LEACH无线传感器网络分簇路由协议仿真

资 源 简 介

本项目在MATLAB平台上完整实现了无线传感器网络（WSN）的典型分簇协议LEACH。该协议通过周期性轮换簇头节点的方式，使网络中的能量负荷能够均匀分布到各传感器节点上，从而达到延长网络生存周期的目的。核心实现包括设置阶段和稳定阶段：在设置阶段，每个节点生成0到1之间的随机数，若小于设定的阈值T(n)则当选为本轮簇头，随后非簇头节点根据接收信号强度选择加入相应的簇；在稳定阶段，簇头负责收集本簇内所有节点的数据，经过数据融合处理后直接发送给远端的基站。本项目支持对网络拓扑结构、节点能量衰减过程、数据传输成功

详 情 说 明

LEACH无线传感器网络分簇路由协议仿真

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的无线传感器网络（WSN）经典分簇路由协议——LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）的仿真系统。LEACH协议通过随机循环选择簇头（Cluster Head）的方式，将网络能量负荷平均分配到每个传感器节点，从而有效延长整个网络的生存周期。本项目通过建立完整的能量模型和数据交换逻辑，实现了从节点部署、分簇选举、数据传输到能量耗尽的全过程动态模拟。

功能特性

1. 自动拓扑构建：在指定区域内随机生成传感器节点，并自动配置基站（Sink）位置。
2. 分簇演化模拟：严格遵循LEACH协议的轮转机制（Election Probability），每轮动态选举簇头。
3. 分级能耗模型：集成了自由空间（Free Space）和多径衰落（Multi-path Fading）两种无线电传播能量损耗模型。
4. 异常处理机制：包含容错逻辑，当某轮未选出簇头时，节点将通过低效率模式直接向基站发送数据，确保仿真连续性。
5. 多维度实时监测：

- 生存曲线：实时跟踪存活节点数量。 - 能量消耗：记录网络总剩余能量的变化趋势。 - 吞吐量监控：统计发送至基站的累计数据量。 - 拓扑可视化：动态展示节点状态（普通节点、簇头、死亡节点）及链路连接情况。

1. 性能指标汇总：仿真结束后自动生成关键评估图表，包括首个节点死亡（FND）和最后一个节点死亡（LND）的量化统计。

系统要求

• 运行环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 硬件要求：标准PC配置，建议内存4GB以上。
• 依赖工具箱：MATLAB核心标准函数库（无需额外工具箱）。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将包含本项目源代码的工作目录设为当前路径。
3. 在命令行窗口直接运行仿真主程序，或点击编辑器中的运行按钮。
4. 仿真开始后，程序将弹出一个名为“LEACH 动态拓扑与拓扑演化”的窗口，每隔20轮更新一次网络状态。
5. 仿真结束后，程序将自动弹出“LEACH 性能指标汇总”图表，并在命令行窗口输出FND、LND以及总数据包量的具体数值。

实现逻辑分析

1. 变量初始化与参数设定

• 网络尺寸：设定100mx100m的区域，基站默认置于中心（50,50）。
• 节点配置：默认部署100个初始能量为0.5J的节点，设定期望簇头比例为0.1。
• 能耗参数：精细化配置发送/接收损耗（50nJ/bit）、数据融合损耗（5nJ/bit）以及两种距离阈值下的放大器增益。

2. 生命周期驱动循环（Simulation Loop）

• 存活检测：每一轮遍历所有节点，检查剩余能量。若能量小于等于0，则标记为死亡。
• 轮转复位：根据 $1/p$ 周期，定期复位节点的分簇准入标记，确保长期能量均衡。

3. 设置阶段逻辑 (Setup Phase)

• 选择阈值算法：利用公式 $T(n) = frac{p}{1 - p times (r mod frac{1}{p})}$ 计算本轮选举阈值。
• 簇头产生：未当选过簇头的存活节点生成随机数，若小于 $T(n)$ 则晋升为簇头。
• 公告能耗：簇头生成后需消耗广播控制包的能量，计算依据为其到基站的传输距离。

4. 传输阶段逻辑 (Transmission Phase)

• 簇群形成：普通存活节点通过计算与所有簇头的欧氏距离，选择加入最近的簇。
• 级联通信能耗：

- 普通节点将4000bit的数据包发送至簇头，消耗相应的发射能量。 - 簇头执行接收逻辑，消耗接收能量，并加上数据融合（Data Aggregation）的能耗。 - 簇头将聚合后的数据远距离处理并发送至基站，根据距离选择合适的放大器能耗模型。

• 数据包统计：若成功选出簇头，吞吐量按簇头实际发送次数统计；若无簇头，按0.1倍率计入低效传输量。

5. 数据处理与可视化实现

• 动态绘图：

- 蓝色点表示普通存活节点。 - 绿色圆圈（带填充）表示本轮簇头，并绘制虚线指向基站。 - 黑色叉号表示已耗尽能量的死亡节点。

• 统计图表：实时刷新折线图展示存活节点数、剩余总能量和已成功发送的数据包总量。
• 关键性能点提取：代码会自动捕获并记录首个死亡点（First Node Dead）和全灭点（Last Node Dead）的轮数序号。