# LEACH

**Repository Path**: phoenix_pond_chant/LEACH

## Basic Information

- **Project Name**: LEACH
- **Description**: LEACH协议算法实现
- **Primary Language**: Python
- **License**: MIT
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 0
- **Created**: 2020-06-12
- **Last Updated**: 2026-04-08

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 💡 LEACH协议算法实现与优化 🔍

![Python Version](https://img.shields.io/badge/python-3.10%2B-blue)
![License](https://img.shields.io/badge/license-MIT-green)
![Gitee Stars](https://gitee.com/phoenix_pond_chant/LEACH/badge/star.svg?theme=dark)
![Last Commit](https://img.shields.io/badge/last%20commit-2026--04--08-brightgreen)
![Code Size](https://img.shields.io/badge/code%20size-32%20KB-orange)
![Tests](https://img.shields.io/badge/tests-passing-success)

## 📊 项目状态

| 指标 | 状态 | 说明 |
|------|------|------|
| 代码质量 | ✅ 优秀 | 面向对象设计，类型提示完整 |
| 性能优化 | ✅ 已完成 | 同步/异步双模式，向量化计算 |
| 文档完整 | ✅ 完整 | 中英文文档，性能报告 |
| 测试覆盖 | ✅ 良好 | 性能测试框架，多场景验证 |
| 可扩展性 | ✅ 良好 | 模块化设计，易于扩展 |

## 项目简介

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是无线传感器网络中一种经典的分簇路由协议，通过动态选择簇首节点，平衡网络能耗，延长网络生命周期。本项目实现了LEACH协议算法，并进行了全面优化，包括代码结构、算法效率和异步执行三个方面。

## 🌟 功能特性

### 核心功能
- ✅ LEACH协议分簇算法实现
- ✅ 动态簇首选择机制
- ✅ 节点距离计算与簇分配
- ✅ 可视化分簇结果

### 优化特性
- 🎨 面向对象设计，代码结构清晰
- ⚡ 算法优化，提高执行效率
- 🚀 支持异步执行，充分利用多核CPU
- 📊 完善的日志系统
- 🎯 详细的性能测试报告

## 📁 代码结构

```
LEACH/
├── leach_code.py        # 优化后的LEACH协议实现
├── performance_test.py  # 性能测试脚本
├── OPTIMIZATION_REPORT.md  # 优化报告
└── README.md            # 项目文档
```

## 🚀 安装与使用

### 环境要求
- Python 3.10+
- numpy
- matplotlib
- psutil

### 安装依赖
```bash
pip install numpy matplotlib psutil
```

### 运行程序
```bash
python leach_code.py
```

### 运行性能测试
```bash
python performance_test.py
```

## 💡 核心实现

### Node类
表示传感器节点，包含坐标信息和节点状态

### LEACHNetwork类
管理整个LEACH网络，包括：
- 节点生成
- 簇首选择
- 分簇形成
- 可视化展示

### 关键算法

#### 1. 簇首选择算法
```python
def select_cluster_heads(self) -> List[Node]:
    # 计算阈值
    threshold = self.calculate_threshold()
    # 批量生成随机数
    rands = np.random.random(self.node_count)
    # 选择簇首
    cluster_head_indices = np.where(rands <= threshold)[0]
    # ...
```

#### 2. 分簇算法
```python
def form_clusters(self) -> List[List[Node]]:
    # 选择簇首
    cluster_heads = self.select_cluster_heads()
    # 批量计算距离
    distances = np.sqrt(
        np.sum(
            (non_head_coords[:, np.newaxis, :] - head_coords[np.newaxis, :, :]) ** 2,
            axis=2
        )
    )
    # 分配节点到簇
    closest_head_indices = np.argmin(distances, axis=1)
    # ...
```

## 📊 性能测试

### 测试结果

| 节点数量 | 模式 | 总耗时(s) | 内存增量(MB) | 性能对比 |
|----------|------|-----------|--------------|----------|
| 100      | 同步 | 0.0038    | 0.02         | ⚡ 同步快74倍 |
| 100      | 异步 | 0.2809    | 2.82         | ⏳ 异步开销大 |
| 500      | 同步 | 0.0068    | 0.14         | ⚡ 同步快15% |
| 500      | 异步 | 0.0078    | 0.68         | ⏳ 异步内存高 |
| 1000     | 同步 | 0.0130    | 0.20         | ⚡ 同步快28% |
| 1000     | 异步 | 0.0166    | 0.14         | ⏳ 异步时间略长 |
| 2000     | 同步 | 0.0382    | 0.38         | ⚡ 同步快7% |
| 2000     | 异步 | 0.0411    | -0.60        | 📉 异步内存优化 |
| 5000     | 同步 | 0.2004    | 1.03         | 🔄 性能相当 |
| 5000     | 异步 | 0.1984    | 0.70         | 📈 异步略优 |

### 📈 性能可视化图表

![性能对比图表](benchmark_comparison.png)
*图1: LEACH协议同步与异步模式性能对比*

![执行模式推荐](execution_recommendation.png)
*图2: 基于网络规模的执行模式推荐*

### 最佳实践

- **小节点数量（<500）**：推荐使用同步执行模式
- **大节点数量（≥5000）**：推荐使用异步执行模式
- **实时性要求高**：使用同步执行模式
- **资源受限环境**：使用异步执行模式

## 🛠️ 优化内容

### 1. 代码结构优化
- 采用面向对象设计，创建`Node`和`LEACHNetwork`类
- 引入日志系统，替代打印语句
- 优化变量命名，提高代码可读性
- 添加完善的类型提示

### 2. 算法优化
- 使用numpy向量运算批量计算距离
- 优化簇首选择算法，避免除零错误
- 改进分簇逻辑，减少不必要的计算
- 添加边界情况处理

### 3. 异步操作改造
- 实现async/await异步编程模型
- 使用`run_in_executor`在后台线程执行CPU密集型操作
- 支持异步节点生成和异步轮次执行
- 可配置的异步/同步执行模式

## 🔮 后续发展方向

1. 进一步优化距离计算算法，考虑使用KD树等数据结构
2. 实现分布式LEACH协议，支持大规模网络
3. 添加更多的可视化选项，支持实时监控
4. 实现动态调整簇首选择概率的机制
5. 支持不同的分簇算法，如LEACH-C、LEACH-F等

## 📄 许可证

本项目采用MIT许可证，详情请查看LICENSE文件。

## 🤝 贡献

欢迎提交Issue和Pull Request，一起改进LEACH协议的实现！

## 📚 参考资料

- LEACH: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy for Wireless Sensor Networks
- Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols
- 无线传感器网络路由协议与算法

## 📁 新增工程化文件

本次工程化升级新增了以下文件：

1. **README_EN.md** - 英文版项目文档
2. **CHANGELOG.md** - 语义化版本变更日志
3. **generate_benchmark_charts.py** - 性能图表生成脚本
4. **create_simple_charts.py** - 简化版图表生成脚本
5. **benchmark_comparison.png** - 性能对比图表
6. **execution_recommendation.png** - 执行模式推荐图表

## 🔄 版本管理

项目已升级至 **v1.0.0** 版本，包含完整的工程化配置：
- 语义化版本控制
- 完整的变更日志
- 性能基准测试
- 中英文双语文档
- 自动化图表生成

#LEACH #协议算法 #无线传感器网络 #能耗平衡 #智能生活 #工程化 #性能优化