3.2.1 Mô tả giao thức LEACH
Giao thức LEACH là thuật toán phân cụm phân cấp cho các mạng cảm biến gọi là phân cấp cụm thích nghi năng lƣợng thấp. Cơ chế cơ bản của giao thức này là việc chọn một số nút đóng vai trò nút chủ cụm (cluster-head), với số nút CH này là cơ sở để chia mạng thành các cụm (cluster). Quá trình hoạt động của LEACH có hai pha bao gồm pha thiết lập (set-up phase) và pha ổn định (steady state phase). [2] Kỹ thuật chính của giao thức LEACH gồm các thuật toán phân cụm, tự hình thành cụm thích nghi với các nút đƣợc phân bố ngẫu nhiên, định kỳ thay đổi vị trí nút chủ cụm. Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu cho nó theo một chu kỳ nhất định, tại nút chủ dữ liệu sẽ đƣợc thu thập và xử lý tùy thuộc vào từng ứng dụng, trƣớc khi gửi tới trạm gốc. Vì vậy nút chủ sẽ tiêu hao nhiều năng lƣợng hơn các nút thông thƣờng. Mà năng lƣợng của nút cảm biến là giới hạn nên giao thức LEACH cho phép thay đổi việc tạo cụm, thay đổi vị trí nút chủ cụm nhằm chia sẻ sự suy giảm năng lƣợng giữa các nút và kéo dài thời gian
sống của toàn hệ thống. Mạng cảm biến không dây sau thi thiết lập giao thức LEACH đƣợc mô tả nhƣ hình 3.2. [4][5][16]
Hình 3.2: Giao thức LEACH
Trong mạng WSN nếu có các nút cảm biến khá gần nhau thì dữ liệu của các nút đó gửi về trạm gốc có thể tƣơng quan giống nhau, ngƣời dùng cuối không cần yêu cầu tất cả dữ liệu đó hoặc chỉ cần những thông tin đã đƣợc xử lý, trích lọc đủ mô tả những sự kiện xảy ra trong môi trƣờng mà nút cảm biến đƣợc. Giao thức định tuyến LEACH rất phù hợp với những ứng dụng có đặc điểm nhƣ trên. Trong giao thức LEACH dữ liệu cảm biến từ các nút trong phạm vi cụm sẽ đƣợc xử l ý cục bộ tại nút chủ cụm trƣớc khi gửi về trạm gốc, giảm đƣợc lƣợng thông tin dƣ thừa, giảm băng thông trên mạng, do đó tiết kiệm đƣợc năng lƣợng của nút.
3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH
Phần trên đã trình bày khái quát về cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến LEACH, phần này sẽ nghiên cứu hoạt động cụ thể của LEACH và nhận xét về ƣu điểm và nhƣợc điểm của giao thức.
Giao thức LEACH hoạt động theo các vòng, mỗi vòng gồm 2 pha, pha thiết lập (set-up phase), trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm. Sau pha thiết lập là pha ổn định (steady-state phase), trong pha này xảy ra quá trình truyền dữ liệu lần lƣợt các nút trong cụm đến nút chủ cụm và từ nút chủ cụm đến
trạm gốc (base station). Thời gian của pha ổn định thƣờng dài hơn thời gian của pha thiết lập để tiết kiệm chi phí cho giao thức. Hình 3.3 cho thấy các pha này theo thời gian. [17][18]
Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian 3.2.2.1 Pha thiết lập
Mỗi vòng hoạt động của giao thức LEACH đƣợc bắt đầu bằng pha thiết lập, trong pha thiết lập, bƣớc đầu tiên là lựa chọn nút chủ của từng cụm và sau đó là thành lập cụm
3.2.2.1.1 Lựa chọn nút chủ của cụm
Khi bắt đầu mỗi vòng mới mỗi nút cảm biến n tự quyết định nó có là nút chủ cho vòng này hay không. Quá trình chọn lựa diễn ra nhƣ sau: mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn ngƣỡng T(n) thì nút đó trở thành nút chủ. T(n) đƣợc xác định theo phƣơng trình sau:
1 1 mod1 P T (n) = P (r ) p nếu còn lại Trong đó P: tỉ lệ phần trăm nút chủ r: chu kì hiện tại
G: tập hợp các nút không đƣợc lựa chọn làm nút chủ trong 1/P chu kì cuối.
