I n d on e s ian   Jou r n al   o f   E lec t r ica l   E n gin e e r in g  a n d   Com p u t e r   S c ience   Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 ,   pp.   60 1 ~ 61 2   I S S N:  2 502 - 4 7 52 ,   DO I :  10 . 11591/i j e e cs .v 3 7 . i 1 . pp 60 1 - 61 2             601     Jou r n al  h o m e page :  ht tp: // ij e e cs . iaes c or e . c om   E n h a n c in g e n e r gy  e f f ic i e n c y   an d  r e li ab il ity  i n  w i r e le ss s e n s or   n e t w or k s u si n g B io GAT  op t i m iz at io n       D.   K.   S h ar e e f 1 ,  Ve e r am r e d d y  Jyot h s n a 2   1 D e pa r tm e nt   of  C o mpu te r  S c ie n c e  a nd E ngi n e e r in g, S c h oo l  of   C o mput in g,    M o ha n B a bu U ni ve r s it y  ( E r s twhi le  S r e e  V id y a ni k e th a n E ngi n e e r in g C o ll e g e  ( A ut o n o m o us ) ) ,  T ir upa ti , I nd ia   2 D e pa r tm e nt   of  D a ta  S c i e n c e , S c h oo l  of  C o mput in g,    M o ha n B a bu U ni ve r s it y  ( E r s twhi le   S r e e  V id y a ni k e th a n E ngi n e e r in g C o ll e g e  ( A ut o n o m o us ) ) ,  T ir upa ti , I nd ia       Ar t ic l e   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e i ve d  M a y   3 ,   202 4   R e vi s e d  S e p   12 ,  202 4   A c c e pt e d  S e p   29 ,   202 4       T h e  Bi o G A T   m o d e l ,   as   p ro p o s e d ,   p r e s en t s   a  n o v e l   me t h o d o l o g y   f o r  e n h an ci n g   t h e   e ff i c i en cy   o f  w i r e l e s s   s e n s o r  n e t w o r k s   (W SN s ),   w h i ch   ar e  e s s e n t i a l   e l emen t s   o f  co n t em p o rar y   c o mmu n i c at i o n   a n d   s en s i n g   s y s t em s .     Fo r  r e al - t i me   mo n i t o ri n g   a n d   d at a  an al y s i s ,   W S N s   are   co m p ri s ed   o f   au t o n o mo u s   s e n s o r   n o d e s   t h at   ar e  o u t fi t t e d   w i t h   p ro ce s s i n g ,   w i r el e s s   c o mmu n i c at i o n ,   an d   s e n s i n g   c ap ab i l i t i e s .   T h e s e  n o d es   are  d e p l o y ed   i n   a  v ari e t y   o f   e n v i r o n men t s .   B y   me a n s   o f   an   a d v a n ce d   o p t i mi zat i o n   mo d el ,   t h i s   w o rk   ai m s   t o   ad d r e s s   c ri t i c a l   ch al l e n g e s   i n   W S N s ,   s p ec i fi c a l l y   i n   t h e   ar e as   o f   n o d e   p l a cemen t ,   en e rg y   e ffi ci e n cy ,   an d   n e t w o rk   r e l i ab i l i t y .   B y   u t i l i z i n g   b i o g e o g rap h y - b as ed   o p t i m i zat i o n  (BBO )  an d   g rap h   at t e n t i o n   n e t w o r k s   (G A T ) ,   t h e  Bi o G A T   m o d e l   en d e a v o rs   t o   d y n a mi c al l y   ad ap t   t o   n e t w o r k   c h a n g e s   w h i l e   a ch i e v i n g   a  b al a n ce   b e t w een   e ffi ci en t   c o v e rag e   a n d   en e rg y   c o n s u m p t i o n .   C l u s t e r   h e a d s   (CH s ) ,   w h i c h   ar e   e s s en t i al   f o r  t h e   a g g r eg at i o n   o f  d at a,   h a v e   a   s i g n i f i c an t   i m p a c t   o n   i m p ro v emen t s   i n   e n e r g y   e ff i c i en cy   an d   t h e  l o n g e v i t y   o f  n e t w o r k s .   B y   me a n s   o f  c o m p r e h en s i v e   s i mu l at i o n s   an d   e v a l u at i o n ,   t h i s   s t u d y   p r e s en t s   e x ce p t i o n a l   o u t co me s .   T h e  Bi o G A T   m o d e l   o u t p e rfo r m s   p ri o r  ap p ro ach e s   b y   at t ai n i n g   a  9 5 %   p ac k e t   d el i v e r y   rat i o   a n d   an   en h a n ce d   t h r o u g h p u t .   I n   ad d i t i o n ,   t h e   mo d el   e ff ec t i v el y   d ec r e as e s   m e a n   e n e r g y   c o n s u m p t i o n ,   u n d e rs co ri n g   i t s   c ap aci t y   t o   i m p ro v e  t h e   s u s t ai n ab i l i t y   an d   d e p en d ab i l i t y   o f  n e t w o r k s   i n   a  v ar i e t y   o f  W S N   ap p l i c at i o n s .   K e y w o r d s :   B i o GA T   m o de l   B i o ge o gr a phy - b a s e d   E n e r g y   e f f i c i e nc y   Ne t w o r k   r e l i a bil i t y   No de   pl a c e m e n t   Opt i mi z a t i o n   W i r e l e s s   s e ns o r   n e t w o r ks   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i cen s e.     C or r e s pon din g  A u th or :   D.   K.   