LEACH là một giao thức định tuyến đƣợc thiết kế để thu thập và phân phối dữ liệu đến các bộ thu, thƣờng là các trạm trung tâm. LEACH đƣợc sử dụng với các mục đích chính là: kéo dài thời gian sống của mạng, giảm năng lƣợng tiêu thụ tại các nút mạng, dùng sự tập hợp dữ liệu để giảm số thông điệp cần truyền đi.
Nhƣ đã đề cập đến trong phần 3.6.1, LEACH xây dựng cấu trúc mạng thành các cụm. Mỗi cụm đƣợc quản lý bởi một nút chủ gọi là nút chủ. LEACH lựa chọn ngẫu nhiên một số nút cảm biến để trở thành các nút chủ và quay vòng vai trò này để phân bố đều tải năng lƣợng giữa các nút cảm biến trong mạng. Ở LEACH, các nút chủ nén dữ liệu đến từ các nút khác
156
trong cụm của chúng và gửi các gói dữ liệu thu thập này tới trạm trung tâm nhằm mục đích giảm số lƣợng thông tin truyền phát về trạm trung tâm. Việc thu thập số liệu đƣợc thực hiện tập trung và theo chu kỳ. Do vậy giao thức này thực sự thích ứng khi có nhu cầu trao đổi theo dõi thƣờng xuyên của mạng cảm biến. Thực tế, ngƣời sử dụng có thể không cần tất cả số liệu ngay lập tức, cho nên việc truyền phát số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và có thể làm suy giảm nguồn năng lƣợng giới hạn của các nút cảm biến. Sau một khoảng thời gian cho trƣớc, việc quay vòng ngẫu nhiên thay đổi vai trò của nút chủ đƣợc tiến hành sao cho có sự tiêu tán năng lƣợng đều giữa các nút cảm biến trong mạng.
Hình 4.16.Phân chia cụm trong mạng
Hình 4.17.Tổ chức của chu kỳ LEACH
Hoạt động của LEACH (nhƣ minh họa trong hình 4.17) đƣợc tổ chức thành các chu kỳ và mỗi chu kỳ đƣợc tách thành hai pha: pha thiết lập và pha ổn định trạng thái. Ở pha thiết lập, các cụm đƣợc tổ chức và các nút chủ đƣợc lựa chọn. Ở pha ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực sự về các trạm trung tâm đƣợc tiến hành. Khoảng thời gian tồn tại của pha ổn
157
định trạng thái thƣờng dài hơn so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí.
Hoạt động trong các pha đƣợc minh họa trong hình 4.18.
Hình 4.18.Hoạt động trong các pha
Pha thiết lập bắt đầu bằng việc các nút tự ứng cử làm nút chủ. Một số lƣợng nhỏ các nút đƣợc xác định trƣớc, P, tự quyết định chúng trở thành các nút chủ. Một nút (n) chọn một số ngẫu nhiên v trong phạm vi từ 0 đến 1 và so sánh v với giá trị ngƣỡng T(n). Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngƣỡng T(n), nút đó sẽ trở thành nút chủ ở vòng hiện tại. Giá trị ngƣỡng đƣợc tính toán dựa trên biểu thức toán học có sự kết hợp phần trăm mong muốn (hay xác suất trở thành nút chủ P), vòng hiện tại (r) và tập hợp các nút chƣa đƣợc chọn làm nút chủ ở 1/P vòng trƣớc đó (G). T(n) đƣợc xác định theo công thức: 0 , n G T(n) P , n G 1 P(r mod(1 / P)) (4.1)
Ở bƣớc quảng bá, tất cả các nút chủ đƣợc lựa chọn phát quảng bá một bản tin thông báo tới tất cả các nút còn lại trong mạng rằng chúng chính là các nút chủ mới. Các nút chủ sử dụng giao thức CSMA để tránh hiện tƣợng đầu cuối ẩn. Các nút khác, không phải là nút chủ sau khi nhận đƣợc bản tin thông báo này sẽ quyết định thuộc về một cụm nào đó mà chúng muốn. Quyết định này dựa trên cƣờng độ tín hiệu của bản tin thông báo.
Trong bƣớc thiết lập cụm tiếp theo, các nút thành viên sử dụng giao thức CSMA để thông báo cho các nút chủ tƣơng ứng rằng chúng sẽ là thành viên của cụm. Sau khi thu nhận đƣợc tất cả các bản tin từ các nút muốn gia nhập cụm và dựa trên số lƣợng các nút thành viên của cụm, nút chủ biết đƣợc số lƣợng và nhận dạng của các nút trong cụm của mình.
