Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn

Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạnTiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn

HỒ HỮU TRUNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.Hồ Chí Minh - 2016

HỒ HỮU TRUNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN

Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN

Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG

TP.Hồ Chí Minh - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Học viên thực hiện luận văn

Hồ Hữu Trung

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng, giảng viên Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – cơ sở TPHCM, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp

đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ dẫn giúp đỡ của Quý Thầy Cô giáo, Quý đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp.HCM, ngày tháng năm 2016

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ WSN 3

1.1 Giới thiệu Wireless Sensor Networks [13] 3

1.2 Mô tả tổng quát hệ thống WSN 3

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến 5

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 5

1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 6

1.4 Các vấn đề khi thiết kế WSN 9

1.4.1 Triển khai 9

1.4.2 Vùng phủ sóng 10

1.4.3 Kết nối 10

1.4.4 Cảm biến di động 11

1.5 Kiến trúc giao thức mạng WSN 11

1.5.1 Lớp ứng dụng 12

1.5.2 Lớp giao vận 13

1.5.3 Lớp mạng 13

1.5.4 Lớp liên kết dữ liệu 14

1.5.5 Lớp vật lý 15

1.5.6 Miền quản lý chức năng, quản lý sự di chuyển, quản lý công suất 15

1.6 Thách thức về tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây 16

1.7 Kết luận chương 1 17

Chương 2 – CÁC NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỤM 18

2.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) [6] 18

2.1.1 Giới thiệu 18

2.1.2 Tự động cấu hình tạo thành cụm mạng 19

2.2 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized (LEACH-C) 27

2.3 Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS) 28

2.3.1 Tổng quan về giao thức PEGASIS [7] 29

2.3.2 Nhược điểm của giao thức PEGASIS 29

2.4 Threshold-sensitive Energy Efficeent sensor Network protocol (TEEN) 30 2.5 Energy Efficient Cluster-Chain based Protocol for Time Critical applications (ECCPTC) [9] 30

2.6 Kết luận chương 2 31

Chương 3 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN 32

3.1 Giới thiệu 32

3.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến 32

3.3 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến 33

3.3.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng 33

3.3.2 Ràng buộc về tài nguyên 33

3.3.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến 33

3.3.4 Cách truyền dữ liệu 34

3.4 Tiết kiệm năng lượng trong phương pháp phân cụm 35

3.4.1 Lựa chọn nút chủ cụm 36

3.4.2 Mô hình sử dụng năng lượng 37

3.5 Thuật toán cải tiến 39

3.6 Kết luận chương 3 42

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 43

4.1 Mô hình mạng 43

4.2 Mô hình năng lượng 43

4.3 Kết quả thực nghiệm 45

4.4 Kết luận và hướng phát triển 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮTViết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang

Spectrum

Công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp

ECCPTC Energy Efficient

Cluster-Chain based Protocol for Time Critical applications

Hiệu quả năng lượng cho các ứng dụng trong cụm-chuỗi giao thức cần thời gian tới hạn

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

systems

Hệ thống vi cơ điện tử

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến

Dissemination Protocol vấn cảm biến

Efficeent sensor Network protocol

Giao thức hiệu quả về năng lượng nhạy cảm với mức ngưỡng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số được sử dụng để mô phỏng của LEACH 37

