Giống như các mạng thông thường khác, khả năng mở rộng là một trong những thuộc tính chính của mạng cảm biến không dây, Mạng đơn cấp có thể gây ra hiện tượng quá tải ở các cổng giao tiếp khi mật độ các node cảm biến tăng cao. Những sự quá tải như vậy có thể làm cho việc theo dõi sự kiện không đáng tin cậy. Hơn nữa cấu trúc cổng đơn không thể mở rộng khi số lượng node cảm biến tăng lên trong một vùng rộng lớn hơn vì các cảm biến không có khả năng giao tiếp ở cự ly quá xa. Để cho phép hệ thống có thể đối đầu với những thông tin thêm vào và có khả năng mở rộng vùng giám sát mà không giảm chất lượng dịch vụ thì người ta đưa ra định tuyến phân cấp.
Trong kiến trúc phân cấp, các node có vai trò khác nhau: các node có năng lượng cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các node có năng lượng thấp được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu. Điều này có nghĩa là tạo ra các cluster và chỉ định các nhiệm vụ đặc biệt cho các node cluster head (node mà có nhiều năng lượng). Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các node cảm biến bằng việc đặt chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm cơ sở. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của node và vùng lân cận của node so với các cluster head.
2.4.2.1 Giao thức LEACH
LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Trong giao thức LEACH, các node cảm biến
29
được tập hợp thành từng cụm, thực hiện chức năng thu thập và truyền dữ liệu tới các sink hoặc trạm gốc thông qua node chủ.
Mục tiêu chính của LEACH là: Kéo dài thời gian sống của mạng
Giảm năng lượng tiêu thụ của mỗi node
Tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng
LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi node chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm cơ sở được trải đều ra cho tất cả các node trong mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành 2 pha thiết lập và ổn định. Thời gian pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển.
Hình 2.6: Mô hình hoạt động của LEACH.
Pha thiết lập
Các cụm được hình thành và các node chủ được lựa chọn. Một node cảm biến lựa chọn số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì node cảm biến sẽ thành node chủ. T(n) được tính như sau:
( ) 1 ( mod1/ ) p T n p r p = - nếu nÎ G (1) T n( ) 0= còn lại Trong đó
30
p: tỉ lệ phần trăm node chủ r: chu kì hiện tại
G: tập hợp các node không được lựa chọn làm node chủ trong 1/P chu kì cuối.
Mỗi cluster head được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các node còn lại trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là node chủ mới. Các node còn lại không là node chủ, khi nhận được bản tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của node chủ nào. Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các node chủ cụm phát đi mà chúng nhận được. Các node không phải chủ cụm này sẽ thông báo cho node chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào. Sau khi các node chủ cụm nhận được hết các thông báo của các node thuộc về cụm của chúng, căn cứ vào số node trong cụm, node chủ cụm sẽ chỉ định thời gian mà các node trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó dựa trên TDMA.
Pha ổn định
Các node bắt đầu thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến các node chủ cụm. Các node chủ cụm sẽ tích hợp dữ liệu của các node trong cụm gửi đến trước khi gửi dữ liệu đến trạm cơ sở. Sau một khoảng thời gian trong pha ổn định, mạng sẽ trở lại pha thiết lập và vào bước lựa chọn node chủ cụm mới.
Khi sử dụng giao thức LEACH thì giảm được sự hao phí năng lượng so với truyền trực tiếp và so với các giải thuật định tuyến truyền năng lượng tối thiểu. Các node cảm biến có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của toàn mạng. Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến đơn điểm, các node có thể truyền trực tiếp đến các cluster head và trạm cơ sở. Vì thế nó sẽ không thích hợp với mạng mà triển khai trên diện rộng. Hơn nữa, ý tưởng về các cụm động đòi hỏi số lượng mào đầu lớn, ví dụ như các sự thay đổi node chủ, quảng bá…
2.4.2.2 Giao thức LEACH – C (LEACH Centralized)
LEACH – C cũng giống như LEACH thông thường, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và node chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì giống hệt với LEACH. Trong LEACH thì mỗi node sẽ có một xác suất để nó có thể được chọn làm node chủ cụm (đã trình bày ở trên). Còn ở LEACH – C thì cụm và node chủ cụm do trạm cơ sở lựa chọn.
