Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Scie nce   Vo l.   13 ,  No.   1 ,  Jan uar y   201 9 ,   pp.  2 72 ~ 2 78   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v1 3 .i 1 .pp 272 - 278          272       Jou rn al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   Improve ment of  CH el ec t ion in thre e - l evel  hetero gene ous WS N       Jong - Y ong Le e 1 , Daesu ng Le e 2   1 Inge nium  Coll e ge   of lib era l   ar ts,   Kw angWoon Unive rsit y ,   Seoul   01897,   Kore a   2 Depa rtment of  Com pute r  Engi n ee ring ,   C at hol ic  Univer sit y   of   Pus an,   Busan   4625 2,   Kore a       A rticl e In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Sep  2 , 2 018   Re vised N ov 3 , 2018   Accepte d Nov  1 9 , 201 8       A  W ire le ss   Sen sor  Network  is  a  wire le ss l y   co nfigure d  Sensor  Node  with   li m it ed  power  such  as  a  bat t er y.   The r e  are   m an y   W ire l ess  Sens or  Network  Protocol s  to  inc r ea se  ene rg y   eff i ci en c y ,   among  which  LE ACH   Protocol   and   SEP   are   t y pi ca l .   The   LE ACH   Protocol   is  m ai nl y   used  for  hom ogene ous  sensor  net work s  with  the  sa m e  ini tial  ene r g y ,   and   SEP   i s  used  for  het ero g ene ous  sensor  net works   with  diffe ren t  in it ial  ene rg i es.   In   the   ca se  of   SEP - E,   anot her   het ero g ene ous  sensor  with  different   ini t ia l  en er g y   is  adde d .   SEP   and  SEP - E   provide   a  highe r  proba bilit y   o f  Cluste r  Hea d  el e ct ion  fo r   node  t y pes  with  m ore   ene rg y   than  Norm al   Nodes .   Since   th e  cur re nt  residual   ene rg y   of   the  n ode  is  not   conf i rm ed,   ev en  if   th e  en erg y   is  low,   the  Cluste r   Hea d  m a y   be  el e ct ed  b ecause  of  t he  node  t y pe.  In   thi s  paper,  conside ring  th e   residua l  en erg y   of  a  node  when  a  Cluste r  Hea d   is  el ec t ed,   we  i ncr ea se  th e   proba bil i t y   of   elec t ing  a  C luste r  He ad  w it h  m ore   r esid ual   ene r g y .     Cluste r  Hea d   co nsum es  a  lot   of  ene rg y .   A  node  with  a  lot   of  r esi dual   en er g y   is  el e cted  as  a   Cluste r  Hea d ,   s o  the   n et work  l ife ti m e  ca n  be  used  for  a     long  ti m e .   Ke yw or ds:   Cl us te r   Ele ct   Heter og e ne ou s   Level   Pr ot oc ol   WSN   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .     Al l   rights re serv ed.   Corres pond in g  Aut h or :   Daes ung  Lee ,   Dep a rtm ent o f C om pu te r  E ng i neer i ng,    Ca tho li c Unive rsity  o f  P us an , B us an  46 252,  Korea .   Em a il :  ds le e@cup.ac. kr       1.   INTROD U CTION     A  W irel ess  S ens or   Net wor k  ref e rs  to  a  network   in  wh ic h  Senso r   Nodes  w it h  colle ct ion   an d  transm issi on /re cepti on  f unct ion s   are   wirel essly   config ured.  Be ca us e  t he  Se nsor   N odes  a re  c onfigure d  wirelessl y,  eac h  no de  ha s  a  lim it ed  energy,  su c h  as  a  ba tt ery.  Sensor  Nodes  ca n  be  in sta ll ed  in  a  ho m e,     a  natur al   e nv i r on m ent,  a  ro a d,   et c.  to  m easur e  or   obser ve   changes  in  t he   env ir onm ent.  These  net wor ks   are  us e d  in  m any  a reas  of  ever y da y  li fe  and   m ake  our  li ves  m or e  conven ie nt.  