I nte rna t io na l J o u rna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   2 A p r il   201 9 ,   p p .   1 1 6 8 ~ 1 1 8 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 2 . pp 1 1 6 8 - 1183       1 168       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   G ene tic - f u zz y  bas ed loa d bala nced  pro toco l f o r WS N s       P a nk a j   K u m a K a s hy a p ,   Su s hil   ku m a r   S c h o o o f   Co m p u ter a n d   S y ste m   S c ien c e s ,   Ja w a h a rlal  Ne h ru   Un iv e rsit y ,   Ne w   De lh i ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   16 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Oct   16 201 8   A cc ep ted   No v   6 ,   2 0 1 8       Re c e n a d v a n c e m e n in   w irel e ss   se n so n e tw o rk p ri m a ril y   d e p e n d u p o n   e n e rg y   c o n stra in t.   Cl u ste rin g   is   t h e   m o st  e ff e c ti v e   e n e rg y - e ff icie n tec h n i q u e   to   p r o v id e   r o b u st,  f a u lt - to lera n t   a n d   a lso   e n h a n c e   n e tw o rk   li fe ti m e   a n d   c o v e ra g e .   S e lec ti o n   o f   o p ti m a n u m b e o f   c lu ste h e a d a n d   b a l a n c in g   th e   lo a d   o f   c lu ste h e a d a re   m o st  c h a ll e n g in g   issu e s.  Ev o l u ti o n a r y   b a se d   a p p ro a c h   a n d   so f c o m p u ti n g   a p p ro a c h   a re   b e st su it a b le f o c o u n ter t h e   a b o v e   p ro b lem s r a th e th a n   m a th e m a ti c a a p p ro a c h .   In   t h is  p a p e w e   p ro p o se   h y b rid   tec h n iq u e   w h e re   Ge n e ti c   a lg o rit h m   is  u se d   f o th e   se lec ti o n   o f   o p ti m a l   n u m b e o f   c lu ste h e a d a n d   t h e ir  f it n e ss   v a lu e   o f   c h ro m o so m e   to   g iv e   o p ti m a n u m b e o f   c lu ste h e a d   a n d   m in im i z in g   th e   e n e rg y   c o n su m p ti o n   is  p ro v id e d   w it h   th e   h e lp   o f   f u z z y   lo g ic  a p p r o a c h .   F in a ll y   c lu ste h e a d u se m u lt i - h o p   ro u ti n g   b a se d   o n   A * ( A - sta r)   a l g o rit h m   to   se n d   a g g re g a ted   d a ta  to   b a se   sta ti o n   w h ich   a d d it i o n a l ly   b a lan c e   th e   lo a d .   Co m p a ra ti v e   stu d y   a m o n g   L E A CH,  CHEF ,   L E A CH - ERE ,   GA EE P   sh o w th a o u p r o p o se d   a lg o rit h m   o u t p e rf o rm   in   th e   a re a   o f   to tal  e n e rg y   c o n su m p ti o n   w it h   v a rio u ro u n d a n d   n e tw o rk   li f e ti m e ,   n u m b e o f   n o d e   a li v e   v e rsu ro u n d a n d   p a c k e d e li v e r y   o r   p a c k e d ro p   ra ti o   o v e th e   ro u n d s ,   a l so   a b le  to   b a lan c e th e   lo a d   a t   c lu ste h e a d .   K ey w o r d s :   A* ( A - s tar   r o u ti n g )   Fit n e s s   f u n ctio n   Fu zz y   lo g ic  i n f er en ce   s y s te m   Gen etic  a l g o r ith m   I n ter - cl u s ter i n g   r o u ti n g   L o ad   b alan cin g   Co p y rig h ©   2 0 1 9   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 :   P an k aj   K u m ar   Ka s h y ap ,   Sch o o l o f   C o m p u ter   an d   S y s te m   Scie n ce s ,   J a w ah ar l al  Ne h r u   U n i v er s it y ,   Ne w   De lh i,  I n d ia.   E m ail: p an k aj 7 6 _ s cs@ j n u . ac . i n       1.   I NT RO D UCT I O N   R ec en ad v an ce m e n i n   V L SI  ar ch itect u r e,   w ir ele s s   co m m u n icatio n   w it h   t h h elp   o f   s en s o r s   tech n o lo g y   a n d   r ec en tl y   e v o lv ed   n e w   ar ch itect u r I n ter n et  o f   th i n g s   ( I o T )   g iv es  u p p er   h an d   to   cr ea tio n   o f   w ir ele s s   s e n s o r s   n et w o r k s   f o r   d if f er en t   ap p licatio n s   s u c h   as  b attle f ield   s u r v eilla n ce ,   h e alth   ca r e,   d is aster   d etec tio n   ( f o r est  f ir e,   f lo o d   d etec tio n ) ,   r em o te  h ab itat  m o n ito r in g ,   h o m a u to m atio n ,   en v ir o n m e n d ata  m o n ito r i n g   ( te m p er at u r e,   h u m id it y ,   p r ess u r e,   s ei s m ic  v ib r ati o n )   etc.   [1 ] - [ 3 ] .   W ir eless   s e n s o r   n et w o r k   ( W SN s )   co n s is o f   t h o u s an d s   o f   ti n y   s en s o r s   n et w o r k s   s p atia ll y   d i s p er s ed   o v er   m o n i to r in g   ar ea   to   s en s e   s p ec i f i p ar am eter   a n d   th e s s e n s d at p er io d ically   d eliv er   to   b ase  s tatio n   b y   s en s o r s   n o d e.   Sen s o r   n o d p o w er ed   b y   li m ited   ca p ac it y   i n ex p e n s i v s m al b atter y .   B atter y   o f   s e n s o r   n o d is   al m o s ir r ep lace ab le  in   n a tu r w h e n   it   r u n s   o u o f   p o w er   b ec au s o f   g en er all y   s e n s o r   n o d es  ar d is p er s ed   o n   th ar ea   w h er h u m an   i n ter v en t io n   i s   v er y   d if f ic u lt  [ 4 ] .   T h er ef o r ef f icien u s o f   av a ilab le  en e r g y   is   m o s p r o m i n e n is s u in   w ir eless   s e n s o r s   n et w o r k s   f o r   r u n n i n g   th n et wo r k   f o r   lo n g   ti m e.     C lu s ter i n g   is   t h to p   r an k ed   a p p r o ac h   f o r   d ata   g ath er in g   i n   W SNs .   C l u s ter i n g   p r o ce s s   d iv id th e   n et w o r k   in   t h f o r m   o f   s m al clu s ter s .   Div is io n   o f   n et w o r k s   i n   o p ti m al   n u m b er   o f   cl u s ter s   is   NP -   h ar d   p r o b lem .   E v er y   clu s ter   h a v e   lead er   ca lled   as  clu s ter   h ea d   ( C H) ,   w h ich   p er f o r m   t h o p er atio n   o f   d ata   g ath er i n g   f r o m   it s   m e m b er   n o d es,  d ata  ag g r eg atio n   an d   tr an s f er   th ag g r eg ated   p ac k et  t o   b ase  s tatio n   ( B S).   C lu s ter i n g   h as  m a n y   s i g n i f ica n ad v a n ta g es  s u c h   as   it  r ed u c th n u m b er   o f   tr a n s m i s s io n   as  o n l y   o n lead er   p er   clu s ter ,   co n s er v e s   th b an d w id t h   o f   n et w o r k   b ec au s o f   n o d es  ar co m m u n ica ted   w i t h   th eir   cl u s ter   h ea d   o n l y .   Als o   it  is   ea s il y   m an a g e d   an d   f a u lt - to ler an ce   s o   it  i m p r o v es  th s ca lab ilit y   o f   n et wo r k s   [ 4 ] .   T h er ef o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       G en etic - f u z z b a s ed   lo a d   b a la n ce d   p r o to c o l fo r   W S N s   ( P a n ka j Ku ma r   K a s h ya p )   1169   b alan cin g   t h lo ad   o f   lead er   is   b ac k b o n o f   th cl u s ter i n g   p r o to co th at  o p en s   th d o o r   f o r   ef f ic ien s elec tio n   o f   clu s ter   h ea d s   a m o n g   n o d es.  A l s o   clu s ter in g   p r o v id m u lt i - h o p   r o u tin g   f o r   lar g s ca le  n et w o r k ,   s o   f i n d in g   lo ad   b alan ce d   r o u te  f r o m   cl u s t er   h ea d   to   b ase  s tatio n   is   an o t h er   is s u e.     