S h a r e e f     De pa r t m e n t   o f   C o m put e r   S c i e n c e   a n d  E n g i ne e r i n g   M o h a n   B a b u  Uni ve r s i t y   ( E r s t whi l e   S r e e   V i d y a ni k e t h a n   E n g i ne e r i n g  C o l l e ge   ( A ut o n o m o us ) )   T i r upa t i ,   An d h r a   P r a de s h ,   I n d i a   E m a i l :  dks h a r e e f 65 @ g m a il . c o m       1.   I NT RODU C T I ON     W i r e l e s s   s e ns o r   n e t w o r ks   ( W S Ns )   h a ve   e v o l v e d  s igni f i c a n t l y ,   b e c o m i ng   i n d i s pe n s a bl e   t oo l s   i n   f i e l d s   s uc h   a s   e nvi r o nm e n t a l   m o ni t o r i n g,   h e a l t h c a r e ,   a nd  i n du s t r i a l   a ut o m a t i o n .   T h e s e   ne t wor ks ,   whi c h   c o n s i s t   o f   s m a l l ,   i ne x pe n s i ve   s e ns o r   n o de s ,   a l l o w  f o r   r e a l - t i m e   da t a   c o l l e c t i o n   a n d  t r a ns m i s s i o n   t o   c e n t r a l   b a s e   s t a t i o n s   ( B S )   o r   s i n ks   [ 1 ] - [ 3] .   T h e   e v o l ut i o n   o f   W S Ns   r e f l e c t s   t h e   gr o wi n g  de m a n d  f o r   t i m e l y   a n d  a c c ur a t e   i n f o r m a t i o n ,   whi c h   dr i v e s   i nn o va t i o n   t o  m e e t   t h e   n e e ds   o f   c o n t e m po r a r y   a pp li c a t i o n s   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h e   c h a ll e n ge s   i nh e r e n t   i n   W S N s   n e c e s s i t a t e   o n go i n g  o p t i mi z a t i o n   e f f o r t s .   On e   o f   t h e   m o s t  s i g nif i c a n t   c h a ll e n ge s   i s   t h e   l im i t e d  e ne r g y   r e s o ur c e s   o f   s e n s o r   n o de s ,   whi c h   a r e   f r e qu e n t l y   c o ns t r a i n e d  b y   b a t t e r y   c a pa c i t y   [ 6] .   E f f i c i e n t   e n e r g y   m a n a ge m e n t   a n d  c o m m u ni c a t i o n   pr oto c o l s   a r e   c r i t i c a l   f o r   e x t e n d i ng   n e t wo r k   l i f e   a n d  e ns ur i n g  c o n t i n uo us   o pe r a t i o n s   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   F ur t h e r m o r e ,   dy na m i c   e nvi r o nm e n t a l   c o n d i t i o n s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 :   60 1 - 61 2   602   a dd  c o m p l e xi t i e s   s uc h   a s   un r e li a bl e   w i r e l e s s   li nks ,   n o de   f a i l ur e s ,   a n d  un pr e d i c t a bl e   m o bil i t y ,   e m p h a s iz i n g  t h e   im po r t a n c e   o f   r o b us t   o p t i mi z a t i o n   s t r a t e gi e s   [ 9] .   O u r   s tudy   s u gg e s t s   a n   i n t e g r a ted   a pp r oa c h   t h a t  c o m bi n e s   bi oge og r a phy - b a s e d   op t i m i z a t i o n   ( B B O )   a n d  g r a ph   a tt e n t i o n   n e tw or ks   ( GA T s )   wi t hi n   W S Ns .   B B O   p r o vi de s   a   m e c h a ni s m   f or   s e l e c t i n g   op t i m a l   c l us t e r   h e a ds   ( C Hs )   wh i l e   b a l a n c i n g  e n e r g y   c o n s um p t i o n   a n d   n e tw or k  c o v e r a ge .   M e a n wh i l e ,   GA T s   a l l o w   f or   a da p t i v e   n e tw or k   top o l og y   c h a n ge s   i n   r e s p o n s e   to  dy n a m i c   e v e n t s   s u c h   a s   n ode   f a i l ur e s   or   e n e r gy   de pl e t i o n .   B y   c o m bi ni n g  t h e s e   m e t h od o l og i e s ,   we   h ope   to  i m pr o v e   W S N   e f f i c i e n c y ,   r o b us t n e s s ,   a n d   s us tai n a bi l i t y   i n   a   v a r i e t y   o f   op e r a t i o n a l   s c e n a r i o s .   O u r   p r i m a r y   c o n tr i b u t i o n   i s   t h e   de v e l op m e n t  a n d   a p pl i c a t i o n   o f   t h e   B i o GA T   m ode l ,   wh i c h   c o m bi n e s   B B O   a n d   GA T   m e t h o d o l og i e s   f or   W S N   op t i m i z a t i o n .   T h r ough   e x ten s i v e   s i m u l a t i o n   a n d  a n a l y s i s ,   we   s h o w   t h a t  ou r   a p pr oa c h   i m pr o v e s   ke y   pe r f or m a n c e   i n d i c a to r s   s uc h   a s   n e tw or k   l i f e t i m e ,   e n e r gy   e f f i c i e n c y ,   a n d   t h r ough p u t.   B y   c o m bi ni n g  t h e   s tr e n g t h s   o f   b ot h   B B O   a n d   GA T s ,   ou r   m o de l   p r ov i de s   a   c o m p r e h e n s i v e   s o l u t i o n   to  W S N   c h a l l e n ge s ,   i n c l udi n g   a da p t i v e   a n d   e f f i c i e n t  n e tw or k   m a n a ge m e n t  c a p a bi l i t i e s .   