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

5GIẢI 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
6GIẢI 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. 
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.
Hình 1. Các giao thức định tuyến
7LÊ 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.
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 
Hình 2. Mô hình mạng cảm biến không dây
8GIẢI 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 
9LÊ 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. 
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. 
Khung
10
GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN...
Hình 5. Quá trình chọn nút chủ cụm
Pha ổn định
Các nút bắt đầu thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến các nút chủ cụm. Các nút chủ 
cụm sẽ tích hợp dữ liệu của các nút trong cụm gửi đến trước khi gửi dữ liệu đến Trạm 
gốc. Sau một khoảng thời gian trong pha ổn định, mạng sẽ trở lại pha thiết lập và vào 
bước lựa chọn nút chủ cụm mới. Các nút có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các 
cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của mạng. Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến 
đơn điểm, các nút có thể truyền trực tiếp đến các nút chủ và trạm gốc. Vì thế nó sẽ 
không thích hợp với mạng mà triển khai trên diện rộng. Hơn nữa, ý tưởng về các cụm 
động đòi hỏi số lượng mào đầu lớn, ví dụ như các sự thay đổi nút chủ, quảng bá
Hình 6. Hoạt động của pha ổn định trong LEACH
11
LÊ THỊ THANH BÌNH 
2.3. Mô phỏng giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây 
sử dụng giao thức LEACH
Mô phỏng này là tìm 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. 
Để tiến hành mô phỏng, bài báo đã tích hợp code của MIT vào NS2 trên hệ điều hành 
Ubutu 9.04.
Code MIT ra đời năm 2000 nó chỉ tương thích với các hệ điều hành củ như 
Ubuntu 9.04, Ubuntu 10.04. Những hệ điều hành mới sau này như Fedora 11, Fedora 
12, code MIT không tương thích. 
Code MIT tích hợp vào NS nhằm hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây về mô 
hình giảm năng lượng của nút cảm biến, trạng thái của nút cảm biến đồng thời nó cũng 
hỗ trợ tốt cho một vài giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
Hình 7. Code MIT tích hợp vào NS 2.34
2.3.1. Kịch bản mô phỏng
Mô phỏng được thực hiện trong mạng cảm biến không dây gồm các nút cảm biến 
được triển khai một cách ngẫu nhiên trong phạm vi 100m x 100m. Trạm cơ sở nằm ở 
trung tâm của khu vực triển khai với các tọa độ 50m x 50m. Kịch bản mô phỏng sử 
dung các đối số trong bảng 1. và được minh họa trong hình 8. 
12
GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN...
Bảng 1. Các đối số mô phỏng
Các đối số mô phỏng Giá trị 
Kích thước mạng 100m x 100m
Địa điểm trạm cơ sở (50,50)
Năng lượng ban đầu của mỗi nút 2J
Thời gian mô phỏng 600s
Topo mạng 100nodes.txt
Hình 8. Kịch bản triển khai mạng cảm biến không dây
2.3.2. Kết quả mô phỏng
Kết quả được biểu diễn bằng các đồ thị tương ứng.
a. Khi số nút cảm biến thay đổi
Với mạng cảm biến không dây gồm các nút cảm biến được triển khai một cách 
ngẫu nhiên trong diện tích có kích thước 100m x 100m. 
Tiến hành khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH 
khi số nút cảm biến thay đổi (10 nút, 20 nút, 30 nút, 40 nút, 50 nút, 60 nút, 70 nút, 80 
nút, 90 nút, 100 nút) còn kích thước mạng cố định 100m x 100m. 
13
LÊ THỊ THANH BÌNH 
Hình 9. Năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH khi thay đổi số nút
Kết quả mô phỏng ở hình 9 có thể biểu diễn lại bằng bảng:
Bảng 2. Kết quả mô phỏng khi số nút cảm biến thay đổi
Số nút trong mạng (nút) Thời gian sống (s)
10 100
20 150
30 200
40 220
50 300
60 320
70 380
80 420
90 520
100 400
 Kết quả cho thấy, với mạng cảm biến không dây được triển khai trong diện tích 
có kích thước 100m x 100m, năng lượng toàn mạng là 200J, thời gian sống của mạng 
dài nhất là 520s khi phân bố số nút mạng là 90 nút, tương ứng với mật độ mạng là 9000 
nút/1km2.
b. Khi số cụm thay đổi
Với mạng cảm biến không dây gồm 90 nút cảm biến được triển khai một cách 
ngẫu nhiên trong diện tích có kích thước 100m x 100m. 
Tiến hành khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH 
14
GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN...
khi số cụm thay đổi (1 cụm, 2 cụm, 3 cụm, 4 cụm, 5 cụm, 6 cụm, 7 cụm, 8 cụm, 9 cụm, 
10 cụm) còn kích thước mạng cố định 100m x 100m. 
Kết quả mô phỏng ở hình 10 có thể biểu diễn lại bằng bảng:
Bảng 3. Kết quả mô phỏng khi số cụm thay đổi
Số cụm trong mạng (cụm) Thời gian sống (s)
1 180
2 230
3 600
4 480
5 290
6 200
7 350
8 250
9 300
10 120
Hình 10. Năng lượng tiêu thụ của giao thức LEACH khi số cụm thay đổi.