T o   ad d r ess   th p r o b lem   o f   s e lec tio n   o f   o p ti m al  n u m b er   o f   clu s ter   h ea d s   a n d   to   b alan ce   th lo ad ,   w e   p r o p o s ed   Gen etic  b ased   a p p r o ac h   w it h   th e   f u s io n   o f   F u zz y   L o g ic  tech n iq u e   n a m ed   as  Ge n etic   F u zz y   L o g ic   B ased   E n er g y - E f f icie n t   L o ad   B alan ce d   C l u s ter in g   A l g o r ith m   ( GFE L C ) ,   w h ic h   w o r k s   i n   t h r e r o u n d s .   Set - u p   p h ase,   clu s ter   b in d in g   p h ase  an d   in ter - clu s ter i n g   ( A* ( A - s tar )   b ased   alg o r ith m )   p h ase.   T h r est  o f   th p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s .   Sectio n   2   d escr ib es  th p r ev io u s   alg o r it h m s   r elate d   to   Gen etic  al g o r i th m   a s   w ell   as  f u zz y   lo g ic.   I n   S ec tio n   3   s y s te m   an d   e n er g y   m o d el   is   d escr ib ed .   Sectio n   4   d escr ib ed   t h p r o p o s e d   alg o r ith m .   Sectio n   5   s h o w s   th ex te n s iv s i m u la tio n   w o r k .   Fin al l y ,   w co n cl u d o u r   p ap er   w it h   b r ief   d is cu s s io n   o n   co n clu s io n   a n d   f u tu r s co p e.       2.   RE L AT E WO RK   L E AC [ 5 - 6 ]   h av e   ce r tai n   li m itatio n s   s u ch   as  lo w - e n er g y   s en s o r   n o d w o u ld   b s elec t ed   as  C H,   it  d o es  n o u s es  m u lti - h o p   r o u tin g   b et w ee n   i n ter   clu s ter   h ea d s ,   lead s   to   u n ev e n l y   d is t r ib u tio n   o f   clu s ter   f o r m atio n .   I n   P E G A SIS  [ 7 ]   w h er ea s   n o d es  ar e   p lace d   in   ch ain   w h er at   t i m e   o n l y   o n n o d ( s elec ted   a s   lead er   w it h o u co n s id er in g   r e s id u al  e n er g y )   tr an s f er   t h d at d ir ec tl y   to   B an d   t h r o le  o f   lead er   r o tated   in   ch ain .   HE E [ 8 ]   w h ich   eli m i n ate  t h p r o b le m   o f   u n ev e n l y   d is tr ib u tio n   o f   C b y   in c lu d in g   t h p ar a m eter   r esid u al  en er g y   an d   n o d d en s it y .   I n   T E E [ 9 ]   s en s o r   n o d s en d s   o n l y   s e n s iti v d ata  to   B th at  is   co n tr o lled   in   n at u r e,   W h er ea s   A P T E E N   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ]   im p r o v th T E E an d   o b j ec tiv is   to   ca p tu r b o th   th p er io d ical  d ata  as  w el as  s e n s iti v d ata  b y   i m p le m en tin g   b o th   p r o ac tiv a n d   r ea ctiv s c h e m e,   b u it  r eq u ir m o r e   co m p le x it y   i n   f o r m a tio n   o f   cl u s ter s   an d   its   p er f o r m a n ce   lie s   b et w ee n   L E A C a n d   T E E N.   I n   [ 1 2 ]   p r o p o s ed   alg o r ith m   E E L B C A   cr ea tes  m i n - h ea p   o f   clu s ter   h ea d s   o n   th b asis   o f   n u m b er   o f   s e n s o r   n o d es  ar e   jo in   to   r esp ec tiv clu s ter s   o f   cl u s ter   h ea d s .   I n   [ 1 3 ]   p r o p o s ed   alg o r ith m   is   b ased   o n   g en etic  tech n iq u e,   w h ich   cr ea tes  3 - lev el  h ier ar ch ic al  clu s ter .   I n itiall y   it  s elec t s   t h o p ti m al  n u m b er   o f   C b y   g e n etic  al g o r ith m   an d   f i n all y   r o u ti n g   is   d o n b ased   o n   cr iter ia   m i n i m izi n g   th tr an s m i s s io n   d is tan ce .   B u t h r ed u n d an c y   m a y   o cc u r   at  lev el   2   clu s ter s   al s o   en er g y   o f   m o d es  n o co n s er v as   m u c h   n ee d ed .   I n   [ 1 4 ]   p r o p o s ed   g en etic  b ased   r o u tin g   al g o r ith m   i n   wh ich   d ata  is   r o u ted   th r o u g h   r ela y   n o d es  in   t w o - ti er   s en s o r   n et w o r k   ar c h itect u r e,   g e n etic  al g o r ith m   d eter m i n s u itab le  r o u te  f o r   th u p p er tier   r ela y   n o d es  in   s en s o r   n et w o r k s .   I is   ce n tr a lized   ap p r o ac h   an d   s en s o r   n o d es  ( GP en ab led   m ad alg o r it h m   co s t lier )   ar s tatic  af ter   d ep lo y m e n t a s   w el l a s   it r eq u ir ex tr r ela y   n o d e.     I n   [ 1 5 ] ,   p r o p o s ed   g en etic  al g o r ith m   i s   lo ad   b alan ce d   clu s t er in g   ap p r o ac h   w h ich   tr a n s f e r s   th d ata  f r o m   n o d to   B v ia  g ate w a y s   h av i n g   h i g h   p o w er ed   s en s o r s   th an   o r d in ar y   s e n s o r   n o d es.  T r af f ic  lo ad   o f   ea ch   s en s o r   n o d es  ar d eter m i n ed   p r io r   th clu s ter   f o r m atio n .   T h n o d e s   ar ass ig n i n g   to   o n l y   g ate w a y s   to   r ep r esen th v alid   c h r o m o s o m e.   T h f i tn e s s   f u n ct io n   o f   g a te w a y   i s   d ep en d in g   u p o n   s ta n d ar d   d ev iatio n   o f   t h e   lo ad   o f   th g ate w a y   w h ich   c au s e s   ev e n l y   d is tr ib u tio n   o f   t r af f ic  lo ad   a m o n g   g ate w a y s .   L o w er   th s ta n d ar d   d ev iatio n   h i g h er   th f it n e s s   v a lu o f   g ate w a y s .   T h m u tatio n   is   r ep lace m e n o f   g ate w a y   h a v in g   h i g h er   lo ad   in   ter m s   m o r n u m b er   o f   n o d es t r an s f er r in g   o r   r ec eiv in g   th m ess a g w it h   an o th er   lo w er   lo ad ed   g ate w a y .   T h i m p r o v ed   v er s io n   o f   L E AC is   p r o p o s ed   b y   J . L   l i u   a n d   C . V.   R av is h an k ar   in   [ 1 6 ]   ( L E A C H - G A )   u s es   g e n etic  a p p r o ac h .   T h is   al g o r ith m   in cl u d p r ep ar atio n   p h ase  b ef o r t h s e t - u p   p h a s a n d   s tead y   s tate  p h a s o n ce   f o r   f ir s r o u n d ,   w h er s elec tio n   p r o b ab ilit y   o f   n o d to   b ec o m e   C is   ev al u ated .   T h f itn es s   f u n c tio n   i s   r el y i n g   o n   th b asis   o f   m in i m izin g   th to tal  en er g y   co n s u m p tio n   r eq u ir ed   f o r   ea ch   clu s ter i n g   r o u n d .   Select io n   o f   C d o es  n o t i n cl u d r esid u al  en er g y .   I n   G A E E P   [ 1 7 ]   f it n es s   f u n ctio n   i s   r el y in g   o n   m i n i m izi n g   th o v er all  d i s s ip atio n   e n er g y   b y   co n s id er i n g   o p ti m al  n u m b er   o f   cl u s ter   h ea d s .   I d o es  n o in cl u d n o d d en s it y   a n d   d is tan ce   f ac to r   to   b ase  s tatio n   i n   t h e v al u atio n   o f   f it n e s s   f u n ct io n .   M u lti   h o p   r o u tin g   an d   s elec t io n   p r o ce d u r o f   clu s ter   h ea d   is   also   n o t e x p lain ed   in   t h G A E E P .     I n   [ 1 8 ]   Gu p ta  h as  p r o p o s ed   i m p r o v ed   v er s io n   o f   L E AC H   b ased   o n   Fu zz y   lo g ic  u s in g   v ar iab les;   en er g y   lev el,   co n ce n tr atio n   lev el  ( n o d d en s it y )   an d   ce n t r alit y .   T h B is   r esp o n s ib le  f o r   co llectin g   t h e   en er g y   le v el  a n d   lo ca tio n   o f   ea ch   n o d e.   T h er is   n o   u s o f   m u l ti - h o p   r o u ti n g ,   s o   n et w o r k   co n s u m es  m o r e   en er g y .   