I n  ad diti on ,  si nc e  the  Sensor  Nodes  are  wirelessl y  config ur e d,   t he y  can  be  instal le d  wh e re  pe ople   can  not  act ually   go .  W i rel ess  Sensor  Networks   hav e  t hese  ad va ntages ,  but  th ey   al so   hav e  draw bac ks .  U nl ike  a  wire d  ne twork ,  a  W irel ess  Sensor  Net work   op e rates  with  a  lim it ed  po w er  source  s uch  as  a  batte ry  fo r  eac h  Sens or  Node.   If   the   batte ry  is  exh austed ,     the  Senso r  N ode  will   no   l onge r  in  f un ct i on.  Ther e f or e,  i n  orde r  to  m ai ntain   a  netw ork  for  a  long  ti m e,  e nergy   consum ption  s hould be  m ini m iz ed  by opti m iz ing  the e ne rg y c onsu m ed.   In   t he  W i rele ss  Se ns or  Net work,  the re  a r e  a  ho m og e ne ous  W i reless   Senso r  Netw ork  a nd  a  heter og e ne ou s   W irel ess  Sensor   Net work.  In   t he  ho m ogeneous  Wirele ss  Se ns or  Network,  al l  the  Sens or   Nodes   are  t he   sam e.  The  he te rogen e ous  W i reless  Sensor   Net work  is   a  m ixtur e  of   Sensor   N odes   ha ving   diff e re nt  init ia l  energy.  The re   are  m any  W ir el ess  Senso r  N et work   Protoc ols  to  i ncr ease   the  ene r gy  eff i ci ency  of   the  netw ork .  [1 - 3]  Ty pical   Pr ot oco ls  are  LEAC H  Proto col  [4 ]   an d  SE P  [5 ] .  T he  LE ACH  P ro t oco l   is  a  cl us te r - base d  P ro t oco l  that  el e ct s  a  Cl us te r  H ead  no de  cy cl ic al ly   us ing   a  C luster  He ad  el e ct ion   f orm ula.  SEP   is  a  Protoc ol  f or   heter ogene ous  W i reless  Se ns or  Netw orks   base d  on  L E ACH  Protoc ol.   The  S EP  distr ibu te s  the  Cl us te r  He ads  acc ordin g  to  the  node  ty pe  us in g  the   di ff ere nt  Cl us te r  Hea d  el ect io n  e qu at io ns   f or  the   N orm al   No de  an d  A dvan ced  N ode,   w hich  has  m or e  init ia l  energy  tha n  th e  N or m al   Nod e.  SE P - E   [ 7]  a dd e d  an  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr ov eme nt  of  CH  el ect ion i n  th ree - le vel   he te ro ge ne ou s   WSN  ( Jo ng - Y ong Lee )   273   interm ediat e  no de  with  m or e   energy  to  t he  SEP,   a nd  al so   gav e   dif fer e nt  el ect ion   f or m ulas  dep e ndin g  on   t he   node  ty pe.   H oweve r,  in  t he  case  of  SEP   or  SE P - E ,  t he  pro ba bili ty   of   e le ct ion   is  i ncr e ased  for  node s   with   m or e  init ia l  ener gy  c on si der i ng   only   the  no de  ty pe  withou t  the  resid ual  e nergy.  T her e f ore,  the  Cl us te r  Head   node  m ay  b e el ect ed  a  node  wi th low ene r gy.  In this  pa per,  we pr opos e  a  m et ho d  t o  s olve  thes e  pro blem s.       2.   RESEA R CH MET HO D     2 . 1.       He ter og e neou s  N e twor k   In   a   hete roge ne ous  wi reless  sens or   netw or k,   t he  e nergy  of   al l  the   no de s  is  not  the  s a m e  as  the   ho m og e neous  wireless  se nso r  net work   w he re  the  e nergy  of   al l  the  node s  is  the  sam e.  m %  of   al l  no de s  ar e  Adva nced  Nod es  that  has   m or e  e nergy  tha n  a  Norm al   Node.   That   is,  w hen  the   total   num ber   of  node s  is  ,   × ( 1 − )   N or m al   No de s  ha ving  init ia l  energy  val ue   0   exist,  a nd  t her e  a re  ×   A dv anced  N odes   hav i ng m or e in it ia l energ y t ha n Norm al  N odes.     2 . 