Bảng 4.1: Các thông số được sử dụng để mô phỏng 45

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút cảm biến không dây 4

Hình 1.2: Các thành phần của nút cảm biến 5

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến 6

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 7

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 8

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN 12

Hình 2.1: Mô tả giao thức LEACH 18

Hình 2.2: Time-line hoạt động của LEACH 19

Hình 2.3: Trạng thái của pha thiết lập 22

Hình 2.4: Thuật toán hình thành cụm trong LEACH 22

Hình 2.5: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau của LEACH 23

Hình 2.6: Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái 24

Hình 2.7: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH 24

Hình 2.8: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng 25

Hình 2.9: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng 26

Hình 2.10: Pha cài đặt của LEACH-C 28

Hình 3.1: Mô hình truyền dữ liệu giữa CH và các nút 36

Hình 3.2: Mô hình năng lượng được sử dụng trong giao thức LEACH 38

Hình 4.1 Kết quả phân vùng mạng (a) LEACH, (b) LEACH CAI TIEN 48

Hình 4.2 Năng lượng trung bình của mỗi nút sau mỗi vòng 49

Hình 4.3 Năng lượng tiêu tán 50

Hình 4.4 Số lượng nút chết 51

Hình 4.5 Số lượng nút còn sống 51

Hình 4.6 Dữ liệu trung bình gửi tới base station (BS) 52

Hình 4.7 Số lượng nút normal chết 53

Hình 4.8 Số lượng nút advance chết 53

là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại Đặc biệt xét về khía cạnh tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn là một lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Chính vì thế đồ án sẽ trình bày các thuật toán liên quan, đề nghị một phương án đề xuất cải tiến thuật toán cũ và đánh giá kết quả dựa trên lý thuyết và các kết quả mô phỏng

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) trở nên nổi tiếng với sự tiến bộ của công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), các bộ cảm biến có nguồn năng lượng pin hỗ trợ các thiết bị rất nhỏ vì thế năng lượng hạn chế dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng và truyền nhận dữ liệu trong khoảng thời gian cho phép là một vấn đề quan trọng trong WSN Tất cả các cảm biến cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu đến trạm gốc (Base Station - BS), mỗi cụm có một chủ cụm (Cluster-Head - CH) sẽ giao tiếp với tất cả các thành viên trong cụm CH sẽ truyền toàn bộ dữ liệu đến BS, trong kỹ thuật phân cụm có thể làm giảm chi phí thông tin liên lạc của các nút bởi vì các nút chỉ cần gửi dữ liệu đến khu vực gần chủ cụm Tuy nhiên CH sẽ dùng năng lượng nhiều hơn so với các nút bình thường để giao tiếp với BS Các chuyên gia đã và đang nghiên cứu cải thiện về thuật toán tối

ưu để tối ưu hóa hiệu suất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của mạng cảm biến Hai vấn đề quan trọng cơ bản được đề cập là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và giảm thời gian chậm trễ trong truyền dữ liệu để tối ưu hóa tuổi thọ mạng Kỹ thuật

Clustering [1] đã nổi lên như một lựa chọn phổ biến để đạt được hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng trong các mạng cảm biến quy mô lớn [2-4] Sử dụng phương pháp Clustering, cảm biến có thể được quản lý tại địa phương bằng một cụm (Cluster), một CH để quản lý các cụm và chịu trách nhiệm về thông tin liên lạc giữa các cụm và các trạm cơ sở Clustering cung cấp một khuôn khổ thuận lợi cho việc quản lý tài nguyên Clustering có thể hỗ trợ nhiều tính năng quan trọng trong một cụm thiết bị, chẳng hạn như truy cập kênh cho các thành viên trong cụm và kiểm soát quyền lực, định tuyến và tách mã để tránh nhiễu liên cụm Hơn nữa, nó giúp phân phối trách nhiệm quản lý từ trạm gốc đến đầu cụm các thiết bị [5]

Trong những năm gần đây, có rất nhiều các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây được sử dụng mà một vài trong số đó đã xem xét việc các ứng dụng mạng yêu cầu thời gian tới hạn trong việc truyền dữ liệu là quan trọng [6-11] Trong mạng cảm biến không dây dữ liệu tập hợp từ các dữ liệu có liên quan (hoặc từ nhiều

dữ liệu tương ứng) sẽ làm giảm một lượng lớn lưu lượng dữ liệu trên mạng, tránh quá tải thông tin, tạo ra một tín hiệu chính xác hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn so với gửi tất cả các dữ liệu chưa qua xử lý bên trong mạng

Đề tài “Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn” với mục đích giảm khoảng cách giữa CH và các nút thành viên trong cụm để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống cho mạng cảm biến vô tuyến

Nội dung đề tài gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về WSN

Chương 2: Các nghiên cứu tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp phân cụm Chương 3: Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ WSN 1.1 Giới thiệu Wireless Sensor Networks [13]

