Phần trên đã trình bày khái quát về ý tưởng và cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến LEACH, phần này sẽ tập trung nghiên cứu hoạt động của LEACH và rút ra những nhận xét về ưu điểm và nhược điểm của giao thức.
Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi vòng được bắt đầu với 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 đến nút chủ và đến trạm gốc (base station). Để giảm lượng bản tin mào đầu trong mạng thì pha ổn định phải dài hơn so với pha thiết lập.
Hình 2.3: Trạng thái các phase của LEACH
2.2.1. Pha thiết lập
Mỗi vòng hoạt động trong LEACH được bắt đầu bằng pha thiết lập, trong pha thiết lập, bước đầu tiên là lựa chọn nút chủ của từng cụm.
2.2.1.1. Lựa chọn nút chủ
Khi bắt đầu một vòng mới trong giao thức LEACH, nút cảm biến tự quyết định có hay khơng trở thành nút chủ trong vịng hoạt động đó. Cơ sở để nút đưa ra quyết định là căn cứ vào tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ trong mạng (P) và số lần nút đó đã trở thành nút chủ tính cho đến thời điểm hiện tại. Mỗi nút trong mạng lựa chọn một giá trị ngẫu nhiên (S) trong khoảng 0 và 1. Nếu giá trị này thấp hơn giá trị ngưỡng T(n), nút trở thành nút chủ của vòng hiện tại, ngược lại, nếu S lớn hơn P thì nút đó là nút thơng thường. Giá trị ngưỡng T(n) được xác định bởi cơng thức:
(2.1) Trong đó:
P = tỉ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút chủ của mạng. R là vòng hiện tại.
G là tập các nút chưa trở thành nút chủ trong (1/P) vịng trước đó. Sử dụng ngưỡng 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 lượng bằng P và
sau 1/P -1 vịng thì T(n)=1, vậy các nút chưa trở thành nút chủ trong 1/P vòng gần nhất chắc chắn sẽ phải đảm nhận vai trò nút chủ tại vòng này. Như vậy, sau 1/P vòng, tất cả nút mạng đủ điều kiện để trở thành nút chủ duy nhất một lần.
2.2.1.2. Thiết lập cụm
Sau khi quyết định trở thành nút chủ cho vòng hiện tại, nút chủ phát quảng bá một bản tin Advertisement (ADV) cho nút lân cận. Bản tin này là một bản tin nhỏ chứa ID của nút chủ và một tiêu đề để phân biệt bản tin này là một bản tin thông báo. Nút không phải là nút chủ sẽ phải giữ bộ thu trong suốt thời gian diễn ra pha thiết lập để lắng nghe bản tin Advertisements của nút chủ.
Những nút khơng 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 lượng giao tiếp thấp nhất dựa trên cường độ của tín hiệu nhận được từ bản tin quảng bá. Giả sử các kênh truyền là đối xứng, nút chủ có bản tin Advertisement được lắng nghe với cường độ tín hiệu lớn nhất chính là nút cần ít năng lượng nhất cho việc truyền thơng.
Hình 2.4: Lưu đồ thuật tốn pha thiết lập bố của LEACH
Sau khi quyết định là thành viên của cụm nào, nút sẽ thông báo cho nút chủ của cụm đó biết. Mỗi nút sẽ phát bản tin “yêu cầu kết nối” (join request - REQ) tới nút chủ. Bản tin này cũng là một bản tin nhỏ, bao gồm ID của nút, ID nút chủ và một phần
2.2.1.3. Phần bổ khe thời gian
Trong LEACH, nút chủ hoạt động như một khối điều khiển trung tâm cục bộ để xử lý dữ liệu gửi từ các nút trong cụm mà nó làm nút chủ. Nút chủ thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các nút trong cụm. Cơ chế này sẽ đảm bảo khơng có xung đột xảy ra và cho phép nút không phải là nút chủ sẽ không phải hoạt động liên tục, mà chỉ hoạt động khi đến khe thời gian được phân bổ, còn lại, nút chuyển sang trạng thái nghỉ (Sleep State). Như vậy, sử dụng TDMA sẽ tiết kiệm được năng lượng cho nút cảm biến.