15
LÊ THỊ THANH BÌNH 
Kết quả cho thấy, với mạng cảm biến không dây gồm 90 nút được triển khai 
trong diện tích có kích thước 100m x 100m, năng lượng toàn mạng là 200J, thời gian 
sống của mạng dài nhất là 600s khi phân bố số cụm trong mạng là 3 cụm, tương ứng 
với số nút cảm biến trong một cụm là 30 nút.
3. Kết luận
Kết quả mô phỏng, cho thấy, mật độ nút cảm biến và sự phân cụm trong mạng 
ảnh hưởng lớn đến việc tiêu thụ năng lượng.
Khi mật độ nút cảm biến trong mạng quá thấp hoặc quá cao thì mức độ tiêu thụ 
năng lượng của giao thức LEACH trong mạng cảm biến càng lớn. Nút cảm biến từ 80 
đến 100 nút tương ứng với mật độ mạng là 8000 nút/1km2 đến 10000nút/1km2 thì giao 
thức LEACH đạt hiệu quả về năng lượng. 
Khi quá ít cụm thì nút chủ cụm sẽ ở xa nút cảm biến, tiêu tốn nhiều năng lượng 
khi truyền dữ liệu. Khi quá nhiều cụm, nút chủ cụm xử lý quá nhiều dữ liệu từ các nút 
cảm biến truyền đến nên cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Với 90 nút cảm biến thì 
số cụm từ 3 đến 4 cụm tương ứng với số nút cảm biến trong một cụm từ 20 đến 30 nút 
thì giao thức LEACH đạt hiệu quả về năng lượng.
Hầu hết những giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng cảm biến không 
dây đều giả định rằng các nút cảm biến và trạm cơ sở là cố định. Tuy nhiên có rất nhiều 
ứng dụng, các nút cảm biến hoặc trạm cơ sở cần di chuyển, khi đó việc cập nhật thông 
tin vị trí của nút chủ cụm và nút cảm biến cũng như việc truyền thông tin đó qua mạng 
có thể tiêu thụ một mức năng lượng đáng kể của các nút. Vì vậy trong tương lai cần 
nghiên cứu những thuật toán định tuyến mới để có thể xử lý thông tin về độ di chuyển 
và sự thay đổi cấu hình mạng trong điều kiện hạn chế về năng lượng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Brownfield, M. I.,et al.(2006), “Cross-layer wireless sensor network radio power 
management”, Wireless Communications and Networking, 2(6), 1160-1165.
[2] Habib, A. (2008), “ Sensor network security issues at network layer”, In Advances 
in Space Technologies, 2nd International Conference on IEEE,1, 58-63.
[3] Alkhatib, A. A. A., & Baicher, G. S. (2012), “Wireless Sensor Network Architecture”, 
International Conference on Computer Networks and Communication Systems, 
35, 11-15.
[4] Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at 
Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd.
[5] Edgar H.Callaway Jr. (2004), Wireless Sensor Networks: Architectures and 
Protocols, A CRC Press Company. 
16
GIẢI PHáP TIếT KIệM NăNG LượNG TRoNG MạNG CẢM BIếN...
[6] W. Heinzelman, A. Chandrakasan and H. Balakrishnan (2000), Energy-efficient 
communication protocol for wireless microsensor networks, in Proc. of the 33rd 
Annual V Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), Maui.
[7] E. Shih, S. Cho, N. Ickes, R. Min, A.Sinha, A. Wang, and A. Chandrakasan (2001), 
Physical layer driven protocol and algorithm design for energy-efficient wireless 
sensor networks, in: Proceedings of the 7thACM/IEEE Conference on Mobile 
Computing and Networks (MoBICoM’01), Rome, Italy.
[8] o. Younis and S. Fahmy (2004), HEED: A Hybrid, Energy-Efficient, Distributed 
Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks, IEEE Trans. Mobile Comp., 
vol. 3, no. 4, pp. 366–79
[9] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks 
Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 
New Jersey.
[10] Mei-hong, H., Cheng-qian, X. and Dong-liang, Z (2009), The simulation and 
analysis of LEACH protocol Based on NS2, Electronic Measurement Technology, 
vol.1, 
Title: A SOLUTION TO SAVE ENERGY FOR WIRELESS SENSOR 
NETWORK BY USING LEACH PROTOCOL
LE THI THANH BINH
Quang Nam University
Abstract: Energy efficiency is a primary concern in all fields, specially the area 
which has limited power sources such as wireless sensor network is an urgent issue. 
The article focuses on analyzing the operation of the protocol for low energy adaptive 
clustering hierarchy (LEACH) - one of the protocols is evaluated the energy efficiency 
in wireless sensor networks [6]. From there, by the simulation method, the paper 
has proposed the rule to reduce the energy consumes in the Leach protocol when 
distributing the density of sensor nodes and clusters in wireless sensor networks.
Key words: Leach protocol, low energy adaptive clustering hierarchy, energy in 
wireless sensor networks, routing protocols.