LEACH
Thuật toán LEACH là một thuật toán được thiết kế để tập hợp và chuyển tiếp dữ liệu đến sink, thường là một trạm gốc. Mục tiêu chính của LEACH là:
Kéo dài thời gian sống của mạng;
Giảm công suất tiêu thụ ở mỗi node mạng;
Sử dụng cụm dữ liệu để giảm số lượng bản tin giao tiếp. Để thực hiện các mục tiêu trên, thuật toán LEACH sử dụng phương pháp tiếp cận phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm. Mỗi
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
cụm được quản lý bởi một cụm đầu não được lựa chọn. Nhiệm vụ của cụm đầu não là:
Nhiệm vụ đầu tiên gồm có tập hợp dữ liệu theo chu kỳ từ các cụm thành phần. Để tập hợp dữ liệu, cụm đầu não sẽ tập hợp dữ liệu để loại bỏ các bản tin dư thừa giữa các giá trị tương quan.
Nhiệm vụ chính thứ hai của cụm đầu não là truyền trực tiếp dữ liệu đã được tập hợp đến trạm gốc. Quá trình này thực hiện một chặng.
Mô hình mạng giao thức LEACH sử dụng được mô tả trong hình 2.9 [3].
Nhiệm vụ thứ ba của cụm đầu não là lập lịch dựa vào TDMA do mỗi node trong cụm được đăng ký một khe thời gian để truyền dữ liệu. Cụm đầu não sẽ quảng cáo lịch đến tất cả các cụm thành phần của nó thông qua quảng bá. Để giảm sự va chạm giữa các bộ cảm biến bên trong và bên ngoài cụm, các node LEACH sử dụng phương pháp giao tiếp dựa trên đa truy nhập phân chia theo mã.
Cụm đầu não Cụm thành phần
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 2.9: Mô hình mạng LEACH.
Quá trình hoạt động cơ bản của LEACH được tổ chức thành hai pha riêng biệt như trong hình 2.10 [3]. Thời gian thiết lập được giả thiết là ngắn hơn pha ổn định trạng thái để tối thiểu hóa mào đầu của giao thức:
Trong pha đầu tiên, hay còn gọi là pha thiết lập, bao gồm hai bước: lựa chọn cụm mào đầu và thiết lập cụm.
Pha thứ hai, hay pha ổn định trạng thái, sẽ tập trung thu thập dữ liệu, tập hợp và chuyển dữ liệu đến trạm gốc.
Thiết lập Thời gian Dạng cụm Khe cho Node i Khe cho Node i Ổn định trạng thái Khung
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Hình 2.10: Các pha của LEACH.
Ở thời điểm bắt đầu pha thiết lập, bắt đầu quá trình lựa chọn cụm đầu não. Quá trình xử lý lựa chọn cụm đầu não đảm bảo rằng các node cảm biến sẽ thay nhau thực hiện vai trò của cụm đầu não, do đó, năng lượng tiêu thụ sẽ được phân bố đều qua tất cả các node mạng. Để xác định node trở thành cụm đầu não (node a), thì node n sẽ chọn một giá trị ngẫu nhiên v (có giá trị giữa 0 và 1) và so sánh giá trị đó với ngưỡng T(n) của cụm đầu não được chọn. Nếu giá trị ngẫu nhiên v nhỏ hơn T(n) thì node đó sẽ trở thành cụm đầu não. Mức ngưỡng của cụm đầu não được chọn sẽ được thiết kế để đảm bảo với một số node được xác định trước (P node), các node này sẽ có xác suất cao để trở thành cụm đầu não ở mỗi lần lựa chọn. Ngoài ra, mức ngưỡng sẽ đảm bảo các node đã phục vụ 1/P vòng trước đó, sẽ không được chọn ở vòng hiện tại.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, công thức tính mức ngưỡng T(n) của node n là:
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
(2.1)
Biến G đại diện cho các node không được chọn để trở thành cụm đầu não trong 1/P vòng, và r là vòng hiện tại. Tham số được xác định ban đầu P đại diện cho khả năng trở thành cụm đầu não. Nếu node đã trở thành cụm đầu não trong 1/P vòng trước đó thì node đó chắc chắn sẽ không được chọn ở vòng hiện tại.
Sau khi hoàn thành quá trình xử lý lựa chọn cụm đầu não, tất cả các node được chọn để trở thành cụm đầu não sẽ quảng cáo vai trò mới của nó đến tất cả các node còn lại trong mạng. Để nhận được bản tin quảng cáo của cụm đầu não thì mỗi node sẽ chọn một cụm đầu não để gia nhập cụm. Các tiêu chuẩn lựa chọn có thể được dựa trên cường độ tín hiệu. Sau đó, các node xác nhận cụm đầu não mong muốn để gia nhập cụm.
Với thông tin cụm, mỗi cụm đầu não sẽ tạo ra một định thời TDMA (schedule) và cấp khe thời gian cho mỗi node trong cụm. Mỗi cụm đầu não cũng chọn một mã CDMA và sau đó, mã này sẽ được phân phối cho tất cả các node trong cụm của nó. Mã phải được chọn một cách cẩn thận để giảm nhiễu giữa các cụm. Sau khi quá trình thiết lập các tín hiệu pha được hoàn tất, sẽ bắt đầu pha ổn định trạng thái. Trong suốt pha này, các node sẽ chọn thông tin và sử dụng các khe được phân bổ để truyền dữ liệu được chọn đến cụm đầu não. Quá trình lựa chọn dữ liệu này được thực hiện theo chu kỳ.
G n nÕu (1/P)) mod (r P 1 P nÕ 0 T(n) G n u
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2 Trần Trọng Nam
Các kết quả mô phỏng cho thấy giao thức LEACH có thể thực hiện tiết kiệm năng lượng một cách hiệu quả. Việc tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào tỷ số tập hợp dữ liệu được cụm mào đầu thực hiện. Mặc dù có rất nhiều ưu điểm nhưng giao thức LEACH lại tồn tại một số nhược điểm. Giả thiết rằng tất cả các node có thể tiếp cận đến trạm gốc chỉ trong một chặng là điều không thể, ví dụ như, việc duy trì năng lượng và khả năng của node có thể thay đổi ở mỗi node. Ngoài ra, độ dài của chu kỳ ổn định trạng thái bị giới hạn để giảm năng lượng với mục tiêu bù mào đầu của quá trình xử lý chọn cụm đầu não. Chu kỳ ổn định trạng thái ngắn sẽ làm tăng mào đầu của giao thức, trong khi chu kỳ ổn định trạng thái dài lại gây ra giảm năng lượng.