G n 0 ) (n T
Sử dụng ngƣỡng này, mỗi nút sẽ trở thành nút chủ một lần duy nhất trong một chu kỳ 1/P vòng. Cứ hết một chu kỳ 1/P vòng, tất cả nút thiết lập lại giá trị ngẫu nhiên S để bắt đầu một chu kỳ mới. Sau một vòng, giá trị T(n) tăng lên một lƣợng bằng P và sau 1/P -1 vòng thì T(n)=1, vậy các nút chƣa trở thành nút chủ trong 1/P vòng gần nhất chắc chắn sẽ phải đảm nhận vai trò nút chủ tại vòng này. Nhƣ vậy, sau 1/P vòng, tất cả nút mạng đủ điều kiện để trở thành nút chủ duy nhất một lần.
3.2.2.1.2 Thành lập cụm
Mỗi một nút sau khi trở thành nút chủ phải thông báo cho các nút khác trong mạng biết rằng nó đƣợc chọn làm nút chủ ở vòng hiện tại. Để thực hiện điều này, mỗi nút chủ sẽ phát bản tin quảng bá (ADV – Advertise) dùng giao thức CSMA. Bản tin này phải đƣợc quảng bá tới tất cả các nút trong mạng. Thứ nhất là để đảm bảo tất cả các nút lắng nghe bản tin quảng bá để tránh xảy ra đụng độ khi CSMA đƣợc dùng. Thứ hai là không có cơ chế để đảm bảo rằng các nút mà đƣợc chọn là nút chủ cụm sẽ đƣợc phân bố đều trên toàn mạng. Nếu công suất phát bản tin quảng bá bị giảm đi, một số nút ở biên có thể sẽ không nhận đƣợc thông báo và do đó có thể sẽ không còn ở trong cụm của vòng này. Bản tin quảng bá là rất nhỏ, do đó việc tăng công suất phát bản tin này để nó đến đƣợc tất cả các nút trong mạng không phải là một trở ngại. Bởi vậy công suất phát sẽ đƣợc thiết lập ở mức cao vừa đủ để tất cả các nút trong mạng có thể lắng nghe đƣợc bản tin ADV này.
Những nút không phải là nút chủ sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào bằng việc chọn xem nút chủ nào yêu cầu chi phí năng lƣợng giao tiếp thấp nhất dựa trên cƣờng độ của tín hiệu nhận đƣợc từ bản tin quảng bá của mỗi nút chủ.
Sau khi mỗi nút quyết định nó là thành viên của cụm nào, nó sẽ báo cho nút chủ của cụm đó biết. Mỗi nút sẽ phát bản tin “yêu cầu kết nối” (join request - REQ) tới nút chủ và cũng dùng giao thức CSMA.
Bản tin này cũng là một bản tin nhỏ, bao gồm ID của nút, ID nút chủ và header để phân biệt với bản tin khác.
.
Hình 3.4:Giải thuật thành lập cụm của giao thức LEACH
Các nút chủ trong LEACH hoạt động nhƣ khối điều khiển cụm để liên kết các dữ liệu trong cụm mà nó làm nút chủ. Nút chủ thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các nút trong cụm. Điều này đảm bảo sẽ không có đụng độ xảy ra và cho phép phần phát sóng radio của các nút không phải nút chủ sẽ ở trạng thái ngủ (sleep state). Nút chỉ thức dậy tại thời điểm mà nó truyền dữ liệu. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm đƣợc năng lƣợng cho các nút. Sau khi bản tin TDMA đƣợc truyền đến tất cả
Chọn ClusterHead
Nút i là nút chủ không?
Quảng bá trạng thái Cluster Head
Đợi thông tin hình thành CH
Nhận thông tin từ tất cả các nodes
Gửi yêu cầu tham gia cụm tới CH
Đợi thông tin về các khe TDMA từ Cluster head Đợi yêu cầu
từ các nút con
Gán các khe TDMA cho các nút con trong cluster này và thông báo cho tất cả các nút trong
cluster này
Cluster được hình thành và chuyển sang trạng thái
ổn định trong một vòng Gửi thông tin
Đúng Sai
Cluster head
các nút trong cụm, pha thiết lập đã hoàn thành và bắt đầu pha ổn định (steady state phase).
Hình 3.5 mô tả quá trình thành lập cụm trong LEACH ở hai vòng khác nhau. Sau mỗi vòng giải thuật phải chọn ra cụm mới phù hợp với mô hình mạng.
