使用Matlab实现无线传感器网络中的“LEACH”介质访问协议，这是一个完整的基于聚类的协议，具有高效的能源消耗和避免碰撞的特性研究附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-11-30 19:00:00 发布

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#matlab #网络 #聚类

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🔥 内容介绍

无线传感器网络（WSN）因其在军事、环境监测、工业控制和智能家居等领域的广泛应用而备受关注。然而，传感器节点通常由有限的电池供电，导致能源效率成为 WSN 设计中的关键挑战。低能耗自适应集簇分层（LEACH）协议作为一种经典的基于聚类的路由协议，旨在通过周期性地轮换簇头（CH）角色和数据聚合来延长网络生命周期。本文深入探讨了 LEACH 协议的原理，并详细阐述了如何使用 MATLAB 对其进行仿真实现。研究内容包括 LEACH 协议的能耗模型分析、碰撞避免机制的实现以及在不同网络参数下的性能评估。仿真结果表明，LEACH 协议在延长网络生命周期、降低整体能耗方面表现出显著优势，并有效减少了数据传输过程中的碰撞。

1. 引言

随着物联网（IoT）技术的飞速发展，无线传感器网络（WSN）已成为实现物理世界与数字世界互联互通的重要基础设施。WSN 由大量低成本、低功耗、多功能的传感器节点组成，这些节点能够协作感知、收集、处理并传输环境信息。然而，传感器节点通常部署在难以更换或充电电池的环境中，这使得能源效率成为 WSN 设计和运行中的核心问题。如何最大限度地延长网络的运行寿命，是 WSN 协议设计者面临的首要任务。

为了解决能源受限的挑战，研究人员提出了多种路由协议，其中基于聚类（Clustering）的协议因其优异的能耗管理能力而受到广泛关注。基于聚类的协议将传感器节点划分为若干个簇，每个簇选举一个簇头（Cluster Head, CH）。簇成员节点将感知到的数据传输给簇头，簇头负责对数据进行聚合，然后将聚合后的数据传输给基站（Base Station, BS）。这种分层结构有效地减少了直接传输给基站的节点数量，从而降低了整体网络能耗。

低能耗自适应集簇分层（LEACH）协议是 WSN 中一种里程碑式的基于聚类路由协议，由 W. R. Heinzelman 等人于 2000 年提出。LEACH 协议的核心思想是随机轮换簇头角色，并将数据传输任务均匀地分配给所有节点，从而避免了某些节点过早耗尽能量，延长了网络生命周期。本文将聚焦于 LEACH 协议的原理、MATLAB 实现及其在能耗和碰撞避免方面的性能研究。

2. LEACH 协议原理

LEACH 协议是一种自适应、自组织的协议，其运行周期被划分为若干轮（Round）。每一轮又包含两个阶段：建立阶段（Setup Phase）和稳态阶段（Steady-State Phase）。

2.1 建立阶段

在建立阶段，网络的任务是形成簇并选举簇头。

簇头选举：
每个节点在每一轮开始时都会生成一个介于 0 和 1 之间的随机数。如果这个随机数小于一个阈值 T(n)，那么该节点就成为本轮的簇头。阈值 T(n) 的计算公式如下：

T(n) = p / (1 - p * (r mod (1/p))) 如果 n ∈ G
T(n) = 0 如果 n ∉ G

其中，p 是预期的簇头比例（例如 5%），r 是当前轮数，G 是在最近 1/p 轮中没有担任过簇头的节点集合。这个机制确保了每个节点在 1/p 轮内有且仅有一次成为簇头的机会，从而实现了簇头角色的均匀轮换。
簇广播与加入：
当一个节点成为簇头后，它会向整个网络广播一个广告消息（Advertisement Message），告知其他节点自己的簇头身份。非簇头节点接收到这些广告消息后，会选择信号强度最强的簇头加入，并向该簇头发送一个加入请求消息（Join-Request Message）。
调度计划：
簇头接收到所有成员节点的加入请求后，会生成一个基于时分多址（TDMA）的调度计划（Schedule）。该调度计划指定了每个簇成员节点在何时可以向簇头传输数据，并通过广播消息将调度计划发送给所有簇成员。通过 TDMA 机制，可以有效避免簇内成员节点之间的数据传输碰撞。