Khi bản tin TDMA được truyền đến tất cả nút trong cụm, pha thiết lập đã hoàn thành và bắt đầu pha ổn định (steady state phase).
2.2.3. Pha ổn định
Hoạt động của pha truyền dữ liệu (pha ổn định) được chia ra thành các khung (Frame). Mỗi nút sẽ chuyển sang trạng thái hoạt động để gửi dữ liệu của nó tới nút chủ một lần trên một khung trong khe thời gian mà nó được phân bổ. Khe thời gian của nút là cố định trong một vịng, cứ đến khe thời gian đó thì nút tiến hành cảm biến và truyền dữ liệu tới nút chủ.
Số khe thời gian trong một khung dữ liệu phụ thuộc vào số lượng nút 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 một vòng (K) được xác định bằng P nhân với tổng số nút trong mạng, nhưng LEACH lại khơng có cơ chế đảm bảo rằng sẽ có chính xác K cụm được hình thành trong mỗi vịng. Thêm vào đó, trong pha thiết lập, do khơng đưa tham số vị trí vào q trình lựa chọn nút chủ, nên khơng đảm bảo số lượng nút trong một cụm, do đó, số nút trong một cụm là khác nhau và dữ liệu mà mỗi nút gửi đến nút chủ phụ thuộc vào số nút trong cụm đó.
Hình 2.5: Sơ đồ thuật tốn pha ổn định trong LEACH
Để giảm sự tiêu thụ năng lượng, mỗi nút không phải là nút chủ sẽ điều khiển công suất phát dựa trên cường độ của bản tin quảng bá nhận được từ nút chủ. Kênh phát sóng của nút sẽ ở trạng thái nghỉ cho đến khe thời gian của nó. Nút chủ lưu trữ dữ liệu mà nút trong cụm gửi đến. Khi đã nhận được hết dữ liệu từ tất cả nút thành viên, nút chủ tiến hành xử lý dữ liệu cục bộ, mức độ xử lý dữ liệu rất khác nhau, có thể là nén, tính tốn, tổng hợp dữ liệu… phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng. Dữ liệu đã được tổng hợp, sau đó, được gửi tới BS. Khoảng cách từ nút chủ tới BS có thể xa và kích cỡ bản tin dữ liệu thường là lớn, do đó địi hỏi nhiều năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền từ nút chủ tới trạm gốc.
Hình 2.6 chỉ ra hoạt động của LEACH trong một vòng, từ khi các cụm được hình thành trong pha thiết lập, quá trình hoạt động của pha ổn định khi dữ liệu được truyền từ các nút tới Cluster-Head rồi truyền đến BS.
Môi trường truyền dẫn của WSN là vơ tuyến, do đó, q trình truyền tín hiệu của một cụm cũng sẽ ảnh hưởng đến cụm gần nó. Ví dụ như hình sau, nút A truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến đến nút B, nó cũng làm ảnh hưởng đến nút C.
Hình 2.7: Nhiễu vơ truyến giữa các nút cảm biến
Để giảm thiểu tác động không mong muốn này giữa các cụm, mỗi cụm trong giao thức định tuyến LEACH sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Một cụm có một mã trải phổ (spread code) duy nhất, tất cả nút trong cụm truyền dữ liệu tới nút chủ phải dùng mã trải phổ này và nút chủ sẽ lọc dữ liệu được gửi từ những nút có cùng mã trải phổ với nó.
Nút chủ gửi dữ liệu tới BS cũng sử dụng một mã trải phổ cố định, và dùng cơ chế CSMA để tránh xảy ra xung đột với nút chủ khác. Tuy là kênh truyền vô tuyến, nhưng khi một nút chủ có dữ liệu để gửi tới BS, nó phải lắng nghe xem có nút chủ nào phát dữ liệu khơng. Nếu khơng có nút nào phát thì mới tiến hành truyền dữ liệu tới BS, cịn nếu có nút đang phát dữ liệu thì nút sẽ phải đợi.