Mạng cảm biến (Wireless Sensor Networks-WSN) là hệ thống ít tốn chi phí, không đòi hỏi năng lượng cao, đa chức năng và các nút cảm biến kích thước nhỏ có thể kết hợp với nhau để cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách ngắn Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, sự chuyển động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát Một số các cảm biến có thể di chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt được trong dự án Robomote [14]

Sự phát triển của WSN ban đầu chỉ được thúc đẩy trong những ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường Tuy nhiên, WSN hiện đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng, bao gồm cả giám sát và điều khiển quá trình xử

lý công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, môi trường và môi trường sống, quản lý thiên tai, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, điều khiển giao thông và tự động hóa nhà

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,

có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu

để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên

1.2 Mô tả tổng quát hệ thống WSN

Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor Field) được minh họa trên hình 1.1 Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (CH) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút CH đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (CH) theo cấu trúc

đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multi-hop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển,

như trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút cảm biến không dây

Một nút cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử

lý, bộ thu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị

di động Các thành phần trong một nút cảm biến được minh họa trên hình 1.2 Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và

bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác

để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến

và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể

là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết

để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân

công

Hình 1.2: Các thành phần của nút cảm biến 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến

Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:

 Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad-hoc

 Các nút cảm biến dễ bị lỗi

 Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên

 Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều dựa trên việc truyền từ điểm-điểm

 Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

 Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng

và đồng nhất trong chức năng Các nút giao tiếp với BS qua multi-hop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần BS hơn

sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn dữ liệu Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

b) Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single-hop hay multi-hop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm (CH) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp (hình 1.5)

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:

 Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao

 Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

 Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là (𝑊

√𝑛), trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia

sẻ Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về

0

 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân

bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.4 Các vấn đề khi thiết kế WSN

1.4.1 Triển khai

Việc triển khai gắn liền với việc cài đặt hệ thống mạng WSN thường được triển khai theo hai phương pháp: tập trung hay phân tán Trong phương pháp triển khai tập trung, vị trí của các nút cảm biến được quyết định trước khi các nút cảm biến được thực thi Với phương pháp này, các vấn đề khác như vùng phủ sóng và kết nối được đảm bảo Triển khai phân tán đơn giản hơn triển khai tập trung, chỉ cần rải các nút cảm biến ở khu vực khảo sát WSN có thể được triển khai ở môi trường khắc nghiệt hoặc những nơi tưởng chừng khó xâm nhập, ví dụ: các nút có thể được phân

tán từ một phương tiện không người lái (UAV) và điều khiển từ xa để phát hiện động đất

1.4.2 Vùng phủ sóng

Có ba loại vùng phủ sóng được đề cập: Blanket, Barrier và Sweep Các phân loại này được mượn từ hệ thống robot Phủ sóng theo Blanket nhằm mục đích cung cấp tối đa tỉ lệ phát hiện trong khu vực khảo sát trong khi phủ sóng theo Barrier thì thay

vì cung cấp vùng phủ sóng xuyên suốt khu vực khảo sát thì lại tập trung vào việc đảm bảo toàn bộ chu vi khu vực được phủ sóng Phủ sóng theo Blanket và Barrier đều được hình thành bằng sự sắp xếp tĩnh các nút cảm biến Trong khi đó, phủ sóng dạng Sweep lại được hình thành bằng việc di chuyển các nút cảm biến để khu vực khảo sát được quét bởi các nút cảm biến

Thêm một số loại vùng phủ sóng khác nhau đã được liệt kê trong mục như: Area, Barrier, Sweep Vùng phủ sóng dạng area tập trung vào việc làm thế nào phủ sóng một khu vực với các cảm biến, mục tiêu là tối đa hóa phần trăm che phủ Phần trăm che phủ là tỉ lệ che phủ bởi ít nhất một cảm biến đến toàn bộ khu vực đang khảo sát Vấn đề về che phủ cũng được xem như một vấn đề về giảm thiểu Từ quan điểm giảm thiểu, mục tiêu là đảm bảo các lỗ hổng phủ sóng trên mạng càng nhỏ càng tốt Vùng phủ song dạng Area tương tự như dạng Blanket Điểm phủ sóng là dạng phủ sóng để thiết lập các điểm khảo sát Về cơ bản, loại phủ sóng này chỉ quan tâm làm thế nào để phủ sóng các mục tiêu hoặc điểm nóng trên một khu vực, thay vì toàn bộ khu vực

