TELKOM NIKA , Vol.12, No .4, Dece mbe r  2014, pp. 96 3~9 6 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v12i4.660    963      Re cei v ed Se ptem ber 30, 2014; Revi se d No vem ber  10, 2014; Accepted Novem ber 25, 20 14   Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Routing  Protocol for Wireless S e nsor Network       V. Windha Mah y astut y * 1 A. Ady a  Pram udita 2   Dep a rtment of Electrical E ngi neer ing, F a cult y of Eng i ne eri n g, Atma Ja y a   Catho lic Un iver sit y   Jl. Jend Sud i r m an Kav. 51, Jakarta, 129 30,  Ph. 021-5 7 0 8 8 2 6   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : veronic a .ma y @atmaja y a . ac. i d 1 , pramud ita @ atmaja ya .ac. id 2        A b st r a ct     A W i reless Se nsor Netw ork ( W SN) is a net w o rk co mp ose d  of many se n s or  no des d i stribute d  in  a   regi on, a n d  is  use d  to   mo nitor  and  g a ther  info r m ati o n a b o u t certa i phe no mena  in  the  phys i ca l   envir on me nt. A sensor n o d e  typical l y ha s limited p o w e r, w h ich mus t  be taken i n to consi der atio n i n   desi gni ng t he  routin g pr otoc ol of  a W S N.  One  of the r outin g pr otoc o l s that ca n i n c r ease  the  en e r gy  efficiency  of  W S N is  Low  Ener gy A d a p tive  Cluster in g H i erarc h y ( L EACH). In  this r e searc h , t h e   perfor m a n ce o f  LEACH, na mely en ergy c o nsu m pti on  a n d  lifeti m e is ev alu a ted us in g NS-2. Si mul a ti o n   results sh ow  th at the  nu mb er  of no des  an d c l usters affect t he  opti m u m   nu mb er of c l uster s  an d the  dev i c lifeti m e, w h ich i n  turn w ill affect the energy co nsu m pti on lev e l as w e ll as the  energy effici en cy.      Ke y w ords : w i reless se nsor n e tw ork, routing ,  energy,  cluste ring, the opti m um n u m b e r of clusters       1. Introduc tion    Wirel e ss Se nso r  Net w o r k (WSN) is widely use d  to obse r ve and control certai environ ment s, for variou s purp o ses  such a s  e m e r gen cy servi c e s , se cu rity and weath e r   monitori ng [ 1 ]. WSN in clud es  singl e or m u lt iple se nsi ng e l ements, a  data processor,   c o mmunic a ting compone nts  and a  power  s o urce with lim ited energy capac i ty [2],[3].  The  sen s in g el em ent, su ch  a s  a  sen s o r  n o de, pe rform s  mea s u r eme n ts  related  to  its  su rro undi ng  environ ment.  The  me asurement  data are   processe in   a proce ssi ng unit an sub s eq uen tly  forwa r d ed ov er a wi rele ss cha nnel to a  base stat ion,  whe r e they can be a c cessed by a use r  [3].  One  con s traint of the u s of WSN i s  th e lim ited po wer of e a ch se nso r  no de,  so ene rgy  con s um ption  efficien cy be come s an im portant i ssu e  in WSN. Ro uting is a fu nction in  WS N,  whi c h con s u m es a  su bsta ntial amou nt of ener gy. Rese arche s  o n  netwo rk l a ye r WS N syste m aim to achi eve an efficient  route setup i n  terms  of powe r , as  well  as allo wing  con s i s tent da ta  comm uni cati on from sen s or nod es to the ba se stati on [1]-[4]. Routing proto c ol s develo ped  for  data commu nicatio n net work  with th e aim of  ac hieving hi gh  Quality of  Service  (Q o S ) is  gene rally not  appro p riate f o r WS N [3] due to the lim itations of po wer  sou r ce, storage  cap a city  and data  pro c e ssi ng in th e se nso r  n o d e s. With out  specifi c  ro utin g proto c ol s,  with low  ene rgy  con s um ption,  the lifetime and WS N con nectivity will be degrade d.  In LEACH,  several nodes will be  selected as  cl ust e r head  (CH). The  num ber of CH  nodes is  prop ortio nal t o  the  num ber of cl uste rs. T he n ode,   whi c h i s   sel e cte d  as a  CH  nod e, will  co nsu m more e nergy than non -CH  node s [5-1 0]. Node s t hat run out of ene rgy will ce ase  operatin g and   the numb e r o f  nodes i n  the  system  will b e  red u ced.  