Chƣơng 3 GIAO THỨC LEACH VÀ CẢI TIẾN
3.3. Hạn chế của LEACH và cải tiến
3.3.1. Hạn chế
Ngoài các ƣu điểm nhƣ yêu cầu năng lƣợng của hệ thống đƣợc phân phối cho tất cả các nút, tự phân cụm không cần điều khiển từ Sink, thực hiện tính toán địa phƣơng trong mỗi cụm để giảm số lƣợng dữ liệu phải truyền đến Sink, các nút ngủ khi chờ đến lƣợt truyền dữ liệu, giao thức LEACH có một số hạn chế nhƣ sau :
- Không quan tâm đến năng lƣợng còn lại của nút: Vì chọn nút cụm trƣởng là ngẫu nhiên nên sẽ dẫn đến tình trạng một nút năng lƣợng còn lại ít đƣợc chọn làm cụm trƣởng
- Các nút cụm trƣởng ở xa Sink sẽ tiêu thụ nhiều năng lƣợng hơn và nhanh chóng dừng hoạt động hơn các nút khác vì phải truyền trực tiếp dữ liệu đến Sink.
- Số cụm và số lƣợng thành viên trong một cụm phân chia không đều. Có thể có cụm nhiểu thành viên và cụm ít thành viên, có thể hai nút gần nhau đều là cụm trƣởng trong một vòng.
- Không thể đƣợc áp dụng cho các mạng cảm biến đặc biệt lớn do yêu cầu truyền thông trực tiếp giữa cụm trƣởng với Sink.
3.3.2. Cải tiến
Vì LEACH có các hạn chế nhƣ trên, nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành để cải tiến giao thức này, làm cho giao thức hoạt động tốt hơn. Sau đây giới thiệu một số giao thức cải tiến từ giao thức LEACH.
Giao thức E-LEACH
Giao thức Energy-LEACH (E-LEACH )[8] cải tiến thủ tục chọn cụm trƣởng. Nó lấy phần năng lƣợng còn lại của nút là thƣớc đo chính để quyết định nút sẽ trở thành cụm trƣởng hay không sau vòng đầu tiên. Cũng giống nhƣ giao thức LEACH, E-LEACH đƣợc chia thành nhiều vòng, trong vòng đầu tiên, mỗi nút có cùng xác suất trở thành cụm trƣởng, nghĩa là các nút đƣợc chọn ngẫu nghiên thành các cụm trƣởng, ở các vòng tiếp theo, năng lƣợng còn lại của mỗi nút là khác nhau và dùng làm tiêu chí chọn cụm trƣởng, nghĩa là các nút có nhiều năng lƣợng hơn sẽ trở thành một cụm trƣởng.
Giao thức TL-LEACH
Một cải tiến của LEACH gọi là giao thức LEACH hai mức, TL-LEACH (Two-Level LEACH) đã đƣợc đề xuất [9]. Trong giao thức này, cụm trƣởng sẽ thu thập dữ liệu từ các nút thành viên trong cụm khác giống nhƣ LEACH, nhƣng thay vì việc truyền trực tiếp đến BS, nó sử dụng một trong các cụm trƣởng nằm giữa cụm trƣởng đó và Sink nhƣ một trạm chuyển tiếp.