T h e   r e m a i nde r   o f   t hi s   pa p e r   i s   o r ga ni z e d  a s   f o ll o ws :  s e c t i o n   2  r e vi e w s   r e l a t e d  wo r k,   p r o vi d i ng   c o n t e x t   a n d  hi g hli g h t i n g  t h e   ga ps   t h a t   t h e   B i o GA T   m o de l   a im s   t o  a ddr e s s .   I n   s e c t i o n   3  de t a i l s   t h e   pr o p o s e d  B i o GA T   m e t h o do l o g y ,   i nc l ud i ng  i t s   i n t e gr a t i o n   o f   BBO   a n d  GA T .  I n   s e c t i o n   4  pr e s e n t s   t h e   s i m u l a t i o n   s e t up   a n d  r e s u l t s ,   f o l l o we d  by   a   c o m pr e h e ns i ve   a n a ly s i s   o f   t h e   m o de l ’ s   pe r f o r m a nc e .   F i na ll y ,   s e c t i o n   5  c o n c l ude s   t h e   pa pe r   w i t h   a   s u m m a r y   o f   t h e   ke y   c o n t r i b ut i o ns   a n d  t h e   s i g nif i c a n c e   o f   t h e   B i o G A T   m o de l   i n   e nh a n c i n g   W S N ,   i m p li c a t i o n s   o f   o ur   f i nd i ngs   a n d  s ugge s t   poten t i a l   a v e n ue s   f o r   f ut ur e   r e s e a r c h .       2.   RE L AT E D  WORK S   Ya da v   e t  al.   [ 10 ]   pr o p o s e   a   n e w  c o n ge s t i o n   a v o i da n c e   s t r a t e g y   c a l l e d  e f f i c i e n t   c o n ge s t i o n   a v o i d a n c e   a ppr o a c h   us i n g  Hu f f m a n   c o di n g  a l go r i t hm   ( E C A - HA ) ,   whi c h   c o m bi ne s   t h e   Hu f f m a n   c o d i n g  a l go r i t hm   w i t h  a n t   c o l o ny   o pt i mi z a t i o n .   T hi s   n o v e l   a ppr o a c h   a im s   t o  e f f i c i e n t l y   r e duc e   n e t wo r k  c o n ge s t i o n .   T h e   Huf f m a n  m e t h o d  h a s   o n e   li mi t a t i o n :  i t   r e qu i r e s   pr i o r   kn o w l e dge   o f   t h e   pr o b a bil i t y   d i s t r i b ut i o n   o f   s ym b o l s   i n   t h e   da t a   s t r e a m .   T hi s   c a n   b e   d i f f i c u l t   i n   d y na mi c   o r   un pr e d i c t a bl e   e nvi r o nm e n t s   wh e r e   t h e   d i s t r i b ut i o n   m a y  c h a n ge   dr a m a t i c a ll y   o ve r   t i m e .   Sy   e t  al .   [ 11]   p r e s e n t   a n   i nn o v a t i v e   c e n t r a l i z e d  c l us t e r e d  t r e e - b a s e d  r o u t i n g  s y s t e m   w i t h   a   m o bil e   s i n k.   T hi s   s y s t e m   i s   i n t e n d e d  to   i m pr o v e   n e t wo r k  r o u t i n g  e f f i c i e nc y   by   gr o up i n g  n o de s   i n t o  c l u s t e r s   a n d  e m p l o yi ng  a   hi e r a r c hi c a l   r o u t i n g  s t r uc t u r e .   On e   pot e n t i a l   li mi t a t i o n   o f   t hi s   m e t h o d  i s   t h e   c o m p l e xi t y   o f   m a n a g i ng  t h e   s i nk ’ s   m o bil i t y .   De pe n d i ng  o n   t h e   im p l e m e n t a t i o n   a n d  f r e qu e n c y   o f   s i nk  m o v e m e n t ,   i t   m a y  c a us e   o v e r h e a d  a n d  c oo r di n a t i o n   i s s ue s   i n   t h e   n e t w o r k,   p ot e n t i a ll y   a f f e c t i n g  o v e r a l l   pe r f o r m a n c e   a n d   r e l i a bil i t y .   L i l h o r e   e t  al.   [ 12]   us e d  a   ge n e t i c   a l go r i t hm   a n d  a   da t a   f us i o n   t e c hni que   to   s o l v e   a   s p e c i f i c   pr o bl e m .   Ge n e t i c   a l go r i t hm s   a r e   a   po we r f u l   o pt i m i z a t i o n   too l   t h a t  i s   w i de ly   u s e d  i n   v a r i o us   f i e l ds .   Ho we v e r ,   o n e   li mi t a t i o n   o f   ge n e t i c   a l go r i t hm s   i s   t h e i r   c o m put a ti o n a l   i n t e n s i t y ,   w hi c h   m e a n s   t h e y   m a y   r e qu i r e   s igni f i c a n t  c o m put a t i o n a l   r e s o ur c e s   a n d  t i m e   to  r e a c h   a n   o p t i m a l   s o l u t i o n ,   e s pe c i a ll y   f o r   c o m p l e x   pr o bl e m s .   F ur t h e r m o r e ,   ge n e t i c   a l go r i t hm s   m a y   o c c a s i o n a ll y   c o nve r ge   to  l o c a l   o p t i m a   r a t h e r   t h a n   g l o ba l  o p t i m a ,   pot e n t i a ll y   li m i t i ng  t h e i r   e f f e c t i v e n e s s   i n   de t e r m i n i ng  t h e   b e s t   s o l ut i o n .   A s   a   r e s ul t ,   whi l e   t hi s   a ppr o a c h   a ppe a r s   pr o m i s i ng,   c a r e f u l   c o ns i d e r a t i o n   o f   c o m put a t i o n a l   r e s o ur c e s   a n d  pot e n t i a l   li mi t a t i o n s   o f   ge n e t i c   a l go r i t hm s   i s   r e qu i r e d  f o r   i t s   pr a c t i c a l   a pp l i c a t i o n .   C a o   e t  al.   [ 13]   de v e l o pe d  a   n e w  r o ut i n g  pr oto c o l   c a l l e d  e n e r g y   h a r v e s t i n g  r o ut i n g   ( E HR )  f o r   e n e r g y   h a r v e s ti n g  W S N .   I n   s uc h   n e t wo r ks ,   t h e i r   pr oto c o l   a im s   to   o p t i m i z e   e n e r g y   c o ns u m pt i o n   w hil e   a l s o   m a xim i z i ng  n e t wo r k   l if e t i m e .   Ho we v e r ,   o n e   c omm o n   l im i t a t i o n   f o un d  i n   r o u t i n g  pr oto c o l s   de s ign e d  f o r   e n e r g y   ha r v e s t i n g  s e n s o r   n e t w o r ks   i s   t h e i r   s u s c e pt i bil i t y   t o  f l uc t ua t i o n s   i n   e n e r g y   a va i l a bil i t y   a n d   n e t wor k   d y n a mi c s .   T h e s e   f l uc t ua t i o ns   c a n   m a ke   i t   d i f f i c u l t   to   m a i n t a i n  s t a bl e   a n d  e f f i c i e n t   c o m m u ni c a t i o n   pa t h s ,   pot e n t i a ll y   c o m pr o m i s i ng  t h e   n e t wo r k ’ s   o v e r a l l   pe r f o r m a n c e   a n d  r e l i a bil i t y .   I n   o r de r   to   i m pr o v e   t h e   l o n g e vi t y   a n d  e f f i c i e n c y   o f   e n e r g y   h a r ve s t i n g  W S N ,   T a n g   e t  al.   [ 14]   i n t r o duc e d  a   r o u t i n g  pr oto c o l   t h a t   dr a ws   i ns p i r a t i o n   f r o m   P hy s a r u m .   Al t h o ugh   t h e s e   r o u t i n g  pr oto c o l s   e m p l o y   a n   i nn o v a t i v e   a ppr o a c h ,   t h e y   a r e   f r e que n t l y   hi nd e r e d  by   t h e i r   s u s c e pt i bil i t y   t o  c h a n g i ng   e nvi r o nm e n t a l   c o n d i t i o n s   a n d  t h e   r e qu i r e m e n t   f o r   pr e c i s e   m o de li ng  o f   e n e r g y   a v a il a bil i t y   pa tt e r n s .     T h e   o v e r a l l   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   n e t wo r k   a n d  t h e   e f f i c a c y   o f   t h e   r o u t i n g  de c i s i o n s   m a y   be   i m pa c t e d  by   t h e s e   v a r i a bl e s .   I n   o r de r   to  i m pr o v e   n e t wo r k   s t a bi li t y ,   H i e u  a n d   Ki m   [ 15]   de vi s e d  a   s t a bi li t y - a wa r e   ge o gr a phi c   r o u t i n g  pr oto c o l   t h a t  wa s   t a i l o r e d  s pe c i f i c a ll y   f o r   e n e r g y   h a r v e s t i n g  W S N .   Al t h o ugh   t hi s   pr oto c o l   s i g nif i e s   pr o g r e s s   i n   m i t i ga t i n g  s t a bil i t y   i s s ue s ,   a   pr e v a l e n t   dr a wb a c k  o f   ge o gr a phi c   r o u t i n g  m e t h o ds   ut i li z e d  i n   e ne r g y   h a r v e s t i n g  n e t wor ks   i s   t h e i r   de pe n de nc e   o n   pr e c i s e   l o c a t i o n   da t a ,   whi c h   c a n   pr o v e   d i f f i c u l t   to  a c qu i r e   in  pr a c t i c a l   de p l o ym e n t   s i t ua t i o n s .   T h e   ut i li z a t i o n   o f   e r r o n e o us   or   i n s u f f i c i e n t   l o c a t i o n   i nf o r m a t i o n   m a y  r e s u l t   i n  s ub o pt i m a l   r o u t i n g  de c i s i o ns   a n d  a n   i m p a c t   o n   t h e   o v e r a l l   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   n e t wo r k.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52       E nhanc ing  e ne r gy   e ff icie nc y   and   r e li abil it y   in   w ir e les s   s e n s or   ne t w or k s   …  ( D.   K .   Shar e e f )   603   I n   t h e i r   s t udy ,   Ha o   e t   al.   [ 16 ]   p r e s e n t e d  a n   i nno v a t i v e   r o u t i n g  a l go r i t hm   de s i g n e d  s pe c i f i c a ll y   f o r   e n e r g y   h a r v e s t i n g  W S N .   T hi s   a l go r i t hm   e m p l o y s   a   gr e e d y   s t r a t e gy   t o   e f f e c t i v e ly   r e duc e   e ne r g y   c o ns u m pt i o n .   T hi s   s t r a t e gy   p l a c e s   a n   e m p ha s i s   o n   s h o r t - t e r m   b e n e f i t s   whil e   ne g l e c t i n g  to  a c c o un t  f o r   t h e   e n dur i ng  r a m i f i c a t i o ns   o f   r o u t i n g   c h o i c e s .   He n c e ,   a l t h o ugh   t h e   s ugge s t e d  a l go r i t hm   mi g h t   y i e l d  i mm e d i a t e   e n e r g y   c o n s e r va t i o n ,   i t s   de pe n de nc e   o n   gr e e d y   h e ur i s t i c s   m i g h t   i m pe de   i t s   a bil i t y   t o   s us t a i n   o pt i m a l   n e t wo r k   pe r f o r m a n c e   i n   t h e   l o n g  r un .       