Giao thức định tuyến phân cấp dựa trên việc phân các nút vào các cụm để giải quyết một số điểm yếu của giao thức định tuyến bình đẳng, đặc biệt là khả năng mở rộng và tính hiệu quả. Các nút cảm biến sẽ đƣợc phân thành các cụm, mỗi cụm có một nút gọi là cụm trƣởng CH (cluster head) và các nút còn lại gọi là các nút thành viên (cluter member), trong một cụm các nút thành viên chỉ truyền thông trực tiếp với cụm trƣởng của cụm đó. Cách tiếp cận này có thể làm giảm đáng kể gánh nặng truyền thông và sự tiêu hao năng lƣợng trên các nút cảm biến.
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
Là một kĩ thuật định tuyến đƣợc thiết kế để thu thập và cung cấp dữ liệu cho Sink theo chu kì. Mục tiêu chính của LEACH là:
Kéo dài của tuổi thọ mạng
Giảm sự tiêu thụ năng lƣợng
Tổng hợp dữ liệu (data aggregation) để giảm các truyền thông không cần thiết.
Để đạt đƣợc những mục tiêu này, LEACH sử dụng cách tiếp cận phân cấp tổ chức mạng thành một tập các cụm. Mỗi cụm gồm một số nút thành viên đƣợc quản lý bởi một nút cụm trƣởng. Cụm trƣởng chủ trì để thực hiện nhiều nhiệm vụ. Nhiệm vụ đầu tiên là là tạo ra một lịch trình dựa trên TDMA (Time Division Multiple Access) theo đó mỗi nút thành viên của cụm đƣợc gán một khe thời gian để truyền dữ liệu. Cụm trƣởng quảng cáo lịch trình cho các thành viên của mình. Nhiệm vụ thứ hai của một cụm trƣởng là thu thập định kỳ dữ liệu từ các thành viên của cụm. Sau khi thu thập dữ liệu, cụm trƣởng tổng hợp dữ liệu nhằm loại bỏ sự dƣ thừa dữ liệu. Nhiệm vụ thứ ba của cụm trƣởng là truyền tải các dữ liệu tổng hợp trực tiếp tới Sink. Việc truyền tải các dữ liệu tổng hợp đƣợc thực hiện trên một chặng (hop) duy nhất. Quá trình hoạt động của LEACH đƣợc chia thành hai pha là pha thiết lập và pha trạng thái ổn định. Pha thiết lập bao thực hiện các công việc xác định cụm trƣởng, thiết lập cụm và tạo lịch trình truyền dữ liệu của các nút thành viên của cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu thập dữ liệu ở các nút thành viên và gửi cho cụm trƣởng, sau đó cụm trƣởng tổng hợp dữ liệu và truyền dữ liệu đến Sink. Mô hình mạng sử dụng LEACH đƣợc mô tả trong hình 2.9.
PEGASIS
PEGASIS (power-efficient gathering in sensor information systems) là một cải thiện của giao thức LEACH. PEGASIS đƣợc thiết kế nhằm giải quyết các chi phí gây ra bởi sự hình thành cụm trong LEACH bằng cách xây dựng chuỗi các nút thay vì cụm nhƣ hình 2.10.
Hình 2.10 Cấu trúc chuỗi của PEGASIS
Xây dựng chuỗi đƣợc thực hiện theo một thuật toán tham lam, nơi các nút chọn hàng xóm gần nhất của chúng nhƣ là các chặng tiếp theo trong chuỗi. Giả định rằng các nút có một kiến thức toàn cục về mạng và xây dựng chuỗi bắt đầu từ các nút xa Sink nhất. Do kết quả của hoạt động chuỗi, thay vì duy trì thành cụm, mỗi nút chỉ theo dõi những hàng xóm trƣớc đó và kế tiếp trong chuỗi. Truyền thông trong chuỗi đƣợc thực hiện tuần tự sao cho mỗi nút trong một chuỗi tổng hợp dữ liệu từ hàng xóm của mình cho đến khi tất cả các dữ liệu đƣợc tổng hợp tại một trong các nút cảm biến đƣợc gọi là trƣởng chuỗi. Các trƣởng chuỗi điều khiển thứ tự truyền thông bằng cách truyền một thẻ giữa các nút. Một ví dụ về truyền thông chuỗi đƣợc thể hiện trong hình 2.10. Trƣởng chuỗi trong ví dụ này là nút 2. Nút 2 đầu tiên chuyển thẻ thông báo đến nút 0 để bắt đầu truyền thông. Nút 0 truyền dữ liệu của nó đến nút 1 để tổng hợp dữ liệu riêng của mình để tạo ra một gói cùng độ dài. Gói tin này đƣợc chuyển đến nút 2. Khi nút 2 nhận đƣợc gói tin từ nút 1, nó truyền thẻ thông báo đến đầu kia của chuỗi, tức là nút 6. Thông tin từ các nút 6, 5, 4, và 3 cũng đƣợc tổng hợp và gửi đến nút 2. Khi nhận đƣợc thông tin tổng hợp, nút 2 sử dụng một truyền thông một chặng để truyền tải dữ liệu đến Sink.