Hình 3.2TL-LEACH
Giao thức Multi-Hop LEACH
Với giao thức LEACH, khi kích thƣớc mạng tăng, vì các cụm trƣởng trực tiếp truyền thông với Sink nên việc truyền thông giữa các cụm trƣởng ở xa Sink sẽ tốn nhiều năng lƣợng, dẫn đến các nút đó sẽ nhanh chóng hết năng lƣợng. Giao thức Multi-hop LEACH[10] ra đời để khắc phục nhƣợc điểm này. Giao thức Multi-hop LEACH giống LEACH ở pha thiết lập, chỉ khác ở pha trạng thái ổn định. Trong pha trạng thái ổn định, các cụm trƣởng tổng hợp dữ liệu của cụm
rồi gửi trực tiếp đến Sink hoặc thông qua các cụm trƣởng khác để gửi dữ liệu đến Sink. Multi-hop LEACH chọn đƣờng đi tốt nhất với số chặng tối thiểu giữa cụm trƣởng đầu tiên và Sink. Multi-Hop Leach cho phép hai loại hoạt động truyền thông. Đó là truyền thông liên cụm (inter-cluster) và truyền thông nội cụm (intra-cluster). Trong truyền thông liên cụm, cụm trƣởng chịu trách nhiệm về truyền thông cho tất cả các nút trong cụm. Cụm trƣởng nhận dữ liệu trực tiếp từ tất cả các nút thành viên của cụm và tổng hợp, truyền tải trực tiếp tới Sink hoặc thông qua cụm trƣởng trung gian. Truyền thông liên cụm giữa các cụm trƣởng đƣợc thực hiện khi khoảng cách giữa cụm trƣởng và Sink lớn. Hình 3.3 mô tả kiến trúc truyền thông Multi-hop LEACH.
Hình 3.3 Kiến trúc truyền thông Multi-hop LEACH
Giao thức LEACH-C
Về mặt ý tƣởng, LEACH-C[11] (Centralizzed – LEACH) hoàn toàn giống với LEACH, chỉ khác ở pha thiết lập còn pha trạng thái ổn định thì nó kế thừa từ giao thức LEACH. Khác với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có thể đƣợc chọn làm nút cụm trƣởng), trong giao thức LEACH-C, quá trình lựa chọn cụm và cụm trƣởng đƣợc thực hiện bởi trạm gốc Sink. Trong pha thiết lập (set- up) của LEACH-C, mỗi nút gửi thông tin về vị trí hiện thời (có thể xác định bằng GPS) và mức năng lƣợng còn lại đến Sink. Sink sẽ dùng thuật toán tối ƣu để tìm ra các cụm trƣởng. Khi tìm đƣợc các cụm trƣởng và các cụm tƣơng ứng, Sink quảng bá một thông điệp để so sánh mã số ID của các cụm trƣởng cho mỗi nút. Nếu một mã số ID của cụm trƣởng khớp với ID riêng của một nút thì nút đó sẽ trở thành một cụm trƣởng, nếu không nó là nút thành viên của một cụm, nó sẽ xác định khe thời gian của nó để truyền dữ liệu và trở về trạng thái ngủ đến thời điểm nó truyền dữ liệu.
Giao thức LEACH-DE
Giao thức LEACH- Distance Energy (LEACH-DE)[12] đƣa ra hai cải tiến. Thứ nhất, năng lƣợng còn lại của một nút ứng cử viên muốn trở thành một cụm trƣởng (CH) phải lớn hơn trung bình mức năng lƣợng còn lại của các nút còn sống trong. Thứ hai, khoảng cách từ nút ứng cử viên đến Sink phải là ngắn nhất.
Giao thức V-LEACH
Trong V-LEACH[13] một cụm gồm: cụm trƣởng CH (chịu trách nhiệm cho gửi dữ liệu nhận đƣợc từ các thành viên cụm đến Sink/Base Station), phó cụm trƣởng Vice-CH (nút trở thành một CH của cụm trong trƣờng hợp CH chết), các nút thành viên (tập hợp dữ liệu từ môi trƣờng và gửi nó CH). Trong giao thức LEACH, CH luôn nhận dữ liệu từ các thành viên của cụm, tập hợp dữ liệu này và gửi nó đến BS có thể nằm ở xa vị trí của CH. CH sẽ chết sớm hơn các nút khác trong cụm bởi vì các hoạt động nhận, gửi dữ liệu. Khi CH chết, cụm sẽ trở thành vô dụng vì dữ liệu do các nút trong cụm này sẽ không bao giờ đến đƣợc Sink. Trong giao thức V-LEACH, bên cạnh có một CH trong cụm, có một phó cụm trƣởng Vide-CH sẽ nắm vai trò của CH khi CH chết vì các lý do ở trên. Bằng cách làm này, dữ liệu của các nút trong cụm sẽ luôn đến đƣợc BS, không cần chọn CH mới mỗi khi CH hiện thời chết.