[nckh2011]-221011-nĐq-tham khao leach

8/3/2019 [NCKH2011]-221011-NĐQ-Tham khao LEACH

http://slidepdf.com/reader/full/nckh2011-221011-ndq-tham-khao-leach 1/7

3.1. LEACH

3.1.1. Tổng quan về LEACH:LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp theo cụm

thích ứng năng lượng thấp dùng trong mạng cảm biến WSN. Đây là giao thức thu thập và

phân phát dữ liệu tới các sink, đặc biệt là các trạm cơ sở. Với mục tiêu chính của LEACH

là:

Kéo dài thời gian sống của mạng

Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng

3.1.2. Hoạt động của LEACH:Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi vòng được bắt đầu với

pha thiết lập (set-up phase), khi các cluster tự thiết lập, sau đó là pha ổn định (steady-state

phase), khi xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến trạm gốc (base station). Để giảm thiểu chi

phí overhead, trong đó pha ổn định dài hơn so với pha thiết lập.

Hình 3.1: Trạng thái các phase của LEACH

3.1.2.1. Pha quảng bá (Advertisement Phase)

Ban đầu, khi các cluster được tạo, mỗi node quyết định có hay không trở thành cluster-head cho vòng hiện tại. Sự quyết định này dựa trên tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành

cluster-head trong mạng (xác định ưu tiên) và số lần node đó đã trở thành cluster-head

trước đó cho đến thời điểm hiện tại. Sự quyết định này được thực hiện bởi node lựa chọn

một giá trị ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu giá trị này thấp hơn giá trị ngưỡng T(n), node đó

sẽ trở thành cluster-head của vòng hiện tại. Ngưỡng T(n) được xác định bởi:

n G∉nếu



( )( )

0

( )

1 mod 1 /

P T n

P r P

= −

P = tỉ lệ phần trăm mong muốn trở thành cluster-heads

r = vòng hiện tại

G là tập các node chưa trở thành cluster-heads ở 1/P vòng trước đó.

Sử dụng ngưỡng này, mỗi node sẽ trở thành cluster-head ở một vài điểm trong 1/p

vòng. Trong suốt vòng thứ 0 (r=0) mỗi node có một xác suất P để trở thành cluster-head.

Các node là cluster-head ở vòng thứ 0 sẽ không thể là cluster-head ở 1/P vòng tiếp theo.

Do đó, xác suất để các node còn lại trở thành cluster-head cần được tăng lên, và có ít node

hơn có đủ điều kiện để trở thành cluster-head. Sau 1/P -1 vòng, T=1 cho các node chưatrở thành cluster-head, và sau 1/p vòng, tất cả các node một lần nữa đủ điều kiện để trở

thành cluster-head. Phiên bản tiếp theo của giao thức này sẽ bao gồm một ngưỡng dựa

trên năng lượng để tính toán cho các node có năng lượng không đồng đều. Trong trường

hợp này, chúng ta giả sử rằng tất cả các node bằng đầu với năng lượng bằng nhau đồng

đều giữa các node.

Mỗi node mà đã chọn chính nó trở thành cluster-head cho vòng hiện tại, nó quảng bá

một bản tin Advertisement (ADV) cho các node còn lại, sử dụng giao thức non-persistent

CSMA. Bản tin này là một bản tin nhỏ chứa ID của nút đó và một tiêu đề để phân biệt bảntin này như là một bản thông báo. Đối với pha “cluster-head-advertisement”, cluster-

heads sử dụng giao thức CSMA MAC, và tất cả cluster-heads truyền bản tin

Advertisement cùng năng lượng truyền dẫn. Các node non-cluster-head phải giữ bộ thu

trong suốt quá trình pha thiết lập để lắng nghe bản tin advertisements của các node là

cluster-head. Sau đó, mỗi non-cluster-head quyết định cluster mà nó thuộc về cho vòng

hiện tại. Sự quyết định được dựa trên độ mạnh tín hiệu nhận được của bản tin

Advertisement. Giả sử các kênh truyền là đối xứng, cluster-head có bản tin Advertisement

được lắng nghe với cường độ tín hiệu lớn nhất là cluster-head cần ít năng lượng cần thiết

cho liên lạc. Trong trường hợp của liên kết, một cluster-head ngẫu nhiên được chọn.

n G∀ ∈

G∈



Hình 3.2: Lưu đồ thuật toán phân bố của LEACH

3.1.2.2. Pha thiết lập nhóm (Cluster Set-Up Phase)

Sau khi mỗi node đã quyết định nhóm mà nó thuộc về, nó phải thông báo cho nodecluster-head rằng nó sẽ là thành viên của nhóm. Mỗi nút truyền bản tin “yêu cầu liên kết”

(join-request (REQ) trở lại nút đã được chọn cluster-head sử dụng non-persistent CSMA.

Bản tin này là một bản tin ngắn chứa ID của nút, ID của cluster-head và một tiêu đề.

Trong suốt pha này, tất cả node là luster-head cần giữ trạng thái tiếp nhận bản tin.

3.1.2.3. Tạo định thời (Schedule Creation)



Các node là cluster-head nhận các bản tin về các node muốn là thành viên của nhóm.