2 .      Thre e - le vel He terogen eous   Ne twork   A  th ree - le vel  heter og e ne ou s   wireless   sen s or  net work  is  a  netw ork   of  three  ty pe s  of  node s  with   diff e re nt  ene r gi es.  %  of  al l  node s  ar e  Adva nced  N odes  wi th  m or e  e nergy  tha n  Norm al   Nodes   an d  0 %  of   the  A dvanc ed   Nodes   are  sup erno des.   I n  othe r  words,  if   the   total   num ber   of  nodes  is   ,  the re  are   × ( 1 − )   Norm al   No des   with  a n  init ia l  energy  val ue  0   and   × ( 1 − 0 )   A dvance d  Nodes  se ve ral    tim es  m or e  than   the  i niti al   en erg y.   And   th ere  a re   × × ( 1 − 0 )   supe r  nodes   t hat  are    ti m es  as  m uch   as   t he     init ia l energ y.     2 . 3 .      LE A CH  Protoc ol   The  L EAC H  P ro t oco l  is  a  Cl us te r - base d  routing  Proto col.   The  Senso r  Fi el d  is  di vid e d  i nto   Cl ust ers ,   and   t her e  is  on e  Cl us te r  Hea d  node  pe r  Cl ust er.  The  L EAC H  Protoc ol  sto chasti cal ly   el e ct s  the  Cl us te r  Hea d  and  g ives  al l  th e  nodes  in  the Cl us te r  the  op port un it y  to  be  e le ct ed  as  the   Cl us te r  Hea d.   T he  LE ACH  P r oto c ol  has  a  set - up   phase  in  wh ic h  C luster  Hea d  el ect ion s  are  m ade  and   a  ste ady - sta te   ph ase  in  wh ic h  tran sm is sion  is  act ually  eff e ct ed.   The  Cl ust er  Head   co nsum es  a   lot  of   energy  beca use   it   colle c ts  th e  data  of   the  m e m ber   nodes  in   the  C luster  an d  tran sm it s  it   to  the  Ba se  Stat ion .  Wh e n  a  node  i s  con ti nu ou sly   el ect ed  as  a  C luster  Head,  th e  e nergy  of  t he  node   is  co ns um ed  i m m ediat ely.  Ther e fore,   al l  no des  ca n  be   el ect ed  as  a   Cl us te r  Head  by u si ng the t hresh old eq uatio n  in  the  LEAC H  P ro t oco l . In t he  set - up phas e, the  Cl us te r Head  is ele ct ed  u si ng   the foll owin g  e qu at io n.     ( ) = { 1 − (   mod 1 ) if   ∈ 0 ot h erwise   (1)     As  s how n  i n  ( 1),    is  the  curr ent  r ound.  If   t he  set     is  e m pty  and   t her e  a re   no  m or e  node s  that  can   beco m e  Cl us te r  Hea ds,  pu t  al l  rem ai nin g  en erg y  nodes   in  t he  set     so   t hat  they   bec om e  Clu ste r  Hea ds .  S et     is  the  set   to  wh ic h  nodes  tha t  are  no t  el ect ed  to  the  Cl us te r  Hea d  bel ong.  If   the  ra ndom   nu m ber   is  le ss  tha n  the  th res ho l d  ( ) ,  the  node   is  el e ct ed  as   the   Cl ust er  Head  in   th e  cu rr e nt  r ound.   O nce   al l  the   Cl us te r   Hea ds   are  el ect ed,   th e  m e m ber   nodes  in  t he  Cl us te r  tra ns m it  the  data  to  t he  Cl us te r  He ad.   T he  Cl us t er  He a d  transm it s  the  data  of   the  re cei ved   m e m be r  nodes  a nd   it s  own  data  to   the  Ba se  Station .  Fi gure  1  sh ow s   flo wch a rt of L EACH .           Figure  1. Flo w char t  of LE AC H  protoc ol   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 7 2   –   2 7 8   274   2 . 4 .      SEP   SEP  is  s uitable   for  heter og e ne ous  net wor ks   and  gi ves  a  dif fer e nt  Cl us te r  Head  pro ba bili ty   equ at io n  dep e ndin g  on  t he  ty pe  of  no de s.   