2.2.4. Tổng hợp dữ liệu
Tổng hợp dữ liệu trong mạng cảm biến giúp loại trừ đi những thông tin dư thừa, trùng lặp để thu được thơng tin có ích về mơi trường cảm biến. Q trình tổng hợp dữ liệu có thể được thực hiện tại trạm gốc hoặc thực hiện tại nút chủ của một cụm ở những mức độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của mạng và tương quan giữa năng lượng tiêu thụ để tổng hợp dữ liệu so với năng lượng sử dụng để truyền những thơng tin đó. Khi mà năng lượng cho truyền tin lớn hơn, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ tại nút chủ giúp giảm năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống, do có ít dữ liệu hơn phải truyền về trạm gốc.
2.2.5. Nhóm phân cấp (Hierarchical Clustering)
LEACH có thể được mở rộng thơng qua thiết lập các nhóm phân cấp. Trong trường hợp mạng lớn, số lượng nút cảm biến nhiều, nút chủ có thể khơng truyền thơng
trực tiếp với trạm gốc, mà phải thơng qua nút chủ có mức phân cấp cao hơn (super- cluster-head), quá trình này tiếp tục cho đến lớp cao nhất của sơ đồ phân cấp, tại đây, dữ liệu mới được truyền đến trạm gốc. Trong mạng lớn, sự phân cấp này rõ ràng mang lại hiệu quả cao hơn trong việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của nút chủ.
Hình 2.8: Mơ hình mạng cảm biến super-cluster
2.2.6. Ưu điểm, nhược điểm
Những phần trên đã đề cập đến LEACH, một giao thức định tuyến dựa trên cơ chế phân cụm nhằm tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao bằng cách phân bổ đều khả năng được lựa chọn làm nút chủ cho tất cả nút mạng. Tại những thời điểm khác nhau, mỗi nút có vai trị khác nhau, và do đó, sử dụng năng lượng khác nhau. Nhưng số lần đóng vai trị nút chủ của tất cả nút mạng trong một chu kỳ là bằng nhau, nhờ đặc điểm này mà LEACH có thể phân bổ đều năng lượng tiêu thụ trong mạng, vì năng lượng tiêu thụ chủ yếu tập trung tại các nút chủ. Từ đó, có thể rút ra một số ưu điểm của LEACH như sau:
Đơn giản: Trong giao thức định tuyến LEACH, nút cảm biến tự tiến hành quyết định nút chủ và phân bổ cụm, khơng địi hỏi thơng tin điều khiển từ trạm gốc và nút khơng u cầu hiểu biết về tồn bộ cấu hình mạng. Ưu điểm này giảm gánh nặng cho trạm gốc và lượng bản tin mào đầu truyền trong mạng.
Phân bố đều năng lượng tiêu thụ cho nút mạng: Với việc sử dụng ngưỡng quyết định T(n) và giá trị ngẫu nhiên có phân bố đều S, xét về mặt lý thuyết, nếu thời gian càng dài thì thuật tốn LEACH phân bố đều vai trị làm nút chủ cho tất cả nút và thơng qua đó, gián tiếp làm cho năng lượng tiêu thụ trên các nút gần tương đương nhau.
Bên cạnh những ưu điểm trên, giao thức định tuyến LEACH vẫn còn những nhược điểm sau:
khơng, do đó, thuật tốn LEACH khơng có cơ chế nào để đảm bảo được số lượng cụm trong một vòng. Nhược điểm này dẫn đến hậu quả là có những vịng khơng có cụm nào được hình thành, trong khi ở những vịng khác lại có q nhiều cụm, từ đó, dữ liệu gửi tới trạm gốc bị gián đoạn.
Xác định nút chủ khơng căn cứ vào năng lượng cịn lại: Một trong những ưu điểm của LEACH là phân bố đều vai trò làm nút chủ trong một chu kỳ cho tất cả nút mạng, tuy nhiên, trong trường hợp mạng lớn, khoảng cách từ nút đến trạm gốc chênh lệch nhau nhiều, do đó, lượng năng lượng tiêu hao khi trở thành nút chủ cũng khác xa nhau, nhưng LEACH lại không căn cứ vào năng lượng còn lại để lựa chọn nút chủ, mà căn cứ vào số lần đã trở thành nút chủ trong các vịng trước đó. Nhược điểm này làm cho nút ở xa trạm gốc mất năng lượng sớm hơn.
