LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

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1 LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Sávio Rodrigues Cavalcanti 1 1 Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) Grupo de Teleinformática e Automação (GTA) - PEE/COPPE Resumo. Este trabalho tem por objetivo resumir o funcionamento do protocolo LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy), um protocolo de roteamento hierárquico, adaptativo e que utiliza o conceito de grupos, para redes de sensores sem fio, identificando suas principais características e seu funcionamento. Fará parte da avaliação da cadeira CPE Roteamento em Redes de Computadores, ministrada pelo professor Luís Henrique Maciel Kosmalski Costa- segundo período de Introdução O avanço em pesquisas na área de MEMS (microelectromechanical) para tecnologia de sensores, habilitaram o desenvolvimento de microsensores de baixa potência para redes sem fio que, comparativamente com os macrosensores, permitiram implementar redes com maior número de nós, proporcionando alta qualidade de medição e maior tolerância a falhas. Redes com microsensores podem conter centenas ou até milhares de nós e é desejável que estes nós sejam tanto baratos quanto eficientes no consumo de energia (energyefficient). É fato também que esta grande quantidade de microsensores espalhados são fontes de diversos tipos de problemas. Para este estudo destacou-se o problema do consumo de energia como foco principal, fato que torna desejável que os nós consigam realizar suas funções de sensoriamento do ambiente, com um baixo consumo de energia, permitindo alta longevidade do sistema. De acordo com o que foi exposto, um protocolo de roteamento para este tipo de rede foi proposto visando, além de permitir tolerância a falha individual de algum dos nós, uma redução do consumo de energia. No intuito de projetar bons protocolos para redes sem fio baseadas em microsensores, é necessário entender os parâmetros que são importantes para as aplicações de sensores, usando-se as seguintes métricas: facilidade de distribuição dos nós, mesmo em ambiente hostis; tempo de vida do sistema, mantendo seu funcionamento o máximo de tempo possível; e a qualidade da medição, como sendo a precisão com que o resultado medido pela rede de sensores é exatamente o que acontece no ambiente. Em redes sem fio baseadas em microsensores as informações sensoriadas pelos nós devem ser transmitidas para um centro de controle ou uma estação base, de onde o usuário final pode obtê-las. Existem diversas possibilidades para as redes com microsensores e no artigo estudado considerou-se: 1. A estação base é fixa e colocada longe dos sensores; e 2. Todos os nós são homogêneos. Analisando as vantagens e desvantagens de protocolos de roteamento convencionais, foi proposto o protocolo LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy),

2 que apresenta um algoritmo de roteamento hierarquicamente agrupado (clusterized) para redes de sensores, onde os grupos são formados dinamicamente e a seleção dos mestres dos grupos é feita aleatoriamente, de acordo com alguns critérios que serão mais a frente estudados. 2. Análise do Consumo de Energia em Protocolos de Roteamento Existem diversos protocolos de roteamento propostos para redes sem fio que podem ser analisados para redes sem fio baseadas em sensores. O artigo que propôs o protocolo LEACH efetuou uma análise destes protocolos e apresentou vantagens e desvantagens associadas. Os protocolos analisados possuem as características de comunicação direta com a estação base, onde cada sensor encaminha seus dados diretamente para a estação base, independentemente da distância entre ambos; e roteamento com múltiplos saltos com economia de energia, onde os nós encaminham seus dados para a estação base utilizando os nós intermediários entre eles. Foi utilizado um modelo de dissipação de energia para os rádios de transmissão e recepção com o valor de E elec = 50 nj/bit ao acionar o circuito de transmissão e recepção do nó e ɛ amp = 100 pj/bit/m 2 para o amplificador do transmissor atingir a potência desejável na transmissão. Assumiu-se também uma perda de energia r 2 devido à utilização do canal. Então para transmitir uma mensagem de tamanho k-bits para uma distância d utilizando o modelo de rádio acima, será gasto: E T x (k,d) = E elec * k + ɛ amp * k * d 2 e para receber esta mensagem, o rádio gasta: E Rx (k) = E elec * k Para o protocolo de comunicação direta, caso os nós estejam distantes da estação base, será consumida uma grande quantidade de energia para cada nó. Este fato irá rapidamente esgotar a bateria dos nós e reduzir o tempo de vida do sistema. Entretanto, como a única recepção acontecerá na estação base, caso a estação base esteja próxima ao nó, este pode ser um método aceitável de comunicação. Para o segundo protocolo, um nó distante da estação base utiliza nós intermediários para encaminhar suas mensagens. Os nós intermediários acumulam a função de roteamento com a função principal de sensoriamento da rede. A vantagem está no fato de que se o nó que vai transmitir estiver distante da estação base, não necessitará encaminhar em uma potência alta, desta forma, economizando energia. Ao analisar o protocolo como um todo, verificou-se que, a energia gasta nos nós intermediários para receber uma mensagem, amplificá-la e encaminhá-la adiante pode não ser tão vantajoso quanto ao consumo de energia, como inicialmente aparentou este método. A escolha dos nós intermediários interfere também no processo de economia de energia e deve ser estudado para que este tipo de protocolo não seja desvantajoso. Outro ponto a destacar é que os nós mais próximos da estação base deverão ser bastante utilizados para a função de roteamento, acarretando em sua morte rápida e em seguida os segundos mais próximos e assim por diante. De acordo com as vantagens e desvantagens acima apresentadas, foi analisado um protocolo convencional para roteamento em redes de sensores ad hoc caracterizado pelo o agrupamento (clustering) dos nós da rede, onde os participantes dos grupos (clusters)