3.   M E T HO D   T h e   pr o p o s e d  s y s t e m   s h o w n   i n   F i gur e   1  i n c l ud e s   t h e   pr o p o s e d  “ B i o G A T ”   m o de l   f o r   o p t i m i z i ng   W S N .   W e   b e g i n   by   s t r a t e gi c a ll y   p l a c i ng  s e ns o r   n o de s   t h r o ugh o u t  a   de f i ne d  a r e a ,   e a c h   w i t h   a   s pe c i f i c   i ni t i a l  e n e r g y   l e v e l .   T h e   n o de s   a r e   r a n do m ly   po s i t i o n e d  to  e n s ur e   c o m p l e t e   c o v e r a ge   o f   t h e   a r e a .   E n e r gy   c o n s u m pt i o n   dur i n g  o pe r a t i o n   i s   de t e r m i ne d  by   t he   di s t a n c e   b e t we e n   t h e   n o de s   a n d  t h e   t y pe   o f   t r a n s mi s s i o n ,   w i t h   d i f f e r e n t   e n e r g y   c o s t s   f o r   tr a n s mi t t i n g  a n d  r e c e i vi ng  d a t a .   T h e   m o de l   u s e s   B B O   to   s e l e c t   t h e   m o s t   e f f i c i e n t   C Hs ,   w i t h   t h e   go a l   o f   ba l a n c i ng  e n e r g y   u s e   a c r o s s   t h e   n e t wo r k  whi l e   m a i n t a i n i ng  e f f e c t i v e   c o v e r a ge .   T hi s   a ppr o a c h   e v a l ua t e s   pot e n t i a l   c o nf i gur a t i o n s   f o r   f i t ne s s ,   wi t h   e n e r g y   a n d  c o v e r a ge   a s   ke y   f a c t or s .   GA T   t h e n   d y na mi c a ll y   a d j u s t   t h e   n e t wo r k ’ s   s tr uc tur e ,   us i n g   a tt e n t i o n   m e c h a ni s m s   t o   p r i o r i t i z e   t h e   m o s t   e f f i c ien t   da t a   tr a n s m i s s i o n   pa t h s   a n d  a da pt   to  c h a n g e s   li ke   n o de   f a il ur e s .   C Hs   a r e   c r i t i c a l   be c a us e   t h e y   a ggr e ga t e   da t a   b e f o r e   s e n d i ng  i t   to   t h e   BS ,   a l l o w i n g  t h e   n e t wo r k  to   us e   i t s   e n e r g y   m o r e   e f f i c i e n t l y .   T h e   m o de l   c o n t i n uo us l y   upd a t e s   e a c h   n o de ’ s   e n e r g y   l e ve l ,   a n d  n o de s   t h a t  de pl e t e   t h e i r   e n e r g y   r e s e r ve s   a r e   m a r ke d  a s   i n a c t i v e .   T h e   ne t wor k  i s   a s s e s s e d  b a s e d  o n   i t s   o pe r a t i o n a l  l if e t i m e ,   e n e r g y   e f f i c i e n c y ,   a n d  da t a   t h r o ugh put ,   pr o vi d i ng   a   c o m pr e h e ns i ve   p i c t ur e   o f   i t s   pe r f o r m a n c e .   S i mu l a t i o n s   c o n t i n ue   u n t i l   a   s i g nif i c a n t   n u m be r   o f   n o de s   be c o m e   i na c t i ve ,   a t   whi c h   po i n t   t h e   n e t wo r k ’ s   a bil i t y   t o  m a i n t a i n   f u n c t i o n a li t y   i s   e v a l ua t e d.   Da t a   o n   pa c ke t s   s e n t   to  t h e   B S   a n d  C Hs   i s   c o l l e c t e d  to  a s s e s s   t h e   n e t wo r k ’ s   e f f i c i e nc y   a n d  t h e   B i o G A T   m o de l ’ s   e f f e c t i ve n e s s   i n   im pr o vi ng  ne t wor k  s us t a i n a bil i t y   a n d   r e l i a bil i t y .           F i g ur e   1  B l o c k  di a gr a m   o f   pr o po s e d  s y s t e m       W e   s t a r t  by   r a n do m ly   d i s t r i b ut i n g  s e n s o r   n o de s   a c r o s s   a   pr e de f i ne d  a r e a .   E a c h   n o de   i s   a s s i g ne d  a n  i n i t i a l   e ne r g y   r e s e r v e ,   whi c h   r e pr e s e n t s   t h e   b a tt e r y   li f e .   F i e l d  d i m e ns i o n s :  ,   I ni t i a l   e n e r g y :  0   Sx ,   Sy :  C oo r di n a t e s   o f   t h e   B S   o r   s i n k.   N :  T ot a l   n u m be r   o f   s e n s o r   n o de s   i n   t h e   n e t wor k.   T ot a l   n u m be r   o f   r o un ds :  m a x   r :  C ur r e n t   r o un d  o f   ne t wor k  o pe r a t i o n .   E a c h   n o de   i   i s   g i v e n   c o o r di n a t e s   ( xi ,   yi ) ,   s e l e c t e d  unif o r m ly   a t   r a n do m   w i t hi n  t h e   b o un da r i e s .   No de   p o s i t i o n s :  ,   R a n do m ly   p l a c e   N   s e ns o r   n o de s   wi t hi n   t h e   ×   a r e a :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 :   60 1 - 61 2   604   = ( ) ⋅   ( 1)     = ( ) ⋅   ( 2)     T h e   e n e r g y   m o de l   go v e r ns   h o w  m uc h   e n e r g y   is   c o n s u m e d  dur i ng  t r a n s mi s s i o n   a n d  r e c e pt i o n ,   de pe n d i ng  o n   t h e   d i s t a n c e   b e t we e n   n o de s   a n d  wh e t h e r   t h e   c o m m u ni c a t i o n   i s   l i ne - of - s i g h t   o r   n ot .   