基于MATLAB的无线传感器网络（WSN）仿真程序实现

基于MATLAB的无线传感器网络（WSN）仿真程序实现

一、系统架构设计

二、核心代码实现

1. 网络参数初始化

%% 系统参数设置
xm = 100; ym = 100;    % 区域尺寸(米)
n = 100;               % 节点数量
p = 0.1;               % 簇头选举概率
Eo = 0.5;              % 初始能量(J)
ETX = 50e-9;           % 发射能耗(J/bit)
ERX = 50e-9;           % 接收能耗(J/bit)
Efs = 10e-12;          % 自由空间路径损耗系数
Emp = 0.0013e-12;      % 多径衰落路径损耗系数
EDA = 5e-9;            % 数据聚合能耗(J/bit)
rmax = 5000;           % 最大轮次

2. 节点部署与能量模型

%% 节点部署
nodes = struct('x',[],'y',[],'E',[],'type',[]);
for i = 1:n
    nodes(i).x = rand()*xm;
    nodes(i).y = rand()*ym;
    nodes(i).E = Eo*(1 + 0.1*rand());  % 异构网络能量分布
    nodes(i).type = 'N';               % 初始为普通节点
end
nodes(n+1).x = xm/2; nodes(n+1).y = ym/2;  % 汇聚节点

3. LEACH协议实现

%% LEACH协议核心算法
function [countCH, energy] = leach_protocol(nodes, r, p)
    countCH = 0;
    energy = 0;
    cluster = 1;
    n = length(nodes)-1;  % 排除汇聚节点
    
    % 簇头选举
    for i = 1:n
        if nodes(i).E > 0
            temp_rand = rand();
            if temp_rand <= p/(1 - p*mod(r, round(1/p)))
                countCH = countCH + 1;
                nodes(i).type = 'C';
                nodes(i).G = round(1/p) - 1;
                
                % 计算到汇聚节点距离
                d = sqrt((nodes(i).x - nodes(n+1).x)^2 + ...
                         (nodes(i).y - nodes(n+1).y)^2);
                
                % 能量消耗计算
                if d > sqrt(Efs/Emp)
                    energy_cost = (ETX + EDA)*4000 + Emp*d^4;
                else
                    energy_cost = (ETX + EDA)*4000 + Efs*d^2;
                end
                nodes(i).E = nodes(i).E - energy_cost;
            end
        end
    end
    
    % 簇成员加入
    for i = 1:n
        if nodes(i).type == 'N' && nodes(i).E > 0
            min_dist = inf;
            for c = 1:countCH
                d = sqrt((nodes(i).x - nodes(c).x)^2 + ...
                         (nodes(i).y - nodes(c).y)^2);
                if d < min_dist
                    min_dist = d;
                    cluster = c;
                end
            end
            
            % 数据传输能耗
            if min_dist > sqrt(Efs/Emp)
                nodes(i).E = nodes(i).E - (ETX + Emp)*4000;
            else
                nodes(i).E = nodes(i).E - (ETX + Efs)*4000;
            end
        end
    end
end

4. 能量消耗监控

%% 能量监控模块
STATISTICS = struct('DEAD',[],'ALIVE',[],'ENERGY_CONSUMED',[]);
dead_count = 0;
for r = 1:rmax
    % 簇头选举与数据传输
    [countCH, energy] = leach_protocol(nodes, r, p);
    
    % 死亡节点检测
    dead = 0;
    for i = 1:n
        if nodes(i).E <= 0
            dead = dead + 1;
            nodes(i).type = 'D';  % 标记死亡节点
        end
    end
    STATISTICS.DEAD(r) = dead;
    STATISTICS.ALIVE(r) = n - dead;
    STATISTICS.ENERGY_CONSUMED(r) = sum([nodes.E]);
end

5. 可视化展示

%% 网络状态可视化
figure;
plot(nodes(1:n).x, nodes(1:n).y, 'bo'); hold on;
plot(nodes(n+1).x, nodes(n+1).y, 'rx', 'MarkerSize', 10);
title('WSN网络拓扑结构');
xlabel('X坐标(m)'); ylabel('Y坐标(m)');
legend('普通节点', '汇聚节点');

figure;
plot(1:rmax, STATISTICS.DEAD, 'r', 1:rmax, STATISTICS.ALIVE, 'g');
title('节点存活状态变化');
xlabel('轮次'); ylabel('节点数量');
legend('死亡节点', '存活节点');

三、关键算法优化

1. 改进LEACH协议（LEACH-C）

%% 改进的簇头选举机制
function p = leach_c_election(nodes, r)
    % 基于剩余能量动态调整概率
    avg_energy = mean([nodes.E]);
    p = 0.1 * (nodes.E / avg_energy);
    p(p > 0.2) = 0.2;  % 概率上限限制
end

2. 多跳路由优化

%% 多跳路由选择
function next_hop = multi_hop_routing(node, nodes)
    distances = sqrt((nodes.x - node.x).^2 + (nodes.y - node.y).^2);
    valid = find(distances > 0 & distances < 30);  % 30m通信半径
    [~, idx] = min(distances(valid));
    next_hop = valid(idx);
end

四、性能评估指标

1. 网络寿命评估

%% 网络寿命计算
first_death = find(STATISTICS.DEAD >= 1, 1);
half_death = find(STATISTICS.DEAD >= n/2, 1);
full_death = find(STATISTICS.DEAD >= n, 1);

fprintf('网络寿命指标:
');
fprintf('首节点死亡轮次: %d\n', first_death);
fprintf('半数节点死亡轮次: %d\n', half_death);
fprintf('网络完全失效轮次: %d\n', full_death);

2. 能量效率分析

%% 能量效率计算
total_energy = Eo * n;
energy_efficiency = (STATISTICS.ENERGY_CONSUMED(end)/total_energy) * 100;
fprintf('能量利用率: %.2f%%
', energy_efficiency);

推荐代码 无线传感器网络的matlab仿真程序 www.youwenfan.com/contentcsg/51318.html

五、扩展功能实现

1. 动态拓扑调整

%% 节点移动模型
function nodes = node_movement(nodes, step)
    for i = 1:length(nodes)-1
        if nodes(i).E > 0
            nodes(i).x = nodes(i).x + (rand()*2 - 1)*step;
            nodes(i).y = nodes(i).y + (rand()*2 - 1)*step;
        end
    end
end

2. 安全增强机制

%% 入侵检测算法
function intrusion = detect_intrusion(nodes)
    distances = pdist2([nodes.x, nodes.y], [nodes.x, nodes.y]);
    threshold = 15;  % 15m安全距离
    intrusion = sum(distances < threshold & diag(distances) ~= 0);
end

六、仿真结果示例

七、工程实践建议

1. 参数调优：通过网格搜索优化p值（簇头概率）和通信半径
2. 硬件加速：使用MATLAB Parallel Computing Toolbox加速大规模仿真
3. 协议扩展：集成TDMA时隙分配算法提升吞吐量
4. 可视化增强：使用3D绘图展示三维网络拓扑