I C HE [ 1 9 ]   w h ic h   o v er co m e s   t h p r o b le m   o f   Gu p ta  p r o to co b y   in cl u d i n g   lo ca d is tan ce   w it h   r esid u al  e n er g y .   Di s tan ce   to   b ase  s tatio n   m etr ic  i s   e x clu d ed ,   w h ic h   h av e   m aj o r   i m p ac o n   n et w o r k   l if et i m e   in   th ca s o f   m o b ile  n o d es.   I n   [ 2 0 ]   p r o p o s ed   F - MCHE L   i m p r o v ed   v er s io n   o f   C HE w h er s elec tio n   o f   clu s ter   h ea d   d ep en d   u p o n   f u zz y   lo g i v ar iab les  r esid u a en er g y   a n d   p r o x i m it y   d is ta n ce .   T h clu s ter   h ea d   h a v i n g   m ax i m u m   r es id u al  e n er g y   a m o n g   t h elec ted   clu s ter   h ea d s   p lay   t h r o le  o f   Ma s ter   cl u s te r   h ea d .   T h Ma s ter   clu s ter   h ea d   is   o n l y   r e s p o n s ib l f o r   tr an s f er   o f   t h a g g r e g ate d   d ata  to   b ase  s tatio n .   - M C HE L   p r o v id es  m o r s tab le  n et w o r k   a n d   en er g y   e f f i cien t c o m p ar to   L E AC an d   C HE F.   I n   [ 2 1 ]   p r o p o s ed   alg o r ith m   ( FM - S C HM )   w h ic h   s h o w   i m p r o v e m e n t   o v er   F - M C HE L   b y   ta k i n g   m o b il it y   a s   th ir d   p ar a m eter   w i th   r esid u al  e n er g y   an d   d is ta n c to   b ase  s tatio n .   A s   t h e y   co n s id er   B is   m o b ile,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 A p r il 2 0 1 9   :   1 1 6 8   -   1 1 8 3   1170   b u w h en   m o b ilit y   o f   t h B i s   d ec r ea s es  o r   i n cr ea s es   th e n   t h er is   n o   e f f ec o n   li f eti m it   r e m ai n s   co n s ta n t .   I n   [ 2 2 ]   p r o p o s ed   alg o r ith m   b y   s a m a u th o r   to   o v er co m th p r o b lem   o f   m o b ili t y   b y   tak i n g   ce n tr alit y   p ar am eter   i n s tead   o f   d is ta n ce   to   b ase  s tatio n   as  th ir d   p ar am eter   an d   all  th o th er   ass u m p ti o n   ar s a m e,   w h ic h   s h o w   t h i m p r o v e m e n o f   li f e ti m o v er   FM - S C HM   [ 2 1 ] .   I n   L E AC H - F L   [ 2 3 ]   is   also   y e an o th er   i m p r o v ed   v er s io n ,   w h er s elec tio n   o f   C d ep en d   o n   th r ee   f u zz y   v ar iab les,  en er g y   lev el,   n o d d en s it y   an d   d is ta n ce   b et w ee n   cl u s ter   h ea d   an d   b as s tatio n .   I d i f f er s   f r o m   t h Gu p ta  p r o to co o n l y   i n   o n e   p ar a m eter   ce n tr ali t y   v er s u s   d is tan ce   to   b ase  s ta tio n .   B u L E AC H - F L   a ls o   s u f f er s   f r o m   s a m p r o b le m   a s   G u p ta  p r o to co s u ch   a s   m u lti - h o p   r o u ti n g .   I n   L E AC H - E R E   [ 2 4 ]   f u zz y   L o g ic  b a s ed   p r o to c o w h ich   co n s id er   th e x p ec ted   r esid u al   en er g y   ( as   p r ed ictio n )   as  w e l as  r es id u al  e n er g y   o f   n o d as  f u zz y   v ar iab les.  B u it  d o es  n o t   co n s id er   t h d is tan ce   b et w ee n   cl u s ter   h e ad   an d   b ase  s ta tio n ,   n o d d en s it y   a n d   ce n tr ali t y   as  well,   w h ic h   lead s   t o   u n b ala n ce d   lo ad   an d   en er g y   c o n s u m p tio n .   I n   [ 2 5 ]   A l s h a w i   et  al.   p r o p o s ed   an   al g o r ith m   to   b alan ce   th t r a f f ic  lo ad   u s i n g   f u zz y   an d   A - s tar   ap p r o ac h   w h ic h   g i v t h least   b u r d en   p ath   w i th   f o r w ar d i n g   n o d es  h av i n g   h i g h er   en er g y   an d   m i n i m u m   h o p   co u n t.  I n   C F G A   [ 2 6 ]   B cr ea tes  b alan ce d   cl u s ter   b ased   o n   Gen et ic - f u zz y   b a s ed   alg o r ith m .   As  t h B s itu a ted   in   ce n tr al  o f   t h n et wo r k   an d   all  n o d es  c h ec k   t h eir   v alid it y   f o r   C i n   f u zz y   m o d u le  co n s u m e s   m o r e   en er g y   o f   n o d es  an d   lif e ti m o f   n et w o r k   d ec r ea s es  a n d   th e y   d o es   n o s h o w   h o w   m u lti - h o p   r o u ti n g   w o r k s   [ 2 7 ] ,   [ 2 8 ] .   I n   [ 2 9 ]   A - s t ar   b ased   alg o r ith m   ( ASSER ) ,   B f in d   o p ti m al  r o u te  an d   b r o ad ca s in   th t w o - ti er   n et w o r k ,   b y   w h ich   C s e n d   d ata  to   B S u s i n g   o p ti m a l r o u te,   w h ich   lead s   to   b alan ce   th tr af f ic  lo ad .     Fro m   th e   ab o v p r o p o s ed   alg o r ith m s ,   it  ap p ea r s   th at   n o   b et ter   alg o r ith m   d ev e lo p ed   w h ic h   u s es  b o th   ev o lu tio n ar y   ( Ge n etic  al g o r ith m )   a n d   s o f co m p u ti n g   ( Fu zz y   lo g ic  b ased )   ap p r o ac h es  to   o v er co m t h e   li m ita tio n   o f   ea c h   o th er   an d   p r o v id o p ti m al  n u m b er   o f   cl u s t er s   in   n et w o r k   a n d   b alan ce d   t h lo ad   a m o n g   C Hs   alo n g   w ith   m u lt i - p at h   r o u ti n g .   O u r   p r o p o s ed   alg o r ith m   u s e s   g e n etic  a lg o r it h m   f o r   s elec tio n   o f   o p ti m a l   n u m b er   o f   cl u s ter   h ea d s   w h ic h   u s e s   f u zz y   lo g ic   b ased   i n f e r en ce   s y s te m   to   e v alu a te  t h f it n es s   f u n ctio n   o f   s en s o r   n o d es,  an d   b alan cin g   t h tr af f ic  lo ad   b et w ee n   cl u s ter   h ea d s   d o n th r o u g h   A* ( A - s tar )   alg o r ith m .         3.   SYST E M   AND  E NE R G M O DE L   W co n s id er   th at  all  t h s e n s o r s   n o d es  ar h o m o g en o u s   in   ter m s   o f   s en s i n g ,   co m p u t atio n   an d   tr an s m is s io n s   ca p ab ilit y ,   t h e y   all  h a v eq u al  i n itia en er g y   an d   u n iq u id e n ti f icatio n   n u m b er   ( I D) .   Se n s o r s   n o d es  ad j u s th eir   r ad io   p o w e r   to   tr an s m it  d ata.   T o   tr an s m i m - b it   o f   m e s s a g b y   a n y   s e n s o r   n o d [ 5 - 6 ]   i n   eith er   f r ee   s p ac (       p o w er   lo s s )   o r   m u ltip ath   (       p o w er   lo s s )   m o d el  d is s ip ates  en er g y               r ad io   el ec tr o n ics   an d          is   f r ee   s p ac a m p li f ier   e n er g y   o r          is   m u ltip at h   f ad i n g   a m p li f ier   en er g y   o v er   d is ta n c d   r eq u ir ed   E n er g y        (       )   is   t h s u m m atio n   o f   b o th   elec tr o n ic                   an d   am p li f y i n g   en er g y                as   f o llo w .          (       )                                   {                                                                                                     ( 1 )     Fo r   n o d to   r ec eiv m es s a g o f   m - b it d is s ip ates e n er g y        (   )   in   r ad io   elec tr o n ics as,          (   )                    (   )                     ( 2 )     W h er ea s         is   r ef er en ce   d is ta n ce                       to   u s d if f er en tiate  b etw ee n   f r ee   s p ac m o d el  an d   m u ltip ath   m o d el.               is   th r eq u ir ed   u n it  elec tr o n ic  en er g y   to   p r o ce s s   o n b it  o f   m e s s a g e,   w h ic h   d ep en d s   u p o n   s e v er al  f ac to r s   s u c h   as  m o d u latio n ,   d ig ital c o d in g ,   s i g n al,   ac ce p tab le  b it - r ate  etc.     I f   th er ar n o d es  an d   C   clu s ter s   a n d   ea ch   clu s ter   h av o n   av er ag N/ C   n o d es  p er   clu s ter s   ( o n e   clu s ter   h ea d   an d   r e m ai n i n g   ( ( N/C ) - 1 )   ar m e m b er   n o d es).   T h ex p ec ted   co n s u m ed   en er g y   o f   cl u s ter   h ea d                         [ 4 ]   is   th s u m   o f   co n s u m ed   en er g y   i n   r ec eiv i n g   p ac k et  f r o m   it s   m e m b er   n o d es  an d   ag g r eg ati n g   th e m   i n to   s i n g le  p ac k et   f i x ed   s ize  r eq u ir e n er g y          an d   tr an s f er r in g   to   b ase  s tatio n   d ir ec tl y   (               p o w er   lo s s )   o r   to   an o th er   clu s ter   h ea d   ( m u lti - h o p   r o u tin g )   r eq u ir (             )   m u l t ip ath   p o w er   lo s s                         (       )               ,      (       )       (      (   )         ) -                       (       )   {               (                                                                      )                                       (                                                                    )                         ( 3 )     W ass u m t h at  all  t h s e n s o r   n o d es  r ec eiv an d   tr a n s m it  s a m s ize  o f   d ata  p ac k et  m - b it .   Nu m b er   o f   f r a m e                 tr an s m itted   b y   cl u s ter   h ea d   in   o n r o u n d   ( ti m d u r at io n   o f   n o d ac t a s   C H)   ca lcu la ted   as.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       G en etic - f u z z b a s ed   lo a d   b a la n ce d   p r o to c o l fo r   W S N s   ( P a n ka j Ku ma r   K a s h ya p )   1171                                                  ( 4 )     W h er e         .         /   is   th n u m b er   o f   m e m b er   n o d e,           is   th t i m p er io d   ( s tead y - s tate  p h a s e)   o f   n o d e   to   b C H,             is   s lo d u r atio n   i n   wh ich   n o d s e n d   t h eir   p ac k et  i n to   f r a m a n d               is   ti m ta k en   b y   C to   tr an s f er   th e   p ac k et  to   b ase  s tat io n .   No w ,   e x p ec ted   r esid u al   e n er g y   o f   c lu s ter   h ea d                      (       )   af ter   s t ea d y   s tate  p h a s i s   d i f f er en ce   b et wee n   r esid u al  e n er g y   o f   n o d ( d ef in ed   a s   r esid u al  e n er g y   o f   n o d b ef o r clu s te r   h ea d   s elec tio n )   a n d   ex p ec ted   co n s u m ed   en er g y   o f   n o d g i v e n   b y   E q u atio n   ( 5 ) .                        (       )             (       )                       (       )   ( 5 )     On   t h co n tr ar y ,   e x p ec ted   co n s u m ed   e n er g y   o f   n o n - clu s t er   h ea d   n o d is   d ep en d   u p o n   n u m b er   o f   f r a m e   tr an s m itted   i n   o n e   r o u n d .   As  m e m b er   n o d o f   cl u s ter s   ar clo s to   its   cl u s ter   h ea d   s o   i f o llo w   f r ee   s p ac p at h   m o d el  (                                 ).                        (       )                   (      (       ) )                 (                                    )   ( 6 )     E x p ec ted   R esid u a l E n er g y   o f   n o n - cl u s ter   h ea d   is                        (       )                                    (       )   ( 7 )       4.   G E NE T I F U Z Z Y   L O G I B ASE E NE R G Y - E F F I CI E NT   L O AD  B A L ANC E C L UST E RI NG   AL G O RI T H M   ( G F E L C)   GFEL C   w o r k s   i n   th r ee   p h a s e s .   Set - u p   p h a s p r o v id s elec tio n   o f   o p ti m al  n u m b er   o f   cl u s ter   h ea d   b ased   o n   Ge n etic  f u zz y   lo g ic   in f er en ce   s y s te m .   C l u s ter   b i n d in g   p h a s r elate   to   ca lc u lat io n   o f   clu s ter   ar ea   d o n b y   C H.   T h s en s o r   n o d es in s id t h ar ea   o cc u p ied   b y   cl u s ter   h ea d   s en d   t h eir   d ata  d ir ec tl y   to   clu s ter   h ea d   an d   clu s ter   h ea d   in te g r ate  s e v er al  p ac k ets  in to   s i n g le  p ac k et   o f   f i x ed   s ize  u s in g   d ata  ag g r eg atio n .   I n   R o u ti n g   p h ase,   C f o r w ar d   th ag g r e g ated   p ac k et  to   b ase  s tatio n   t h r o u g h   m u l ti - h o p   in ter   clu s te r   r o u tin g   b ased   o n   A*   a lg o r it h m   w h ic h   m i n i m ize s   th h o p   co u n t,  b alan ce   th tr af f ic  lo ad   o n   C in   ter m s   o f   l i m it  t h n u m b er   o f   th p ac k et  tr a n s m is s io n .   T h b lo ck   d iag r a m   a n d   f lo w   c h ar t o f   alg o r it h m   is   s h o w n   in   F ig u r e   1 .       S t a r t B a s e   s t a t i o n   b r o a d c a s t   B e a c o n   m e s s a g e S e l e c t s   C H   u s i n g   F u z z y   G e n e t i c   I n f e r e n c e   S y s t e m   B S   b r o a d c a s t   t h e   I D s   a n d   p o s i t i o n   o f   c l u s t e r   h e a d   C H   b r o a d c a s t   j o i n   m e s s a g e     C H   r e c e i v e d   d a t a   f r o m   M e m b e r   N o d e s   a n d   a p p l y   d a t a   A g g r e g a t i o n C H   c l o s e   t o   b a s e   S t a t i o n   ? C H   u s e s   A *   a l g o r i t h m   b a s e d   M u l t i - h o p   r o u t i n g   A l l   n o d e s   a r e   d e a d   ? E n d E a c h   C H   c r e a t e s   T D M A   s c h e d u l e   t o   a c c e p t   d a t a   f r o m   i t s   m e m b e r   n o d e s E a c h   N o d e   u p d a t e   i t s   r e s i d u a l   e n e r g y S e n d   D a t a   t o   B a s e   S t a t i o n c r e a t e   t h e   c h r o m o s o m e   t o   i n i t i a l i z e   t h e   p o p u l a t i o n   a n d   s e t   g e n e r a t i o n = 0     C o m p u t e   t h e   f i t n e s s   f u n c t i o n   u s i n g   F L I S A d d   t h e m   i n t o   p o p u l a t i o n   ( g e n e r a t i o n = g e n e r a t i o n + 1 ) P e r f o r m     R o u l t e e - w h e e l   s e l e c t i o n P e r f o r m   s i n g l e - p o i n t   c r o s s o v e r P e r f o r m   M u t a t i o n   O f f s p r i n g s   m e e t   t h e   t e r m i n a t i o n   c o n d i t i o n   ?   B S   g i v e s   t h e   o p t i m a l   n u m b e r   o f   c l u s t e r   h e a d s G e n e t i c   P h a s e   t o   c a l c u l a t e   t h e   o p t i m a l   n u m b e r   o f   c l u s t e r   h e a d s N O Y E S Y E S N O Y E S N O N o d e s   j o i n   t h e   c l u s t e r   h e a d M a x i m u m   n u m b e r   o f   G e n e r a t i o n , a l i v e   n o d e s , p o p u l a t i o n   s i z e   p s G e n e t i c   E n g i n e A p p l i c a t i o n   P r o b l e m F u z z y   I n f e r e n c e   E n g i n e G A   O p e r a t o r S e l e c t i o n   c r o s s o v e r   m u t a t i o n F i t n e s s   I f - t h e n   r u l e s B l o c k   d i a g r a m     Fig u r e   1 .   Flo w   c h ar t a n d   b lo ck   d iag r a m   o f   GFE L C   alg o r it h m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 A p r il 2 0 1 9   :   1 1 6 8   -   1 1 8 3   1172   4 . 1 .     Set - up   p ha s e   I n   th is   p h a s in it iall y   b ase  s ta tio n   b r o ad ca s b ea co n   m es s ag f o r   co llectin g   th in f o r m a tio n   ab o u t   n o d es  s u c h   as  I Ds,  d is tan ce   to   b ase  s tatio n ,   n o d d en s it y ,   ex p ec ted   r esid u al  en er g y   a n d   r esid u al  en er g y .   T h s en s o r   n o d es  a f ter   li s te n i n g   b ea co n   m e s s a g t h e y   ca lc u late  d is tan ce   to   b ase  ( lo ca ti o n )   s tatio n   th r o u g h   R ec eiv ed   Si g n al  Stre n g t h   I n d i ca to r   ( R SS I ) .   T h r ec eiv ed   p o w er         ( in   d B m )   is   d e f in ed   as b y   [ 3 1 ] .                                   .         /         ( 8 )     W h er       ( in   d B m )   is   t h r ec eiv ed   p o w er   at  r ef er en ce   d i s ta n ce         an d       ( 2   4 )   is   th p ath   lo s s   ex p o n e n t .   is   th Gau s s ia n   r an d o m   v ar iab le  r ep r esen m ed i u m - s ca le  ch an n el  f ad in g   w ith   ze r o   m ea n   an d   v ar ian ce   σ 2   ( i n   d B m ,   4 σ 1 2 ) .   T h m ea s u r ed   d is tan ce         f r o m   b ase  s tatio n   is   ca lcu lated   as;                                             ( 9 )     W h er A   i s   th r ec ei v ed   s ig n a l stre n g th   m eter   i n   o n m eter   d is tan ce   f r o m   b ase  s tatio n   w i th   n o   o b s tacle .       4 . 1 . 1 .   Chro m o s o m re pre s en t a t io n a nd   ini t ia l po pu la t io n   T h b ase  s tat io n   cr ea te s   a   ch r o m o s o m e s   ( h a v i n g   eq u a le n g th )   as   s tr i n g   o f   s e n s o r s   n o d es  h av i n g   r esid u al  e n er g y   g r ea ter   t h an   o r   eq u al  to   a v er ag e n er g y   o f   al liv e   n o d es.  T h is   en s u r es  t h at  o p tim a n u m b er   o f   clu s ter   h ea d s   is   s elec ted   b y   b ase  s tatio n   to   r ed u ce   th en er g y   co n s u m p tio n   th r o u g h   r estr ict  th n u m b er   o f   m es s ag e x c h an g al s o   it‟s  r ed u ce   th le n g th   o f   ch r o m o s o m t h at  m ak e s   f a s ter   co n v er g en ce   r ate  o f   GFE L C   T h ch r o m o s o m r ese m b les to   b in ar y   s tr i n g   o f   1   o r   0 ,   w h er 1   r ep r esen t th s e n s o r   n o d as  clu s ter   h ea d   an d   0   r ep r esen t th o r d in ar y   n o d s h o w n   in   F ig u r 2 .       S e n s o r   S e t   ( S L i v e ) C l u s t e r   h e a d s   G e n e s S 1   S 2   S 3     S 4     S 5     S 6     S 7     S 8     S 9     S 1 0     S 1 1   0         1           0       0       1           0           1         0         0           0             1                 Fig u r 2 .   B in ar y   r ep r esen tatio n   o f   cl u s ter   h ea d s   c h r o m o s o m e       4 . 1 . 2 .   F it nes s   f un ct io n   T h f itn es s   f u n c tio n   f o r   clu s te r   h ea d   ch r o m o s o m is   d ef i n ed   as  f u n ctio n   o f   a v er ag r esid u al  en er g y   lev el  (        ) ,   av er ag n o d e   d en s it y   (       ) ,   av er ag d is ta n ce   to   b ase  s tatio n   o f   n o d (         )   an d   av er ag ex p ec ted   r esid u al  en er g y   (          )   o f   ch r o m o s o m e.                      (      )                       (     )                 (       )                                        (       )               ( 1 0 )     W h er is   th n u m b er   o f   cl u s ter   h ea d s   in   c h r o m o s o m e.          I s   t h r esid u al  e n er g y ,         is   th d en s it y   o f   n o d e,          is   th d is tan ce   to   b ase  s ta tio n   an d           is   th ex p ec ted   r esid u al  en er g y   o f   cl u s ter   h e ad   in   th e   ch r o m o s o m e.   T h f i tn e s s   f u n c tio n   is   as  f o llo w :                   ,   w h er e       ϵ *                                     +     ( 1 1 )     W h er       is   th w ei g h o f   f itn ess   f u n ctio n   a n d   u p d ated   ac co r d in g   to   th f o r m u la                            . w h er                         w it h         an d           ar f it n es s   v al u f o r   th c u r r en t   an d   p r ev io u s   g e n er atio n   c h r o m o s o m a n d   th co ef f icie n       is   ca lcu lated   b y   f o r m u la          (               )   w h ich   i m p r o v th f u r th er   w ei g h v al u f o r   cu r r en t   ch r o m o s o m e.   I n i tiall y   w e ig h v alu i s   ch o s e n   ac co r d in g   to   th s i m u la tio n .   W h er f u n ctio n         is   ev alu ated   b y   f u zz y   lo g ic  in f er en ce   s y s te m . s o   b asicall y   f i tn e s s   o f   c h r o m o s o m d e f i n ed   as:                (                    )   *          (                ) + .   ( 1 2 )     4 . 1 . 3 .   F uzzy   lo g ic  infe re nce  s y s t e m   ( F L I S)   T h in p u f o r   F L I f o r   s e lecti o n   o f   c h r o m o s o m d ep en d s   o n   f o u r   d i f f er e n m etr ics a v er ag r esid u al   en er g y   le v el  (        )= {lo w ( L ) ,   m ed i u m ( M) ,   h i g h ( H) },   a v er ag n o d d en s it y   (       )= {sp ar s e( S),   ab u n d an t( A ) ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       G en etic - f u z z b a s ed   lo a d   b a la n ce d   p r o to c o l fo r   W S N s   ( P a n ka j Ku ma r   K a s h ya p )   1173   d en s e( D) },   av er ag e   d is ta n ce   to   b ase  s tatio n   o f   n o d (         )= {c lo s e( C ) ,   n ea r ( N) ,   r e m o te( R ) }   an d   av er a g ex p ec ted   r esid u al  en er g y   (          )= {o f ten ( O) ,   v alid ( V) ,   ex tr e m e( E ) o f   ch r o m o s o m e.   T r ap ez o id al  an d   tr ian g u lar   m e m b er   s h ip   f u n c tio n   is   u s ed   f o r   lin g u i s tic  v a r iab les  s h o w n   in   F ig u r 3 .   T h ch an ce   o f   t h e   ch o o s in g   ch r o m o s o m g iv e s   o p ti m al  n u m b er   o f   cl u s t er   h ea d             d iv id ed   in to   s ev en   lin g u is tic  v ar iab les= {p o o r   ( P),   tin y   ( T ) ,   f air   ( F),   g o o d   ( G) ,   w el ( W ) ,   b est  ( B ) ,   s u p er b ( S)}   s h o w n   in   F i g u r 4 .   E ac h   p ar am eter s   d iv id in to   th r ee   le v els,  s o   it r eq u ir 3 4   =8 1   k n o wled g b ase  r u le  s h o w n   i n   T ab l 1.             ( a)     ( b )         ( c)     ( d )       Fig u r e   3 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   o f   ( a)            ,   ( b )           , ( c)           ,   ( d )                      Fig u r 4 .   