T r a n s mi t   e n e r g y :      =   + ⋅   ( 3)     r e c e i v e   e n e r g y :      =     ( 4)     t h r e s h o l d  d i s t a n c e :     0 =   √     ( 5)         :  e n e r g y   c o ns u m e d  pe r   bi t   to  r un   t h e   tr a n s mi t t e r   o r   r e c e i v e r   c i r c u i t .     E amp :  e n e r g y   c o n s u m e d  by   t h e   t r a n s mi t   a m p li f i e r   pe r   bi t   pe r   s qua r e   m e t e r .      :  e n e r g y   c o ns u m pt i o n   o f   t h e   a m p l if i e r   i n   f r e e - s p a c e   ( l i ne - of - s i g h t )   m o de l .     E mp :  e n e r g y   c o n s u m pt i o n   o f   t h e   a m p li f i e r   i n   m u l t i - pa t h   ( o b s t r uc t e d)   m o de l .     η   :  P a t h   l o s s   e x po n e n t ;   t y p i c a ll y ,   η = 2  f o r   f r e e - s pa c e   a n d  η = 4  f o r   m u l t i - pa t h   f a d i ng  c h a nne l s .     0 :  t h r e s h o l d  d i s t a nc e .   T h e   n e x t   s t e p   i s   t o  i n t r o duc e   t h e   pr o p o s e d  “ B i o G A T ”   m o de l ,   whi c h   r e pr e s e n t s   a n   i n t e gr a t e d  a ppr o a c h   t h a t   c o m bi ne s   B B O  a n d  G A T s   w i t hi n   W S N .   He r e ,   B B O  i s   us e d  to  f i nd  t h e   b e s t   s e t  o f   C Hs ,   b a l a n c i ng  n e t wo r k  e n e r g y   c o n s u m pt i o n   w i t h   c o v e r a ge   [ 17 ] - [ 19 ] .   Ha bi t a t s   i n   B B O  [ 20 ] ,  [ 21]   c o r r e s po n d  to   pot e n t i a l   C H  c o nf i gur a t i o n s ,   w i t h   t h e   h a bi t a bil i t y   s c o r e   i n d i c a t i n g  t h e   c o nf i gur a t i o n ’ s   f i t n e s s .   B B O  Ha bi t a bi li t y   I n de x :      = ⋅   + ⋅   ( 6)     -   p :  p r o b a bil i t y   o f   a   n o de   b e c o m i ng  a   CH   i n   e a c h   r oun d.   -   α ,   β :  w e i g h t s   i n   t h e   B B O  h a bi t a bil i t y   i n d e x   r e pr e s e n t i n g  t h e   i m po r t a n c e   o f   e n e r g y   c o n s u m pt i o n  a n d  c o v e r a ge ,   r e s pe c t i v e ly .   -    :  B B O  h a bi t a bil i t y   i nde x   f u n c t i o n   us e d  t o  e v a l u a t e   t h e   f i t n e s s   o f   e a c h   po t e n t i a l   CH   c o nf i gur a t i o n .   De t e r m i n i ng  C Hs   vi a   B B O:     =   ( )   ( 7)     GA T   i s   us e d  t o   c h a n ge   t h e   n e t wo r k   to p o l o g y   in   r e s po ns e   to   e v e n t s   l i k e   n o de   f a il ur e   o r   e n e r g y   de p l e t i o n .   A t t e n t i o n   c o e f f i c i e n t s   a r e   de t e r m i ne d  f o r   e a c h   n o de ,   i n d i c a t i n g  t h e   i m po r t a n c e   o f   e a c h   li n k  i n   t h e   n e t wo r k .   A t t e n t i o n   c o e f f i c i e n t s :      =   (  ( [ ℎ ∥ ℎ ]   ) )   ( 8)     -   W :  w e i g h t   m a t r i x   i n   G A T   f o r   f e a t ur e   tr a n s f o r m a t i o n .   -   a :  w e i g h t   v e c to r   i n   G A T   f o r   c o m put i n g  a tt e n t i o n   c o e f f i c i e n t s .   -   h i :  f e a t ur e   v e c t or   o f   n o de   i .   -   α i j :  a tt e n t i o n   c o e f f i c i e n t   de t e r m i n i ng  t h e   s i g nif i c a nc e   o f   n o de   j ’ s   i nf o r m a t i o n   t o  n o de   i .   -   L e a k y R e L U:  a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   us e d  i n   G A T   to  i nt r o duc e   n o n - l i ne a r i t y .   B a s e d  o n   t h e   l e a r n e d  a t t e n t i o n   s c o r e s ,   s e ns o r   n o d e s   de c i de   w h e t h e r   t o  t r a n s m i t   da t a   d i r e c t l y   t o  t h e   BS   or   vi a   a   C H.   C Hs   a ggr e ga t e   a n d  t r a n s m i t   da t a   to   t h e   BS   [ 22 ] - [ 25] .   Da t a   a ggr e ga t i o n   e n e r g y :     Da t a   a ggr e ga t i o n   e n e r g y   c o ns u m pt i o n :      = ⋅      ( 9)     k :  n u m be r   o f   bi t s   i n   a   da t a   pa c ke t .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52       E nhanc ing  e ne r gy   e ff icie nc y   and   r e li abil it y   in   w ir e les s   s e n s or   ne t w or k s   …  ( D.   K .   Shar e e f )   605   F o l l o w i ng  c o m m u ni c a t i o n ,   e a c h   n o de ’ s   e n e r g y   i s   upda t e d.   N o de s   t h a t  h a v e   s pe n t   t h e i r   e n e r g y   a r e   m a r ke d  a s   de a d.   