Khi các cụm được tạo ra, mỗi node n tự động quyết định nó có là node chủ cho vòng tiếp theo hay không. Quá trình chọn lựa diễn ra như sau: mỗi node cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu con số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì node đó trở thành nút chủ. T(n) được xác định theo phương trình sau:
Với những node mà không được làm nút chủ trong 1/P vòng cuối thì ngược lại T1(n) = 0. P quyết định số lượng trung bình các node chủ trong một vòng, r là số vòng hiện tại. Dùng thuật toán này thì mỗi node sẽ là node chủ đúng một lần trong vòng 1/P vòng.
Chú ý: sau 1/P-1 vòng, T1(n) =1 với tất cả các nút chưa được làm node chủ. Khi có một node làm node chủ, nó thông báo điều này tới tất cả các node khác. Các node không phải node chủ dùng những bản tin này từ các node chủ để chọn cụm mà chúng muốn tham gia dựa trên cường độ tín hiệu nhận được bản tin này. Sau khi các node chủ đã được hình thành, node chủ sau đó sẽ quyết định mô hình TDMA cho các node tùy thuộc từng cụm, quảng bá mô hình và sau đó pha trạng thái tĩnh bắt đầu.
Hoạt động của LEACH được phân tách thành hai pha, pha thiết lập và pha ổn định. Ở trong pha thiết lập các nhóm được tổ chức và các node chính được lựa chọn. Còn ở giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực sự về các trạm gốc được tiến hành. Khoảng thời gian để tồn tại của pha ổn định trạng thái thường dài hơn so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí
Hình 3.3.Trạng thái của pha thiết lập 3.1.2 Pha thiết lập
phương trình. Node chủ phải thông báo cho các node khác trong mạng biết rằng nó được chọn làm node chủ ở vòng hiện tại. Để thực hiện điều này, mỗi node chủ sẽ phát bản tin quảng bá (ADV – Advertise) dùng thuật toán CSMA (carrier sense multiple access) . Bản tin này là một bản tin nhỏ mà bao gồm ID của nút và header để phân biệt bản tin này là bản tin quảng bá. Tuy nhiên, bản tin này phải được broadcast tới tất cả các node trong mạng. Thứ nhất là để đảm bảo tất cả các node lắng nghe bản tin quảng bá để tránh xảy ra đụng độ khi CSMA được dùng, thứ hai là không có cơ chế để đảm bảo rằng các node mà được chọn là node chủ cụm sẽ được 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 được thông báo và do đó có thể sẽ không còn ở trong vòng này. Bản tin quảng bá là rất nhỏ, do đó việc tăng công suất phát bản tin này để nó đến được tất cả các node trong mạng không phải là một trở ngại. Bởi vậy công suất phát sẽ được thiết lập ở mức cao vừa đủ để tất cả các nút trong mạng có thể lắng nghe được bản tin ADV này.
Những nút không phải là node chủ sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào bằng việc chọn xem nút chủ nào yêu cầu chi phí năng lượng giao tiếp thấp nhất dựa trên cường độ của tín hiệu nhận được 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 node chủ của cụm đó biết. Mỗi node sẽ phát bản tin join-request (Join - REQ) tới nút chủ và cũng dùng giao thức CSMA, bản tin này cũng là một bản tin nhỏ, nó bao gồm ID của node, ID node chủ và header để phân biệt với các bản tin khác.
Các node chủ trong LEACH hoạt động như khối điều khiển trung tâm cục bộ để liên kết các dữ liệu trong cụm mà nó làm node chủ. Node chủ thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các node trong cụm, điều này đảm bảo sẽ không có đụng độ xảy ra và cho phép phần phát sóng radio của các node không phải node chủ sẽ ở trạng thái tắt (sleep state). Nó chỉ thức dậy tại thời điểm mà nó truyền dữ liệu, như vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng cho các node. Sau khi bản tin TDMA được truyền đến tất cả các node trong cụm, pha thiết lập đã hoàn thành và bắt đầu pha ổn định (steady state phase).