Trong pha thiết lập của LEACH – C, mỗi node sẽ gửi thông tin hiện tại của nó về trạm cơ sở bao gồm thông tin về vị trí và năng lượng hiện tại của node. Trạm cơ sở sẽ chạy thuật toán tối ưu để xác định cụm và node chủ cụm cho vòng đó, sau đó trạm cơ sở gửi bản tin thông báo cho các node biết nó nằm ở cụm nào và node nào là node chủ cụm.
31
Pha ổn định thì giống hệt LEACH. Các node sẽ truyền dữ liệu đến các node chủ, node chủ làm nhiệm vụ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm cơ sở.
2.4.2.3 Giao thức LEACH – F : Fixed Cluster, Rotating Cluster Head
Trong giao thức LEACH – F các cụm là cố định còn node chủ cụm sẽ quay vòng. Trong LEACH – F các cụm cố định này cũng được trạm cơ sở lựa chọn. Trạm cơ sở dùng thuật toán để chọn ra những cụm tối ưu rồi broadcast thông tin cụm tới tất cả các node. Bản tin broadcast này sẽ bao gồm cả ID của cụm, node nào sẽ gửi bản tin TDMA định thời khe thời gian gửi dữ liệu của các node trong cụm và bao gồm cả thứ tự node được chọn làm cluster head. Node đầu tiên trong danh sách trong cụm sẽ trở thành node chủ cụm ở vòng đầu tiên, node thứ hai sẽ là node chủ cụm ở vòng thứ 2. Cứ như vậy cho đến khi tất cả các node trong cụm được làm node chủ.
Dùng LEACH – F không yêu cầu pha thiết lập cho các vòng khác nhau, mà các node sẽ tự biết được khi nào nó là node chủ khi nào nó không là node chủ. Cũng giống như LEACH – C, pha ổn định của LEACH – F giống hệt LEACH.
LEACH – F không thích hợp với những hệ thống có tính động. Nó không cho phép thêm một node mới vào hệ thống và cũng không xử lý được những node di động.
2.4.2.4 Giao thức PEGASIS
PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems -Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến) là một giao thức định tuyến phân cấp. PEGASIS thực hiện 2 nhiệm vụ:
Kéo dài thời gian sống cho mạng.
Đồng bộ năng luợng tại tất cả các node mạng và giảm độ trễ của gói dữ liệu.
PEGASIS là giao thức cải tiến từ LEACH. Thay vì việc hình thành các cụm, PEGASIS tạo thành chuỗi từ các node cảm biến đến mỗi node truyền và nhận từ node lân cận và chỉ có node được chọn từ chuỗi đó để truyền đến trạm cơ sở. Dữ liệu tập hợp được truyền từ node này sang node khác, tập trung lại và dần truyền đến trạm cơ sở. Ví dụ như hình 2.5. Node c0 truyền dữ liệu của nó đến node c1. Node c1 tập hợp dữ liệu của node c0 và dữ liệu của nó, sau đó truyền đến node chính. Sau khi node c2 chuyển thẻ bài cho node c4, node c4 truyền dữ liệu của nó cho node c3. Node c3 tập hợp dữ liệu của c4 với dữ liệu của chính nó và sau đó truyền đến node chính. Node c2 đợi để nhận dữ liệu từ cả hai node lân cận và sau đó tập hợp dữ liệu của nó với dữ liệu của các node lân cận. Cuối cùng, c2 truyền một bản tin đến trạm gốc.
32
Hình 2.7: Chuỗi trong PEGASIS
Sự khác biệt so với LEACH là ở chỗ dùng multihop bằng việc hình thành chuỗi và chọn mỗi một node để truyền đến trạm cơ sở thay vì dùng nhiều node. Dùng PEGASIS sẽ giải quyết được vấn đề về mào đầu gây ra bởi việc hành thành các cụm động trong LEACH và giảm được số lần truyền nhận bằng việc tập hợp dữ liệu. Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các node ở xa. Hơn nữa ở các node chính có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai.