I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   1 Feb r u ar y   201 7 ,   p p .   4 2 4 ~ 4 3 1   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 1 . p p 4 2 4 - 4 3 1          424       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Sca la bility Aw a re  Energ y  Cons u mptio n and  Dissipa tion M o dels  for Wirel ess  Sens o r Net w o rk s       M o ha m ed  E l F is s a o ui 1   ,   Sa id   B enk ira ne 2 ,   A bd er ra hi m   B e ni - H s s a ne 3 M o s t a f a   Sa a di 4   1, 3 L ARO S ERI  L a b o ra to ry ,   Co m p u ter S c ien c e   De p a rtm e n t,   S c ien c e s F a c u lt y ,   Ch o u a ïb   Do u k k a li   Un i v e rsit y   El   Ja d id a M o ro c c o   2 Hig h   S c h o o o f   T e c h n o l o g y ,   Ess a o u ira,  Ca d i   Ay y a d   Un iv e rsit y ,   M o ro c c o   4 p a rte m e n In f o rm a ti q u e   &   T é léc o m s E c o le Na ti o n a le d e s S c ien c e A p p li q u é e s(ENSA ),     Kh o u r ib g a   Un iv e rsité Ha ss a n   1 e r   -   S e tt a t,   M o ro c c o       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   2 9 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   No v   2 0 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Dec   5 ,   2 0 1 6       M o st  o f   W irele ss   S e n so Ne tw o rk re se a rc h e f o c u o n   re d u c in g   t h e   a m o u n o f   e n e rg y   c o n su m e d   b y   n o d e a n d   n e tw o rk   to   in c re a se   th e   n e tw o rk   li f e ti m e .   T h u s,  se v e ra p a p e rs  h a v e   b e e n   p re se n ted   a n d   p u b li s h e d   to   o p ti m iz e   e n e rg y   c o n su m p ti o n   i n   e a c h   a re a   o f   W S Ns ,   su c h   a ro u ti n g ,   lo c a li z a ti o n ,   c o v e ra g e ,   se c u rit y ,   e tc.  T o   tes a n d   e v a lu a te   th e ir  p ro p o siti o n s,  a u t h o rs  a p p ly   a n   e n e rg y   d issip a ti o n   m o d e l;   th is  m o d e m u st  b e   m o re   re a li stic  a n d   su it a b le  to   g iv e   g o o d   re su lt s.  I n   t h is  p a p e w e   p re se n a   g e n e ra p re v iew   o n   d if f e r e n so u rc e o f   e n e rg y   c o n su m p ti o n   in   w irele ss   se n so n e tw o rk s,  a n d   p ro v id e   a   c o m p a ra ti v e   stu d y   b e t w e e n   t w o   e n e rg y   m o d e ls  u se d   in   W S Ns   th a o f fe a n   e ffe c ti v e   a n d   a n   a d e q u a te t o o l   f o r e se a rc h e rs.   K ey w o r d :   E n er g y   co n s u m p tio n   E n er g y   d i s s ip atio n   m o d els    W ir eless   s en s o r   n et w o r k s   Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h a m ed   E l Fi s s ao u i   L AR OSE R I   lab o r ato r y ,     C o m p u ter   Scien ce   Dep ar t m en t,   Facu lt y   o f     Scie n ce s ,     C h o u aïb   Do u k k ali  U n i v er s it y ,     R o u te  B en   Ma ac h o u ,   2 4 0 0 0 ,   E l J ad id a,   Mo r o cc o .   E m ail: E l f is s ao u i. m @ u cd . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   W ir eless   s e n s o r   n et w o r k s   ar e   f o r m ed   b y   lar g n u m b er   o f   s e n s o r   n o d es,  w h ich   ar c o m m o n l y   k n o w n   a s   m o tes  f o r m i n g   w ir eless   ad - h o n et w o r k s .   T h ese  m o tes  ar s m all  i n   s ize   an d   h av li m ited   p r o ce s s in g   p o w er ,   m e m o r y   a n d   b atter y   lif e.   Mo tes  t y p icall y   h a v s e n s o r s   s u c h   as  t h er m o m e ter s   attac h ed   to   th e m   in   o r d er   to   g ath er   d ata  ab o u t th p h y s ica l e n v ir o n m e n t [ 1 ] .   cr itical  co n s tr ai n in   s e n s o r   n et w o r k s   i s   t h at  s en s o r   n o d es   e m p lo y   b atter ie s .   T h s ec o n d   co n s tr ain is   th at  s en s o r s   w ill  b d ep lo y ed   u n a tten d ed   an d   in   lar g n u m b er s ,   s o   it s   d if f ic u lt  to   ch an g o r   r ec h ar g e   s en s o r s   b atter ies.  T h er ef o r e ,   all  s y s te m s ,   p r o ce s s es  a n d   co m m u n icatio n   p r o to co ls   f o r   s en s o r   n et w o r k s   m u s t   m i n i m ize  th p o w er   co n s u m p tio n .   So m o f   th m o s ch alle n g i n g   is s u es  t h at  h a v b ee n   s tu d ied   in   d if f er e n t   ar ea s   o f   W SNs   ar th m ed i u m   ac ce s s   [ 2 ] ,   r o u tin g   s tr ateg i es,  clu s ter in g   s c h e m es  [ 3 ] ,   an d   ap p licatio n   la y er   d y n a m ics,  etc.   All  th ese  ap p r o ac h es  co n tr ib u te  to   r ed u ce   th en er g y   co n s u m p t io n   an d   in cr ea s th n et w o r k   lif eti m [ 4 ] .   Si m u latio n   p la y s   v er y   i m p o r tan r o le,   it  p er m it s   to   test   a n d   to   ev alu ate  th p r o p o s ed   s o lu tio n s   b y   r es ea r ch er s   in   d if f er e n d o m a i n s ,   th u s   it  s h o u ld   p r o v id es  co r r ec m ea s u r e m e n ts   as  t h o s th at  w ill  b g o tte n   in   r ea l - w o r ld   en v ir o n m e n t.  T h er ef o r e,   th en er g y   m o d el  u s ed   m u s b m o r r ea lis tic  an d   m o r s u itab le  to   g iv ac cu r ate  r esu l ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  7 ,   No .   1 Feb r u ar y   2 0 1 7   4 2 4     431   425   T h r est  o f   th is   p ap er   i s   o r g an ized   a s   f o llo w s .   Sectio n   I I   p r esen ts   d if f er en s o u r ce s   o f   en er g y   co n s u m p tio n   in   W SN s .   Sectio n   I I I   ex h ib its   s o m e n er g y   co n s u m p t io n   m o d els  u s ed .   Secti o n   I ev alu a tes  t h e   p er f o r m a n ce   o f   t w o   e n er g y   m o d els b y   s i m u latio n s .   Fi n all y ,   Sectio n   g iv e s   co n cl u d in g   r em ar k s .         2.   SO URCE S O F   E NE RG C O NSUM P T I O   2 . 1 .   No rm a So urce s   I n   W SNs   en er g y   co n s u m p tio n   o cc u r s   in   t h r ee   d o m ain s s en s in g ,   d ata  p r o ce s s in g ,   a n d   co m m u n icatio n s   [ 5 ] .   Sen s o r   n o d ex p e n d s   m ax i m u m   e n er g y   i n   d ata  co m m u n icati o n   ( E m i s s io n   a n d   R ec ep tio n )   t h an   d ata  p r o ce s s in g   o r   s en s in g   ( Fi g u r 1 ) .   T h er ef o r e,   to   s av e   en er g y   a n d   p r o lo n g   n et w o r k   lif eti m e,   w s h o u ld   co n s id er   h o w   to   m i n i m ize   co m m u n icat io n   co s t s .   I n   ad d itio n ,   a n y   m e th o d   w h ich   co n s id er s   th ese  p r o b le m s   n ee d s   to   m ai n t ain   n et w o r k   s tab ili t y   [ 6 ] ,   [ 7 ] .           Fig u r 1 .   E n er g y   C o n s u m p tio n   in   W SN s       2 . 2 .   Addi t io na So urce s   I n   ad d itio n   to   s o u r ce s   m e n tio n ed   ab o v e,   th er ar s o m o th er   u n e x p ec ted   s o u r ce s   t h at  ar co n s id er ed   as so u r ce s   o f   e n er g y   w as tin g .     T h m aj o r   s o u r ce s   o f   en er g y   w a s te  ar e:   a)   C o llis io n s Occ u r s   w h e n   t w o   o r   m o r n o d es  atte m p to   tr an s m i p ac k et  ac r o s s   th n et wo r k   at  th s a m e   ti m e.   T h tr a n s m it ted   p ac k et s   m u s t   b d is ca r d ed   an d   th e n   r etr an s m itted ,   t h u s   th e   r etr an s m is s io n   o f   th o s e   p ac k ets i n cr ea s es t h en er g y   c o n s u m p tio n   an d   th la ten c y .   b)   I d le  lis ten i n g L is ten i n g   to   r ec eiv p o s s ib le  tr a f f ic  t h at  is   n o s en ( m aj o r   s o u r ce   o f   e n er g y   co n s u m p tio n ) .   Usu al l y   n o d in   W SN   d o esn k n o w   w h e n   to   w a k u p   t o   r ec eiv p ac k et,   t h u s   it  m u s k ee p   its   r ad io   ON  w h ic h   co n s u m e s   m o s t o f   t h en er g y .   c)   Ov er h ea r i n g W h e n     n o d es  r ec eiv p ac k et   f o r   an o t h er   n o d e.   Ov er h ea r i n g   ca n   b m aj o r   r ea s o n   o f   en er g y   w aste  m ai n l y   w it h   h i g h   n o d d en s it y   ca u s in g   h ea v y   tr a f f ic  lo ad .   d)   P r o to c o o v er h ea d C o n tr o f r a m es   d o   n o ca r r y   u s e f u l   i n f o r m at io n   alt h o u g h   th e ir   tr an s m is s io n   co n s u m e s   en er g y .   e)   A d ap tatio n     R ec o n f i g u r i n g W h en   n o d es  j o in   an d   lea v t h n et w o r k   i n ee d s   to   b k n o w n   i n   t h n et w o r k   ( Neig h b o r in g ,   R o u ti n g ,   lo ca liz atio n …)   f)   Ov er m itti n g m ea n s   t h at  tr an s m i s s io n   ta k es  p lace   w h ile  th in te n d ed   r ec eiv er   is   n o r ea d y   to   r ec eiv e.   Ov er m itti n g   i s   co m m o n   i n   as y n ch r o n o u s   p r o to co ls   u s i n g   p r ea m b le  s a m p lin g .   g)   C o m p u tatio n al   f o r   lo ca tio n I f   n o d es  ar eq u ip p ed   w it h   l o ca lizatio n   d ev ice   ( GP S)  it  co n s u m e s   m o r e   en er g y ,   if   n o t,  it u s es so m tec h n iq u es to   b lo ca lized   an d   th u s   it c o n s u m e s   also   t h en er g y .     h)   C o n tr o P ac k et  O v er h ea d Se n d in g   a n d   r ec eiv i n g   co n tr o p ac k ets  co n s u m es  e n er g y   to o ,   an d   less   u s ef u l   d ata  p ac k ets ca n   b tr an s m it te d .       3.   E NE RG CO NSUM P T I O N   M O DE L   3 . 1 .   Net w o rk   M o del   W co n s id er   w ir ele s s   s e n s o r   n et w o r k   w i th   n o d es  r an d o m l y   d is tr ib u ted   i n   f ield   ( Fig u r 2 ) .   W ass u m th at   n o d es  al w a y s   h a v d ata  to   tr an s m it  to   t h b ase  s tatio n ,   w h ic h   i s   o f te n   f ar   f r o m   t h s e n s in g   ar ea .   T h n et w o r k   i s   o r g an ized   in to   clu s ter in g   h ier ar c h y ,   an d   t h clu s ter - h ea d s   e x ec u te  f u s io n   f u n ctio n   to   r ed u ce   co r r elate d   d ata  p r o d u ce d   b y   th s en s o r   n o d es  w it h in   t h clu s ter s .   T h clu s ter - h ea d s   ( C H)   tr an s m i th e   ag g r e g ated   d ata  to   th e   b ase  s tatio n   d ir ec tl y .   W as s u m th at  a ll  n o d es  ar h o m o g en e o u s ,   s tatio n ar y   a n d   eq u ip p ed   w ith   i n it ial  en er g y   o f   E 0 .   C o m m u n icatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     S ca la b ilit A w a r E n erg C o n s u mp tio n   a n d   Dis s ip a tio n   Mo d els fo r   W S N s   ( Mo h a med   E l F is s a o u i )   426     Fig u r 2 .   T h n et w o r k   w i th   1 0 0   n o d es r an d o m l y   d ep lo y ed   ( o   No r m al  n o d e,   C lu s ter   h ea d )       3 . 2 .     E nerg y   M o dels   a)   Mo d el  p r o p o s ed   b y   Hei n ze l m an   et  al.     A cc o r d in g   to   th r ad io   en er g y   d is s ip atio n   m o d el  p r o p o s ed   b y   Hei n ze l m a n   et  al.   [ 8 ]   th en er g y   ex p en d ed   b y   t h r ad io   is   g i v e n   b y                          {                                                                                                      ( 1 )     W h er L   is   th n u m b er   o f   b its   in   ev er y   p ac k e t,  E e l e c   is   th en er g y   d i s s ip ated   p er   b it  to   r u n   th e   tr an s m itter   E Tx   o r   th r ec eiv e r   E Rx   cir cu it,  ϵ fs   is   th f r ee   s p ac f ad in g   en er g y ,   ϵ mp   is   th m u lt i - p at h   f ad i n g   en er g y   an d   d   is   th d i s tan ce   b et w ee n   t h s e n d er   an d   th e   r ec eiv er   an d     d 0   d i s tan ce   f i x ed   b y   t h m o d e l     ( Fig u r 3 ) .   T o   r ec eiv th is   m es s ag t h r a d io   ex p en d s   en er g y :     E Rx ( L )   =   LE elec                   ( 2 )           Fig u r 3 .   R ad io   E n er g y   D is s ip atio n   Mo d el       T o tal  en er g y   d u r in g   ea ch   r o u n d   is   g iv e n   b y :                    [                                                                           ]   ( 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  7 ,   No .   1 Feb r u ar y   2 0 1 7   4 2 4     431   427   W h er k   is   t h n u m b er   o f   cl u s ter s ,   E DA   i s   th d ata  ag g r eg atio n   co s ex p en d ed   in   CH d toBS   is   th e   av er ag d i s tan ce   b et w ee n   th e   clu s ter - h ea d   an d   t h b ase   s t atio n   a n d   d toCH     is   t h a v er ag d is tan ce   b et w ee n   clu s ter   m e m b er s   a n d   th cl u s t er - h ea d .   T h o p tim al  n u m b er   o f   clu s ter s   is :                                                            ( 4)     T h m o d el  p r o p o s ed   co n s id er s   m icr o co n tr o ller   p r o ce s s in g   an d   r ad io   tr an s m i s s io n   an d   r ec eiv in g   o n l y .   T h is   m o d el  d o es  n o co n s id er   o th er   i m p o r tan s o u r ce s   o f   en er g y   co n s u m p tio n ,   s u ch   as  tr an s ien e n er g y ,   s en s o r   s en s i n g ,   s e n s o r   lo g g in g   an d   ac tu atio n .     b)   Mo d el  p r o p o s ed   b y   S h i h   et  al.   Sh i h   et  a l.  [ 9 ]   p r esen ted   m o d el  d ev elo p ed   f o r   μ A MP s p ec if ic  w ir ele s s   s en s o r   n o d e.   T h au th o r s   p r esen t a   f o r m u latio n   f o r   th r ad io   p o w er   co n s u m p tio n   ( P c)   as:     P c   =   N T [ P T   ( T on     +   T st )   +   P out   T on ]   +   N R   [ P R ( R on     +   R st ) ]           ( 5 )     W h er PT  is   th p o w er   co n s u m ed   b y   t h tr an s m it ter /r ec eiv er ,   P o u is   th o u tp u p o w er   o f   th e   tr an s m itter ,   R o n   i s   th tr an s m itter /r ec eiv er   o n   ti m e,   R s is   t h tr an s m it ter /r ec eiv er   s tar t u p   ti m an d   NT   is   th n u m b er   o f   t i m e s   tr an s m itter /r ec eiv er   is   s w itc h ed   o n   p er   u n it  ti m e,   w h ich   d ep en d s   o n   t h e   task   a n d   Me d i u m   A cc e s s   C o n tr o ( MA C )   s c h e m u s ed .   T o n   c an   f u r t h er   b r e w r itten   as  L / R ,   w h er L   i s   th p ac k et  s ize  a n d   R   is   th d ata  r ate.   T h μ A MP m o d el  d o esn 't sp ec if y   th p o w er   co n s u m ed   i n   t r an s m itti n g   o r   r ec eiv in g   o n b it.   Hill e t a l.  p r o p o s in   [ 1 0 ]   h o w   ca lcu late  t h en er g y   r eq u ir ed   f o r   tr an s m itti n g   o n b it.   T im to   s en d   o r   r ec eiv o n b i t =   1   / 1   Mb p s   1   μ s ec :     En er g =   Po w er   ×   T i m e                 ( 6 )     W h er P o w er   is   i n   W atts   a n d   T im is   i n   s ec o n d s     c)   Mic a2   Sp ec if ic  Mo d el    P o last r et  al.   [ 1 1 ]   p r o p o s ed   m o d el  th at  p r esen t s   th to ta en er g y   co n s u m p t io n   f o r   Mi ca 2   a s   th s u m m atio n   o f   en er g y   tr a n s m it tin g ,   r ec eiv i n g ,   li s te n in g ,   s a m p lin g   d ata  an d   s leep in g .     As  t h a u th o r s   p r esen c u r r en t   co n s u m p tio n   a n d   ti m e,   a n d   ass u m in g   t h at  M ica2   is   p o w er e d   b y   a   3 V   s o u r ce   [ 4 ] ,   o n ca n   ca lcu late  e n er g y   in   tr a n s m it tin g   a n d   r ec eiv in g   o n b it,  as:     E n erg = Cu r r en t ×  V o lta g × Time             ( 7 )     w h er cu r r en t i s   in   Am p er es,  Vo ltag is   i n   Vo lts   a n d   T im i s   in   s ec o n d s .     E n erg Tx   = 2 0   ×  1 0 - 3   A   × 3   V o lts   × 4 1 6   ×1 0 - 6   s ec   / 8   b its   Th u s :   E n erg Tx   = 3 . 1 2   μ J/b it   E n erg Rx   = 1 5   ×  1 0 - 3   A   × 3   V o lts   × 4 1 6   ×1 0 - 6   s ec   / 8   b its   Th u s :   E n erg Rx   = 2 . 3 4   μ J/b it               ( 8 )     T h is   m o d el  d o es  n o co n s id e r   o th er   im p o r tan s o u r ce s   o f   en er g y   co n s u m p t io n ,   s u c h   as   tr an s ien t   en er g y ,   s e n s o r   lo g g in g   an d   ac t u atio n .     d)   Mic a2   Sp ec if ic  Mo d el    w it h   a ctu a m ea s u r e m e n t s   Sh n a y d er   et  al.   [ 1 2 ]   p r esen ted   cu r r en co n s u m p tio n   m o d el  b ased   o n   m ea s u r e m e n ts   o n   th Mic a2   p latf o r m .   E n er g y   co s t p er   b it tr an s m itte d   is :     E n erg Tx   = ( 8 +2 1 . 5 )   × 1 0 - 3   A   × 3   V o lts   × 4 1 6   ×1 0 - 6   s ec   / 8   b its   Th u s :   E n erg Tx   = 4 . 6 0 2   μ J/b it   E n erg Rx  = ( 8 +7 )   × 1 0 - 3   A   ×   3   V o lts   × 4 1 6   ×1 0 - 6   s ec   / 8   b its   Th u s :   E n erg Rx   = 2 . 3 4   μ J/b it               ( 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     S ca la b ilit A w a r E n erg C o n s u mp tio n   a n d   Dis s ip a tio n   Mo d els fo r   W S N s   ( Mo h a med   E l F is s a o u i )   428   e)   Mo d el  p r o p o s ed   b y   Mil ler   et  al.   Miller   et  al  [ 1 3 ]   p r o p o s m o d el  b ased   o n   th Mic a2   Mo tes ,   th is   en er g y   m o d el  ta k i n   co n s id er atio n   th ti m a n d   p o w er   r eq u ir ed   f o r   th r ad io   to   tr an s itio n   f r o m   th s leep   s ta te  to   id le  a n d   f r o m   t h id le  s tate  to   s leep .   I n   p r ac tice,   th ese  v al u e s   ar n o n   n e g li g ib le,   b u t n o t a c co u n ted   f o r   in   m o s t p r ev io u s   w o r k .   C o n s id er ed   v alu es a r e:     T trans - on    = 2 4 5 0   μ s   T trans - off   = 2 5 0   μ s   P trans - on    = 3 0   mW   P trans - off  = 3 0   mW                   ( 1 0 )     T h m o d el  p r o p o s ed   d o es  n o co n s id er   en er g y   co n s u m p t io n   o f   s en s o r   s en s i n g ,   s en s o r   lo g g i n g   a n d   ac tu atio n .     f)   Halg a m u g et  al.   Halg a m u g et  al  [ 1 4 ]   p r o p o s m o d el  th a tak e s   in   co n s id er atio n   o th er   s o u r ce s   o f   en er g y   co n s u m p tio n   s u ch   as tr a n s ie n en er g y   ( E trans ) ,   s en s o r   s en s in g   ( E sens   ) ,   s en s o r   lo g g i n g   ( E logg )   an d   ac tu atio n .     T o tal  en er g y   co n s u m ed   b y   s en s o r   n o d d u r in g   ea ch   r o u n d   is :     E Node = [ LE sensN   + LE loggN + LE elec   + fs d 2 toCH   + E transN   ]           ( 1 1 )     T o tal  en er g y   co n s u m ed   b y   C d u r in g   ea ch   r o u n d   is :     E CH   =   [ LE sensCH   LE loggCH   +   L 1   E DA (     )   +   h 2   E elec   [ L 1   (       -   1 ) ( γL 2 )   +   L 2   ( 1+ γ )]   +   L 2   ( 1 + γ ) ϵ mp d 4 t oBS   + E transCH   ]               ( 1 2 )                                                                                                        W h er e:   a.   L 1   L ×  n u m b er   o f   s e n s o r s   f r o m   its   o w n   clu s ter   b.   γ   0 , 1 , 2 …k -   c.   L 2       Nu m b er   o f   b it s   tr an s m i tte d   b y   C to   b ase  s ta tio n   ( B S).   d.   h 2   I s   w eig h ti n g   f ac to r   th at  ap p lies   to   a   C to   i n d icate   b y   h o w   m u c h   it  co n s u m es  m o r en er g y   t h an   a   r eg u lar   s e n s o r   n o d f o r   en er g y   tr an s m is s io n .   W ass u m th a t th e n er g y   d is s ip atio n   f o r   ac t u atio n   i s   n o t p er f o r m ed .   T h en er g y   d is s ip atio n   i n   s i n g le  clu s ter   d u r i n g   ea c h   r o u n d   i s   g i v en   b y :     E Cluster   =   E CH   +   (       - 1   ) E Node                 ( 1 3 )     T h to tal  en er g y   f o r   k   clu s ter s ,   d u r in g   ea c h   r o u n d :     E Total = kE Cluster                   ( 1 4 )     T h o p tim al  n u m b er   o f   clu s ter s   in   t h is   m o d el  is   g iv e n   b y :                                                         ( 1 5 )     W h er e:     E α   =   ( ϵ mp   +   E sensCH   E loggCH   +   E transCH )             ( 1 6 )     T h m o d el  p r o p o s ed   h er is   m o r r ea lis tic  an d   co m p r eh en s i v en er g y   m o d el  f o r   w ir eles s   s e n s o r   n et w o r k s .     