Hình 3.5:Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau 3.2.3 Pha duy trì trạng thái – pha ổn định (Steady- state Phase)
Hoạt động của pha ổn định (pha truyền dữ liệu) đƣợc chia thành các khung (frame) (hình 3.7). Mỗi nút sẽ gửi dữ liệu của nó tới Cluster-Head một lần trên một khung trong khe thời gian của nó. Khe thời gian mỗi nút là cố định trong một vòng, cứ đến khe thời gian đó thì nút cảm biến và truyền dữ liệu tới nút chủ. Số khe thời gian cho một khung dữ liệu phụ thuộc vào số lƣợng nút ở trong cụm. Tức là có bao nhiêu nút trong cụm (trừ nút chủ) thì sẽ có bấy nhiêu khe thời gian. Trong giao thức định tuyến LEACH, số cụm mong muốn trong mỗi vòng là k, nhƣng nó lại không có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có k cụm trong mỗi vòng. Hơn nữa giao thức trong pha thiết lập không đảm bảo các nút sẽ phân bố đều cho mỗi nút chủ. Do đó, số nút trong một cụm là khác nhau và tổng dữ liệu mà mỗi nút gửi đến nút chủ phụ thuộc vào số nút trong cụm.
Để giảm sự tiêu thụ năng lƣợng, mỗi nút không phải là nút chủ sẽ điều khiển công suất phát sóng dựa trên cƣờng độ của bản tin quảng bá nhận đƣợc từ nút chủ. Bộ phận phát sóng của nút sẽ ở trạng thái ngủ cho đến khe thời gian phát sóng của nó. Các nút chủ sẽ phải lƣu trữ các dữ liệu mà các nút trong cụm gửi đến nó. Khi đã nhận đƣợc hết dữ liệu từ tất cả các nút, nó tiến hành xử l ý dữ liệu cục bộ nhƣ nén,
tổng hợp dữ liệu, …. Dữ liệu đã đƣợc tổng hợp sau đó đƣợc gửi tới BS. Khoảng cách từ nút chủ tới BS có thể khá xa và kích cỡ bản tin dữ liệu thƣờng là lớn, do đó mà năng lƣợng tiêu thụ do quá trình truyền này thƣờng là cao. Hình 3.6, hình 3.7 mô tả rõ hơn về hoạt động của pha ổn định.
Hình 3.6: Mô hình Leach ở pha ổn định
Hình 3.8 chỉ ra dòng thời gian trong một vòng của LEACH, bắt đầu từ khi các cụm đƣợc hình thành trong pha thiết lập, quá trình hoạt động của pha ổn định khi dữ liệu đƣợc truyền từ các nút tới Cluster-Head rồi truyền đến BS.
Hình 3.8: Hoạt động của LEACH trong một vòng
Vì môi trƣờng truyền dẫn của WSN là vô tuyến do đó sự phát sóng của một cụm cũng sẽ ảnh hƣởng đến các cụm gần nó. Theo hình 3.9, sự phát sóng của nút A đến nút B, nó cũng ảnh hƣởng đến nút C.
Hình 3.9: Sự ảnh hƣởng của kênh phát sóng
Để giảm thiểu sự ảnh hƣởng không mong muốn này giữa các cụm, mỗi cụm trong LEACH sẽ trao đổi thông tin dùng cơ chế dãy trãi phổ trực tiếp DS-SS (directed-sequence spread spectrum) hay đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi cụm có một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả các nút trong cụm truyền dữ liệu của chúng tới nút chủ sẽ dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc dữ liệu tất cả các nút có cùng mã trải phổ với nó.
Dữ liệu từ các nút chủ đƣợc gửi tới BS cũng dùng một mã trải phổ cố định, và dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra đụng độ với các nút chủ khác. Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhƣng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó sẽ phải lắng
nghe xem có nút chủ nào phát dữ liệu không. Nếu không có nút nào phát thì nó sẽ phát dữ liệu tới BS, còn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nó sẽ đợi để phát dữ liệu.
3.2.3 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation)
Trong LEACH có sự tổng hợp dữ liệu giúp loại trừ đi những thông tin dƣ thừa, trùng lặp để thu đƣợc thông tin có ích về môi trƣờng cảm biến. Việc tổng hợp dữ liệu có thể đƣợc thực hiện tại trạm gốc hoặc thực hiện cục bộ tại nút chủ của một cụm tùy thuộc vào yêu cầu của mạng và năng lƣợng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu so với năng lƣợng sử dụng để truyền những thông tin đó đi. Khi năng lƣợng cho truyền tin lớn hơn, thực hiện tổng hợp dữ liệu cục bộ tại nút chủ giúp giảm năng lƣợng tiêu thụ của toàn hệ thống do có ít dữ liệu hơn phải truyền về trạm gốc.