No de   e n e r g y   upda t e :      = −  ( , ) −  ( )   ( 10)      , :  n e w  a n d  o l d  e ne r g y   l e v e l s   o f   n o de   i   a f t e r   a n d  b e f o r e   a   r o un d  o f   c o m m u ni c a t i o n ,   r e s pe c t i v e ly .   :  di s t a n c e   b e t we e n   c o m m u ni c a t i n g  n o de s   K e y   pe r f o r m a n c e   i n d i c a t o r s ,   s uc h   a s   ne t wor k  l i f e t i m e ,   e ne r g y   e f f i c i e nc y ,   a n d  t h r o ugh put ,   a r e   us e d  to   a s s e s s   t h e   n e t wo r k ’ s   o pe r a t i o n a l   e f f e c t i v e n e s s .   Ne t w o r k   l if e t i m e :      =  { ∣ ( ) ≤ 0 , ∀ ∈ }     ( 11)     e n e r g y   e f f i c i e n c y :     =                            ( 12)     s y s t e m   t h r o ugh pu t:     ℎ ℎ  =                m ax     ( 13)     T h e   s i m u l a t i o n   c o n t i n ue s   u n t i l   a   pr e de t e r m i ne d  f r a c t i o n   o f   n o de s   d i e ,   a t  whi c h   po i n t   t h e   s i m u l a t i o n  i s   t e r m i na t e d  a n d  t h e   ne t wor k ’ s   s us t a i n a bil i t y   i s   a s s e s s e d.   De a d  n o de   c o n d i t i o n :       ≤ 0   ( 14)     Ei :  t h e   e n e r g y   l e v e l   o f   t h e   it h  s e ns o r   n o de .   Av e r a ge   e n e r g y   o f   n o de s :     = 1   ∑ = 1   ( 15)     S t a t i s t i c s   a r e   c o l l e c t e d  t h r o ugh o u t  t h e   s im u l a t i o n   f o r   vi s ua li z a t i o n   a n d  a n a ly s i s ,   a l l o w i n g  u s   t o   e v a l ua t e   t h e   e f f e c t   o f   B B O  a n d  G A T   o n   n e t w o r k  pe r f o r m a n c e .   P a c ke t s   to   BS   pe r   r o un d:   ( )   T ot a l   pa c ke t s   to   C H:     = ∑  ( ) _ = 1     ( 16)      ( ) :  n u m b e r   o f   pa c ke t s   r e c e i ve d  by   C Hs   i n   r o un d  r .     3. 1.     P r op os e d   m od e l   an d   it s   ar c h it e c t u r e   “ B i o G A T ”   e f f e c t i v e ly   c a pt ur e s   t h e   e s s e n c e   o f   t h e   i n t e gr a t e d  a ppr o a c h   i nv o l vi ng   BBO   a n d  G A T s   in  W S N s .   I t   e x p l a i ns   t h e   bi o l o g i c a l   i ns p i r a t i o n   f o r   B B O  a n d  G A T s ’   a tt e n t i o n - b a s e d  m e c h a ni s m s ,   a s   we ll   a s   h o w  t h e y   c a n   b e   us e d  to   o p t i mi z e   W S Ns .   T hi s   t i t l e   i s   c o n c i s e ,   m e m o r a bl e ,   a n d  r e f l e c t s   t h e   m o de l ’ s   e m p h a s i s   o n  n e t wo r k   o p t i mi z a t i o n   a n d  i t s   a r c hi t e c t ur e   i s   pr o vi d e d  i n   F i g ur e   2.   T h e   c o m bi na t i o n   o f   B B O  a n d  GA T s   i n   W S N s   pr o vi de s   a   c o m pr e he n s i ve   a ppr o a c h   f o r   o p t i m i z i ng   b o t h   m a c r o - l e v e l   n e t wor k  s tr uc t u r e s   a n d  mi c r o - l e v e l   n o de   i n t e r a c t i o ns .   B B O  p l a y s   a n   im po r t a n t  r o l e   in  o p t i mi z i ng  CH   e l e c t i o n   pr o c e s s e s   by   c o n s i de r i ng  n o de   e n e r g y ,   pr o xi m i t y ,   a n d  pr e vi o us   CH   s t a t e s ,   r e s u l t i n g   i n   b a l a nc e d  e n e r g y   d i s t r i b ut i o n .   F ur t h e r m o r e ,   B B O ’ s   a pp l i c a t i o n   i n c l ude s   c r e a t i n g  e f f i c i e n t   r o u t i n g  pa t h s   t h a t  r e duc e   e n e r g y   c o n s u m pt i o n   a n d  i m pr o v e   da t a   t r a n s f e r   r a t e s .   B y   r e duc i ng  t h e   n u m be r   o f   h o ps   r e qu i r e d  f o r   da t a   tr a n s mi s s i o n ,   B B O  s a v e s   e ne r g y   a n d  i n c r e a s e s   n e t wo r k   e f f i c i e n c y .   GA T s ,   o n   t h e   ot h e r   h a n d,   a d j us t   t h e   n e t wo r k   to p o l o g y   d y na mi c a ll y   i n  r e s po ns e   to   c h a n g i ng  c o n d i t i o ns ,   us i n g  a t t e n t i o n   m e c h a ni s m s   t o  pr i o r i t i z e   e f f i c i e n t   pa t h s   a n d  a da pt   to  n o de   f a i l ur e s .   GA T s   he l p  C H s   a n d  da t a   a ggr e ga tor s   m a k e   i nf o r m e d  de c is i o ns   b y  l e a r ni ng  n o de   de pe n d e n c i e s ,   c o n t r i b ut i n g  to   ov e r a ll   n e t wo r k  o p t i m i z a t i o n   a n d  r e s il i e n ce.   