Dựa trên số lượng của node trong nhóm, cluster-head tạo một định thời TDMA thông báo

cho các node thành viên thời điểm nó có thể truyền. Định thời này được quảng bá trở lại

các node trong nhóm. Việc tạo định thời này nhằm tránh được xung đột giữa các node

trong mạng, đồng thời giúp các node duy trì ở trạng thái chờ khi chưa đến phiên truyền,

giúp tiết kiệm năng lượng.3.1.2.4. Truyền dữ liệu (Data Transmission)

Hình 3.3: Lưu đồ hoạt động ổn định trạng thái của LEACH

Một khi các nhóm được tạo và các định thời TDMA là cố định, dữ liệu có thể bắt đầu

truyền đi. Giả sử các node luôn luôn có dữ liệu để truyền, nó sẽ truyền đi trong suốt thời



gian đã định trước tới cluster-head. Việc truyền này sử dụng một lượng nhỏ năng lượng

(lựa chọn dựa trên cường độ tín hiệu bản tin cluster-head advertisement ). Sóng radio của

mỗi non-cluster-head có thể được tắt cho đến khi thời điểm cho phép truyền đã định

trước, do đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong các node. Các node cluster-head cần giữ

các bộ thu dữ liệu bật để nhận dữ liệu từ các node trong nhóm. Khi tất cả dữ liệu đã được

nhận, cluster-head thực hiện chức năng xử lý tín hiệu để nén dữ liệu thành một tín hiệuduy nhất. Ví dụ: Nếu dữ liệu là audio hay các tín hiệu động đất, cluster-head có thể kết

hợp các tín hiệu đơn lẻ thành một tín hiệu tổng hợp. Tín hiệu tổng hợp này có thể được

gửi tới trạm gốc để giảm bớt kích thước bản tin truyền. Khi trạm gốc ở xa, sự truyền dữ

liệu này tiêu tốn một lượng lớn năng lượng. Đây là trạng thái pha ổn định trong hoạt động

của các mạng LEACH. Sau một thời gian nhất định được xác định ưu tiên, vòng tiếp theo

bắt đầu với mỗi node xác định nếu nó nên trở thành cluster-head cho vòng hiện tại và

quảng bá thông tin, như được miêu tả ở trên.

3.1.2.5. Multiple ClustersPhần trước chúng ta đã mô tả làm sao các cluster đơn lẻ giao tiếp trong số các node

trong cluster đó. Tuy nhiên, vô tuyến vốn là miền quảng bá. Chẳng hạn, truyền dẫn trong

một cluster sẽ ảnh hưởng (và do đó làm suy biến) sự giao tiếp giữa các cluster gần nhau.

Hình 3.4: Nhiễu vô tuyến. Node A truyền dữ liệu đến node B gây nhiễu đến node C

Ví dụ: Hình trên cho thấy phạm vi truyền thông của một node vô tuyến. Node A trong

khi truyền thông tin cho node B thì lại làm ảnh hưởng đến truyền dẫn của node C. Đề

giảm bớt loại nhiễu này, mỗi cluster giao tiếp sử dụng mã CDMA khác nhau. Do đó, khi

một node quyết định trở thành cluster-head, nó chọn ngẫu nhiên từ danh sách các mã trải



phổ. Nó thông báo cho tất cả các node trong nhóm để sử dụng mã trải phổ này. Sau đó

cluster-head lọc tất cả năng lượng mà nó nhận được sử dụng mã trải phổ đã định trước.

Bởi vậy, năng lượng vô tuyến của các nhóm lân cận sẽ được lọc ra và không làm ảnh

hưởng tới truyền dẫn của các node trong nhóm. Sự phân bổ kênh sao cho hiệu quả là một

vấn đề khó khăn, thậm chí ngay cả khi có một trung tâm điều khiển riêng để chạy các

thuật toán cần thiết. Khi không cần chú ý nhiều đến vấn đề hiệu quả băng thông thì sửdụng mã CDMA sẽ giải quyết được vấn đề đa truy cập trong một cách thức phân phối.

3.1.2.6. Nhóm phân cấp (Hierarchical Clustering)

LEACH có thể được mở rộng để thiết lập các nhóm phân cấp. Trong kịch bản này,

cluster-head có thể giao tiếp với các siêu node là “super-cluster-head” và như vậy cho đến

lớp trên nhất của phân cấp, tại điểm mà dữ liệu được truyền đến trạm gốc. Trong mạng

lớn, sự phân cấp này có thể tiết kiệm được một lượng lớn năng lượng.

Hình 3.5: Mô hình mạng cảm biến chạy giao thức định tuyến LEACH

Trong phần trên chúng ta đã đề cập đến LEACH, một giao thức định tuyến dựa trên

nhóm tối thiểu hóa năng lượng sử dụng bằng cách phân phối tải tới tất cả các node ở

những điểm khác nhau về thời gian. LEACH out thực hiện các thuật toán nhóm tĩnh bằng

cách yêu cầu các node tình nguyện trở thành các cluster-head năng lượng cao và thích

nghi với các nhóm dựa trên các node mà được chọn làm cluster-head tại thời điểm xácđịnh. Tại những thời điểm khác nhau, mỗi node có gánh nặng về dữ liệu thu được từ các

node trong nhóm, hợp nhất dữ liệu để thu được một tín hiệu kết hợp, và truyền tín hiệu

kết hợp này tới trạm gốc. LEACH được phân bổ hoàn toàn, không đòi hỏi thông tin điều

khiển từ trạm gốc, và các node không yêu cầu hiểu biết về mạng toàn cục để cho LEACH

hoạt động.



Phân bổ dữ liệu trong số các node trong mạng là hiệu quả trong việc giảm năng lượng

tiêu tán toàn diện và nâng cao thời gian sống của hệ thống.

[nckh2011]-221011-nĐq-tham khao leach

Documents