g)   Oth er   m o d els   I n   [ 1 5 ]   au th o r es  a n   en er g y   m o d el   f o r   W SNs   co n s id er in g   t h p h y s ical   la y er   a n d   MA C   la y er   p ar am eter s   b y   d eter m i n in g   t h e   en er g y   co n s u m ed   p er   p ay l o ad   b it  tr an s f er r ed   w it h o u er r o r   o v er   A W GN   ch an n el.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  7 ,   No .   1 Feb r u ar y   2 0 1 7   4 2 4     431   429   4.   SI M UL AT I O R E S UL T     W ev alu ate  th p er f o r m a n ce   o f   t w o   en er g y   m o d el s .   T h f ir s p r o p o s ed   b y   Hein ze l m a n   et  al.   an d   th s ec o n d   p r o p o s ed   b y   Hal g a m u g et  al.   u s i n g   M A T L A B   s o f t w ar e.   W co n s id er   w ir eles s   s en s o r   n et w o r k   w it h   N= 1 0 0   n o d es r an d o m l y   d is tr ib u ted   i n   1 0 0 m ×1 0 0 m   f ield .   W ass u m e   th e   b ase  s tatio n   is   f ar   f r o m   t h s en s i n g   r eg io n .   T h r ad io   p a r am eter s   u s ed   in   o u r   s i m u la tio n s   ar s h o w n   in   T ab le  1 .         T ab le  1 .   R ad io   ch ar ac ter is tics   u s ed   in   o u r   s i m u la tio n s   P a r a me t e r   V a l u e   E e l e c   5 0   n J / b i t   ϵ fs   1 0   p J / b i t / m 2   ϵ mp   0 . 0 0 1 3   p J/ b i t / m 4   d 0   7 0   m   M e ssag e   si z e   ( L )   2 0 0 0   b i t s   k   1 0   C l u s t e r s             I n   o u r   s i m u latio n   w u s a   h ier ar ch ical  r o u tin g   p r o to co w h ic h   u s ed   cl u s ter   b ased   a p p r o ac h   in   w ir ele s s   s e n s o r   n e t w o r k   ca lled   L E A C [ 8 ] .   Usi n g   Mic a2   Mo tes  h ar d w ar v alu e s   [ 1 6 ]   an d   f o r m u la s   c ited   in   [ 1 4 ]   an d   P a r am eter   v alu es  u s ed     in   [ 1 7 ]   w o b tain   th f o llo w i n g   r esu lts :           Fig u r 4 .   Av er ag E n er g y   Dis s ip atio n   f o r   ev er y   N ode       Fig u r 4   s h o w s   t h av er a g e n er g y   d is s ip atio n   f o r   ev er y   n o d f o r   all  co m p o n en ts   co n s id e r ed   in   th m o d el  p r o p o s ed   b y   Halg a m u g et  al.   T h ese  en er g y   co m p o n en ts   ar co n s id er ab le.   T h er ef o r th e y   ca n   ch a n g e   r esu lt s   o f   s i m u latio n s   i f   th e y   a r tak en   i n   co n s id er atio n .           Fig u r 5 .   Av er ag E n er g y   Dis s ip atio n   i n   t w o   Mo d els   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708     S ca la b ilit A w a r E n erg C o n s u mp tio n   a n d   Dis s ip a tio n   Mo d els fo r   W S N s   ( Mo h a med   E l F is s a o u i )   430     A cc o r d in g   to   f i g u r 5   ab o v e,   th av er a g en er g y   d is s ip atio n   in   t h m o d el  p r o p o s ed   b y   Halg a m u g e     et  al.   is   h ei g h er   as  co m p ar ed   w it h   t h o n p r o p o s ed   b y   Hei n ze l m an   et  al.   T h m ain   r ea s o n   is   t h at  Hal g a m u g e   et  al.   m o d el  ta k es   in   co n s id er atio n   o t h er   s o u r ce s   o f   e n er g y   co n s u m p tio n   t h at   ar n o t   i n cl u d ed   in   Hei n ze l m a n   et  al.   m o d el,   i.e . ,   tr an s m it e n er g y ,   s e n s o r   s en s i n g ,   s e n s o r   lo g g in g   a n d   ac tu atio n .   T h o p tim al  n u m b er   o f   cl u s t er s   h as  s i g n if ican e f f ec o n   s en s o r   n et w o r k   li f eti m e.   Fi g u r 6   s h o w s   th at  t h o p ti m al  n u m b er   o f   c lu s ter s   i n cr ea s es  w it h   t h n u m b er   o f   s e n s o r s   u s ed   f o r   t wo   co m p ar ed   en er g y   m o d el s .   T h ch an g is   m o d est   in   th m o d el  p r o p o s ed   b y   Hal g a m u g et  al.   it is   n ea r l y   s tab le.           Fig u r 6 .   Op ti m al  N u m b er   o f   C lu s ter s   Ver s u s   N u m b er   o f   N o d es       A cc o r d in g   to   f o r m u las  ( 4 )   an d   ( 1 5 )   it  is   clea r   th at  th o p tim al  n u m b er   o f   cl u s ter s   v ar y   w it h   s e v er al   f ac to r s   s u c h   a s   d is ta n ce   f r o m   C to   s i n k   n o d e,   f r ee   s p ac f ad in g   e n er g y   ϵ fs ,   s q u ar o f   th e   s en s i n g   f ield ,   etc.   W ith   ea ch   o f   t h is   f ac to r s   th o p tim a n u m b er   o f   cl u s ter s   it  is   m o r s en s ib le  in   Hei n ze l m an   et  al.   m o d el  th a n   Halg a m u g et  al  m o d el.   T h at  ch an g es  s i g n i f ica n tl y   s i m u lati o n   r esu lt s .   Fin all y   T ab le  2   s h o w s   e n er g y   s o u r ce s   u s ed   in   t w o   m o d el s   co m p ar ed   i n   th i s   s t u d y .       T ab le  2 .   E n er g y   So u r ce   C o n s i d er ed   b y   t w o   Mo d els   En e r g y   S o u r c e s   H e i n z e l man     e t   a l .   H a l g a mu g e   e t   a l .   P r o c e ssi n g   Х   Х   C o mm u n i c a t i o n   Х   Х   S e n si n g       Х   T r a n se i n t       Х   L o g g i n g       Х   A c t u a t i o n     Х   C l u st e r s fo r mat i o n   Х   Х       5.   CO NCLU SI O   I n   th e   f ir s p ar i n   t h is   p ap er ,   w h a v p r ese n ted   d if f er en t   s o u r ce s   o f   t h e n er g y   co n s u m p tio n   in   w ir ele s s   s e n s o r   n et w o r k s   an d   m aj o r   s o u r ce s   o f   en er g y   w a s te.   I n   th s ec o n d   p ar t,  w h a v p r o v id ed   s ev er al  en er g y   m o d els  u s ed   in   W SN,   f in al l y ,   co m p ar ativ s t u d y   is   co n d u cted   f o r   t w o   e n er g y   m o d el s   p r o p o s ed   b y   Hein ze l m a n   et  al.   an d   p r o p o s ed   b y   Hal g a m u g et  al.   I p er m it s   to   h elp   r esear ch er s   to   ch o ice  s u itab le  an d   ap p r o p r iate  m o d el  to   u s it i n   t h eir   s i m u latio n s   in   o r d er   to   h av g o o d   r esu lt s   f o r   th eir   p r o p o s itio n s .   I n   th e   f u t u r w o r k   w e   w ill   p r o v id lar g co m p ar ati v s t u d y   w h ile  ta k i n   ac co u n o t h er   m o d els  s u c h   as t h m o d el  p r o p o s ed   b y   Z h u   et  al.   [ 1 8 ] .         RE F E R E NC E S   [1 ]   F .   A k y il d iz,  W .   S u ,   Y.  S a n k a ra su b ra m a n ia m ,   E.   Ca y iri c i,   A   su r v e y   o n   se n so n e tw o rk s,  IEE c o mm u n ic a ti o n s   ma g a zi n e ,   4 0   ( 8 ( 2 0 0 2 1 0 2 1 1 4 .   [2 ]   M .   Zare e i,   M . I.   A lg h a m d i,   A . K. M . M .   Isla m ,   S .   Ba h a ru n ,   R.   Bu d i a rto ,   En e r g y   Ef fi c ien Ha n d o v e M a n a g e me n i n   Clu ste Ba se d   W ire les S e n so Ne two rk   in   P ro c e e d i n g   o f   th e   El e c tri c a En g in e e rin g   Co m p u ter  S c ien c e   a n d   In f o rm a ti c s (2 0 1 4 ).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E   Vo l.  7 ,   No .   1 Feb r u ar y   2 0 1 7   4 2 4     431   431   [3 ]   F .   L ian g ,   L .   Zh a n g ,   P .   S u n ,   " S tu d y   o n   th e   Ro u g h - se t - b a se d   Clu ste rin g   A l g o rit h m   f o S e n so Ne t w o r k s” ,   in   Bu ll e ti n   o El e c trica En g in e e rin g   a n d   In f o rm a ti c s ,   (2 0 1 4 ).   [4 ]   V .   M h a tre,  C.   Ro se n b e rg ,   De sig n   g u id e li n e f o w irele s se n so n e tw o rk s:  c o m m u n ica ti o n ,   c lu ste rin g   a n d   a g g r e g a ti o n ,   Ad   H o c   Ne two rk   J o u rn a l ,   2   ( 1 ( 2 0 0 4 4 5 6 3 .   [5 ]   G . J.  P o tt ie  a n d   W . J.  Ka ise r,   W irele ss   In teg ra ted   Ne t w o rk   S e n so rs ,   Co m m u n ica ti o n o f   th e   A CM ,   v o l.   4 3 ,   n o .   5 ,   M a y   2 0 0 0 ,   p p .   5 1 - 5 8 .   [6 ]   Y.C.   T se n g ,   S . Y.  Ni,   Y.S .   Ch e n ,   a n d   J. P .   