Phủ sóng dạng Area, Blanket và Sweep thích hợp cho các ứng dụng quản lý thảm họa Một khu vực thiên tai có thể giám sát triệt để bằng việc sử dụng Blanket Coverage trong khi phủ sóng dạng Sweep được dùng cho các cảm biến tích cực hơn

1.4.3 Kết nối

Mỗi nút cảm biến trong mạng WSN cảm nhận sự xuất hiện của các sự kiện đang được theo dõi, thông tin này được chuyển tiếp đến trung tâm Do đó, kết nối của các

nút cảm biến đến trung tâm cũng như kết nối giữa các nút cảm biến là một vấn đề cũng cần được xem xét

Trong hệ thống WSN, thông tin được chuyển tiếp đến trung tâm bằng kết nối đa điểm, nơi thông tin được truyền từ nút này đến nút khác, cho đến khi thông tin được đưa về trung tâm Tuy nhiên, cách tiếp cận này cần một mạng đã kết nối có ít nhất một cây bao trùm (spanning tree) để kết nối từ trạm gốc đến trung tâm Với loại mạng này, chúng ta gặp phải vấn đề đó là thông tin có khả năng bị mất nếu một liên kết bị hỏng, thêm vào đó cũng tồn tại các trở ngại môi trường như rừng nhiệt đới rậm rạp hoặc một trở ngại nào khác sẽ gây khó khăn cho việc duy trì kết nối Vấn đề trung tâm di động đã được đề xuất để giải quyết khuyết điểm trên Trung tâm di động thu thập thông tin bằng cách di chuyển quanh khu vực khảo sát

1.4.4 Cảm biến di động

Cảm biến di động là một khía cạnh khác được xem xét trong việc thiết kế một hệ thống WSN Di động có thể được phân thành hai loại: kiểm soát và không kiểm soát Đối với cảm biến không kiểm soát, sự chuyển động gây nên bởi ảnh hưởng của môi trường như sức gió và sóng hoặc do thiết bị cảm biến được gắn vào đối tượng di chuyển Với cảm biến có kiểm soát, các nút cảm biến có thể tự xác định thời điểm và vị trí di chuyển Cảm biến di động là một tính năng hấp dẫn vì nó cho phép các cảm biến tự duy trì mạng tự cung cấp năng lượng tự thu thập thông tin bằng cách sử dụng các trạm di động và bù vào phần khuyết hệ thống cảm biến trong việc phủ sóng bằng cách di chuyển thường xuyên nên các cảm biến có cơ hội phát hiện mục tiêu cao hơn Nó cũng cho phép WSN cung cấp phủ sóng dạng sweep để giảm thiểu tối đa việc bỏ sót các mục tiêu Mặt khác, cảm biến di động thường dùng các nút cảm biến to và cồng kềnh, làm hạn chế khả năng di chuyển của các cảm biến trong không gian nhỏ và hẹp

1.5 Kiến trúc giao thức mạng WSN

Như các mạng khác, hoạt động của WSN cũng được xây dựng trên mô hình kiến trúc phân lớp (lớp ứng dụng, lớp truyền tải, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật

lý) Ngoài ra, còn có các phần quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ

sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến hoạt động tốt hơn Kiến trúc này được mô tả như hình 1.6

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng

và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể

di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát broadcast với các nút lân cận Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút cảm biến Các mặt bằng này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ

1.5.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa được khám phá Trong lớp ứng dụng có ba giao thức lớp ứng

dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở

1.5.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi mạng có kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Với WSN giao thức TCP hoặc UDP có thể được dùng

để truyền thông giữa nút đích với internet/ vệ tinh Còn giao tiếp giữa BS và các nút cảm biến cần các giao thức như UDP vì các nút bị hạn chế về bộ nhớ Thêm vào đó

là những yêu cầu về tổn hao công suất, sự gia tăng về số lượng nút… làm cho WSN phải cần một cơ chế khác trong lớp truyền tải này