Heter ogene ou s  netw orks  a re  dif fer e nt  f rom   ho m og ene ous  net wor ks   in  wh ic h  al l nodes  ha ve t he  sam e energ y. A n od e  w it h m or e ener gy t han a  Norm al   Node  is  call ed a n Adva nced  Node.   In   case  of   Cl ust er  Head   el ect ion,  it   is  el ect e d  by  pro ba bili ty   equ at io n  li ke  LEACH  P r otoc ol.  I n  case   of   SE P,  wei ght  is  app li ed  to  Adva nce d  Node  with  hi gh e r  ene r gy  to  increa se  the   el ect ion   pro ba bili ty.     The  wei gh te d  pro bab il it y  fo r m ula   of   the  N orm al  No de  a nd  the  weigh te d  pro bab il it y  fo r m ula   of   the  A dvance d  Node  a re sh own  in  (2).      = 1 + ×    = ( 1 + ) 1 + ×   (2)     The  Cl us te r  H ead  el ect io n  prob a bili ty   (  )   an d  (  )   us in g  t he  weig hted  pro ba bili t y  equ at i on  of (2)  are sh ow n  in  (3).     (  ) = {  1 −  (   mod 1  ) if   ∈ 0 ot h erwise     (  ) = {  1 −  (   mod 1  ) if   ∈ ′ 0 ot h erwise   (3)     As  sho wn   i n  ( 3),    is  the  curr ent  rou nd   a nd    is  the  set   of   N or m al   No des  t hat  are  not  Cl ust er  Hea d  within  1   r ound o f  Ep oc h.  And   (  )   is  a  thr esh old app li ed   to  × ( 1 − )   N orm al   No des .  T hi s  ens ur es   that  N or m al   N od e s  ar e  Cl us t er  Head s   e xactl y  on ce   eve ry  1 p opt × ( 1 + × ) r ound  of  E po c h.  T he  nu m ber   of  aver a ge  Cl us te r  Hea ds   of   th e  Ep och   is  × ( 1 − ) ×  .  G   is  a  set   of   Adva nced   N odes  that  are  not   Cl us te r  Hea ds  within   the   la st   1    r ound   of   E poch.  A nd   (  )   is  a   t hr es hold   a pp li ed   to   ×   A dvanc ed   Nodes.   This  e ns ures  th at   the   Adva nced   N odes  are  Cl us te r   Head s  e xactl y  on ce  e ve ry  1  × ( 1 + × ) 1 +   r ounds.  This  per i od is  def i ned as a  Sub - e poch .   Each  E poc h  ha s  1 +   su b - e po c h.  As   a  re su lt ,  A dv a nce d  Node s  in  a   hete roge neous   ep oc h  be com e   Cl us te r  Hea ds   exactl y  1 +   tim es.  The  ave ra ge  num ber   of   Cl ust er  Hea ds   per   r ound   of  hete rogen e ous  ep oc h  is  × ×  .     × ( 1 − ) ×  + × ×  = ×    (4)     As  sho wn   i n  (4),   the  s um  of   the  a vera ge  num ber   of   Cl us te r  Hea ds   pe r  N orm a l  Node  pe r  heter og e ne ou s  epo c h  a nd   t he  aver a ge  nu m ber   of  Cl us te r  He ads  pe r  A dva nc ed  N ode  pe r  s ub - e po c h  is  eq ual  to  the av e ra ge num ber  o f  Cl us te r  H eads  p e r  e poch  p e r rou nd. Fi gure  2  s hows  num erical  ex am ple.           Figure  2. A  nu m erical  ex am p le  f or a  heter og eneous  n et wor k       2 . 5 .    SEP - E   SEP - E  is  a  S EP - base d  Protocol  f or   th ree - le vel  het er ogeneous  se ns or   networks.  Ex ist ing   SEP s   consi der   only   two  ty pes  of   Sensor  Nodes  with  dif fer e nt  energy,  but  S EP - E  a dds  an oth e r  node  ty pe   with  diff e re nt  ene r gy.  It  has  N orm al   No de,   a nd   A dv a nce d  Node  that  has   m or e  ene r gy  than  Norm al  Node,  interm ediat e n od e   in  w hich h as m or e ene rg y  than A dvance d Node.