Me m b er s h ip   f u n ctio n   o f   C h a n ce   (         )       T h t w o   ex tr e m ca s es  ar e,   i f   r esid u al  e n er g y   o f   c h r o m o s o m is   h ig h ,   n o d d en s it y   i s   d en s i n   n atu r e,   b ase  s tatio n   i s   clo s to   n o d an d   ex p ec ted   r esid u al  en er g y   i s   ex tr e m th e n   ch r o m o s o m h av s u p er b   ch an ce   to   g i v o p ti m al  n u m b er   o f   clu s ter   h ea d   an d   s ec o n d   o n is ,   if   r es id u al  e n er g y   o f   n o d is   lo w ,   it  is   s p ar s i n   n at u r e,   d is ta n ce   to   b ase  s tatio n   i s   r e m o te  a n d   e x p ec ted   r esid u al  e n er g y   is   o f te n   t h e n   t h er i s   p o o r   ch an ce   o f   ch r o m o s o m to   b s elec ted   b y   b ase  s ta tio n   to   p r o d u ce   o p ti m al  n u m b er   o f   clu s ter   h ea d .             0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 Resi du al   En ergy Degree o f membersh ip Low M edium H igh 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 Degree o f membersh ip Spars e Adundant D ens e Node Den si ty 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 Di stan ce to B S Degree o f membersh ip N ear C los e R em ot e 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 Degree o f membersh ip Of t en Valid Ex t rem e     Ex pected  Resi du al  En ergy 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 Pro b a b l i t y (C h a n ce ) D e g re e   o f   me mb e rsh i p P o o r T i n y F a i r G o o d W e l l B e s t Su p e rb Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 A p r il 2 0 1 9   :   1 1 6 8   -   1 1 8 3   1174   T ab le  1 .   Fu zz y   L o g ic  I f - T h en   R u le s   S L   N o .   1   2   3   4   5   6   .   .   .   .   .   76   77   78   79   80   81             L   L   L   L   L   L   .   .   .   .   .   H   H   H   H   H   H           S   S   S   S   S   S   .   .   .   .   .   D   D   D   D   D   D           C   C   C   N   N   N   .   .   .   .   .   N   N   N   R   R   R              O   V   E   O   V   E   .   .   .   .   .   O   V   E   O   V   E            T   F   F   P   T   T   .   .   .   .   .   G   W   B   G   G   W       T h f u zz y   lo g ic  i n f e r e n ce   s y s t e m   w o r k s   i n to   f o u r   s tep s   as  f o llo w s :   a.   C r is p   v al u i n p u a n d   f u zz if icatio n -   f u zz i f ier   d ec id es  th v al u o f   i n p u t s   b ased   u p o n   tr ian g u lar   m e m b er s h ip   f u n ct io n   w h ic h   is   t h i n ter s ec tio n   p o in t   an d   cr ea tes  f u zz y   s e ts   o r   s i m p l y   it  co n v er ts   t h e   n u m er ical  v al u in to   g r ap h   m e m b er s h ip   f u n ctio n .   b.   Fu zz y   R u le   B ase - I co n s i s ts   o f   s er ie s   o f   8 1   I F - T HE r u le s   w h ic h   r u n s   p ar allel  o n   f u zz y   s ets  i n p u t s   i n   a n y   o r d er .   A s   I F - T HE h a v m u lt ip les  in p u ts ,   s o   m i n i m u m   s ele ctio n   f u zz y   A ND  o p er ato r   is   a p p lied   to   s elec m i n i m u m   of   f o u r   m e m b er s h ip   v alu to   g e t o n s i n g le  v al u t o   o u tp u t set.   c.   Ag g r eg atio n   o f   all  o u tp u v al u e -   T o   ag g r eg ate  m u lt ip le  o u tp u v al u s in g le  f u zz y   s ets  u s ed   f u zz y   u n io n   o p er ato r   OR ,   w h ic h   s elec t s   m ax i m u m   o f   o u r   f u zz y   r u le  b ase   o u tp u t to   cr ea te  f u zz y   o u tp u s et.     d.   Def u zz if icato n - Select io n   o f   c h r o m o s o m d ep en d s   o n   s in g le   cr is p   v alu e   n o t   as   co llectio n   o f   v alu e   ( o u tp u t   f u zz y   s et  co n s i s t o f   li n g u i s tic  v ar iab le) ,   s o   w ap p l y   ce n tr o id   d ef u zz if icatio n   m et h o d   g iv e n   as:                          (   )            (   )        ( 1 3 )       W h er     (   )   d ef i n d eg r ee   o f   m e m b er s h ip   f u n ctio n   o f   o b j ec y   i n   f u zz y   s et       ,   w h ic h   i s   d ef i n ed   as  i n   ter m s   o f   o r d er ed   p air s :     * (         (   ) )               +   ,   w h er is   th u n i v er s o f   d is co u r s e.     4 . 1 . 4 .   Select io n   I is   u s ed   to   d eter m in p r o b ab ilit y   o f   ch r o m o s o m in   p r o p o r t io n   w i th   f itn e s s   v alu e,   h ig h er   th f it n es s   v alu h i g h er   is   t h ch a n ce   o f   s elec tio n .   A ll  t h ch r o m o s o m es  o f   th p o p u latio n   o b tain   s eg m e n o n   v ir t u al  R o u lette - w h ee b as ed   o n   t h eir   f it n es s   v al u e,   h i g h er   th e   f itn e s s   v al u b ig g er   s ize   o f   s eg m e n allo tted   to   t h e m ,   af ter   th e n   w h ee is   s p in n ed .   T h ch r o m o s o m co r r esp o n d in g   to   s e g m e n o n   w h ic h   v ir t u al  R o u lette - w h ee l   s to p s ,   s elec ted   f o r   cr o s s o v er   o p er atio n .   T h av er ag f it n es s   v a lu o f   t h p o p u latio n             f o r         g en er atio n   i s   d ef i n ed   as f o llo w :                                                        ,   w h er p   is             an d   k   is                         ( 1 4 )       Hen ce ,   th p r o b ab ilit y   o f   s e lec tin g   th e           s tr in g           (                                 )                                              ,   w h er     is   th f it n es s   v al u o f   s tr in g   k   ( 1 5 )       4 . 1 . 5 .   Cro s s o v er   I n   o u r   p r o p o s ed   alg o r ith m   s in g le - p o in cr o s s o v er   o r   u n i f o r m   cr o s s o v er   ( w it h   s w ap p in g   p r o b a b ilit y   0 . 7 )   is   u s ed .   P o in t   i s   ch o s en   r an d o m l y   b ased   u p o n   cr o s s o v e r   r ate  af ter   w h ich   p ar en c h r o m o s o m e   ex c h a n g e d   th eir   p atter n   s h o w n   i n   F i g u r 5 .       1 1 1 0 0 1 0   1 0 0 1 P a r e n t   A P a r e n t   B C r o s s o v e r   p o i n t O f f s p r i n g   A O f f s p r i n g   B 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0   1 1 0 1     Fig u r 5 .   Sin g le  p o in t c r o s s o v er     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       G en etic - f u z z b a s ed   lo a d   b a la n ce d   p r o to c o l fo r   W S N s   ( P a n ka j Ku ma r   K a s h ya p )   1175   4 . 1 . 6 .   M uta t i o n   T h p r o ce s s   en ab les  th s ea r ch   f o r   o p ti m al  g e n to   co n v er o r d in ar y   n o d ( b it  0 )   i n to   cl u s ter   h ea d   ( b it  1 )   a n d   clu s ter   h ea d   ( b it  1 )   i n to   o r d in ar y   n o d ( b it  0 )   s h o w n   in   F i g u r 6.   T h o p p o s ite  ca s p r ev e n t   f r o m   ab n o r m al  i n cr ea s es  i n   t h n u m b er   o f   clu s ter   h ea d s   i n   th n et w o r k   w h ich   f u l f ill  o u r   p r i m ar y   g o al  to   s elec tio n   o f   o p ti m al  n u m b er   o f   cl u s ter   h ea d s .   Af ter   d o i n g   cr o s s o v er   a n d   m u ta tio n ,   t h e   p o s itio n   o f   cl u s ter   h ea d s   m a y   b s h if ted .         1 0 1 1 0 0 1 0               0 1 O f f s p r i n g   A M u t a t e d   o f f s p r i n g   A O f f s p r i n g   B 1 1 0 1 1 0 0 1 0               0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1               1 0 0 0 1 1 0 0 1 1               1 0 1 1 N o n - M u t a t e d   o f f s p r i n g   B     Fig u r 6 .   