1.5.3 Lớp mạng

Các nút cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1 Kỹ thuật định tuyến trong mạng Ad-hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng cảm biến Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau:

 Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng

 Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung

 Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút cảm biến

 Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí

Trong lớp mạng, vấn đề định tuyến là quan trọng và định tuyến như thế nào để

sử dụng nguồn năng lượng trên mỗi nút, tuyến, mạng là hiệu quả nhất để làm tang

thời gian sống của mạng Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho WSN Xét theo cấu trúc mạng có định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động thì định tuyến được chia dựa trên đa đường (multipathbased), theo truy vấn (query-based), theo chất lượng dịch vụ (QoS), kết hợp (coherent)

1.5.4 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông Sau đây là các vấn đề liên quan đến lớp liên kết dữ liệu: Điều khiển truy xuất môi trường (MAC)

Giao thức MAC trong điều khiển truy xuất môi trường trong mạng cảm biến vô tuyến có khả năng tự tổ chức mạng phải thỏa mãn 2 mục tiêu:

 Phải thiết lập các kết nối truyền thông để trao đổi dữ liệu

 Cung cấp một cách công bằng khả năng truy xuất môi trường truyền cho các nút

Với MAC truyền thống, xét một hệ thống điện thoại di động tế bào, các trạm cơ

sở (BS) được liên kết là những đường trục chính (Backbone) Một nút di động thường ở xa so với trạm cơ sở gần nó nhất Mục tiêu chính của MAC trong những

hệ thống như thế này là cung cấp chất lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) và hiệu quả sử dụng băng thông cao Việc duy trì nguồn năng lượng là vấn đề thứ yếu, nguồn cung cấp đều có thể thay thế hoặc nạp cho cả trạm cơ sở và các nút di động

Do đó vấn đề truy xuất chỉ thiên về cơ chế phân chia tài nguyên sẵn có

Với WSN, không nút nào có chức năng như các đặc tính trạm cơ sở của mạng di động tế bào Điều này tạo nên sự khó khăn trong việc đồng bộ hoạt động trên diện rộng mạng Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng không hiệu quả sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sống của mạng

Xét Bluetooth và MANET, có thể được xem là “gần gủi” với WSN hơn để so sánh Bluetooth là hệ thống vô tuyến tầm ngắn không có cơ sở hạ tầng Buetooth cho cấu hình mạng star, một master với 7 slave kết nối đến hình thành một Piconet Piconet hoạt động theo cơ chế TDMA kết hợp với nhảy tần (Frequency Hopping) Công suất phát điển hình khoảng 20dBm và tầm phát khoảng 10m Giao thức MAC trong MANET có nhiệm vụ định dạng hạ tầng mạng và duy trì khi các nút di chuyển Mục tiêu chính vẫn là hỗ trợ QoS cao trong trạng thái động, tất cả các nút đều có nguồn pin thay thế được khi nó cạn kiệt và nó chỉ là vấn đề thứ yếu

Khác với 2 hệ thống trên, mạng cảm biến với số lượng nút lớn hơn rất nhiều Công suất phát khoảng 0dBm và tầm phát cũng nhỏ hơn so với Bluetooth hoặc MANET Topo mạng thay đổi với tần suất cao hơn so với sự di chuyển và hỏng nút

Và cuối cùng, vấn đề quan trọng nhất đó là suy hao công suất ảnh hưởng đến thời gian sống của mạng WSN chính là lý do mà giao thức MAC của Bluetooth và MANET đang tồn tại không được trực tiếp đưa vào sử dụng

MAC cho WSN khi xây dựng phải quan tâm đến công suất suy hao, quản lý sự di chuyển và khắc phục lỗi nút, đặt biệt tiết kiệm công suất càng nhiều càng tốt Đó là

lý do mà các nút trong WSN phải hoạt động trên cơ chế đồng bộ về thời gian để khi không cần thiết truyền dữ liệu, tất cả đều ở trạng thái Standby hoặc có thể dùng cơ chế truy xuất ngẫu nhiên như trong chuẩn IEEE 802 11 dùng cho WLAN

