Hình 2. 6. Lưu đồ quá trình chọn nút đầu cụm
Nguyên tắc hoạt động của LEACH bắt đầu bằng việc chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các đầu cụm (Cluster - Head), vì thế sự suy hao năng lượng lớn trong truyền thông với các trạm gốc được trải ra tới tất cả các nút cảm biến trong mạng cảm biến. Hoạt động của LEACH được chia thành hai giai đoạn là giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định. Khoảng thời gian của giai đoạn ổn định dài hơn với khoảng thời gian của giai đoạn thiết lập để giảm thiểu phụ tải (Overhead). Trong giai đoạn thiết lập, một nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngưỡng T(n), nút cảm biến này là một đầu cụm. T(n) được tính như sau:
1 , 1 ( mod ) 0, p n p n G p r T n G (2.1)
Với P là tỉ lệ phần trăm để trở thành một đầu cụm, r là chu kỳ hiện tại, r
mod(1 / P) là số nút được chọn làm đầu cụm trong vòng và G là tập các nút không được chọn làm đầu cụm trong 1 / P chu kỳ cuối. Mỗi nút sẽ được làm đầu cụm tại một số điểm trong vòng1/P chu kỳ. Sau 1/P - 1 chu kỳ, T = 1 cho bất kỳ nút nào chưa được làm đầu cụm, và sau 1/P chu kỳ, tất cả các nút lại một lần nữa hội tụ đủ điều kiện để trở thành đầu cụm. Một mặt, do đầu cụm cần thực hiện hợp nhất dữ liệu từ những dữ liệu nhận được và gửi nó đến trạm gốc nên các đầu cụm thừa chắc chắn sẽ làm tăng tải cho toàn mạng. Mặt khác, ít đầu cụm hơn làm cho vùng phủ sóng của một cụm sẽ quá rộng để tăng mức tiêu thụ năng lượng của việc truyền dữ liệu. Trong thuật toán này, tất cả các nút đều sử dụng giao thức truyền đơn. Nếu khoảng cách truyền quá xa, đầu cụm sẽ tiêu thụ lượng lớn năng lượng để truyền dữ liệu khiến cho đầu cụm chết sớm do cạn kiệt năng lượng. [10]
Giai đoạn thiết lập: Một khi các nút bầu cử tự nhận là đầu cụm bằng cách
sử dụng những xác xuất trong chương trình ở trên, các nút đầu cụm phải thông báo cho tất cả các nút khác trong mạng lưới biết rằng họ đã chọn cho vai trò này trong chu kỳ hiện tại. Để làm được điều này, mỗi nút đầu cụm phát một tin nhắn quảng cáo (Adv) bằng cách sử dụng CSMA. Thông báo này là một thông điệp có chứa ID của nút và một tiêu đề mà phân biệt thông báo này với một thông điệp thông báo bình thường. Tuy nhiên, thông báo này phải được phát sóng để tiếp cận với tất cả các nút trong mạng. Có hai cách cho việc này. Trước tiên, đảm bảo rằng tất cả các nút nghe thông báo chủ yếu loại bỏ xung đột khi CSMA được sử dụng. Thứ hai, một khi không có gì đảm bảo rằng các nút tự bầu chọn đầu cụm là trai đều trên toàn mạng, bằng cách sử dụng nguồn điện đủ để tiếp cận với tất cả các nút đảm bảo rằng tất cả các nút có thể trở thành một phần của một nhóm. Nếu nguồn điện của các thông điệp thông báo đã được giảm, một số nút trên cạnh của các mạng có thể
không nhận được bất kỳ thông báo và do đó có thể không thể tham gia vào vòng này của các giao thức. Hơn nữa, từ những thông điệp thông báo nhỏ, việc gia tăng nguồn điện để tiếp cận với tất cả các nút trong mạng lưới không phải là một gánh nặng. Vì vậy, việc truyền tải điện năng được thiết lập đủ cao mà tất cả các nút trong mạng có thể nghe các thông điệp thông báo.
Mỗi nút không phải đầu cụm xác định nó thuộc nhóm nào bằng cách chọn các đầu cụm đòi hỏi năng lượng truyền thông tối thiểu, dựa trên việc nhận tín hiệu cường độ thông báo từ mỗi đầu cụm. Sau khi đã quyết định nút thuộc nhóm nào, nó phải thông báo cho nút đầu cụm rằng nó sẽ là một thành viên của nhóm. Mỗi nút truyền một thông báo yêu cầu tham gia (Join-Req) quay trở lại chọn đầu cụm bằng cách sử dụng CSMA. Thông báo này lại là một thông báo ngắn, bao gồm các ID của nút, các ID của các đầu cụm, và một tiêu đề. Kể từ khi nút có một quan niệm về năng lượng cần thiết để tiếp cận với các đầu cụm (dựa trên nhận được thông điệp thông báo về mức năng lượng của), nó có thể điều chỉnh nó để truyền tải điện năng cấp độ này.
Các đầu cụm trong LEACH hoạt động như các trung tâm kiểm soát vị trí để phối hợp các dữ liệu được truyền đi trong nhóm của họ. Các nút đầu cụm thiết lập một lịch trình và TDMA truyền vào lịch trình các nút trong cụm. Điều này đảm bảo rằng không có xung đột dữ liệu và cũng cho phép các thành phần phát của mỗi nút không phải đầu cụm được tắt ở tất cả các lần, trừ khi thời gian của họ truyền tải, do đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của các cảm nhận riêng lẻ. Sau khi TDMA gọi lịch trình của tất cả các nút trên các cụm, các thiết lập giai đoạn hoàn tất và giai đoạn ổn định có thể bắt đầu hoạt động.
Hình 2. 7. Lưu đồ giai đoạn thiết lập
Giai đoạn ổn định: Các hoạt động giai đoạn ổn định là đứt quãng trong
khung, nơi các nút gửi dữ liệu vào các đầu cụm tại hầu hết các khung cho mỗi lần trong thời gian của khe truyền. Mỗi khe trong đó một nút truyền dữ liệu là cố định, do đó, thời gian cho một khung của dữ liệu chuyển tùy thuộc vào số lượng các nút trong cụm. Trong khi các thuật toán phân phối để xác định nút đầu cụm đảm bảo cho việc tạo ra số lượng mỗi chu kỳ tạo cụm là k, nó không đảm bảo rằng có k cụm ở mỗi chu kỳ. Trong phần bổ xung hêm, các thiết lập giao thức không đảm bảo rằng các nút đều được chia ra cho các nút đầu cụm.
Để giảm năng lượng tiêu hao, mỗi nút không phải đầu cụm sử dụng quyền lực để thiết lập kiểm soát số lượng truyền tải điện năng, dựa vào các nhận được năng lượng của các thông báo đầu cụm. Ngoài ra, các trạm phát của mỗi nút không phải đầu cụm bị tắt cho đến khi phân bổ lại thời gian truyền. Vì tất cả các nút có để gửi cho các đầu cụm bằng cách sử dụng một lịch trình TDMA.
Các đầu cụm phải thu nhận tất cả các dữ liệu từ các nút trong cụm. Một khi đầu cụm nhận được tất cả các dữ liệu, nó có thể hoạt động trên các dữ liệu (ví dụ
như: thực hiện việc tập hợp dữ liệu) và sau đó các dữ liệu được gửi từ các đầu cụm đến trạm gốc.
Hình 2. 8. Lưu đồ giai đoạn ổn định
Sau một khoảng thời gian ổn định nào đó, mạng vào lại bắt đầu giai đoạn thiết lập và vào chu kỳ mới trong việc lựa chọn những đầu cụm.