3 se comunicam com uma estação base local (do grupo) e esta estação base local transmite para um estação base global (da rede). Este protocolo reduz a distância que um nó precisa transmitir seus dados, pois a estação base local, também denominada de mestre do grupo, estará próxima ao nó dentro do seu grupo. Este agrupamento, então, aparece como uma boa solução para um protocolo de comunicação eficiente em consumo de energia. Devese atentar ao fato de que, caso a estação base local seja limitada em armazenamento de energia esta morrerá rapidamente, pois será constantemente utilizada. 3. LEACH O LEACH é um protocolo de roteamento hierárquico de grupos, adaptável e autoorganizável, para redes sem fio com microsensores, que utiliza a aleatoriedade para distribuir o consumo de energia uniformemente pelos sensores da rede. Neste protocolo os nós se organizam em grupos locais, com um nó atuando como a estação base local ou mestre do grupo (cluster head). Se este mestre for escolhido a priori e mantido fixo, tal qual nos modelos convencionais apresentados na seção anterior, é fácil ver que este sensor irá rapidamente morrer, terminando com o tempo de vida de todo o grupo. Desta forma, como uma de suas características principais, o LEACH incluiu um revezamento da função do mestre do grupo de forma a não esgotar a bateria de somente um nó. Adicionalmente o LEACH provê uma agregação das mensagens do grupo antes de sua transmissão para a estação base, reduzindo a dissipação de energia e melhorando o tempo de vida do sistema. Uma vez que os grupos estão formados, os nós devem transmitir seus dados para o mestre do grupo, em uma forma eficiente de energia. No LEACH, isto é feito utilizando o protocolo TDMA Funcionamento do LEACH A operação do LEACH é quebrada em rodadas (rounds), onde cada rodada possui uma fase de iniciação, quando os grupos são organizados, seguida de uma fase em estado estacionário, quando a transferência de dados para a estação base ocorre. Visando minimizar o overhead, a fase em estado estacionário é longa, se comparada com a fase inicial. Os sensores elegem entre si os mestres de seus grupos em qualquer tempo com uma certa probabilidade. Os nós eleitos enviam uma mensagem para todos os demais nós da rede informando sua nova condição. Cada sensor então definirá de qual grupo fará parte, selecionando o mestre de grupo que requerer uma comunicação com menor gasto de energia. Esta eleição e efetuada de tempos em tempos. Um grupo de C nós pode eleger entre eles um mestre do grupo no tempo t 1, mas no tempo t 1 + d um novo grupo C de nós elege entre eles um outro mestre do grupo. A decisão para se tornar um mestre de um grupo está na quantidade de energia que resta ao nó. O sistema pode, a priori, definir um número ótimo de grupos que podem existir no sistema. Este número vai depender de diversos parâmetros, tais como a topologia da rede e o custo relativo entre computação e comunicação. Cabe ressaltar que a dissipação de energia no sistema varia a medida que o percentual de nós mestres de grupos vai aumentando. No caso de nenhum nó ser mestre de grupo ou todos serem, este protocolo se torna tal qual o protocolo de comunicação direta, visto anteriormente. Desta forma existe um número ótimo de grupos, e conseqüentemente de mestre de grupos Nótimo. Para