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr ov eme nt  of  CH  el ect ion i n  th ree - le vel   he te ro ge ne ou s   WSN  ( Jo ng - Y ong Lee )   275   In ste a d  of    in  (1)  of  LE AC H  P ro t oco l,     is  assig ned   t o  Norm al   No de,     is  assigne d  t o  Adva nced N od e, and     is assi gned  to I nterm e diate  nod e .      = 1 + ( − 0 ( − ) )      = ( 1 + ) 1 + ( − 0 ( − ) )      = ( 1 + ) 1 + ( − 0 ( − ) )   (5)     The   rati o  of  Adva nced  Node  a nd   I nter m ediat e  node   is  %   of  th e   total   node .  The   rati o  of   interm ediat e n od e s is  0 %   of  th e Adv a nce d N od e .       3.   PROP OSE D MET H OD   Since  the   Cl ust er  Hea d  el ect ion  th reshold   of  the   LE ACH  Pr ot oc ol  does  no t  c onside r  t he  resid ua l   energy  of   t he  node,  a  node  with  ins uffici e nt  ene r gy  to  operate  as   a  Cl us te r  Hea d  node  ca n  be  el e ct ed.     To  s olv e  t hese   pro blem s,  M. J.  Ha ndy  [6 ]   has  im pr oved  th e  Cl us te r  He ad  el ect ion   t hresh old   to  ta ke   into   account t he  r e s idu al  e nergy  of the  nodes . Ha nd y' s prop os al   is sh own  i n (6) .     ( ) ×      (6)     As  sho wn   i n  ( 6)   is  T hr es hold  co ns ide rin g  t he  resi du al   e ne rg y  that  m ultip li es  the  ( )   valu e  of   the   LEAC H  Proto col  by  the  resi du al   e nergy  rat io  of  the  node.  ( )   has  a  value  be tween  0  a nd   1.  I n  the   LE AC H   Pr ot oc ol,  the  r andom   nu m ber   of  eac h  no de   is  com par ed  with  the  t hr es ho l d  val ue,   a nd  if  the   val ue  of   t he  thres ho l d  e qu a ti on   is  gr eat er ,   it   is  el ect ed  as  the  Cl us te r   Head.  T her e fore,  if  t he  th res ho l d  value  e xc eeds  1,    the  Cl us te r   He ad  is  al ways  e le ct ed ,  s o  t he  t hr es hold   val ue   sho uld   not  e xc eed  1.  I n  (6),     is  t he  init ia l   energy  of  t he  node,  a nd      is  t he  c urre nt  e nergy  of  the   node .  T her e f or e ,  as   the   resi dual   e nergy  of  t he   node  bec om es   sm a ll er,  the  va lue  of  the   thr esh old   e qu at i on  beco m es  cl os er  to  0  a nd  it   is  not  el ect ed   as  th e   Cl us te r Head .   In   t he  case  of   e xisti ng  he te rogen e ous  sens or   netw or k  P ro t oco ls ,  t he  Cl us te r   H ead  el ect ion  pro bab il it y  is  i ncr ease d  to ward  the  init ia l  ener gy  de pe nd i ng  on  the  node  ty pe.   Be cause  it   has  a  lot  of   init ia l   energy,  it   is  su it able  as  a  Cl us te r  Head.  Howev e r,   since  th e  pr io rity   of   the  el ect ion   pr ob abili ty   is  determ ined   accor ding  to  the  node  ty pe,   i neffici ent  cl us te rs  are  f or m ed  wh e n  these  ty pes  of  nodes  a re  far   f ro m   the  Ba se  Stat ion .  Als o,   because   the  res idu al   ene rg y  is   no t  co ns ide re d,   the  Cl us te r  Head   ca n  be  el ect ed  first  beca us e  of  the  node  ty pe  even   the  act ual  residu al   e nerg y  is  insu ff ic ie nt .  In   this  pa per,   we  pro po se  a n  el ect ion   prob a bili ty  of form ula to solve t his  prob l e m  as it fo ll ow s.   We  first  c onsi der  the   resi du a l  energy  i n  ( )   of  the   existi ng  L EACH   P ro t oc ol.  In  the   case   of  M.J.   