1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
4.2.3Phân nhóm phân cấp thích ứng năng lượng thấp (LEACH
Adaptive Clustering Hierarchy).
LEACH là một thuật toán định tuyến được thiết kế để thu thập và phân phối dữ liệu đến các bộ góp dữ liệu, thông thường là một trạm gốc. Mục tiêu chính của LEACH là :
• Kéo dài thời gian sống của mạng.
• Giảm năng lượng tiêu thụ tại các node mạng.
• Sử dụng sự tập hợp dữ liệu để giảm bớt số thông điệp cần truyền đi.
Để đạt được những mục tiêu này, LEACH xây dựng cấu trúc mạng thành các cluster. Mỗi cluster được quản lý bởi các node chính gọi là cluster head. LEACH lựa chọn ngẫu nhiên một số node cảm biến để trở thành các node chính và quay vòng vai trò này để phân bố đều tải năng lượng giữa các node cảm biến trong mạng và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Nhiệm vụ đầu tiên là các node chính tập hợp
Hình 4.9 : Mô hình mạng LEACH
dữ liệu đến từ các node khác trong nhóm của chúng. Sau khi thu thập dữ liệu, các node chính cố gắng loại bỏ những dư thừa giữa các giá trị tương quan. Nhiệm vụ thứ hai của cluster head là truyền trực tiếp dữ liệu tập hợp được đến trạm gốc nhằm mục đích giảm số lượng thông tin truyền về trạm gốc. Việc truyền dữ liệu tổng hợp được thực hiện thông qua phương thức truyền đơn chặng (single hop). Mô hình mạng sử dụng giao thức LEACH được mô tả trên hình 4.9. Nhiệm vụ thứ 3 của cluster head là tạo ra một bộ định thời TDMA, và cấp cho mỗi node một khe thời gian khi nó truyền phát. Định thời được quảng bá tới tất cả các node của nhóm. LEACH dùng kỹ thuật đa truy nhập theo mã (CDMA) để giảm xung đột giữa các node trong và ngoài cluster. Mã được lựa chọn cẩn thận để giảm can nhiễu giữa các cluster.
Hoạt động của giao thức LEACH được phân tách thành hai pha riêng biệt, pha thiết lập và pha ổn định trạng thái.
Pha thiết lập, các nhóm được tổ chức và các node chính được lựa chọn.
Pha ổn định trạng thái, việc truyền dữ liệu về trạm gốc được tiến hành. Khoảng thời gian 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 4.10 Các pha trong LEACH.
Trong pha thiết lập, bắt đầu quá trình chọn lựa các node chính (cluster head). Quá trình lựa chọn node chính được xoay vòng giữa các node mạng để nhằm mục đích năng lượng tiêu tán giữa các node cảm biến là đồng đều. Một số lượng nhỏ các node được xác định trước tự quyết định chúng trở thành các node chính, một node (n) chọn lấy một số ngẫu nhiên, v, trong phạm vi từ 0 đến 1 và so sánh với giá trị ngưỡng T(n). Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngưỡng T(n), thì node đó trở thành node chính ở vòng hiện tại. Giá trị ngưỡng tính toán dựa trên một biểu thức toán học có sự kết hợp phần trăm mong muốn hay xác suất trở thành node chính P ở vòng lặp hiện tại r, và tập hợp các node chưa được chọn làm node chính ở 1/P vòng trước đó – tập G. T(n) được xác định như sau :
Trong đó, P là tỷ lệ phần trăm node chính, r là chu kỳ hiện thời, và G là tập các node không được lựa chọn là node chính trong 1/P chu kỳ cuối cùng. Sau khi các node chính được lựa chọn, các node này sẽ thông báo tới tất cả các node cảm biến trong mạng rằng chúng là các node chính mới. Các node khác, không phải là node chính khi nhận được thông báo này, chúng sẽ lựa chọn nhóm mà chúng sẽ tham dự theo cường độ tín hiệu của thông báo từ các node chính đến các node này. Các node cảm biến này sẽ khai báo với node chính thích hợp rằng chúng sẽ là thành viên của nhóm. Sau khi thu thập được tất cả các bản tin từ các node muốn gia nhập nhóm và dựa trên số lượng các node thành viên của nhóm, node chính sẽ tạo ra một biểu thời gian TDMA, và cấp cho mỗi node một khe thời gian khi nó truyền phát. Và mỗi node chính cũng lựa chọn ra một mã CDMA, phân bố đều cho tất cả các node thành viên, để giảm xung đột giữa các node trong và ngoài cluster. Mã được lựa chọn cẩn thận để giảm can nhiễu giữa các cluster.
Trong giai đoạn ổn định trạng thái, các node cảm biến bắt đầu truyền số liệu tới các node chính. Các node chính sau khi nhận tất cả số liệu từ các node trong nhóm thì nó tiến hành tập hợp các số liệu này trước khi gửi đến trạm gốc. Sau một khoảng thời gian xác định nào đó được xác định trước, mạng sẽ quay trở lại trạng thái thiết lập và bắt đầu một vòng lựa chọn các node chính mới.
LEACH cung cấp một mô hình tốt mà các thuật toán nội bộ và tập hợp dữ liệu có thể được thực hiện trong các node chính được lựa chọn một cách ngẫu nhiên. Điều này làm giảm quá tải thông tin và cung cấp một tập hợp các số liệu tin cậy cho người sử dụng cuối cùng. LEACH góp phần giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian hơn của mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm các nhóm cố định.
Tuy nhiên, LEACH có một số nhược điểm sau :
LEACH chưa xác định cụ thể được số lượng tối ưu của các node chính của mạng khi mà các mạng có cấu hình, mật độ và số lượng node khác nhau.
Chưa có gợi ý về khi nào thì việc tái tạo lại các node chính cần được thực hiện.
Các node chính ở xa trạm gốc sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và nhanh chóng dừng hoạt động hơn các node khác.
Tất cả các node có thể kết nối với trạm gốc qua một chặng có thể không khả thi vì khả năng và năng lượng cung cấp cho các node thay đổi theo thời gian.
Khoảng thời gian của pha ổn định trạng thái có ảnh hưởng lớn đến năng lượng tiêu thụ. Nếu như thời gian ổn định trạng thái ngắn có thể làm tăng overhead (chi phí cho điều khiển giao thức), còn nếu thời gian ổn định trạng thái kéo dài thì lại làm năng lượng của các node bị sụt giảm nhanh chóng.
Nhiều giao thức đã được đưa ra để cải tiến LEACH. Giao thức XLEACH (extended LEACH) xem xét đến mức năng lượng của node trong quá trình lựa chọn node chính. Theo đó, mức ngưỡng T(n) được lựa chọn như sau :