4 os parâmetros do sistema e a topologia utilizados no artigo estudado um valor ótimo para Nótimo = 5 porcento da quantidade de nós da rede Fase de anúncio Inicialmente, quando os grupos estão sendo criados, cada nó decide se irá ou não participar da escolha para se tornar um mestre de grupo na rodada corrente. Esta decisão está baseada na porcentagem sugerida (Nótimo ) da quantidade de mestres de grupo e o número de vezes que o nó foi um mestre de grupo. A decisão é tomada pelo nó n escolhendo um número aleatório entre 0 e 1. Se este número for menor que um determinado limite T(n), o nó se torna um mestre de grupo para esta rodada. Cada nó eleito como mestre de grupo para a rodada corrente, envia a todos os nós uma mensagem de anúncio. Em seguida, cada nó que não é um mestre de grupo decide de qual grupo vai pertencer para esta rodada. Esta decisão é tomada pela potência do sinal recebido da mensagem de anúncio Fase de Início do Grupo Após cada nó decidir de qual grupo ele pertencerá, deve informar ao mestre do grupo que ele será um membro do grupo. Durante esta fase todos os nós devem manter seus rádios ligados Geração do Escalonamento O mestre do grupo recebe todas as mensagens dos nós que querem participar do grupo. É nesta fase que, baseado na quantidade de nós no grupo, o mestre do grupo cria o escalonamento utilizando o protocolo TDMA, informando a cada nó participante do grupo quando ele pode transmitir. Este escalonamento é transmitido em broadcast para todos os nós Fase de Transmissão de Dados Após os grupos estarem definidos e o escalonamento implementado, a transmissão de dados entre os nós do grupo e o seu mestre pode ser iniciada. Pressupondo que os nós estão sempre querendo transmitir, eles enviam seus dados durante o período de tempo alocado, e utilizam o mínimo necessário de potência (de acordo com a potência do sinal recebido do mestre do grupo durante a fase de anúncio). Nesta fase a rede do LEACH está no estado estacionário. Após um certo período de tempo, que é determinado previamente, a próxima rodada inicia com cada nó determinando ser será um mestre do grupo para esta rodada e divulgando esta informação Múltiplos Grupos Até então foi apresentado o funcionamento da comunicação entre os nós dentro de um grupo. Todavia o rádio é inerentemente uma mídia que trabalha em broadcast e uma transmissão pode em um grupo pode interferir uma transmissão em outro grupo próximo. Visando reduzir este tipo de interferência, cada grupo se comunica utilizando diferentes códigos de CSMA-CD.

5 3.7. Grupos Hierárquicos Esta versão do protocolo LEACH apresentada pode ser estendida para a forma hierárquica. Neste cenário, os mestres de grupos se comunicarão com os super-mestres de grupo e assim por diante até o nível mais alto desta hierarquia, e neste ponto os dados podem ser encaminhados para a estação base da rede. Para grandes redes esta hierarquia pode minimizar muito o consumo de energia. 4. Conclusão O protocolo de roteamento aqui apresentado, denominado LEACH, apresentou uma forma de distribuir o consumo de energia entre os nós de uma rede sem fio, baseada em microsensores, como sendo uma forma efetiva de reduzir a dissipação de energia em uma perspectiva global e aumentando o tempo de vida do sistema. Características como autoconfiguração, que permite que os nós possam ser espalhados em áreas remotas ou hostis, maximização do tempo de vida do sistema, e técnicas visando minimização da dissipação de energia, estão presentes no protocolo LEACH e foram apresentadas com um certo detalhamento neste resumo. References Ananda, A., Chan, M. C., Ooi, W. T., and por Shorey, R. E. (2006). Mobile, Wireless, and Sensor Networks - Tecnhlogoy, Applications, and Future Directions. IEEE Press. USA. Heinzelman,. W. B. (2000). Application-Specific Protocol Architetures for Wireless Netowrks. USA. Heinzelman, W. B., Chandraskasan, A., and Balakrisnhan, H. (2000). Energy-efficient communication protocol for wireless networks. In 33 o Hawaii International Conference on System Sciences.