Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH
Lê Thị Thanh Bình1

Tóm tắt: Tiết kiệm năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu trong tất cả các
lĩnh vực, đặc biệt, trong các lĩnh vực mà nguồn năng lượng hạn chế như mạng cảm
biến không dây thì vấn đề tiết kiệm năng lượng càng cấp thiết. Bài báo tập trung phân
tích hoạt động của giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) - một
trong những giao thức được đánh giá đạt hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến
không dây [6]. Từ đó, bằng phương pháp mô phỏng, bài báo đưa ra quy luật giảm
năng lượng tiêu thụ trong giao thức LEACH khi phân bố mật độ nút cảm biến và khi
phân cụm trong mạng cảm biến không dây.
Từ khóa: Giao thức LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy, năng
lượng trong mạng cảm biến không dây, giao thức định tuyến.
1. Mở đầu
Sự phát triển của Công nghệ thông tin và Truyền thông góp phần to lớn vào
sự phát triển của xã hội. Xã hội càng phát triển thì nhu cầu của con người ngày càng
phong phú. Để đáp ứng nhu cầu đó, nhiều giải pháp công nghệ mới ra đời trong đó có
sự ra đời của mạng cảm biến không dây.
Ngày nay, mạng cảm biến không dây được sử dụng rất phổ biến trong các lĩnh
vực: An ninh (giám sát chiến trường, theo dõi, giám sát mục tiêu), môi trường (cảnh
báo động đất, cháy rừng, giám sát trong nông nghiệp, bảo vệ động vật), ứng dụng điều
khiển trong các tòa nhà thông minh, điều khiển trong công nghiệp…
Mỗi ứng dụng của mạng cảm biến không dây bao gồm hàng trăm, hàng ngàn nút
cảm biến. Nút cảm biến sử dụng nguồn năng lượng rất hạn chế đó là nguồn năng lượng
pin. Các nút cảm biến hoạt động trong môi trường khắc nghiệt nên việc thay thế hay
nạp lại pin cho các nút cảm biến là không thể. Do đó giảm năng lượng tiêu thụ trong
mạng cảm biến không dây là vấn đề luôn được quan tâm.
Nhiều loại giao thức định tuyến được phát triển để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ
trong mạng cảm biến. Trong đó giao thức định tuyến theo cụm giảm đáng kể năng
lượng tiêu thụ nhờ việc nhóm các nút cảm biến thành cụm để thu thập và tổng hợp dữ
liệu. Giao thức LEACH là một trong những giao thức định tuyến phân cụm đầu tiên.
1. ThS, Khoa CNTT, trường Đại học Quảng Nam

5

Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến...
Giao thức này tạo sự cân bằng năng lượng giữa các nút và kéo dài thời gian sống của
mạng.
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến với nguồn năng lượng
hạn chế nhưng nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp, trong đó cần có sự tương
tác giữa các nút mạng. Các nút cảm biến không dây có nguồn năng lượng và phạm vi
truyền sóng hạn chế. Do đó, để truyền được dữ liệu về điểm thu thập thì các nút cảm
biến phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút lân cận của chúng.
Vì vậy, các giao thức định tuyến đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mạng cảm
biến không dây.
Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất
cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại
thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào
thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.

Hình 1. Các giao thức định tuyến
Trong kiến trúc phân cấp, các nút có vai trò khác nhau: các nút có năng lượng
cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lượng thấp
được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu. Điều này có nghĩa là tạo ra các cụm và chỉ
định các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút chủ cụm. Mục đích chính của định tuyến phân
cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng việc đặt
chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung
và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm gốc. Sự hình thành các
cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút và vùng lân cận của nút so với các nút
chủ của cụm.
6

LÊ THỊ THANH BÌNH
Trong các giao thức định tuyến phân cấp, LEACH là một giao thức được đánh
giá là có nhiều ưu điểm nổi trội. LEACH thực hiện phân cấp theo cụm thích ứng năng
lượng thấp để thu thập và phân phối dữ liệu tới sink. Mục tiêu chính của LEACH là
kéo dài thời gian sống của mạng, giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút, sử dụng tập
trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng.
2. Nội dung
2.1. Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trường như ánh
sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất
thấp được gọi là các nút cảm biến.
Mỗi nút cảm biến được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến,
các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi.

Hình 2. Mô hình mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến bao gồm ba thành phần chính: trạm cơ sở, trạm người dùng và
mạng các nút cảm biến (hình 1)
- Trạm người dùng: đưa ra yêu cầu số liệu với trạm cơ sở và thu nhận các số liệu
đã yêu cầu.
- Trạm cơ sở: gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp để
chuyển tới mạng các nút cảm biến, nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng
các nút cảm biến.
- Mạng các nút cảm biến: Mạng các nút cảm biến là thành phần trọng tâm của
7

Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến...
hệ thống. Các nút cảm biến đảm nhận việc thu thập số liệu về môi trường và chuyển
các số liệu này đến trạm cơ sở. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm cơ sở. Các nút cảm
biến này có nhiệm vụ thu thập các thông tin cảm biến từ môi trường bao gồm ánh sáng,
nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến trạm cơ sở. Chúng truyền thông tin qua
liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz.
2.2. Giao thức LEACH
2.2.1. Giới thiệu giao thức LEACH
LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho
mạng cảm biến. Ý tưởng là để hình thành các cụm nút cảm biến dựa vào cường độ tín
hiệu nhận và dùng các nút chủ của cụm như là các router đến các trạm gốc. Việc này
sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thể thực hiện bằng các nút chủ của
cụm thay cho việc sử dụng tất cả các nút cảm biến. Số lượng các nút chủ tối ưu của
cụm là vào khoảng 5% tổng số lượng các nút. Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa
chọn ngẫu nhiên một số nút làm nút chủ cụm và sau đó quay vòng vai trò nút chủ cụm
cho các nút khác trong cụm, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm gốc
được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Nhờ đó góp phần vào việc kéo
dài thời gian sống cho mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha
là pha thiết lập và pha ổn định. Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian
của pha thiết lập để giảm thiểu phần.

2.2.2. Hoạt động của LEACH
Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng, mỗi vòng được bắt đầu với
pha thiết lập, trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm. Sau pha thiết
8

LÊ THỊ THANH BÌNH
lập là pha ổn định, trong pha này, xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến nút chủ và đến
trạm cơ sở.

Khung

Hình 4. Trạng thái ổn định của LEACH
Pha thiết lập
Các cụm được hình thành và các nút chủ cụm được lựa chọn. Các nút chủ được
lựa chọn như sau: Mỗi nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số
này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính như sau:
Công thức 1

Trong đó:
P: tỉ lệ phần trăm mong muốn trở
thành nút chủ của mạng.

r: là vòng hiện tại.
G: là tập các nút chưa trở thành nút chủ trong (1/P) vòng trước đó.

Mỗi nút chủ cụm được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các nút còn lại
trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là nút chủ cụm mới. Các nút còn lại không là
nút chủ, khi nhận được bản tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của
nút chủ nào. Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các
nút chủ cụm phát đi mà chúng nhận được. Các nút không phải chủ cụm này sẽ thông
báo cho nút chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào. Sau khi các nút chủ cụm nhận
được hết các thông báo của các nút thuộc về cụm của chúng, căn cứ vào số nút trong
cụm, nút chủ cụm sẽ chỉ định thời gian mà các nút trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó
dựa trên TDMA.

9