LEACH无线传感器网络分簇协议仿真系统

资 源 简 介

本系统基于MATLAB平台实现无线传感器网络中经典的低功耗自适应分簇分级（LEACH）协议仿真。其主要功能是模拟在一个设定区域内随机分布的传感器节点如何通过自组织方式形成集群。 系统核心功能包括动态簇头选举机制，利用阈值公式根据当前轮数和设定比例随机产生簇头，以确保网络能量负荷在所有节点间均匀分布。 在数据传输阶段，系统模拟非簇头节点寻找最近簇头加入的过程，并执行基于TDMA的数据上传。 簇头节点负责对接收到的成员数据进行融合处理，以消除冗余并降低向基站远距离同步传输时的能量损耗。 系统内置了一阶无线电模

详 情 说 明

LEACH无线传感器网络分簇协议仿真系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）专用仿真环境，专注于实现经典的低功耗自适应分簇分级（LEACH）协议。系统通过数学建模和图形化展示，完整重现了传感器节点在能量受限环境下，通过自组织分簇、动态簇头选举、数据融合及多路径传输来延长网络生命周期的动态过程。该仿真系统能够为研究WSN能量均衡、协议优化及网络生存时间预测提供准确的数据支撑。

功能特性

• 自组织分簇均衡：实现了LEACH协议的核心随机选举机制，使网络负载动态分配到整个物理区域。
• 高保真能效建模：内置严谨的一阶无线电通信能量模型，区分自由空间和多途径衰减两种传播能量损耗模式。
• 全生命周期监控：实时统计网络各项性能指标，包括存活节点数、剩余总能量、第一个节点死亡轮数（FND）以及所有节点死亡轮数（LND）。
• 动态可视化仿真：提供交互式绘图界面，实时以不同色彩和形状区分显示死亡节点、存活节点、簇头节点及基站的演化过程。
• 数据融合模拟：模拟簇头对成员数据的接收聚合过程，计算数据融合产生的额外能量开销。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件要求：通用办公电脑配置即可，仿真大规模循环（2000轮以上）建议具备4GB以上内存。

仿真实现逻辑

系统运行流程严格遵循LEACH协议的轮次（Round）推进机制：

1. 环境与节点部署：在指定的2D区域内随机生成100个初始能量相等的传感器节点。基站（Sink）位置设定在监控区域外的上方，模拟远程数据采集场景。
2. 初始化配置：设定簇头比例、数据包长度、控制包长度以及详细的射频电路参数，计算自由空间模型与多径衰减模型切换的阈值距离。
3. 分簇选举阶段：

- 系统根据当前轮数计算阈值。 - 之前未担任过簇头的节点生成随机数，若小于阈值则晋升为本轮簇头。 - 选举结束后，簇头发射广播信号告知自身位置，并计算发射损耗。

1. 稳定运行阶段（数据传输）：

- 簇加入：所有普通节点计算到各簇头的欧氏距离，选择最近的簇头加入。 - 成员传输：成员节点将数据包发送至簇头，消耗发送能量；簇头接收数据并执行融合算法，消耗接收与融合能量。 - 基站通信：簇头将聚合后的冗余消除数据发送至远端基站，根据距离选择相应的衰减模型计算能耗。 - 异常处理机制：若某轮未选举出簇头，存活节点将尝试跨越远距离直接向基站发送数据。

1. 节点生存状态更新：每轮结束后检测节点剩余能量，能量耗尽则标记为死亡状态，不再参与后续通信过程。
2. 性能统计分析：仿真结束后，系统自动生成网络生命周期演化曲线和总能量衰减趋势图。

关键算法与实现细节

• 随机门槛值计算：使用了LEACH标准公式 T(n) = p / (1 - p * (r mod (1/p)))。通过该公式，系统确保在每 1/p 轮内，每个节点都有且仅有一次机会成为簇头，从而平衡能量消耗。
• 双路径能耗切换逻辑：基于距离 d 与阈值 do 的关系自动切换损耗计算方式。当 d < do 时，采用 d 的平方比例（自由空间）计算放大器损耗；当 d >= do 时，采用 d 的四次方比例（多径衰减）计算损耗，这体现了远距离传输时能量需求的剧烈增加。
• 能量循环重置机制：每当完成 1/p 轮次循环，系统会自动重置所有节点的当选资格，确保网络能够在长周期的仿真中持续运行。
• 动态图形刷新机制：仿真内核每隔 20 轮会强制触发图形刷新命令，清除旧坐标并重新绘制节点状态，使得观测者可以直观看到“能量空洞”的产生和扩展过程。
• 数据汇总与融合模拟：在能耗函数中独立计算了 EDA（数据融合损耗），这体现了簇头在处理来自多个子节点原始数据时的计算开销。