Giao thức phân cụm thích nghi công suất thấp LEACH (Low-energy Adaptive
Clustering Hierarchy) sử dụng khái niệm phân cấp và tổ chức các nút trong mạng thành các
cụm (cluster). Trong mỗi cụm, các nút lần lƣợt đóng vai trò nút chủ (clusterhead). LEACH sử dụng TDMA để truyền thông tin từ các nút tới nút chủ. Nút chủ chuyển tiếp thông tin nhận đƣợc tới trạm gốc.
120
khác của cụmđƣợc gọi là nút thành viên (member n o d e). Với tất cả các nút thành viên, các
khe TDMA đƣợc ấnđịnh và có thể đƣợc dùng để trao đổi dữ liệu giữa các thành viên và nút
chủ. Ở đây không có giao tiếp ngang hàng. Ngoài các khe thời giancủa chúng, các thành viên
có thể ở trạng thái ngủ. Nút chủ tập hợp dữ liệu của các thành viên và truyền chúng đến bộ
thu hoặc đến các nút khác. Do bộ thu thƣờng ở xa nên nút chủ phải sử dụng năng lƣợng đáng kể cho việc truyền này. Đối với nút thành viên, việc truyền dữ liệu đến nút chủ thƣờng rẻ hơn rất nhiều so với chuyển trực tiếp đến bộ thu. Các nút chủ tiêu tốn nhiều năng lƣợng do nó luôn
phải bật và phải có trách nhiệm trong các truyền dẫn khoảng cách lớn. Nếu một nút cốđịnh có
vai trò này thì nó sẽ tiêu thụ năng lƣợng rất nhanh và sau đó, nó sẽ chết, tất cả các thành viên của nó sẽ nhƣ “rắn mất đầu” và do đó, chúng trở nên vô dụng. Vì vậy, vai trò chủ đạo này sẽ đƣợc thay đổi giữa các nút. Đặc biệt, mỗi nút sẽ quyết định độc lập với các nút khác rằng nó có trở thành nút chủ không nên lƣu lƣợng tín hiệu không phụ thuộc vào việc chọn nút chủ (mặc dù lƣu lƣợng tín hiệu đƣợc yêu cầu để kết hợp các nút sau đó). Quyết định này đƣợc đƣa vào báo cáo khi nút đƣợc xem nhƣ là nút chủ lần cuối cùng. Giao thức sẽ đƣợc xâu dựng dựa trên cơ sở này, đó là tất cả các nút quyết định xem liệu có trở thành nút chủ tại cùng một thời điểm không và các nút không trở thành nút chủ sẽ phải liên kết với nhau để sau đó trở thành nút chủ. Các nút không trở thành nút chủ chọn nút chủ cho chúng trên cơ sở cƣờng độ tín hiệu
thu đƣợc. Mạng đƣợc chia thành các cụmsẽ biến đổi theo thời gian và giao thức phải đồng bộ
thời gian hoàn toàn.
Để giảm can nhiễu giữa các cụm, LEACH sử dụng cơ chế gán mã dựa trên bộ phát. Truyền thông giữa một nút và nút chủ đƣợc thực hiện sử dụng trải phổ dãy trực tiếp (DSSS), trong đó mỗi cụm sẽ đƣợc cấp một mã trải phổ duy nhất. Mã này đƣợc sử dụng bởi tất cả các nút trong cụm để phát dữ liệu tới nút chủ. Các mã trải phổ đƣợc cấp cho các nút chủ dựa trên
cơ sở vào trƣớc – đƣợc phục vụ trƣớc (first-in, first-served), bắt đầu bằng nút chủ đầu tiên
thông báo vị trí của nó, sau đó là các nút chủ kế tiếp. Nút chủ thông báo tới các nút thành viên
mã CDMA đƣợc cấp. Điều này sẽ tránh tình trạng khi nút nằm ở biên giới thuộc nút chủ A
nhƣng do méo trong quá trình truyền lại thuộc cụm B nhƣ hình 3.23. Các nút phải có khả năng
điều chỉnh công suất phát để giảm can nhiễu giữa các cụm lân cận.
