LEACH (Low- Energy Adaptive Clustering Hierarchy - Phân bậc theo nhóm thích ứng năng lượng thấp) là giao thức định tuyến được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến và phân phối tới Sink. Mục đích chính của LEACH là:
- Kéo dài thời gian sống của mạng.
- Giảm năng lượng tiêu thụ tại mỗi nút cảm biến. - Tập hợp và nén để giảm thiểu lượng dữ liệu truyền.
Để đạt được những mục đích này, LEACH dựa trên phương pháp phân bậc và tổ chức mạng thành tập các nhóm. Mỗi nhóm được quản lý bởi một nút đứng đầu (cluster head). Các nút mạng là nút đứng đầu nhóm được LEACH lựa chọn ngẫu nhiên và quay vòng vai trò để phân bố đều tải năng lượng.
Các hoạt động cơ bản của LEACH được chia thành 2 giai đoạn là: thiết lập và ổn định trạng thái. Trong giai đoạn thiết lập, các nhóm được hình thành và nút đứng đầu nhóm được lựa chọn. Còn trong giai đoạn ổn định trạng thái, dữ liệu được truyền từ các nút thành viên về nút đứng đầu nhóm và từ các nút đứng đầu nhóm về Sink.
Khoảng thời gian trong giai đoạn ổn định trạng thái thường dài hơn so với khoảng thời gian trong giai đoạn thiết lập để giảm thiểu chi phí của giao thức.
Khởi đầu giai đoạn thiết lập, một vài nút được xác định trước, tự mình quyết định trở thành các nút đứng đầu nhóm theo quy tắc như sau. Mỗi nút sẽ chọn lấy một số ngẫu nhiên, nằm trong khoảng từ 0 tới 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngưỡng T(n) thì nút đó sẽ trở thành nút đứng đầu ở vòng hiện tại. Giá trị ngưỡng được tính toán dựa trên biểu thức toán học sau:
(1) Trong đó p: tỷ lệ phần trăm nút chủ
r: vòng hiện tại.
G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút đứng đầu trong (1/p) vòng cuối.
Sau khi được lựa chọn là nút đứng đầu nhóm, các nút này sẽ quảng bá vai trò mới của mình cho các nút khác trong mạng. Các nút còn lại (không phải là nút đứng đầu) nhận được thông tin quảng bá sẽ quyết định thuộc về một nhóm nào đó mà chúng muốn. Quyết định này dựa trên cường độ tín hiệu của thông tin quảng bá hay một số tiêu chuẩn khác như chất lượng đường truyền... Một nút mạng sau khi xác định được nhóm mà nó muốn gia nhập sẽ gửi thông báo tới nút đứng đầu nhóm đó biết. Dựa trên số lượng các nút thành viên trong nhóm, nút đứng đầu nhóm sẽ tạo ra bộ định thời TDMA và thông báo tới tất cả các nút thành viên trong nhóm.
Trong giai đoạn ổn định trạng thái, các nút mạng bắt đầu cảm biến và truyền dữ liệu về nút đứng đầu nhóm của mình thông qua khe thời gian được cấp phát. Việc thu thập dữ liệu được diễn ra theo chu kỳ. Các nút đứng đầu nhóm ngoài việc thu nhận dữ liệu từ các nút thành viên gửi tới, nó còn phải xử lý nội bộ để giảm thiểu dung lượng dữ liệu trước khi gửi tới Sink. Sau một khoảng thời gian nhất định nào đó được xác định trước, mạng sẽ quay trở lại giai đoạn thiết lập và bắt đầu một vòng lựa chọn các nút đứng đầu nhóm mới. LEACH sử dụng chiến lược đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) để giảm thiểu xung đột giữa các nút cảm biến ở trong và ngoài mỗi nhóm đồng thời tránh can nhiễu giữa các nhóm với nhau.