1.5.5 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế

và mã hoá số liệu Thiết kế lớp vật lý phải quan tâm đến việc tối thiểu năng lượng, ảnh hưởng của suy hao, phân tán, phản xạ, tán xạ, hiệu ứng đa đường

1.5.6 Miền quản lý chức năng, quản lý sự di chuyển, quản lý công suất

 Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm

biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi

mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát broadcast tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

 Phần quản lý sự di chuyển: phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút

cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

 Phần quản lý chức năng: có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong

một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

1.6 Thách thức về tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây

Tuy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật Khi nắm rõ được những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện để cải tạo nhằm tối

ưu hơn nữa

Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc

bổ sung năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến multi-hop hay ad-hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ

liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó là lý do vì sao

mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn năng lượng mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (Sensing), giao tiếp (Communicating) và xử lý dữ liệu (Data Processing)

1.7 Kết luận chương 1

Mạng cảm biến ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Tuy nhiên WSN vẫn còn một số hạn chế về nguồn năng lượng, vì thế các nhà nghiên cứu đã và đang tìm hiểu về các giải thuật và giao thức để giúp tiết kiệm nguồn năng lượng trong mạng cảm biến tốt hơn

Chương 2 – CÁC NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN CỤM 2.1 Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) [6]

2.1.1 Giới thiệu

LEACH là giao thức Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp Nó dựa trên thuật toán phân cụm và có những đặc trưng sau:

 Các nút phân bố một cách ngẫu nhiên và tự hình thành các cụm

 Việc truyền dữ liệu được điều khiển bởi nút chủ cụm của cụm đó

 Quá trình thu thập và xử lý một phần dữ liệu sẽ diễn ra ở các nút thành viên sau đó nút chủ cụm sẽ tổng hợp và xử lý dữ liệu trước khi truyền về trạm gốc

Hình 2.1: Mô tả giao thức LEACH

Với LEACH [12], các cụm được hình thành do các nút ban đầu tựu tổ chức bên trong mỗi cụm có một nút được bầu làm nút chủ cụm Tất cả các nút không phải là nút chủ cụm sẽ phải truyền dữ liệu của nó tới nút chủ cụm Nút chủ cụm nhận dữ liệu từ tất cả các nút thành viên trong cụm, thực hiện xử lý dữ liệu rồi truyền về trạm gốc Do đó, việc trở thành nút chủ cụm sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn các

nút không được chọn là nút chủ cụm Khi nút chủ cụm chết, tất cả các nút trong cụm sẽ không có khả năng trao đổi thông tin nữa Vì thế, LEACH thực hiện ngẫu nhiên, luân phiên quay vòng bầu chọn các nút có năng lượng cao trong số tất cả các nút để làm nút chủ cụm Theo cách này, năng lượng phụ thuộc đến việc trở thành nút chủ cụm và phân bố chúng trên toàn mạng

Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng Mỗi vòng bắt đầu cùng với pha cài đặt khi mà các cụm được hình thành, sau đó đến pha ổn định khi mà các khung dữ liệu được gửi tới các nút chủ cụm và gửi tới trạm gốc Tất cả các nút phải đồng bộ về mặt thời gian để bắt đầu pha cài đặt tại thời điểm giống nhau

Hình 2.2: Time-line hoạt động của LEACH

LEACH cung cấp một mô hình tốt mà các thuật toán nội bộ và tập hợp dữ liệu có thể được thực hiện trong các nút chính được lựa chọn một cách ngẫu nhiên Điều này làm giảm quá tải thông tin và cung cấp một tập hợp tin cậy các số liệu cho người sử dụng cuối cùng Các tác giả của LEACH cũng đã chỉ ra rằng LEACH góp phần giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ và kéo dài hơn thời gian hoạt động của mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm các nhóm cố định

