小于临界值 $d_0$ 时，采用自由空间模型，能量损耗与距离的平方成正比。
• 当传输距离大于或等于临界值 $d_0$ 时，采用多径衰落模型，能量损耗与距离的四次方成正比。
• 接收数据时，固定消耗电路能耗 Eelec。

#### 6. 结果产出与分析 系统通过四个子图展示仿真全貌。拓扑动态图直观反映了网络覆盖范围的收缩；存活曲线描绘了网络失效的速度；能量轨迹展示了全网的能耗速率；吞吐量图表则体现了基站获取信息的有效性。最后，通过格式化的文本报告汇总所有量化数据，为路由协议的优化提供客观依据。