Hồ Tấn Hải – K14TMT Trang 52
Tạo kế hoạch TDMA và gửi tới các thành vieencuar nhóm t=0
Bước ổn định chung Node I là node
chủ nhóm
Thông báo là node chủ nhóm
Gửi bản tin tham gia nhóm tới nút chủ nhóm
Đợi thông báo là nút chủ nhóm
Đợi bản tin tham gia nhóm Đợi kế hoạch từ node chủ nhóm t=0 Sai Đúng
Hình 3.4.Sơ đồ hình thành cluster trong LEACH
Sau mỗi vòng thì lại bắt đầu pha thiết lập mới để chọn ra cụm mới phù hợp với mô hình mạng.
3.1.3 Pha ổn định
Hoạt động của pha ổn định được chia ra thành các frame. Mỗi node sẽ gửi dữ liệu của nó tới Cluster-Head một lần trên một frame trong khe định vị của nó, mỗi node sẽ có một khe thời gian cố định, cứ đến khe thời gian đó thì nút truyền dữ liệu tới Cluster-Head. Số khe thời gian cho một khung dữ liệu phụ thuộc vào số lượng node ở trong cụm, tức là có bao nhiêu node trong cụm (trừ node chủ) thì sẽ có bấy nhiêu khe thời gian. Trong khi giải thuật phân tán để xác định node chủ, với số cụm trong mỗi vòng là k, nhưng nó lại không có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có k cụm trong mỗi vòng. Thêm vào đó giao thức trong pha thiết lập không đảm bảo các node sẽ phân bố đều cho mỗi node chủ. Do đó, số node trong một cụm là khác nhau và tổng dữ liệu mà mỗi node gửi đến node chủ phụ thuộc vào số node trong cụm.
Để giảm sự tiêu thụ năng lượng, mỗi node không phải là node chủ sẽ điều khiển công suất phát dựa trên cường độ của bản tin quảng bá nhận được từ node chủ, và kênh phát sóng của node sẽ ở trạng thái ngủ cho đến khe thời gian phát sóng của nó. Các node chủ sẽ phải giữ lại các dữ liệu mà các node trong cụm gửi đến nó,
khi đã nhận được hết dữ liệu từ tất cả các node, nó tiến hành xử lý dữ liệu cục bộ như nén, tổng hợp dữ liệu, …. Dữ liệu đã được tổng hợp sau đó được gửi tới BS, khoảng cách từ node chủ tới BS có thể xa và kích cỡ bản tin dữ liệu thường là lớn, do đó mà năng lượng tiêu thụ do quá trình truyền này thường là cao. Nhìn vào hình 3.5 ta sẽ hiểu rõ hơn về hoạt động của pha ổn định
Hình 3.5.Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái
Tính toán số liệu và gửi kết quả đến nút gốc
Truyền số liệu với nút chủ nhóm Thu số liệu từ các nút thành viên (tschedule giây) Nghĩ trong Tschedule giây T<Tround ? đúng Nút i là nút chủ nhóm ? Nghi trong tslot_for_node_i giây Sai Đúng Bước thiết lập nhóm T<Tround ? Sai Sai đúng
Hình 3.6.Hoạt động của pha ổn định trong LEACH
Hình 3.7 chỉ ra time-line trong một vòng của LEACH, từ khi các cụm được hình thành trong pha thiết lập, quá hoạt động của pha ổn định khi dữ liệu được truyền từ các node tới Cluster-Head rồi truyền đến BS.
Hình 3.7.Time – line hoạt động của LEACH trong một vòng
Để mô tả về việc trao đổi thông tin trong phạm vi một cluster. Giao thức MAC và giao thức định tuyến được thiết kế để đảm bảo cho các nút tiêu thụ năng lượng thấp và không xảy ra xung đột trong cụm. Tuy nhiên, kênh phát sóng không dây vốn là truyền quảng bá. Nên sự phát sóng của một cụm cũng sẽ ảnh hưởng đến các cụm gần nó. Ví dụ như (hình 3.8), sự phát sóng của node A đến node B, nó cũng ảnh hưởng đến node C.