2.1.2 Tự động cấu hình tạo thành cụm mạng

LEACH sử dụng giải thuật phân tán để thực hiện công việc phân cụm, các nút tự quyết định mà không cần bất cứ sự điều khiển tập trung nào Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu việc giao tiếp với BS, sẽ tiết kiệm năng lượng nếu các nút ở xa BS Đồng thời việc hình thành các cụm phân tán mà không cần biết chính xác vị trí của các nút trong mạng Và nó không yêu cầu sự liên lạc toàn cục trong

pha thiết lập cụm, và không có giả thiết nào về trạng thái hiện tại của các nút khác trong quá trình hình thành

a) Lựa chọn nút chủ cụm

Khi các cụm được tạo ra, mỗi nút n tự động quyết định nó có là nút chủ cụm cho vòng tiếp theo hay không

Cách chọn CH ngẫu nhiên trong giai đoạn thiết lập được thực hiện như sau: mỗi nút

sẽ chọn ngẫu nhiên giá trị từ 0 đến 1 Nếu giá trị nhỏ hơn ngưỡng T (n) thì nút đó sẽ trở thành CH Với:

nó sẽ là thành viên của cluster nào Cuối cùng, CH sẽ chỉ định cơ chế truyền nhận

dữ liệu dựa trên phương thức TDMA

Trong suốt quá trình duy trì, các nút cảm biến gửi dữ liệu đến các CH của nó Các CH sẽ tập trung dữ liệu, nén và gửi đến trạm cơ sở Sau một chu kỳ xác định, mạng trở về giai đoạn thiết lập (vòng lặp mới) để tìm những CH tốt hơn hiện tại

b) Pha thiết lập (Set-up Phase)

Mỗi một nút nếu thỏa mãn phương trình thì được chọn làm nút chủ cụm Nút chủ cụm phải thông báo cho các nút khác trong mạng biết rằng nó đã được chọn làm nút chủ ở vòng hiện tại bằng 1 bản tin broadcast, bản tin nhỏ này bao gồm ID của nút và header để phân biệt bản tin này là bản tin broadcast Thứ nhất là để đảm bảo tất cả các nút lắng nghe bản tin broadcast để tránh xảy ra đụng độ khi CSMA được dùng Thứ hai là không có cơ chế để đảm bảo rằng các nút mà được chọn là nút chủ cụm

sẽ được phân bố đều trên toàn mạng Nếu công suất phát bản tin broadcast bị giảm

đi, một số nút ở biên có thể sẽ không nhận được thông báo và do đó có thể sẽ không còn ở trong vòng này Bản tin broadcast là rất nhỏ, do đó việc tăng công suất phát bản tin này để nó đến được tất cả các nút trong mạng không phải là một trở ngại Bởi vậy công suất phát sẽ được thiết lập ở mức cao vừa đủ để tất cả các nút trong mạng có thể lắng nghe được bản tin ADV này

Dựa trên cường độ tín hiệu của bản tin broadcast những nút không phải là nút chủ cụm sẽ quyết định nó sẽ nằm trong cụm nào bằng việc chọn xem nút chủ cụm nào yêu cầu chi phí năng lượng giao tiếp thấp nhất

Sau khi mỗi nút quyết định nó là thành viên của cụm nào, nó sẽ báo cho nút chủ cụm của cụm đó biết Mỗi nút sẽ phát bản tin Join-Request (Join - REQ) tới nút chủ cụm và cũng dùng giao thức CSMA Bản tin nhỏ này bao gồm ID của nút thành viên, ID nút chủ cụm và header để phân biệt với các bản tin khác

Các nút chủ cụm trong LEACH hoạt động như khối điều khiển trung tâm cục bộ

để liên kết các dữ liệu trong cụm mà nó làm nút chủ cụm Nút chủ cụm thiết lập bản tin định thời TDMA và truyền tới các nút trong cụm Điều này đảm bảo sẽ không có đụng độ xảy ra và cho phép phần phát sóng radio của các nút không phải nút chủ

cụm sẽ ở trạng thái tắt (sleep state) Nó chỉ ở trạng thái mở tại thời điểm mà nó truyền dữ liệu Như vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng cho các nút thành viên Sau khi bản tin TDMA được truyền đến tất cả các nút trong cụm, pha thiết lập đã hoàn thành và bắt đầu pha ổn định (steady state phase)

Hình 2.3: Trạng thái của pha thiết lập

Hình 2.4: Thuật toán hình thành cụm trong LEACH