Energy-Efficient Communication Protocol
for Wireless Microsensor Networks
(LEACH)
Wendi Heinzelman, Anantha Chandraskasan e
Hari Balakrishnan
Massachucets Institute of Technology
Apresentado por: Sávio Cavalcanti
Sumário







Objetivo
Introdução
Modelo do Rádio
Análise de protocolos
LEACH
Conclusão
Comentários
Objetivo do Artigo

Protocolo de Comunicação

Redes de Sensores;


Micro-sensores.
Analisar protocolos existentes

Eficiente em energia;



Impacto dissipação de energia; e
Tempo de vida do sistema.
Propor protocolo adequado
Introdução

Tecnologia baseada MEMS:

Micro-sensores:


Mais baratos;
Maior quantidade:



Qualidade de sensoriamento; e
Tolerância à falhas.
Necessidades:

Projetos de Protocolos;


Melhor consumo de energia; e
Melhor utilização da banda passante.
Modelo de Rádio
Transmissão de uma mensagem com k bits a uma distância d:
ETx (k,d) = ETx-elec (k) + ETx-amp (k,d) = Eelec * k + Єamp * k * d2
Recepção desta mesma mensagem:
ERx (k) = ERx-elec (k) = Eelec * k
ETx-elec = Energia dissipada/bit no Transmissor
ERx-elec = Energia dissipada/bit no Receptor
Єamp = Energia dissipada/bit para amplificar
Pressuposições




Estação base é fixa e está longe dos nós;
Os nós são limitados em energia e
homogêneos;
Todos os nós conseguem se comunicar com
a estação base em um salto; e
Nós podem se comunicar entre si e com a
estação base.
Análise de protocolos

Comunicação direta com a base


Sensor manda diretamente para a base;
Base distante:




Grande perda de energia para transmitir;
Morte rápida; e
Tempo de vida do sistema curto.
Base próxima:


Apenas uma recepção; e
Boa solução (possivelmente ótima)
Análise de protocolos (2)

Comunicação Múltiplos Saltos


“Minimum Energy” routing protocol (MTE);
Comunicação com a base através de nós
intermediários;



Roteadores; e
n recepções e n transmissões.
Pode ser mais oneroso que comunicação
direta.
Resultado da Simulação
•Após 180 rodadas;
•100 nós;
•Mensagens com 2000 bits; e
•Nós vivos = círculos e Nós Mortos = pontos.
Morte dos nós mais distantes
da Base
Morte dos nós mais próximos
da Base
Comunicação Direta
MTE
Análise de protocolos (3)


Ambos possuem vantagens e desvantagens;
Protocolo mais eficiente:


Depende da arquitetura de rede; e
Dos parâmetros de rádio do sistema.
Análise de protocolos (4)

Protocolo de grupo (clustering) como
solução;

Nós organizados em grupos:





Um líder por grupo (estação base local);
Nós do grupo conversam apenas com o líder; e
Somente o líder do grupo conversa com estação base.
Reduz consideravelmente o gasto de
energia; e
Problema: Nó líder é fixo.
LEACH –
Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

Protocolo de grupo (clustering protocol):




Mestre do grupo não é fixo:




Auto-Organizável;
Trabalha com “rodadas”;
Distribui o consumo de energia aleatoriamente.
Eleição;
Nós se comunicam com o mestre do grupo (cluster head);
Nó mestre do grupo se comunica com a base fixa.
Nós organizam os grupos:

Grupos dinâmicos.
LEACH (2)

Tempo t1

C nós se elegem
Mestre de
Grupo.

Tempo t1 + d

Novo grupo C’ de nós
se elegem Mestre de
Grupo.
LEACH (3)

Número ótimo de mestres de grupo



Varia de acordo com topologia;
Custo de computação x comunicação; e
Percentual da quantidade de nós da rede.
5% dos nós
LEACH - Detalhamento

Quatro fases:




Anúncio;
Criação do grupo;
Criação do escalonamento; e
Transmissão dos dados.
Fase Transiente
Fase Estacionária
LEACH – Detalhamento (2)

Anúncio


Eleição do Mestre (Cluster Head);
Decisão de cada nó;


Escolhe um número aleatório (x) entre 0 e 1;
Se x < T(n) (Threshold) => Nó Mestre do
Grupo.
Percentual desejado de
Mestres de Grupo
Rodada corrente
P
T(n) =
1 – P * (r mod 1/P)
0
, se n Є G
, caso contrário
Grupo de Nós que não
foram Mestre de Grupo
nas 1/P rodadas.
LEACH – Detalhamento (3)

Anúncio



Cada nó eleito Mestre de Grupo:
 Envia esta informação a todos os nós não eleitos
Nó não eleito:
 Mantém seus receptores ligados;
 Ao receber o anúncio dos líderes definem qual grupo
vão participar;
 Potência do sinal recebido.
Término da fase.
LEACH – Detalhamento (4)

Fase de Criação do Grupo:


Cada nó não eleito Mestre de Grupo:
 Envia informação a Mestre de Grupo escohido
sobre sua participação no seu grupo.
Fase de Criação do Escalonamento:

Mestre do Grupo:
 Recebe informação dos participantes do seu
grupo; e
 Cria escalonamento de comunicação entre os
participantes - TDMA.
LEACH – Detalhamento (5)

Fase de Transmissão dos Dados:

Nós mestres recebem os dados de todos os
participantes do grupo;



Comprimem os dados; e
Encaminham à Estação Base.
Grupos Hierárquicos.
Simulação - Resultados


Matlab
Total de Mestre de Grupo = 5% do total de nós
Total de energia dissipada
Tempo de vida do sistema
Conclusão


Mais eficiente em consumo de energia global;
Totalmente distribuído;


Redução do consumo:



Sem necessidade de um controle centralizado.
Entre 7x e 8x se comparado com Comunicação Direta.
Entre 4x e 8x se comparado com MTE.
Mais que o dobro do tempo de vida do sistema

Comparado com outros protocolos
Comentários



Necessidade de sincronismo entre os nós;
Número maior do valor ótimo de nós eleitos; e
Segurança




Buraco Negro
 Seleção de líder malicioso;
 Modelos de confiança.
Invasão de sensores maliciosos
 Contagem de nós;
 Fase de Iniciação do grupo.
Sybil
 Métodos de autenticação.
Etc.
Energy-Efficient Communication Protocol
for Wireless Microsensor Networks
(LEACH)
Dúvidas