Handy,  the  Cl us te r  Hea d  el e ct ion   pro ba bili ty   was  adjusted  acco rd i ng   to   the  energy  rati o  by  m ulti plyin g  th e   el ect ion  e nergy by the            ℎ             ℎ    .   The  sm aller  t he  resid ual  energy  of   a  node ,  the  le ss  the  Cl us te r  Head   el ect ion  pr oba bili ty .     Howe ver,  if  th e  rem ai nin g  en erg y  of   t he  nodes  is  re duce d  as  the  netw ork   procee ds ,  t he  Cl us te r  Hea d  e le ct ion  pro bab il it y  is  reduce d  as  a  whole,  an d  th e  Cl us te r  Head   m a y  no t  be  el ect ed.   To  ov erco m e  this  pr ob le m ,  resid ual  ene rgy   rati o  of  the  node   is  cha nged   base d  on   t he  m axi m u m   residu al   e nergy  of   the  al ive  nodes   in  th e   Sensor  Fiel d, not ba sed  on t he  init ia l ener gy. (     to      (   ) )   The pr opose d  Cl us te r Head  e le ct ion  th res hold for m ula app ly ing  im pr ov e m ents is sho w n  in  (7).      ( ) ×    (   )   (7)       4.   SIMULATI O N AND   RES U LT S   4 . 1 .      Radio  M od el   Wh e n  data   is  transm itted  f rom   the  Sensor   Node,  it   r eq ui res  tr ansm issi on   e ne rg y   −  ( )   a nd   a m plific at ion   energy   −  ( , )   de pendin g  on  the  di sta nce.  When   receivin g  data  from   a  Sens or   N od e ,    it  r eq uir es  rece iving ene r gy   −  ( ) .   The flo wch a rt  of the  rad i o  m od el  is s how n  in  Fig ur e  3.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 7 2   –   2 7 8   276       Figure  3. Ra di o  m od el       Energy  co nsu m pt ion   is  pro portio nal  to  the  sq ua re  of  th e  distance  if  the  transm issi on   distance  is   within  the  fr e e  sp ace  dista nce,  a nd   e nergy  co ns um ption   is  propo rtion al   to  t he  f ourth  powe r  of   th e   transm issi on   di sta nce  wh e n  the  transm issi on   distance  is  outsi de  the  fr ee   sp ace.  The  f r ee  sp ace  range   was  def i ned   as  d 0 .  Ther e f or e,  i n  a   wireless  net w ork,   e nergy  co ns um ption   i ncrea ses  as  the  tr ansm issi on   dis ta nce  increases . T his  is sho wn in ( 8).     is t he data   pa cket siz e, a nd    is t he  tra ns m is sion dista nce .      ( , ) =  −  ( ) +  −  ( , )     = {  +  2 ≤ 0  +  4 > 0     0 =     (8 )     Wh e n  recei ving  data,  it   requires  recei ving  ene rg y  acc ordi ng   to  the  s iz e  of   the  dat a  m essage.     The  e nergy e quat ion re quire d at  this ti m e is  sh ow n  in  (9 ).      ( ) =  −  ( ) =    (9)     The radi o  m odel  p aram et ers  use d  i n  the  si m u la ti on  are  sho w n  in  Ta ble 1.       Table  1.  Ra dio  Mode l  Param et ers   Para m eters   Valu e   Data Agg regatio n   ( E DA )   5 0  nJ /b it/signal   Energy dis sip atio n  to run  the radio  de v ice ( E elec )   5 0  nJ /b it   Free  sp ace   m o d el  o f  T rans m itter  A m p lif ier  ( ε fs )   1 0  pJ /b it/ m 2   Multi   p ath   m o d el  o f  T rans m itter  A m p lif ier  (  )   0 .00 1 3  pJ / b it/ m 4       4 . 2 .       Equ al Pr obabil ity  C lus ter He ad El ected   U sin g  the  une qu al   pro bab il it y  cl us te r  hea d  el ect ion   m et ho d,  on  a verag e,  the  nu m ber  of   cl us te r     heads  that  are  cl os e  to  the  ( num ber   of   node s)  *  (cl us te r  he ad  el ect ion   pro bab il it y)  is  el e ct ed.   