Đặc điểm của định tuyến phân cấp là đặt các nút cảm biến vào trong giao tiếp multihop trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin đƣợc truyền đến Sink tạo ra hiệu quả năng lƣợng. Sự hình thành các chủ trong cụm chủ yếu dựa trên năng lƣợng dự trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nút chủ của cụm đó. Giao thức LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm biến WSN. Ý tƣởng của LEACH là mở đầu cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển về sau.
2.4.2.1 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lƣợng thấp. Đây là giao thức thu lƣợm và phân phát dữ liệu tới các Sink đặc biệt là các trạm cơ sở. Mục tiêu chính của LEACH là:
+ Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng + Mở rộng thời gian sống của mạng
+ Giảm sự tiêu thụ năng lƣợng bởi mỗi nút mạng qua đó giảm tổng năng lƣợng tiêu thụ trong toàn mạng.
31
Đặc điểm chính của LEACH: Thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm đƣợc quản lý bởi nút chủ và nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ. Nhiệm vụ đầu tiên là thu lƣợm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên. Và trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dƣ thừa về những dữ liệu giống nhau. Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trực tiếp truyền dữ liệu đã đƣợc tập hợp lại đến các trạm cơ sở. Việc truyền này sẽ đƣợc thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) trong đó mỗi nút trong cụm sẽ đƣợc gán một khe thời gian để có thể sử dụng để truyền tin.
Mô hình LEACH nhƣ đƣợc thể hiện trong hình bên dƣới. Trong mô hình này các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên trong cụm của nó. Để giảm khả năng xung đột giữa các nút cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mã (CDMA). Quá trình hoạt động của LEACH đƣợc chia thành hai pha là pha thiết lập và pha ổn định. Trong pha thiết lập bao gồm hai bƣớc là lựa chọn nút chủ và thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái bao gồm: Thu lƣợm dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các Sink. Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập.
Hình 2.7: Mô hình mạng LEACH
32
Nếu số này nhỏ hơn ngƣỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) đƣợc tính nhƣ sau:
P : Tỉ lệ phần trăm nút chủ
r : Sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1
G : Tập hợp các nút không đƣợc lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối. Khi đã đƣợc chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin đó và một số tiêu chuẩn khác để quyết định xem có tham gia vào cụm đó hay không. Cuối cùng các nút này sẽ thông báo cho nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đó đảm nhận hay không.
Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lƣợm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian (TDMA)để truyền dữ liệu đến nút chủ. Dữ liệu đƣợc cảm nhận và thu lƣợm theo chu kỳ.
2.4.2.2 Giao thức LEACH – C (LEACH Centralized)
Giao thức LEACH – C cũng giống nhƣ giao thức LEACH thông thƣờng, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì giống hoàn toàn với giao thức LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có thể đƣợc chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Còn ở LEACH – C thì cụm và nút chủ cụm sẽ do trạm cơ sở lựa chọn. Trong pha thiết lập của LEACH – C, mỗi nút sẽ gửi thông tin của nó về trạm cơ sở bao gồm thông tin về vị trí và năng lƣợng hiện tại của nút. Trạm cơ sở sẽ chạy thuật toán tối ƣu để xác định cụm và nút chủ cụm cho vòng đó, sau đó nó sẽ gửi bản tin thông báo cho các nút biết nó nằm ở cụm nào và nút nào là nút chủ cụm.
Pha ổn định của LEACH – C thì giống hoàn toàn LEACH. Các nút sẽ truyền dữ liệu đến các nút chủ, nút chủ làm nhiệm vụ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm cơ sở.
33
Trong giao thức LEACH – F ( Fixed Cluster, Rotating Cluster Head ) các cụm là cố định còn các nút chủ cụm sẽ đƣợc quay vòng. Trong giao thức LEACH – F các cụm cố định cũng đƣợc trạm cơ sở lựa chọn. Trạm cơ sở dùng giải thuật để chọn ra những cụm tối ƣu rồi quảng bá thông tin cụm tới tất cả các nút trong toàn mạng. Bản tin quảng bá này sẽ bao gồm cả ID của cụm, nút nào sẽ gửi bản tin TDMA định thời khe thời gian gửi dữ liệu của các nút trong cụm và bao gồm cả thứ tự nút đƣợc chọn làm cluster head. Nút đầu tiên trong danh sách trong cụm sẽ trở thành nút chủ cụm ở vòng đầu tiên, nút thứ hai sẽ là nút chủ cụm ở vòng thứ hai. Cứ nhƣ vậy cho đến khi tất cả các nút trong cụm đƣợc làm nút chủ.
Dùng LEACH – F không yêu cầu pha thiết lập cho các vòng khác nhau, mà các nút sẽ tự biết đƣợc khi nào nó là nút chủ khi nào nó không là nút chủ. Cũng giống nhƣ LEACH – C, pha ổn định của LEACH – F giống hoàn toàn LEACH. Giao thức LEACH – F không thích hợp với những hệ thống có tính động. Nó không cho phép thêm một nút mới vào hệ thống và cũng không xử lý đƣợc những nút di động.