2.2 稳态阶段

在稳态阶段，簇头和簇成员节点之间进行数据传输。

数据收集与聚合：
根据建立阶段生成的 TDMA 调度计划，簇成员节点在分配的时隙内唤醒感知环境数据，并将数据发送给簇头。在其他时隙，簇成员节点可以进入休眠状态以节省能量。簇头接收到来自其成员节点的数据后，会对这些数据进行聚合，消除冗余，从而减少需要发送到基站的数据量。
数据传输到基站：
簇头将聚合后的数据直接传输给基站。这个过程持续一段时间，直到当前轮结束，进入下一轮的建立阶段。

3. MATLAB 实现 LEACH 协议

本节将详细介绍使用 MATLAB 仿真实现 LEACH 协议的关键模块和算法。

LEACH 协议主要通过以下两种机制来避免碰撞：

簇头选举阶段的随机性： 在簇头选举阶段，每个节点独立地决定是否成为簇头。虽然理论上存在多个节点同时宣布成为簇头的情况，但由于随机数的生成，这种同时冲突的概率相对较低。更重要的是，这个阶段的冲突主要影响簇的形成效率，而非数据传输。
稳态阶段的 TDMA 调度： 这是 LEACH 协议避免数据传输碰撞的核心机制。在建立阶段，簇头为每个成员节点分配一个唯一的时隙。成员节点只有在自己的时隙内才发送数据，这从根本上消除了簇内成员节点之间的数据包冲突。

在上述 MATLAB 代码中，TDMA 调度并没有显式地以时间片的形式体现，而是通过“成员节点发送数据给簇头”这一行为进行抽象。nodes(ch_id).energy = nodes(ch_id).energy - energy_rx_ch; 这行代码模拟了簇头接收数据。在实际的物理层实现中，TDMA 会保证这些接收发生在不同的时间片，从而避免了碰撞。

4. 性能评估与分析

通过上述 MATLAB 仿真，我们可以对 LEACH 协议的性能进行评估，主要关注以下几个方面：

4.1 网络生命周期

网络的生命周期通常定义为第一个节点死亡的轮数（First Node Dead, FND）、一半节点死亡的轮数（Half Nodes Dead, HND）以及所有节点死亡的轮数（All Nodes Dead, AND）。仿真结果图 1 展示了存活节点数量随轮数的变化。

图 1: LEACH 协议存活节点数量 vs 轮数

（此处应插入 MATLAB 生成的图表，显示存活节点数量随轮数逐渐减少的曲线）

从图中可以看出，LEACH 协议通过簇头轮换机制，有效地将能量消耗分散到所有节点，避免了特定节点的过早死亡。这使得网络能够维持较长时间的运行，延长了整体生命周期。

4.2 能量消耗

仿真结果图 2 展示了网络剩余总能量随轮数的变化。

图 2: LEACH 协议网络剩余总能量 vs 轮数

（此处应插入 MATLAB 生成的图表，显示网络剩余总能量随轮数逐渐下降的曲线）

从图中可以看出，网络总能量随着轮数的增加而逐渐减少。LEACH 协议通过以下机制实现了高效的能量消耗：

数据聚合：
簇头对来自成员节点的数据进行聚合，显著减少了需要传输到基站的数据量，从而降低了簇头到基站的传输能耗。
短距离传输：
簇成员节点只需要将数据传输给距离较近的簇头，而非直接传输给远距离的基站，大大降低了传输能耗。
簇头轮换：
避免了固定簇头因承担过多的数据转发任务而过早死亡。

4.3 碰撞避免效果

LEACH 协议在稳态阶段采用 TDMA 调度，有效地避免了簇内成员节点之间的数据传输碰撞。这意味着在同一簇内，不同成员节点不会在同一时间发送数据，从而避免了数据包冲突和重传造成的额外能量消耗。虽然簇头到基站的传输仍然可能面临来自其他簇头的冲突，但这通常可以通过基站的协调或更高级的 MAC 协议（如 CDMA）来解决。在 LEACH 协议的简化模型中，通常假设簇头到基站的传输是可靠的。