The  nu m ber   of   cl us te r  head s  i s  not  co ns ta nt  because   al l  the   nodes  pe r  r ound   el ect   the  cl ust er  hea d  on ly   on ce  a cco rd i ng  to  the   crit ic al   equ at io n.   Occasio nally ,  too   m any  cl us te r  heads  m a y  be  el ect ed  or   cl us te r  head s  m ay   no t  be  el e ct ed  at   al l.  This  can  be   no   dif fer e nt  or   le ss  ef fici ent  than  befo re   cl us te rin g.   I n  order   t o  i m prov e  t his,  we  use   the  un i form   cl us ter   hea d  el ect io n  m et ho d  s o  tha t  the  sam e  nu m ber   of   cl us te r  hea ds   a re  el e ct ed  eve ry  r ound.  T he   un i form   c lu ste r  hea d  sel ect ion   m e tho d  el ec ts  the  cl us te r  head   us in g  the   crit ic al   equ at i on   un ti l  it   beco m es   (num ber   of   no des)  *  (cl us te r   head  el ect ion  pro bab il it y)  ev ery  r ound.   Fig ur e   4  an d  Tabl e  2  sho w  t he  num ber   of   cl us te r  hea ds   per   r ound  wh e n  t he  total   num ber   of  node s  is  10 0  a nd  the  nu m be r  of  cl ust er  el ect ion   pro bab il it ie s is 10%.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       Impr ov eme nt  of  CH  el ect ion i n  th ree - le vel   he te ro ge ne ou s   WSN  ( Jo ng - Y ong Lee )   277   Table  2.   N um ber   of   Cl us te r H eads  Per  R ound   Ro u n d  r   Un eq u al elec t   Equ al elec t   1   16   10   2   11   10   3   13   10   4   11   10   5   11   10   6   7   10   7   11   10   8   10   10   9   4   10   10   6   10   Av g .   1 0 .00   1 0 .00           Figure  4.   N umber  of clu ste r h eads  per r ound       4 . 3 .      Sim ulat i on   We  com par ed   the  networ k  li fetim e  of   the  pr op os e d  m e t hod  an d  the  e xisti ng   LE AC H  Protoc ol.     The Si m ulatio n  Pa ram et ers  are s how n  in  Ta ble 3.       Table  3.   Sim ul at ion  Pa ram et e rs   Para m eters   Valu e   Nu m b e r  o f  Sens o r  No d es ( N )   100   Sen so r  Field   4 0 0  x 4 0 0   Po sitio n  of  Base Statio n   Cen ter  (20 0 ,  2 0 0 )   Initial Energ y  ( e 0 )   0 .5J   Ad v an ced No d e Add itio n al E n ergy  ( )   1 .5   Su p er  No d e Add itio n al E n ergy  ( )   3   Ratio  of  Adv an ced  Nod e ( m )   0 .2   Ratio  of  I n ter m ed i ate Nod e ( m 0 )   0 .5   Size of  Packet   1 0 0 0  bits       Assum ing   that  the  Sensor  Fiel d  is  400  x  400  a nd  the  loc at ion   of  the  B ase  Stat ion   is  locat ed  at   the   center  (20 0,   2 00)  of the  Se nso r  Fiel d t he n  the  Sen s or  Nodes a re r a ndom ly  arr a ng e d  a s s hown in Fi gure  5.           Figure  5. N ode  p la cem ent  in s ens or   fiel d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   13 , N o.   1 ,  Ja nu a ry 20 19   :   2 7 2   –   2 7 8   278   4 . 4 .      Sim ulat i on   Resul t   The  Fig ure  6  and   Ta ble  4  sh ow  the  re s ults  of   netw ork  li fetim e  com par ison   us i ng  the  ab ove  si m ulat ion   pa r a m et ers.   Sim ul at ion   res ults  s hows  t hat  SEP - E  ha s  a  39 3%   of   net work   li fetim e  i m pr ovem ent   ov e r  t he  LE A CH  P ro t oco l.   Wh e n  e ne rg y  i s  co ns ide re d  i n  P rop os e d  m et hod,   it   ca n  be   co nf irm ed  th at   it   is   i m pr oved  b y  22. 6%  c om par ed  to  SE P - E.       Table  4.   