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.