Hình 3.23.Nhiễu giữa các nhóm
Tham số mạng tới hạnlà phần trăm nút làm nút chủ. Nếu chỉ có một số ít làm nút chủ
thì khoảng cách mong muốngiữa nút thành viên và nút chủ trở nên lớn hơn, do đó nút thành
viên phải sử dụng nhiều năng lƣợng để đến đƣợc nút chủ của chúng khi đảm muốn đảm bảo tỉ số BER đã cho. Nói cách khác, nếu có nhiều nút chủ thì sẽ phải sử dụng nhiều năng lƣợng
121
hơn cho việc truyền dẫn từ các nút chủ đến bộ thu. Vì vậy, tồn tại tỉ lệ phần trăm tối ƣu nút
chủ là 5%. Nếu giá trị tối ƣu này đƣợc chọn thì LEACH có thể giảm đƣợc bảy đến tám lần
năng lƣợng sử dụng so với trƣờng hợp mỗi nút truyền trực tiếp dữ liệu của mình đến bộ thu,
và sẽ là bốn đến tám lần so với trƣờng hợp các gói tin chuyển tiếp trong đa bƣớc nhảy. Do
LEACH phân bố vai trò của nút chủ một cách công bằng đối với tất cả các nút nên chúng thƣờng chết cùng lúc.
Sau khi nhận các gói dữ liệu từ các nút thành viên, nút chủ tập hợp dữ liệu trƣớc khi gửi tới trạm gốc. Truyền thông giữa nút chủ với trạm gốc đƣợc thực hiện sử dụng mã trải phổ đã chọn và CSMA. Trƣớc khi phát dữ liệu, nút chủ phải cảm nhận kênh truyền để đảm bảo không có nút chủ khác đang truyền dữ liệu. Nếu kênh truyền bận, nút chủ chờ cho đến khi kênh truyền rỗi. Lúc này nút chủ gửi dữ liệu tới trạm trung tâm sử dụng mã trải phổ đã chọn.
Với các giao thức đã đƣợc mô tả ở trên, LEACH không thể bao phủ một vùng địa lý rộng lớn khoảng vài dặm vuông hoặc lớn hơn vì nút chủ chỉ đƣợc cách bộ thu khoảng hai dặm là đã không đủ năng lƣợng để tới bộ thu, chƣa kể đến việc tỉ số BER lúc đó sẽ thấp. Nếu có thể sắp xếp sao cho nút chủ này có thể sử dụng các nút chủ khác để truyền tiếp thì hạn chế này có thể khắc phục phần nào.
Nhìn chung, các giao thức dựa trên lịch trình không có sự ganh đua, do đó hạn chế đƣợc sự lãng phí năng lƣợng do xung đột. Ngoài ra, các nút cảm biến chỉ cần bật máy thu trong các khe thời gian dữ liệu đƣợc phát hoặc thu. Trong các khe thời gian khác, máy thu đƣợc tắt, do đó tránh đƣợc hiện tƣợng nghe lén. Kết quả là các nút hoạt động ở trạng thái chu trình làm việc thấp, kéo dài đáng kể thời gian sống của mạng. Tuy nhiên, các giao thức dựa trên lịch trình cũng có một vài nhƣợc điểm, hạn chế việc sử dụng chúng trong WSN. Sử dụng TDMA yêu cầu tổ chức các nút thành cụm. Cấu trúc phân cấp này thƣờng hạn chế các nút chỉ giao tiếp đƣợc với nút chủ. Nhƣ vậy không thể hỗ trợ trực tiếp truyền thông ngang hàng (đồng cấp), trừ khi các nút đƣợc yêu cầu ở trạng thái nghe trong tất cả các khe thời gian. Hầu hết các
cơ chế dựa trên lịch trình phụ thuộc vào sự đồng bộthời gianchính xác, phân bố để căn đƣợc
biên của các khe thời gian. Việc đồng bộ thời gian giữa các nút phân tán là một nhiệm vụ khó khăn và tốn kém, đặc biệt trong các mạng không dây có năng lƣợng hạn chế. Các cơ chế dựa trên lịch trình cũng yêu cầu sử dụng thêm các phƣơng thức nhƣ FDMA hay CDMA để khắc phục hiện tƣợng nhiễu liên cụm. Một nhƣợc điểm nữa là các giao thức MAC dựa trên TDMA hạn chế khả năng mở rộng mạng và rất khó thích nghi với sự di chuyển của nút và sự thay đổi về lƣu lƣợng cũng nhƣ cấu hình mạng. Khi một nút gia nhập hoặc rời khỏi một cụm, chiều dài khung và việc gán khe thời gian phải đƣợc điều chỉnh. Nếu thay đổi xảy ra thƣờng xuyên, việc điều chỉnh có thể rất tốn năng lƣợng hoặc mất nhiều thời gian để đạt hiệu quả.
Hoạt động của giao thức LEACH sẽ đƣợc trình bày chi tiết hơn ở chƣơng 4.