Sim ul at ion   Re s ult   Proto co l   FND   I m p rov ed  Ratio   LE ACH  Pr o to co l   45     SEP - E   177   3 9 3 %  ▲   th an  L EACH Pr o to co l   Propo sed  m ethod   217   2 2 .6%   ▲   than SE P - E           Figure  6. Com par is on of  net work li feti m e       5.   CONCL US I O N   Cl us te rin g - bas ed  W i reless  Sensor   Net work   Protoc ols  can  help  t o  im pr ov e  Netw ork  li feti m e.  Howe ver,  sinc e  a  Cl us te r   H ead  of  the   cl ust er  ag gregate s  an d  t ran sm its  data,   the   en erg y  bur de n  is   great .   Heter og e ne ou s   sens or   netw ork  is  com po se d  of   nodes  that  hav e  dif fer e nt  init ia l  ener gy.  In   order   t o  m a intai n  the  Net work  li fetim e  of   the  ne twork  f or   a  l ong  ti m e,  it   is  effe ct ive  to  el ect   nodes  ha ving  hi gh   i niti al   energy  as  Cl us te r Head .   Howe ver,  if  th e  Cl us te r  Hea d  el ect ion   pr obabili ty   is  increased  only   for   nodes  with  a  lot  of   init ia l   energy,  a  no de   with  a  low  e ne rg y  m ay   be  elected   as  a  Cl us te r  Head,  w hic h  m ay  be  ineffi ci ent.  In   this  pa per,  we  c onsider  th e resid ual e nergy to  so l ve  this  problem , also  the im pr ov em ent of t he  act ual  N et w ork  li feti m e.       REFERE NCE S    [1]     I. F.  Ak y il di z,   W .   Su,  Y.  Sankar a subram ani am,  E .   Ca y ir ci.  A  Surve y   on  Sens or  Networks,  IEEE   Comm unic ati on s   Magazine .   2002 .   [2]     J.Y.  Lee,  K.  Jun g,   H.  Jung,   D.  L ee .   Im proving  th e  En erg y   Eff ic i e nc y   of  a   Cluster  Hea d  E le c ti on  fo r  W ire le ss   Senso r   Networks,  Int ernati onal Journal   of  Distribu te d   S ensor Ne tworks .   2014;  10(3).   [3]     J.Y.  Lee,   K .   Jung,  B.   Shresth a,   J .   LEE,   S .   Cho.   Ene rg y   Ef ficien c y   Im prove m ent  of  the   of   a  Clus te r  He ad  Select i on  for  W ire l ess Sensor Ne tworks,  In te rnational   Jour nal  of   Smar t  Hom e .   2014;   8(3);   9 - 18.   [4]     W .   Heinz e lman,   A.  Chandr akas an,   H.  Ba la kr i shnan.   En ergy - Ef fici ent   Comm unic ati on   Proto col   for  Wir el es s  Mic ros ensor Ne t works ,   Proce edings   of  the 33rd   Hawai i  In te rn at i onal   Conf ere n ce on  S y s te m   Sci e nce s.  2000 .   [5]     G.  Sm ara gdaki s,   I.   Matt a ,   A.  Besta vros.  SEP:  A  Stabl e  E le c ti o n  Protoc ol  for  cl ustered  he te ro gene ous  Wirel es s   Sensor Ne tworks ,   Boston Univ ers ity   Com pute r   Sc ie nc e  Dep art m en t.   2004 .   [6]     M.J.  Hand y ,   M.  Haa se,   and  D.  T imm ermann.   Lo w  ene rgy  adaptive  cl ust ering  hier archy   wit h  det e rm ini stic   cl ust er - head  sel ec t ion ,   Mobile   and  W ir el ess Com m unic at ions Ne twork,   2002.   4th   Int ern at ion al   W orkshop on. IE E E, 200 2.   [7]     F.A.  Aderohunm u,   J.D.   Deng, “ An E nhan ce d   Stab le   El e ct ion   Proto col   (SEP) fo r  Cl ustere d  He te rog e neous  W SN ”   [8]     W . S.  LE E,   K.D.   Jung,  J.Y.  Le e.   Im prove m ent   of  Cluste r  Hea d  sel ec t ion  of  LE ACH   Protocol ,   Inter nati onal  Journa l   of  App li ed   Eng in ee ring  Re search   ( IJA ER ) .   2017;   1 2(20).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.