Hình 3.8.Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng
Để giảm thiểu sự ảnh hưởng này, mỗi cluster trong LEACH sẽ trao đổi thông tin dùng cơ chế dãy trãi phổ trực tiếp DS-SS (directed-sequence spread spectrum) hay CDMA (Code Division Multiple Access). Mỗi một cụm sẽ dùng một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả các node trong cụm phát dữ liệu của chúng tới (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
node chủ sẽ dùng mã trải phổ này và node chủ sẽ lọc tất cả các node có mã trải phổ này. Chú ý rằng mỗi node chủ chỉ cần một mã trải phổ đơn để lọc cho tất cả các tín hiệu đến nó mà sử dụng mã trải phổ giống nhau. Điều này cũng hơi khác với cơ chế CDMA mà mỗi nút sẽ có một mã trải phổ duy nhất.
Dữ liệu từ các node chủ được gửi tới BS sẽ dùng một mã trải phổ cố định, và cũng dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra đụng độ với các node chủ khác. Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một node chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó sẽ phải lắng nghe xem có node chủ nào phát dữ liệu không. Nếu không có node nào phát thì nó sẽ phát dữ liệu tới BS, còn nếu có node đang phát dữ liệu thì nó sẽ đợi để phát dữ liệu
3.1.4 Giao thức cải tiến LEACH – C
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 với LEACH. Trong LEACH thì mỗi node sẽ có 1 xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Ở LEACH – C thì cụm và node chủ cụm do BS lựa chọn.
Mỗi node tự nó quyết định sẽ ở trong cụm nào, giải thuật này không đảm bảo được vị trí cũng như số lượng node chủ trong toàn mạng. Tuy nhiên, việc dùng một giải thuật điều khiển trung tâm để hình thành cụm có thể tạo ra các cụm tốt hơn với các node chủ phân tán trên toàn mạng. Giải thuật này gọi là LEACH – C (LEACH - Centralized) . LEACH – C có pha ổn định giống với LEACH (các nút gửi dữ liệu tới nút chủ và nút chủ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm gốc), nó chỉ khác LEACH ở pha thiết lập cụm. 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 năng lượng) về trạm gốc. Trạm gốc sau đó sẽ dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và node chủ cho vòng đó.
Hình 3.9.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. Tuy nhiên, LEACH – C yêu cầu các node 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 (Global positioning system) để xác định vị trí hiện tại của mỗi node.
Để xác định được các cụm thích ứng tốt thì năng lượng phải được phân bố đều trên tất cả các node trong mạng. Để làm được điều này, BS tính toán năng lượng trung bình của các node, node nào mà có năng lượng nhỏ hơn mức năng lượng trung bình này sẽ không được chọn làm node chủ ở vòng đó, những node còn lại có năng lượng lớn hơn giá trị trung bình đó có thể là node chủ. BS sẽ chạy giải thuật nhiều lần để chọn ra k node tốt nhất trở thành node chủ cũng như chọn ra được k cụm tối ưu.
Khi chọn được các node chủ và các cụm tối ưu, trạm gốc sẽ gửi thông tin này tới tất cả các node trong mạng. Việc này được thực hiện bằng việc quảng bá bản tin bao gồm ID của node chủ cho mỗi node. Nếu node nào có ID trùng với ID trong bản tin nó sẽ trở thành node chủ, các node khác sẽ xác định khe thời gian của nó cho việc phát dữ liệu, và sẽ ở trạng thái sleep cho đến thời điểm nó phát dữ liệu về node chủ.
3.2 Giao thức định tuyến phân cấp PEGASIS3.2.1 Giới thiệu PEGASIS 3.2.1 Giới thiệu PEGASIS
PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems), PEGASIS phân cấp là một họ các giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến. Giao thức này đầu tiên hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của mạng nhờ đạt được việc tiêu thụ năng lượng đồng nhất và hiệu suất năng lượng cao qua tất cả các node trong mạng, thứ hai làm giảm trễ truyền dữ liệu đến sink.