Phân bổ cụm khơng hiệu quả: Q trình chọn nút chủ và do đó là phân bổ cụm hồn tồn khơng quan tâm tới vị trí của nút mạng nên có rất nhiều trường hợp hai nút chủ nằm cạnh nhau, tạo nên hai cụm chồng lấn lên nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả của mạng.
2.3. LEACH – C
Để khắc phục những nhược điểm của giao thức LEACH cơ bản, rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành, trong đó giao thức LEACH-C đã đưa ra được những giải pháp hiệu quả cho vấn đề đó và được đánh giá rất cao về khả năng ứng dụng trong mạng WSN[18][16].
Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống với LEACH cơ bản, chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase), còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì nó kế thừa từ giao thức LEACH. Khác với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm), trong giao thức LEACH-C, quá trình lựa chọn cụm và nút chủ được thực hiện bởi trạm gốc.
2.3.1. Lựa chọn nút chủ
Trong giao thức định tuyến LEACH cơ bản, mỗi nút tự quyết định sẽ trở thành nút chủ trong vịng hiện tại hay khơng, giải thuật này khơng đảm bảo được vị trí cũng như số lượng nút chủ trong tồn mạng. Do đó, LEACH-C thực hiện tập trung dữ liệu về thơng tin của tồn bộ nút cảm biến về trạm gốc rồi tiến hành chọn nút chủ và hình thành cụm, q trình này có thể tạo cụm tốt hơn với các nút chủ được phân tán trên tồn mạng. Thêm vào đó, trong q trình lựa chọn nút chủ, trạm gốc có thể dễ dàng thêm vào tham số, trong đó có năng lượng dự trữ của nút cảm biến.
Trong pha thiết lập của LEACH – C, tất cả nút mạng sẽ gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng lượng cịn lại) về trạm gốc. Trạm gốc, sau đó, sẽ dùng thuật tốn tối ưu để xác định ra các cụm và nút chủ cho vịng hiện tại.
Hình 2.9: Pha thiết lập của LEACH-C
Để lấy được thông tin về tất cả nút trong mạng, trạm gốc định kỳ gửi bản tin quảng bá ADV. Chu kỳ gửi bản tin này bằng thời gian của một vòng.
Bản tin ADV chứa ID của trạm gốc và phần tiêu đề để phân biệt đây là bản tin ADV. Khi nút mạng nhận được bản tin này, nó lấy ra ID của trạm gốc và xác định rằng đây là nút chủ của nó và gửi về bản tin REQ có chứa vị trí và năng lượng hiện tại của nút cho BS. BS sử dụng những thơng tin này để xác định nút chủ cho vịng hiện tại.
2.3.2. Thiết lập cụm và truyền dữ liệu
Sau khi trạm gốc lựa chọn được nút chủ cho vòng hiện tại, BS gửi bản tin quảng bá có chứa ID của nút chủ tới tất cả nút trong mạng. Khi nút nhận được bản tin này, kiểm tra ID của mình có bằng với ID trong bản tin quảng bá đó khơng, nếu bằng thì nó sẽ là nút chủ trong vịng hiện tại, ngược lại, nó sẽ chờ bản tin quảng bá từ nút chủ.
Khi đã quyết định trở thành nút chủ hay khơng trong vịng hiện tại, pha thiết lập cụm và truyền dữ liệu hoàn toàn giống với giao thức LEACH cơ bản.
2.3.3. Ưu điểm, nhược điểm
Với mục tiêu khắc phục những nhược điểm của giao thức LEACH cơ bản, LEACH-C đã có những ưu điểm sau:
Phân bổ năng lượng hiệu quả: Trong LEACH-C, trạm gốc - không bị giới hạn về năng lượng - đảm nhiệm chức năng lựa chọn nút chủ, do đó, có thể áp dụng những thuật tốn tối ưu phức tạp hơn và đưa nhiều tham số hơn vào quá trình ra
quyết định, do đó, lựa chọn được nút chủ tối ưu hơn, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các nút trong mạng.
Xác định nút chủ căn cứ vào năng lượng dự trữ: Với việc đưa tham số năng lượng dự trữ trở thành một điều kiện trong quá trình xác định nút chủ, rõ ràng là LEACH-C đạt hiệu quả tốt hơn LEACH cơ bản. Thêm vào đó, BS thực hiện