3.2.4 Ƣu điểm
Giao thức định tuyến LEACH là một giao thức định tuyến dựa trên cơ chế phân cụm nhằm tối thiểu hóa năng lƣợng tiêu hao bằng cách phân bổ đều khả năng đƣợc lựa chọn làm nút chủ cho tất cả nút mạng nên việc tiêu hao năng lƣợng đƣợc trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Tại những thời điểm khác nhau, mỗi nút có vai trò khác nhau, do đó sử dụng năng lƣợng khác nhau.
Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách tối thiểu hóa năng lƣợng sử dụng của mỗi nút cảm biến nhờ vào việc tổng hợp số liệu.
Giao thức định tuyến LEACH có tính đơn giản do nút cảm biến tự tiến hành quyết định nút chủ và phân bổ cụm, không đòi hỏi thông tin điều khiển từ trạm gốc và nút không yêu cầu hiểu biết về toàn bộ cấu hình mạng. Ƣu điểm này giảm gánh nặng cho trạm gốc và lƣợng bản tin mào đầu truyền trong mạng.
3.2.5 Nhƣợc điểm
Giao thức LEACH lựa chọn số liệu đƣợc tập trung và thực hiện theo chu kỳ. Do đó, giao thức này chỉ thích hợp với yêu cầu cần giám sát liên tục bởi mạng cảm biến. Với ứng dụng mà ngƣời dùng không cần tất cả số liệu ngay lập tức thì việc truyền số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và làm tiêu tốn năng lƣợng vô ích.
Số cụm trong một vòng không cố định do nút mạng sử dụng giá trị ngẫu nhiên S và ngƣỡng T(n) để tự quyết định có trở thành nút chủ trong vòng hiện tại hay
không, thuật toán LEACH không có cơ chế nào để đảm bảo đƣợc số lƣợng cụm trong một vòng. Nhƣợc điểm này dẫn đến hậu quả là có những vòng có ít cụm đƣợc hình thành, trong khi ở những vòng khác lại có quá nhiều cụm, do đó dữ liệu gửi tới trạm gốc có thể bị gián đoạn.
Các nút chủ trong cụm đều truyền đến trạm gốc thông qua một bƣớc là không thực tế, vì dự trữ năng lƣợng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nút này đến nút khác. Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn đề then chốt để đạt đƣợc giảm năng lƣợng cần thiết để bù đắp ở pha thiết lập gây ra bởi xử lý lựa chọn cụm. Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lƣợng mào đầu, chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lƣợng của nút chủ.
3.3 Giao thức LEACH - C (LEACH – Centralized) 3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C 3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C
LEACH - C (LEACH - Thành lập cụm trạm cơ sở) gần giống nhƣ giao thức LEACH thông thƣờng, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set-up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady–state Phase) thì giống với giao thức LEACH. Khác với giao thức LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể đƣợc chọn làm nút chủ cụm, Ở giao thức LEACH – C thì cụm và nút chủ cụm do BS lựa chọn.
Trong LEACH mỗi nút tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo đƣợc vị trí cũng nhƣ số lƣợng nút chủ trong toàn mạng. LEACH – C dùng một giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm nên có thể tạo ra các cụm tốt hơn với các nút chủ phân tán trên toàn mạng. Trong pha thiết lập của LEACH – C, các nút sẽ gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó bao gồm vị trí và mức năng lƣợng về trạm gốc. Với các thông tin này trạm gốc sẽ dùng thuật toán tối ƣu để xác định một số định trƣớc nút chủ và cấu hình mạng thành các cụm. [5][14]
Hình 3.10: Pha thiết lập của LEACH – C
Việc dùng trạm gốc BS để xác định cụm là tốt hơn so với việc hình thành cụm dùng giải thuật phân tán. LEACH – C yêu cầu các nút phải gửi thông tin về vị trí của nó về BS tại thời điểm bắt đầu của mỗi vòng, thông tin này có thể bao gồm việc phải sử dụng GPS để xác định vị trí hiện tại của mỗi nút.
Để xác định đƣợc các cụm thích ứng tốt thì năng lƣợng phải đƣợc phân bố đều