Giao thức này xem xét mô hình mạng bao gồm tập hợp các node đồng nhất được triển khai qua một vùng địa lý. Các node này có sự hiểu biết về vị trí các node khác trong toàn mạng và chúng còn có khả năng điều khiển công suất và bao
phủ một vùng tùy ý. Các nút này cũng được trang bị bộ thu phát sóng hỗ trợ CDMA. Trách nhiệm của các nút này là thu lượm và truyền dữ liệu đến các sink, thông thường là các trạm cơ sở. Mục đích để phát triển một cấu trúc định tuyến và một sơ đồ tập trung dữ liệu để giảm thiểu sự tiêu thụ công suất và truyền dữ liệu được tập trung đến trạm cơ sở với trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi vẫn cân bằng sự tiêu thụ công suất giữa các nút trong mạng. Giải thuật này sử dụng mô hình cấu trúc dạng chuỗi. Dựa trên mô hình này các nút sẽ giao tiếp với nút hàng xóm gần nó nhất. Cấu trúc chuỗi bắt đầu với nút xa sink nhất, các nút mạng được thêm dần vào chuỗi làm chuỗi lớn dần lên, bắt đầu từ node hàng xóm gần node cuối nhất. Các nút sẽ được gán vào chuỗi theo cách greedy từ node lân cận gần nhất cho tới các node còn lại trong mạng. Để xác định được node lân cận gần nhất mỗi node sẽ sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tới các node lân cận của nó. Sử dụng dữ kiện này các node sẽ điều chỉnh cường độ tín hiệu sao cho chỉ có node lân cận gần nhất nghe được. Một node trong chuỗi sẽ được trọn làm node chủ, trách nhiệm của node chủ là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở. Vai trò node chủ sẽ bị dịch chuyển vị trí trong chuỗi sau mỗi vòng chu kỳ, chu kỳ này được quản lý bởi sink và việc chuyển trạng thái từ vòng này đến vòng tiếp theo có thể được khởi tạo bởi việc đưa ra dấu hiệu công suất cao bởi sink. Việc quay vòng node chủ trong chuỗi nhằm đảm bảo công bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng việc thay đổi có khi dẫn đến node chủ rời xa trạm cơ sở, sink, khi đó nút này lại cần yêu cầu công suất cao để truyền đến trạm cơ sở.
Việc tập trung dữ liệu trong mạng dọc theo chuỗi. Đầu tiên chain leader sẽ gửi một thẻ bài tới node cuối cùng bên phải cuối chuỗi, trong khi nhận được tín hiệu này node cuối sẽ gởi dữ liệu nó thu lượm được đến node lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi, sau đó nút này tập trung dữ liệu và lại tiếp tục gửi đến node lân cận gần nó nhất, cứ như vậy cho đến khi gửi đến node chủ, sau đó node chủ sẽ lại tập trung dữ liệu và gửi đến sink. Mặc dù đơn giản nhưng mô hình tập trung dạng chuỗi dễ gây ra trễ trước khi dữ liệu tập trung được truyền đến sink. Một phương pháp để giảm độ trễ này là tập trung dữ liệu song song dọc theo chuỗi, và sẽ càng giảm nhiều hơn nếu các node được trang bị bộ thu phát sử dụng CDMA.
Dùng PEGASIS sẽ giải quyết được vấn đề về mào đầu gây ra bởi việc hình thành các cụm động trong LEACH và giảm được số lần truyền và nhận bằng việc tập hợp dữ liệu. Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các node ở xa trong chuỗi. Hơn nữa ở node chính có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai.
3.2.2 PEGASIS cơ bản
PEGASIS hỗ trợ tối thiểu hóa khoảng cách truyền trong mạng, tối thiểu hóa lượng mào đầu quảng bá, tối thiểu hóa khối lượng bản tin truyền đến trạm cơ