Pha thiết lập Pha ổn định Chu kỳ độ dài cố định Khe thời gian 1 Khe thời gian 2 Khe thời gian n Khe thời gian 1
Bƣớc quảng bá Bƣớc thiết lập cụm Thông báo lịch trình
Tự ứng cử của các nút chủ
Các nút chủ cạnh tranh với CSMA
Các nút thành viên cạnh tranh với CSMA
158
Trong bƣớc thông báo lịch trình, căn cứ vào số lƣợng thành viên trong cụm, nút chủ sẽ xây dựng lịch trình TDMA, chọn mã CDMA và cấp cho mỗi nút một khe thời gian. Nút chủ thông báo lịch trình này đến tất cả các nút thành viên. LEACH dùng kỹ thuật đa truy cập theo mã CDMA để giảm xung đột giữa các nút trong và ngoài cụm. Mã đƣợc chọn lựa cẩn thận để giảm can nhiễu giữa các cụm.
Trong pha ổn định trạng thái, các nút cảm biến bắt đầu cảm biến và truyền phát số liệu về các nút chủ. Các nút chủ, sau khi thu tất cả các số liệu, tập hợp chúng lại trƣớc khi gửi đến trạm trung tâm. Sau một khoảng thời gian nhất định nào đó đƣợc xác định trƣớc, mạng sẽ quay trở lại trạng thái thiết lập và bắt đầu một vòng lựa chọn các nút chủ mới.
Do xung đột giữa các gói tin quảng bá hoặc các gói tin gia nhập cụm, giao thức này không thể đảm bảo rằng mỗi nút không phải là nút chủ sẽ thuộc một cụm nào đó. Tuy nhiên, có thể đảm bảo rằng các nút chỉ thuộc nhiều nhất là một cụm.
Nút chủ đƣợc bật trong cả chu kỳ và các nút thành viên phải bật trong pha thiết lập và đôi khi trong pha ổn định, phụ thuộc vào vị trí của chúng trong lịch trình TDMA của nhóm.
LEACH cung cấp một mô hình lựa chọn một cách ngẫu nhiên. Điều này làm giảm quá tải thông tin và cung cấp một tập hợp tin cậy các số liệu cho ngƣời sử dụng cuối cùng. LEACH góp phần giảm đáng kể năng lƣợng tiêu thụ và kéo dài thời gian hoạt động của mạng cảm biến so với trƣờng hợp mạng gồm các nhóm cố định.
Tuy nhiên, giao thức định tuyến LEACH có một số nhƣợc điểm.
Thứ nhất, LEACH chƣa xác định cụ thể đƣợc số lƣợng tối ƣu các nút chủ của mạng khi các mạng khác nhau có cấu hình, mật độ và số lƣợng nút khác nhau.
Thứ hai, LEACH chƣa có gợi ý về thời điểm thực hiện việc xác định lại các nút chủ. Thứ ba, các nút chủ ở xa trạm trung tâm sẽ tiêu thụ năng lƣợng nhiều hơn và nhanh chóng dừng hoạt động hơn các nút khác.
Thứ tƣ, do khả năng và năng lƣợng cung cấp cho các nút thay đổi theo thời gian nên tất cả các nút chủ có thể không thể thực hiện truyền tin đơn bƣớc nhảy tới trạm trung tâm.
Thứ năm, khoảng thời gian của pha ổn định trạng thái ảnh hƣởng lớn đến năng lƣợng tiêu thụ. Nếu khoảng thời gian này ngắn, chi phí điều khiển cho giao thức sẽ tăng. Ngƣợc lại, nếu khoảng thời gian này dài làm sụt giảm năng lƣợng nhanh chóng.
Nhiều giao thức đã đƣợc đƣa ra để cải tiến LEACH. Giao thức XLEACH (extented LEACH) xem xét đến mức năng lƣợng của nút trong quá trình lựa chọn nút chủ. Theo đó, mức ngƣỡng T(n) đƣợc xác định nhƣ sau: n ,current n ,current n ,s n ,max n ,max E E P 1 T(n) r div 1 1 P(r mod(1 / P)) E P E (4.2) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
159
n,s
r là số vòng liên tiếp mà nút không đƣợc làm nút chủ. Khi giá trị rn,s đạt đến 1/P, ngƣỡng T(n) trở lại giá trị nó có trƣớc khi xét đến năng lƣợng còn lại trong biểu thức tính T(n). Giá trị rn,s bằng 0 khi một nút trở thành nút chủ.
LEACH bao gồm nhiều thuộc tính cho phép giảm năng lƣợng tiêu thụ. Yêu cầu năng lƣợng trong LEACH đƣợc phân bố đều cho tất cả các nút, do vai trò nút chủ đƣợc thay đổi dựa trên mức năng lƣợng còn lại của các nút. LEACH thực sự là một thuật toán phân bố, không yêu cầu thông tin điều khiển từ trạm trung tâm. Quản lý các cụm cục bộ, không cần các thông tin về toàn mạng. Việc thu thập dữ liệu tại các cụm cũng làm giảm đáng kể năng lƣợng tiêu thụ, vì các nút không phải gửi thông tin trực tiếp tới bộ thu.