Giao thức LEACH đóng vai trò quan trọng là đại diện tiêu biểu cho các giao thức phân cấp. LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi Wendi B. Heinzelman. Giao thức LEACH(Low-energy adaptive clustering hierarchy) đã được phát triển.
Hình 2. 2. Các giao thức Leach cho mạng lưới
LEACH bao gồm sự hình thành cụm phân tán, xử lý cục bộ để giảm truyền thông chung và xoay vòng ngẫu nhiên trong việc chọn đầu cụm. Các tính năng này cho phép LEACH đạt được các yêu cầu mong muốn. Leach là một cụm giao thức bao gồm các tính năng sau đây:
Ngẫu nhiên, thích nghi, tự cấu hình thành cụm;
Kiểm soát dữ liệu truyền nhận;
Phương tiện truyền thông năng lượng thấp;
Ứng dụng cụ thể xử lý dữ liệu, như là tập hợp dữ liệu
Ý tưởng của giao thức LEACH đó là tạo thành các cụm từ cụm nút dựa trên cường độ tín hiệu nhận được và sử dụng các đầu cụm như bộ định tuyến đến trạm gốc. Điều này sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn vì việc truyền sẽ chỉ được thực hiện bởi các đầu cụm hơn là sử dụng tất cả các nút trong cụm. Giao thức này tạo điều kiện
cho các nút có nhiều năng lượng dư hơn có nhiều cơ hội hơn để được chọn làm đầu cụm. Để mở rộng tuổi thọ của toàn bộ mạng cảm biến, tải năng lượng phải được phân bố đồng đều giữa tất cả các nút cảm biến để năng lượng tại một nút cảm biến đơn lẻ hoặc một bộ nhỏ các nút cảm biến sẽ không bị rút cạn.
Trong LEACH, các nút tự tổ chức mình thành một cụm, với một nút hành động như là đầu cụm. Tất cả các nút không phải chủ cụm phải truyền tải dữ liệu của chúng vào nút đầu cụm, trong khi nút đầu cụm phải nhận được dữ liệu từ tất cả các thành viên trong nhóm, thực hiện chức năng xử lý tín hiệu trên các dữ liệu (ví dụ như: tập hợp các dữ liệu), và truyền tải dữ liệu đến trạm gốc ở xa. Vì vậy, nút chủ cụm tốn nhiều năng lượng hơn nút không phải chủ cụm. Trong kịch bản, nơi tất cả các nút có năng lượng giới hạn, nếu chủ cụm đã lựa chọn theo cách suy diễn và cố định trên toàn hệ thống trong đời, như trong một thuật toán nhóm tĩnh, các nút chủ cụm xin cảm biến một cách nhanh chóng lập các giới hạn sử dụng năng lượng. Một khi các chủ cụm hết năng lượng, nó không còn hoạt động.
Hình 2. 3. Thời gian hoạt động của LEACH
Vì vậy, khi một nút chủ cụm chết, tất cả các nút nằm trong nhóm bị mất khả năng giao tiếp. Vì vậy, LEACH luân phiên lựa chọn các nút chủ cụm để chủ cụm xoay vòng giữa các nút cảm biến, tránh hiện tượng hết pin của bất kỳ nút cảm biến trên mạng lưới và kéo dài tuổi thọ của các nút. Bằng cách này, việc nạp năng lượng được liên kết với một chủ cụm đều chia ra cho các nút.
Phương tiện truyền thông truy cập trong LEACH được chọn sẵn để làm giảm năng lượng tiêu hao trong các nút không phải chủ cụm. Kể từ khi nút chủ cụm biết
tất cả các thành viên trong nhóm, nó có thể tạo ra một lịch trình TDMA để mỗi nút cho biết chính xác khi nào sẽ truyền tải dữ liệu của nó. Điều này cho phép các nút để ở chế độ ngủ càng lâu càng tốt. Ngoài ra, việc sử dụng một lịch trình TDMA để chuyển giao dữ liệu ngăn chặn các xung đột trong các cụm.
Các hoạt động của các LEACH được chia thành vòng. Mỗi vòng bắt đầu với một pha thiết lập khi các cụm được tổ chức, theo sau một pha ổn định, nơi một số khung của dữ liệu được chuyển giao từ các nút vào chủ cụm và truyền lên trạm cơ sở. Pha sẵn sàng dài hơn so với pha chuẩn bị.
Giao thức LEACH có rất nhiều biến thể để có thể thích ứng được với vô số các điều kiện sử dụng khác nhau. Mỗi biến thể đều có những đặc điểm riêng bao gồm nhiều những cải tiến và cả những điểm yếu. Rất nhiều khảo sát đã được thực hiện trên LEACH và các biến thể của nó trong WSN. Để đem lại một cái nhìn toàn diện, LEACH được chia làm 2 loại: giao tiếp đơn bước (single-hop) và giao tiếp đa bước (multi-hop) dựa trên việc truyền dữ liệu từ đầu cụm đến trạm gốc. Trong pha truyền dữ liệu của WSN, dữ liệu được truyền theo hai chế độ giao tiếp khác nhau: giao tiếp nội cụm và giao tiếp giữa các cụm. Trong giao tiếp nội cụm, các thành viên cụm giao tiếp với đầu cụm trong và trong giao tiếp ngoại cụm, các đầu cụm giao tiếp với trạm gốc. Các giao tiếp cụm nội bộ luôn luôn là đơn bước. Tuy nhiên, giao tiếp giữa các cụm có thể là đơn bước hoặc đa bước. Nhiều thuật toán định tuyến phân cụm phân cấp đã được phát triển bằng cách sử dụng hai loại truyền thông này.[9] Các giai đoạn và phân loại LEACH và các biến thể của chúng được thể hiện trong hình 2.4.
Hình 2. 5. Một số mục đích chính của LEACH và các biến thể
Mục tiêu của LEACH và các biến thể của nó: LEACH và những biến thể được phát triển với các mục đích khác nhau trong WSN. Mục tiêu phổ biến và quan trọng nhất của các giao thức này là bảo tồn năng lượng. Hình 2.5 cho thấy tổng
quan về một số mục tiêu phổ biến nhất của LEACH và những giao thức kế nhiệm của nó.