Mu tatio n   i n   o f f s p r i n g       4 . 1 . 7 .   T er m i na t io n c o nd it io n   I n   th is   s tep   in itiall y   b ase  s tatio n   ch ec k   th n u m b er   o f   g e n er at io n   in   th p o p u latio n   a n d   if   th n u m b er   o f   g en er atio n   i s   m o r t h a n   m a x i m u m   g e n er atio n   o r   f it n es s   v a lu o f   t h o f f s p r i n g   is   u n i f o r m   o r   co n v er g ed   f o r   ce r tain   g en er atio n   t h en   g e n eti alg o r ith m   ter m i n ated   a n d   b ase  s tatio n   r ele ase  th n u m b e r   o f   o p ti m al  cl u s ter   h ea d s   an d   t h eir   p o s itio n   b ased   o n   h i g h e s t f i tn e s s   v alu c h r o m o s o m e.       4 . 2 .     Ste a dy   s t a t ph a s e/ clus t er   bin di ng   ph a s e   I n   th i s   p h ase,   ea ch   C Hs  b r o ad ca s j o in   m e s s a g in   t h n et wo r k   w it h   b y   u s i n g   C DM A   m a p r o to c o to   r ed u ce   i n ter - cl u s ter   in ter f e r en ce .   E ac h   n o d b elo n g   to   o n l y   o n C H,   t h n o d d o es  n o r ec eiv a n y   j o in   m es s ag d ec lar its el f   as  C an d   s en d   d ata  d ir ec tly   to   B S.   T h av er ag r ad iu s   [ 1 6 ]   o f   cl u s ter   is   ev al u ated   a s   f o llo w :                                       ( 1 6 )     T h er am o n g ,   w ir eles s   s e n s o r   ar ea   o f   d ep lo y ed   n o d es  i s   r ep r esen ted   b y   K * K,   n   is   t h to tal  n u m b er   o f   n o d es  an d   n * i s   th n u m b er   o f   clu s ter   ( c)   f o r m ed .   Gen er all y   cl u s ter s   h av lar g er   r ad iu s   th a n           .   C lu s ter   h ea d s   cr ea tes  T DM A   s ch ed u le  to   av o id   in tr a - cl u s ter   co lli s io n .   T h is   T DM A   s c h ed u le  is   b r o ad c ast  b y   ea c h   cl u s ter   h ea d s ,   ac co r d in g   to   w h ic h   m e m b er   n o d es  t u r n   o n   ( w a k eu p   m o d e)   o r   o f f   ( s leep   m o d e)   th e ir   r ad io .   T h m e m b er   n o d es  s e n d   t h ei r   d ata  d ir ec tl y   to   cl u s te r   h ea d   in to   allo ca ted   t i m e   s lo o n l y   in   w ak u p   m o d e.   T h clu s ter   h ea d s   g ath er s   d a ta  f r o m   it s   m e m b er   n o d es  a cc o r d in g   to   T DM A   s ch ed u le   an d   ap p lies   d ata  ag g r e g atio n   f u n ct io n   to   co m p r ess   t h d ata  in to   s i n g le  p ac k et  o f   f i x ed   s ize.     4 . 3 .     I nte r - clus t er   ro uting   ph a s e   I f   clu s ter   h ea d   d is ta n ce   to   b a s s tatio n   is   les s   th a n   th r es h o ld   d is tan ce            ,   it  tr an s m it s   its   d ata  d ir ec tl y   to   b ase  s tatio n   o th er w i s cl u s ter   h ea d   s elec r ela y   n o d ( m u l ti  h o p   r o u ti n g )   f r o m   it s   ca n d id ate  s et .   T h ca n d id ate  s et           o f   clu s ter   h ea d          is   th s et  o f   n e x f o r w ar d in g   n e ig h b o r in g   n o d ( C H)   in   t h e   tr an s m is s io n   r a n g d ef in a s   f o llo w ;                {      |   (             )                         (           )       (           ) }     ( 1 7 )     W h er ea s ,     (             )   d is tan ce   b et w ee n   clu s ter   h ea d ,     (           )   d is tan ce   b etw ee n   clu s ter   h ea d   to   b ase  s tatio n   an d       is   th m in i m u m   i n teg er   t h at                h as  at  least  o n n o d in   th s et  to   f o r w ar d   th d ata,   if   th e   v alu e   o f       is   0   t h at  m ea n s   ca n d id ate  s et  h a v n u l v a lu e   an d          s en d   it s   p ac k et  d ir ec tl y   t o   b ase  s tatio n .   A t   th e   s tar o f   p r o ce s s   ea c h   C b r o ad ca s m es s ag e   ( clu s te r   I Ds,  R es id u al  E n er g y ,   T r af f i lo ad   an d   d is tan c e   to   b ase  s tatio n ) .   I n itiall y   all  cl u s ter   h ea d s   h av o n l y   o n p ac k et  to   tr an s m it to   B S b u t   w h e n   it a ct  as r ela y   n o d f o r   o th er   C H s ,   th e y   d o   n o a g g r eg ate  t h o t h er   in co m i n g   p a ck et  w it h   o w n   p ac k et  i n to   s i n g le  p ac k et  b ec a u s e   o f   d ata  co r r elatio n   b et w ee n   s e n s ed   d ata  b y   d if f er en cl u s ter s   ar c o m p ar ati v el y   lo w .   T h u s   th p ac k et  lo ad   o n   r ela y   n o d is   in cr ea s es  k n o w n   as T r af f ic  lo ad .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            I SS N :   2088 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   2 A p r il 2 0 1 9   :   1 1 6 8   -   1 1 8 3   1176   A l g o r i t h m   1 .   I n t e r - c l u st e r   r o u t i n g   ( A (A - st a r )   A l g o r i t h m)   1.   B e g i n   2.   I n p u t :   G r a p h     (       ) ,   S o u r c e   n o d e        ,   O P EN   l i st   ( p r i o r i t y   q u e u e )   say   O L   a n d   C L O S l i st   say   C L   a n d   p r e d e c e sso r   o f   n o d e   V   i n   se t   P.   3.   S e t   P          =   N I L   / /   so u r c e   n o d e   h a n o   p r e d e c e sso r .     4.   S e t   O L   =       a n d   C L   =       5.   EN Q U EU ( O L   ,            w i t h     (      )   a t t a c h e d )     6.   Wh i l e   ( OL     )   //  F i n d   t h e   n o d e   w i t h   max i mu m     (      )   i n   t h e   O L ,   sa y   i t   U .   7.   U   =   D EQ U EU ( O L )   8.     A d d   ( C L ,   U )   a n d   e x p l o r e   c a n d i d a t e   s e t         w i t h     (      )   a t t a c h e d   t o   e a c h   n o d e .   9.   Fo r   e a c h   V       G.        [ Q ]   1 0 .     P . V   =   Q     1 1 .     I f   ( U   =   d e st i n a t i o n   n o d e )   1 2 .     T h e n   se a r c h   i s o v e r ,   e x i t s.   1 3 .     El s e   1 4 .     EN Q U EU ( O L   ,       w i t h     (     )   a t t a c h e d )   1 5 .     R EL A X   ( U ,   V ,     (      ) , C L , O L )   1 6 .     G o   t o   S t e p   6   1 7 .   O u t p u t   t h e   n o d e s fr o m c l o se   l i st   C L   a s sh o r t e st   p a t h   f r o m so u r c e   t o   d e st i n a t i o n .   1 8 .   EN D .       A l g o r i t h m   2 .   R EL A X   ( U ,   V ,     (      )   1.   B e g i n   2.   I f   V   =   P . U   / /   Ex p l o r e   n o d e   i p r e d e c e sso r   o f   c u r r e n t   n o d e   3.   I f   V   =   P . U   / /   Ex p l o r e   n o d e   i p r e d e c e sso r   o f   c u r r e n t   n o d e   4.   El se   I f         (     )         (     )   +   d   ( U ,   V )       / /   c h o o se   t h e   sh o r t - p a t h   b a se d   o n     (     )   5.   T h e n         (     )         (     )   +   d   ( U ,   V )   6.     V . P   =   U     4 . 3 . 1 .   I nte r - clus t er   ro uting   us ing   A *   (A - Sta r)   a lg o rit hm   A - s tar   s ea r ch   al g o r ith m   ( tr ee - s tr u ct u r r o u te)   is   u s ed   to   f i n d   an   o p ti m al   r o u te  f r o m   C to   B ap p lies   o n   ea ch   clu s ter   h ea d s .   