LEACH đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng lớn nhờ tính năng tập trung và xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút đứng đầu nhóm. Hơn nữa, việc luân chuyển vai trò của nút đứng đầu giúp phân bố đều năng lượng tiêu thụ cho tất cả các nút cảm biến trên mạng. Nhờ đó, phạm vi của mạng được ổn định và thời gian sống của mạng được kéo dài. Tuy nhiên, LEACH cũng còn một số nhược điểm sau: Hoạt động của LEACH giả định tất cả các nút đều có thể liên lạc với Sink thông qua một chặng là không thực tế do khả năng lưu trữ và mức độ năng lượng của các nút mạng thay đổi theo thời gian. Mặt khác, khoảng thời gian của giai đoạn ổn định trạng thái là rất quan trọng. Nếu
khoảng thời gian này ngắn, nó sẽ làm tăng chi phí của giao thức, trong khi quá dài thì nó sẽ làm năng lượng của nút đứng đầu sụt giảm nhanh chóng. Cuối cùng, do việc tập trung dữ liệu được thực hiện theo chu kỳ nên LEACH chỉ phù hợp với các ứng dụng cần giám sát liên tục trong các mạng cảm biến. Để khắc phục các nhược điểm trên, một số cải tiến và phiên bản cho LEACH đã được đề xuất như: LEACH mở rộng, LEACH-C hay LEACH-F.
Giao thức LEACH mở rộng (XLEACH) là một cải tiến của LEACH khi có xem xét đến mức độ năng lượng của mỗi nút trong quá trình lựa chọn nút đứng đầu nhóm. Theo đó, giá trị ngưỡng T(n) được xác định như sau:
(2) Trong đó En, current: năng lượng hiện tại.
En, max: năng lượng ban đầu của nút cảm biến.
rn,s: số vòng liên tiếp mà nút không được làm nút đứng đầu. Khi giá trị rn,s
đạt đến 1/P ngưỡng T(n) trở lại giá trị mà nó có trước khi xét đến năng lượng còn lại
trong biểu thức tính ngưỡng).Giá trị rn,s trở về 0 khi nút đó được chọn làm nút đứng
đầu.
Một phiên bản khác của LEACH là LEACH-C. LEACH-C khác với LEACH trong giai đoạn thiết lập. Thay vì các nhóm được hình thành một cách phân tán, LEACH-C sử dụng thuật toán phân nhóm tập trung. Bắt đầu giai đoạn thiết lập, các nút sẽ phải gửi thông tin gồm vị trí (có được thông qua hệ thống GPS) và mức năng lượng hiện tại của nó về Sink. Ngoài việc xác định tốt các nhóm, Sink cần đảm bảo rằng tải năng lượng được phân bố đều trên tất cả các nút. Để làm được điều này, Sink tính toán năng lượng trung bình và xác định chỉ những nút có năng lượng trên mức trung bình mới được lựa chọn làm nút đứng đầu. Sink chạy giải thuật của mình để xác định số lượng các nút đứng đầu tối ưu. Cuối cùng, Sink gửi thông tin quảng bá chứa ID của nút đứng đầu tới tất cả các nút trong mạng. Nút mạng nào có ID trùng với ID chứa trong thông tin quảng bá sẽ thực hiện vai trò là nút đứng đầu của mình. Các nút còn lại tìm kiếm nhóm của mình giống với LEACH và sau đó lần lượt gửi dữ liệu tới nút đứng đầu nhóm theo khe thời gian được cấp phát. Trong khi khe thời gian không thuộc về mình, các nút này sẽ ở trong trạng thái nghỉ.
Để giảm thiểu chi phí trong giai đoạn thiết lập, LEACH-F (Giao thức LEACH thực hiện phân nhóm cố định) được đề xuất dựa trên hoạt động của LEACH. Ở LEACH-F số lượng, phạm vi các nhóm được hình thành một lần duy nhất và cố định trên toàn mạng trong tất cả thời gian hoạt động. Giải thuật LEACH-F sử dụng để phân chia nhóm giống với LEACH-C nhưng vai trò của nút đứng đầu nhóm chỉ được quay vòng cho các nút trong cùng một nhóm. Giai đoạn ổn định trạng thái của LEACH-F giống LEACH và LEACH-C. Tuy nhiên, LEACH-F không đạt hiệu quả trong vấn đề tiết kiệm năng lượng và giao thức này cũng không khả thi khi các nút cảm biến là di
động. LEACH-F cũng không cung cấp sự linh hoạt khi các nút mới được bổ sung và cũng không điều chỉnh được hành vi của mạng khi có những nút ngừng hoạt động.