S g e u ,   T h e   b ro a d c a st  st o rm   p ro b lem   in   a   m o b il e   a d   h o c   n e tw o rk ,   T h e   J o u rn a o M o b il e   Co mm u n ica ti o n   C o mp u ta t io n   a n d   In f o rm a ti o n ,   v o l.   8 ,   n o .   2 - 3 ,   p p .   1 5 3 1 6 7 ,   2 0 0 2 .   V iew   a P u b l ish e -   V iew   a G o o g le S c h o l a r   J.    [7 ]   L a n d   P .   M o h a p a tra,  An   a n a l y ti c a mo d e f o th e   e n e rg y   h o l e   p ro b lem   in   m a n y - to - o n e   se n so n e two rk s ,   in   P r o c e e d in g o f   th e   6 2 n d   IEE V e h icu lar  T e c h n o l o g y   Co n fe re n c e ,   v o l.   4 ,   p p .   2 7 2 1 2 7 2 5 ,   2 0 0 5 .   V ie w   a P u b l ish e -   V iew   a G o o g le S c h o lar.   [8 ]   W . R.   He in z e l m a n ,   A . P .   Ch a n d ra k a sa n ,   a n d   H.  Ba la - Krish n a n ,   An   A p p li c a t io n - s p e c if ic  P ro to c o A rc h it e c tu re   f o W irele ss   M icro se n so Ne tw o rk s” ,   IEE T r a n sa c ti o n s   o n   W ire les s Co mm u n ica ti o n s ,   1 ,   No .   4 ,   p p .   6 6 0 6 7 0 ,   2 0 0 2 .   [9 ]   E.   S h ih ,   S .   Ch o ,   N.  Ic k e s,  R.   M in ,   A .   S i n h a ,   A .   W a n g ,   A .   Ch a n d ra k a sa n ,   " P h y sic a La y e Dri v e n   P r o to c o a n d   A l g o rit h m   De sig n   f o En e rg y - E fficie n W irele ss   S e n so Ne tw o rk s " ,   ACM   S IGM OBIL E   7 /0 1   Ro m e ,   Italy .   [1 0 ]   J.  Hill ,   R.   S z e w c z y k ,   A .   W o o ,   S .   Ho ll a r,   D.  Cu ll e r,   K.  P ister.  " Arc h it e c tu re   Dire c ti o n f o Ne t w o rk e d   S e n so rs" ,   AS PL OS IX   1 1 / 0 0   Ca m b rid g e ,   M A ,   US A .     [1 1 ]   J.  P o las tre,  J .   Hill ,   D.  Cu ll e r,   " V e rsa ti le  L o w   P o w e M e d ia  Ac c e ss   f o W irele ss   S e n so Ne t w o rk s" ,   S e n S y s’0 4 Ba lt im o re ,   M a r y lan d ,   USA ,   No v e m b e 3 5 ,   2 0 0 4 .   [1 2 ]   V .   S h n a y d e r,   M .   He m p ste a d ,   B.   Ch e n ,   G .   W e rn e A ll e n ,   a n d   M .   W e lsh ,   " S im u latin g   th e   P o w e Co n su m p ti o n   o f   L a r g e S c a le  S e n so Ne tw o rk   A p p li c a ti o n s" ,   S e n S y s’0 4 ,   Ba lt im o re ,   M a ry l a n d ,   USA ,   No v e m b e 3 5 ,   2 0 0 4 .     [1 3 ]   M il le,  M . J.  a n d   N.H.  V a id y a ,   m a c   p ro to c o t o   re d u c e   se n so n e tw o rk   e n e rg y   c o n su m p ti o n   u sin g   a   w a k e u p   ra d io ,   IEE T r a n s.  M o b il e   C o mp u ti n g ,   V o l .   4 ,   No .   3 ,   2 2 8 2 4 2 ,   M a y   2 0 0 5 .     [1 4 ]   M . N.  Ha lg a m u g e ,   M .   Zu k e r m a n ,   a n d   K.  Ra m a m o h a n a ra o   A ES T IM A T IO OF  S ENS OR  ENERG Y   CON S UMP T ION ”,   Pro g re ss   In   El e c tro ma g n e ti c s R e se a rc h   B ,   Vo l.   1 2 ,   2 5 9 2 9 5 ,   2 0 0 9 .     [1 5 ]   M .   A b o - Zah h a d ,   M .   F a rra g ,   A .   A li   a n d   O.  Am in ,   " A n   e n e rg y   c o n su m p ti o n   m o d e f o w irele s se n so   n e tw o rk s,  "   En e rg y   Awa re   C o mp u ti n g   S y ste ms   &   Ap p li c a ti o n ( ICEA C) ,   2 0 1 5   In tern a ti o n a C o n f e re n c e   o n ,   Ca ir o ,   2 0 1 5 ,   p p . 1 - 4.   [1 6 ]   M ICA 2   m o te   d a tas h e e t” 2 0 0 4 ,   [o n li n e ]   h tt p s:/ /www . e o l. u c a r. e d u /rt f /f a c il i ti e s/isa /i n tern a l/ Co ss Bo w /Da taSh e e ts/ m ic2 . p d f .   [1 7 ]   h tt p : // ww w . x b o w . c o m /   P ro d u c ts/ P r o d u c t - p d f   f il e s/ W irele ss - p d f /M ICA 2 - Da tas h e e t. p d f .   [1 8 ]   Zh u ,   J.  a n d   S .   P a p a v a ss il io u ,   On   th e   e n e rg y - e ff icie n t   o rg a n iza ti o n   a n d   th e   li f e ti m e   o f   m u lt i - h o p   se n so n e tw o rk s” ,   IEE Co mm u n .   L e tt . ,   Vo l.   7 ,   N o .   1 1 ,   5 3 7 5 3 9 ,   N o v .   2 0 0 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.