N o w   C H s   in   n et w o r k   is   m o d eled   as  d ir ec ted   g r ap h     (       ) .   W h er e   (                                            )   is   th e   s et  o f   cl u s ter   h ea d s   an d       (           )   is   t h s et  o f   lin k s   b et w ee n   cl u s ter   h ea d s . T h f u n ctio n   f o r   r ela y   ( t r ee )   n o d s elec tio n   is   as  f o llo w s ;         (         )                                      (          )     (           )         (                                              (              ) )     ( 1 8 )       W h er α (           ) ,   β (           ) ,   γ (           )   is   en er g y ,   tr a f f i lo ad   an d   h o p   c o u n co ef f icie n t   r esp ec tiv el y .   I f   th e   v al u o f   α   is   0   t h at  m ea n s   n o d h a v v e r y   les s   r esid u al  e n er g y   clo s t o   d ea d   n o d e,   b u in   GE FLC  s elec tio n   o f   C b a s e d   u p o n   t h cr iter ia  t h at  r e s id u al  en er g y   is   m o r t h an   av er a g en er g y   o f   all   li v n o d es,  th u s   d ea d   n o d n ev er   s elec ted   f o r   C H,   o th er w is t h n o d h av v er y   h i g h   r esid u al  e n er g y   th e n   v alu o f   α   i s   1 .   A s   ev er y   C H   h a v e   at  lea s o n p ac k e to   tr a n s m it   to   B s o   v alu e   o f   β   n e v er   to u c h es   to   ze r o     ( i.e .   β       )   o th er w is i f   th tr af f ic  lo ad   o n   th n o d is   v er y   h i g h   ( i.e .   5 )   th en   v al u o f       is   1 .   W h er ea s   v al u e   o f   γ   is   0   r e f er   th at  n o d eith er   is o lated   n o d o r   v er y   clo s to   B th at  s en d   p ac k et  d ir ec tl y   to   B o th er w i s if   th v al u o f   γ   is   1   in d icate s   th at  n o d r ea ch es  to   m ax i m u m   h o p   co u n v al u ( i.e .   5 ) .   T h C h a v i n g   m o r e   r esid u al  e n er g y ,   les s   tr af f ic  l o ad   an d   m in i m u m   d is ta n ce   t o   b ase  s tatio n   s elec ted   as  r el a y   n o d f r o m   t h eir   n eig h b o r in g   s et  o r   ca n d id ate  s et.   A s   r es u lt  n o d h av i n g   lar g est  v al u o f     (         )   is   s elec ted   as r ela y   n o d e.     As  A *   (A - s tar )   alg o r it h m s   r u n s   b y   ea ch   C i n   t h n e t w o r k   c r ea tes tr ee - s tr u ct u r r o u te  f r o m   s o u r ce   to   b as s tatio n .   An   ex a m p le   is   s h o w n   i n   F ig u r e   7   w h er clu s t er   h ea d         r u n s   A - s tar   alg o r it h m   to   f i n d   o p ti m al   r o u te  f o r   tr an s f er   o f   d ata  to   b ase  s tatio n .   I n s id th e   clu s te r   h ea d   r ep r esen t h r es id u al  en er g y   a n d   o u ts id e   r ef er   to   tr af f ic  lo ad   o r   p ac k et  in s id th b u f f er .   So u r ce   n o d       C r ea tes  r o u te  (                            )   w it h   m ax i m u m   r es id u al  e n er g y   9 ,   m i n i m u m   tr a f f ic  lo ad   ( p ac k et  6 )   an d   m i n i m u m   h o p   co u n 3   f o r   tr an s f er   o f   d ata   to   b ase  s tatio n .   Ot h er   r o u tes  (                              )   h av r esid u al  e n er g y   9   b u tr af f ic  lo ad   is   1 1   also   h o p   co u n is   in cr ea s es  u p   to   4 .   T h R o u te  (                              )   h av in g   r esid u al  en er g y   8   less   th a n   o p ti m al   p ath   w h er ea s   tr a f f ic  lo ad   an d   h o p   co u n is   1 0   an d   3   r esp e ctiv el y ,   w h ic h   is   n o o p ti m al  s o   th is   p at h   is   also   r ej ec ted .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       G en etic - f u z z b a s ed   lo a d   b a la n ce d   p r o to c o l fo r   W S N s   ( P a n ka j Ku ma r   K a s h ya p )   1177   3 1 1 4 2 2 1 1 2 4 1 2 4 3 3 2 2 1 V a V b V j V h V i V e V k V n V m V d 3 3 3 2 2 2 V c V f V j V g 2 3 3 B a s e   s t a t i o n       Fig u r e   7 .   Mu lti - h o p   r o u ti n g       5.   SI M UL AT I O A ND  RE SU L T   T h p er f o r m a n ce   o f   o u r   p r o p o s ed   alg o r ith m   GFE L C   e v alu a ted   w it h   t h h elp   o f   MA T L A B   s i m u lat io n   to o l.  n u m b er   o f   ex p er i m e n h a v d o n a g ai n s t   b o th   t h ap p r o ac h   Ge n etic   b ased   alg o r it h m   a n d   Fu zz y   lo g ic  b ased   al g o r ith m .   A ls o ,   s o m e x p er i m e n t   d o n to w ar d s   in ter   cl u s ter i n g   r o u ti n g   to   s h o w   h o m u c h   GFE L C   m o r e f f icie n t o   d eliv er   p ac k e o v er   n u m b er   o f   r o u n d s .   T h s i m u latio n   p ar am eter   is   s h o w n   in   T ab le   2 .         T ab le  2 .   Sim u latio n   P ar am e ter     P a r a me t e r   V a l u e   P a r a me t e r   V a l u e     N e t w o r k   si z e   1 0 0 × 1 0 0         T D M A   f r a me s p e r   r o u n d   6   N u mb e r   o f   n o d e s   1 0 0   D a t a   p a c k e t   si z e   ( m)   5 0 0   b y t e s   T r a n smissi o n   r a n g e   o f   n o d e   2 5   m   H e a d e r   si z e   2 5   b y t e s   B S   l o c a t i o n   ( 5 0 , 1 7 5 )   B a n d w i d t h   1   m b p s     I n i t i a l   e n e r g y   0 . 5   J   C o mp e t i t i o n   r a d i u s   2 5   m          1 0 p J / b i t / m 2   M u t a t i o n   r a t e   0 . 0 0 1          0 . 0 0 1 3 p J / b i t / m 2   C r o sso v e r   r a t e   0 . 7             5 0 n J / b i t   M a x i m u m   g e n e r a t i o n   2 0 0          5 n J / b i t / me ssag e           5 . 1 .     Co m pa ri s o n o f   nu m ber  o f   a liv no des   o v er   r o un ds   I n   L E A C H   all  s en s o r   n o d es  d i es  ar o u n d   8 0 0   r o u n d s   b u i n   o u r   alg o r it h m   li f eti m i n   ter m s   o f   r o u n d s   ex ten d ed   u p   to 1 0 0 0   r o u n d s   an d   also   it  d o es  n o t   d ec r ea s es  r a p id ly   a s   L E AC H,   GFE L C   is   m o r s tab le  to w ar d s   d ea th   o f   s en s o r   n o d es  an d   d ec r ea s es  li n ea r l y   u n til  la s n o d d ies.  F ig u r 8   s h o w s   t h at  GF E L C   p er f o r m   b etter   w it h   r esp ec to   C HE F,  L E AC H - E R E   ( F u zz y   lo g ic  b ased ) ,   GA E E P   ( g e n etic  al g o r ith m   b ased )   ab o u t   1 4 %,   1 0 %,  5 % r esp ec tiv el y   i n   ter m s   o f   r o u n d s   o v er   n u m b er   o f   aliv s en s o r   n o d es.             Fig u r 8 .   Net w o r k   l if et i m e       5 . 2 .     Co m pa ri s o n o f   a v er a g re s idu a l e nerg y   o f   a ll sens o no des   o v er   ro un ds     Fro m   th F i g u r 9 ,   th av er ag r esid u al  en er g y   o f   all  s e n s o r   n o d es  o f   th ap p r o ac h   GFEL C   is   m o r e   th an   L E AC H,   C HE F,  L E AC H - E R E   a n d   G A E E P .   L E A C al g o r ith m   is   p o o r est  o n h a v in g   r esid u al  en er g y   in   0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 Num ber  of  rounds Number  of  alive  nodes     LEAC H C H EF LEAC H ER E GAEEP GF ELC Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.