T he pu rpo s e o f  this study is to evaluate the  energy con s umption  of L EACH  r outin g protocol fo WSN  syst e m s a nd to  find the  optim um   numbe of  cl usters. In  o r der to o b tain  the mi nimu m en ergy  co nsum ption,  a n  evalu a tion  wa s   perfo rmed to  identify the influence of the  numbe of n ode s on the  optimum n u m ber of  clu s ters.   The sim u latio n  is perfo rme d  usin g Net w ork Simul a tor 2 (NS-2).        2. Rese arch  Metho d   The routin p r otocol evalu a ted  i s  Low Ener gy A dap tive Clu s teri n g  Hi erarchy  (LEACH)  routing proto c ol  in Wirele ss  Se nsor Networ k (WS N).  LEACH algorith m   is divided  into two  phas e s  [2],[9] :       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 963  – 968   964 a.  Set Up Phase  In the setup  phase, the pro c e ss  of determini ng th e clu s ter h e ad (CH) and  cluste formation, o r  often called  cluste ring  al gorithm, is  carri ed out. In this pha se,  LEACH  sele cts  several sen s or n ode s in  orde r to a c as a  CH. On ce the  CH is formed, the  CH  nod e m u st   broa dcast a n  advertisem ent (ADV)  Multiple  Access/Colli sion  Avoidance  (CSMA/CA ). This  messag e co ntains the ID Nod e  and  Heade r. When the non -CH nod es receive the  ADV   messag e, they will send  a joint reque st (JOI N- RE Q) me ssage  that contain s  ID Node an d ID  Hea der to the  CH nod e that they choose  based o n  t he stron g e s t receive d  sign al in orde r to join   and form  a cluster [5]. When the  CH  node s receive a JOI N -RE Q  messa ge, they will make a   TDMA sch e d u le for ea ch  membe r  of their clu s te r. Th e pro c e s ses  carrie d out in the set up ph ase   are sho w n in  Figure 1.                         Figure 1. The  Set Up Phases      The  nod es that a c t a s   a  CH  will  exp end  more e n e rgy th an  no n-CH no des.  Thi s  i s   becau se the   CH  nod esre ceive data fro m  all othe r n ode s in th e cl uster,  co mpress the  data,  and   sen d  the d a ta to the Ba se  Station locat ed fa rthe r tha n  the di stan ce between  on e non -CH n o de  to anoth e r [5]. Therefore, i n  o r de r to  ke ep the   en erg y  con s u m ed   by ea ch  nod e  equita ble, e a c node that act s  as a CH wil l  be sub s tituted by  other n on-CH n ode  at the  next round (r+1 ). Every  node  ha s a  chan ce to b e   a CH. Each  node  numb e thatcontends to be a  CH will  choose a   rand om n u m ber b e twe en  0 and  1. If the ran dom  nu mber i s  le ss than the th re shold ( P i ) an the   numbe r of cl usters that h a ve been formed is  smal l e r than the d e sired nu mbe r  of clu s ters, then   the node n u m ber  i  will be el ected as CH. The threshold  value can be calculated using (1) [5].        /  ∶ 1   0      0    (1)     whe r i s  the numbe r of CH,  N  is the  number of sensor no de s in the network and  r  is  the  numbe of ro und s that  ha ve bee com p leted.  C i  i s   a fun c tion th at indi cate wheth e or n o t the   node nu mbe r   i is a CH in the most rece nt round. If node  i is a CH  in the most rece nt roun d the  value of  C i  is  0 and  C i  i s  1if node  i  is elig ible to becom e a CH. Th e thre shol d valu e for the nod that acts a s  a  CH  will be  set to 0 in the next r oun d. A node that a c ts as a  CH wi ll be re -ele cte d   as a CH after  N/k  ro und becau se the energy of every node  i s  expected to b e  the same a fter  N/k  ro und s. Equation (1 i s   u s e d   if  the  existing no d e s  in  the  network h a ve the   same  en ergy. If  the energy of each nod e is  different, then  t he threshold  can be d e termined u s ing  (2) [5].         (2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Low  Energy Adaptive Clustering  Hierarchy Routing  Protocol  for .... (V. Windha Mahyastut y 965 Whe r E is th e current e n e r gy of n ode  i  i n  Joule s , E total  is the  total e nergy  of all n ode s in   the net wo rk i n  Joule s  and   k  is the  num ber of  clu s ters. Th us,  the  node s th at h a ve mo re  en erg y   will be chosen as a CH more often.     b. Steady  State  Phase   In  the steady   state pha se,   the CH nod es re ce ive  al l data from e a ch  mem ber of the   clu s ter, co mp ress the data  and forward  the data  to the Base Statio n (BS). The non-CH nod e s   will sen d  the  data to CH node s a c cording to a TDMA sch edul e .  The steady  state pha se  is   s h ow n  in  F i gu r e  2 .       Figure 2. The  Steady State  Phase       The po we r u s ed to tran smit the messag is affe cted by the d i stan ce bet ween the  transmitter a nd re ceiver. If the distance  between th e  transmitter a nd re ceiver i s  smaller tha n  a   cro s sove r di stance, th e fre e  spa c prop agation  mod e l  is  used  in th e si mulation.   Otherwise, if t h e   distan ce  bet wee n  tran smi tter an recei v er i s  g r eate r  than  the  cro s sover di stan ce, the  two ray  grou nd p r op a gation mod e l is used in the  simulati on.  Crossove r di stance ca n be  cal c ulate d  usi ng  (3) [6]:                               (3)    whe r e  h r and   h t are  the h e ight of the  receiver  and  tran smitter  antenn a in  metre s  is  the  wavele ngth o f  the carrie r signal tra n smitted fr om tra n s mitter to receiver in met r es a nd  is  th s y s t em loss  fac t or. Power  us ed to transmit in formatio n/messag e can be calcula t ed usin g (4 ) [7]:      _  . . ,    _  _  . . ,                          (4)    whe r P t  is th e power u s e d  for tran smi s sion in Watts,  is the di sta n ce b e twe en  the tran smitte with the receiver in meters,   _   is the en ergy amplifier i n  J/bit/m 2  _  _   is two ray  energy ampli f ier in J/bit/m 4 , and  BW  is band width i n  bps. Th e total power u s ed to tra n smit  informatio n can be calcula t ed usin g (5 ) with    radio el ectro n ics en e r gy is in J/bit [7].      .                          (5)  Thus, the req u ired tran smit energy can b e  cal c ulate d  usin g equ atio n (6)     .                          (6)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 963  – 968   966 whe r  is in  Joule s , and  l  i s  the  size of t he sent me ssage in  bits. T he po we r u s e d  to re ceive  messag e ca n  be determi ne d usin g (7             (7)    Whe r P is  the power th at is use d  to receive in fo rmation in Watts. The en ergy re quired  to   receive su ch i n formatio n ca n be cal c ul ated usi ng (8 ):      .                         (8)    Whe r E r  is e nergy that is  use d  to  recei v e informatio n in Joul es.   The  simul a tio n  is pe rforme d u s ing  Network Simulato r 2  (NS - 2) version  2.34  ba sed  on   Ubu n tu. Based on thi s  fa ct, the optim um num ber  of clu s ters  can be  determined. In o r der to   investigate th e effect of the numb e r of  node s on  th e  optimum nu mber of  clu s ters, a  simul a tion   with a va ryin g num ber of  node s h a s be en u s ed.  The   lifetime of th e network i s   also  ob se rve d  in  the si mulatio n The  num b e of no de s v a riation  u s ed   is 8 0 , 10 0 a n d  12 0 a nd th e cl uste num ber  use d  is 2, 3, 4, 5, 6, 7 a nd 8. For th e si mulatio n , the node s a r e po sitione d  rando mly in the  netwo rk. The  energy co nsumption ob se rved in this  si mulation is th e total energ y  used by each   node i n  the  n e twork to  se n d  and  re ceive  data. In  the  simulatio n , th e total en erg y  used  by ea ch   sen s o r  nod e wa s ob serve d  every 10 se con d s. The  si mulation pa ra meters are  sh own in Ta ble  1.      Table 1. Simulation Para meters  Parameter Value  Simulation area  1000 m x  1000m   Simulation time   1000 s  BS position   (80,200 )   Initial Energ y  of  each node   2 Joule  E f r i ss-a m p  10  pJ/bit/m 2   Ε two -ra y -a m p  0.0013  pJ/bit/m 4   E elec  50  nJ/bit      3. Results a nd Analy s is  The pa ramet e rs give n in Section 2 a r e u s ed to sim u la te the LEACH routing p r oto c ol in a   Wirel e ss  Sen s or Network by  using Net w ork  Simula t o r 2 (NS-2 ) . In this simul a tion, the numb e r of  node s were v a ried b e twe e n  80, 100 an d 120 no de s, and the num ber of cl uste rs used a r e 2,  3,  4, 5, 6, 7 and 8. The simul a tion result for 100 no de s was taken from  [9].  The  simul a tio n  re sult fo 8 0 , 100  and  1 20 n ode s g r oupe d into  2  clu s ters i s   g i ven in   Figures 3 - 5.         Figure 3. Formation of The  Cluste r for T he 80 Node Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Low  Energy Adaptive Clustering  Hierarchy Routing  Protocol  for .... (V. Windha Mahyastut y 967     Figure 4. Formation of The  Cluste r for T he  100 Node       Figure 5. Formation of The  Cluste r for T he 120  Nod e s       The CH sub s titution wa s perfo rmed   in   ea ch   ro und  and  th e num ber  of CH  n ode fo each rou nd was fixed. In the simula tio n , one ro und la sted for 20 second s.  The re sult fo r perfo rma n ce simulatio n  of  LEACH ro uting proto c o l  in the WSN can b e   see n  in Table  2.        Table 2. Energy Con s umpti on for Nu mbe r  of Node Number of    Clusters  Energ y   Consum ption for Numb er  of Nodes [Joule]   80 100  120  2 159.815460 8902 8500   199.596713 7201 56  239.695616 1985 5745   3 159.392573 2336 0695   199.775075 4593 10  239.588653 5831 9812   4 158.626837 6886 4082   198.871335 2144 92  239.117122 4355 2884   5 159.153054 2282 7956   197.855650 5843 18  238.904319 7893 9637   6 159.244315 2593 19  198.341705 8281 69  237.522407 3446 9208   7 159.091474 8142 867  198.197959 4346 80  238.548131 9020 6781   8 158.759342 2529 3005   198.196994 7740 45  237.676411 5326 155      Table 2  sho w s th at the o p timum num ber of  clu s ters is  5 when t he num be r o f  sen s o r   node s u s e d  i s  10 0.Thi s  re sult ag ree s   with [6] with the exce ption t hat in [6] only  100 n ode were  use d  in the simulation, the r efore the im pact of  the n u mbe r  of nod es on th e opt imal numb e of  clu s ters ca nn ot be identifie d.  It is also  sho w n that the  e nergy  con s u m ption  i s  directly propo rtional to the  n u mbe r  of   node s. Thi s  i s  du e to the f a ct that a s  th e num ber  of  node s in crea se s, the mo re  data  will be  sent   to the b a se  station, req u iri ng a n  in crea sed am ount   of ene rgy. F r o m  Tabl e 2, it  is al so  ob se rved  that the num ber  of nodes will a ffect the optimum  number of  cl usters. The optimum num ber of   clu s ters  whe n  there a r e  8 0  no de s in t he n e two r k i s  4,  whil e for a n e two r k with 100  and   150   node s the  o p timum nu m ber  of clu s te rs i s  5  an 6, re spe c tivel y . So the op timum num b e r of  clu s ters is 5 p e rcent of the numbe r of se nso r  nod es u s ed in the  si mulation.       Table 3. Lifetime for Nu mb er of Nod e Number      of     Clusters  Lifetime for Num ber of No des [s]  80 100  120  2 344.90   341.40   384.30   3 350.40   343.80   432.20   4 450.80   431.40   509.10   5 308.50   451.70   386.40   6 266.40   376.40   541.40   7 257.70   310.80   412.20   8 222.50   268.80   401.90     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 12, No. 4, Dece mb er 201 4: 963  – 968   968 Table  3  sh ows the  relation ship  bet wee n  the n u mb er  of nod es u s e d  an d the  lifetime of  a   WSN. When  the numb e rs of node s are 80, 100 an 120, a long lif etime is obtai nable  whe n  the   numbe rs of  cl usters  are 4,  5 and  6, resp ectively.B ase d  on th e resu lts in T able  2, it is  see n  tha t   4, 5 and 6 is the optimum  numbe r of clusters for th e 80, 100 an d 120 nod es.  Based on th e   results sho w n in Table s  2  and 3, it is obse r ved t hat whe n  the nu mber of cl ust e r is optim al, the   netwo rk  will h a ve a long lifetime with lo w ene rgy co n s umptio n, ma king it ene rgy - efficient.       4. Conclusio n     Simulation re sults  sho w  th at the adapti v e clus te rin g  hiera r chy alg o rithm that is applied   for routing  protocol s i n   WSN  sy stem s can   minimi ze   ene rgy con s umption. Wit hout clu s terin g   the   data tra n smission  process  con s um es a l o t of en ergy  becau se  each no de m u st  be a b le to  re a c h   the Base Station. To a c hi e v e the minim u m en ergy   consumption  levels in  the i m pleme n tatio n  of  Adaptive Clu s terin g  Hi era r chy  Routin g  Protocol  it is ne ce ssary  to determin e  the optimu m   numbe r of  cl usters. Th numbe r of n ode s can  aff e ct the o p timum num be r of clu s ters  and  lifetime. The  simulatio n  re sults  also sho w  that t he en ergy con s um ption  is direct ly  propo rtion a l   to   the numbe r o f  nodes.       Referen ces   [1]      Ho w a r d  SL, S c hle gel  C, Inie w s k i  K. Error  Contro l Co di ng  in L o w - P o w e r  Wireless S e n s or Net w o r ks :   W hen Is ECC  Energ y -Efficie n t.  EURASIP Journ a l o n  W i reless C o mmu n icati ons a nd  Netw orking 200 6; 200 6: 1-14.   [2]        Manik and an  K. an d Pur u soth aman T .  An Ef fici ent R outi n g  Protoco l  D e si gn for  Distrib ut ed W i re less   Sensor N e t w or ks.  Internation a l Jour nal of C o mputer Ap plic ations . 20 10; 1 0 ( 4): 5-10.   [3]    Kandr is D, T s ioumas  P, T z es A, Nik olak o pou las G, V e r gad os, Dim itri os D. P o w e r   Cons ervatio n   throug h Ener g y  Efficie n t Rout ing i n  W i reless  Sensor N e t w or ks.  Sensors . 2009; 9: 73 20-7 342 .   [4]    Majid  I K, Wilf ried  N, G anst e rer, Haring G .  Congestion    Avoid ance  a n d  Ener g y  Effici ent R outin g   Protocol for W i reless Se nsor  Net w orks  w i t h  a Mobi le Sink.  Journ a l of Net w orks . 2007; 2(6): 42-49.   [5]      Heinz e lm an,  W .  B., Chandr akasa n , A. P. an d Ba lakris hna n, H. An   Appl ic atio n-Sp ecific Protoc o l   Architecture fo r W i reless Mic r osens or Net w orks.  IEEE Tr ansactions on Wireless Comm unic ations 200 2; 1(4): 660 -670.   [6]    Patel R., Pari yani S, Ukan i V. Energ y   an d   T h rough put A nal ysis  of Hier a rchic a l Ro uti ng Protoco l   (LEACH) for W i reless S ens or  Net w ork.  Inter natio nal J our n a l of C o mputer  Appl icatio ns . 201 1;  20(4):   32-3 6 [7]    Heinz e lm an W B . Applic atio n- Specific Pr ot ocol Architectur e s for Wireles s  Net w orks.  Doctor Tesis Cambri dg e: F a cult of Elec tricalEn gin eeri ng  and  C o mp uter Sci ence   Massach usetts Institute  o f   T e chnolog y. 2 000.    [8]  Kotta HZ , Rantelo bo K, T ena S, Klau G. W i reless Se nsor  Net w ork for La ndsli de Mo nito ring i n  Nus a   T enggara T i mur.  T E LKOMNIKA T e leco mmunic a tion C o mputin g Electro n i cs and C ontro l.  2011; 9(1):   9-18.   [9]  Mahy astut y  V. W, Pramudita  A.A.  Energy C onsu m ption Ev alu a tion  of  Low  Energy Ad apti v e Cluster in g   Hierarc hy Ro ut ing Pr otocol for  W i reless Se ns or Netw ork . IEEE COMNET S A T. Yogy akart a .  2013: 6- 9.  [10]    W ang W ,  Pe ng  Y. LEAC H A l g o rithm B a sed  o n  L o a d  Ba la nci ng.  T E LKOMNI KA Indo nes ian  Jour nal  o f   Electrical E ngi neer ing . 2 013;  11(9): 53 29- 53 35.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.