Us i ng  t hi s   a s s e s s m e n t ,   t h e   m o de l   de t e r m i ne s   i f   i t   i s   n e c e s s a r y   t o   h a v e   m o r e   i t e r a t i o n s   i n   t h e   o p t i mi z a t i o n   l o o p   i n   o r de r   to  i m pr o v e   a n d  e nha n c e   t h e   n e t wo r k   c o n f i gur a t i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 :   60 1 - 61 2   606   T h e   “ B i o G A T ”   m o de l   i s   uni que   i n   t h a t   i t   c o m bi ne s   B B O  a n d  G A T s   to   o p t i m i z e   W S N s   a t   t h e   m a c r o   a n d  mi c r o   l e v e l s .   B B O  wo r ks   a t   t h e   m a c r o   l e v e l ,   o p t i mi z i ng  CH   e l e c t i o n   pr o c e s s e s   a n d  r o u t i n g  pa t h s   b a s e d  o n   n o de   e n e r g y   a n d  pr o xi mi t y ,   whe r e a s   G A T s   wo r k   a t  t h e   m i c r o   l e v e l ,   d y n a m i c a ll y   a d j us t i n g  n e t wo r k   to p o l o g y   w i t h   a t t e n t i o n   m e c h a ni s m s   t o  pr i o r i t i z e   e f f i c i e n t   pa t h s   a n d  a da pt   to   n o de   f a i l ur e s .   T hi s   t wo - t i e r   a ppr o a c h   e n s ur e s   t h a t   W S Ns   a r e   o p t i m i z e d  h o l i s t i c a l ly ,   i m pr o vi ng  e ne r g y   e f f i c i e nc y ,   da t a   t r a n s mi s s io n   r a t e s ,   a n d  n e t wo r k   r o b us t n e s s   o v e r   t r a di t i o na l   o pt i mi z a t i o n   m e t h o ds .           F i g ur e   2 .   P r o p o s e d  B i o GA T   m o de l   a r c hi t e c t ur e       3. 2.     Al gor it h m   of   t h e   p r op os e d   m od e l   T h e   a l go r i t hm   de s c r i be d  be l o w  pr o vi de s   a   s t r uc t ur e d  a ppr o a c h   to   o p t i m i z i ng   W S N   us i ng  a   c o m bi na t i o n   o f   B B O  a n d  G A T .   I ni t i a ll y ,   t h e   n e t wo r k  top o l o g y   i s   d e f i ne d  by   d i s t r i b ut i n g  s e ns o r   n o d e s   a c r o s s   a   f i e l d  a n d  a s s i g ni n g  e n e r g y   l e v e l s .   T h e   m a c r o - l e v e l   o pt i mi z a t i o n   pr o c e s s   b e g i ns   w i t h   B B O  t e c h niques   t h a t  f o r m   c l u s t e r s   a n d  s t r a t e gi c a l ly   e l e c t   C Hs   b a s e d  on   e n e r g y   l e v e l s   a n d  n o de   pr o xi m i t y ,   r e s u l t i n g  i n   e n e r g y - e f f i c i e n t   c o m m u ni c a t i o n   a n d  b a l a n c e d  n e t wo r k   l o a d.   R o u t i n g  pa t h s   a r e   t h e n   c h o s e n   to  a l lo w  da t a   t r a n s m i s s i o n   be t we e n   t h e   C Hs   a n d  t h e   BS .   A t   t h e   mi c r o   l e ve l ,   G A T s   a d j us t   t h e   to p o l o g y   d y na mi c a ll y ,   us i ng   a tt e n t i o n   m e c h a ni s m s   t o   pr i o r i t i z e   t h e   m o s t   e f f ic i e n t   c o m m u ni c a t i o n   pa t h s   a n d  a da pt   to   n o de   f a il ur e s   o r   n e t wo r k  c h a n ge s .   T hi s   e n s ur e s   t h a t   t h e   n e t wo r k  r e m a i ns   r o b us t   a n d  c a p a bl e   o f   pe r f o r m i ng  e v e n   wh e n   t h e   e nvi r o nm e n t   o r   n o de   s t a t us e s   c h a n g e   d y n a mi c a l ly .   T h e   A l go r i t hm   1   m e a s u r e s   n e t wo r k   pe r f o r m a n c e   m e t r i c s   l i ke   e n e r g y   e f f i c i e n c y ,   da t a   tr a n s mi s s i o n  r a t e s ,   a n d  o v e r a l l   r o b us t n e s s .   An   o pt i mi z a t i o n   l o o p  c h e c k s   f o r   c o n v e r ge n c e   a n d  i t e r a t e s   t h r o ugh   m a c r o   a n d  mi c r o - l e ve l   o pt i mi z a t i o n s   u n t i l   t h e   o p t i m a l   n e t wo r k  c o n f i gur a t i o n   i s   f o un d.   F o l l o w i ng  c o nv e r g e n c e ,   t h e   a l go r i t hm   f i na li z e s   a n   o pt i mi z e d  W S N  c o nf i gur a t i o n   t h a t   i s   e x p e c t e d  to   b e   r e s i li e n t ,   e n e r g y - e f f i c ien t ,   a n d   c a pa bl e   o f   ha n d l i ng  d y na mi c   c h a n ge s ,   i m pr o vi ng  th e   s e ns o r   n e t w o r k ’ s   s us t a i n a bil i t y   a n d  f u n c t i o n a li t y .     Al go r i t hm   1.   B i o GA T   m o de l   % Step 1: Start the optimization process   initialize WSN topology with node locations, energy levels, and connectivity;   % Step 2: Input initial WSN topology   inputTopology();   % Step 3: Begin Macro - Level Optimization using Biogeography - Based  Optimization (BBO)   converged = false;   while ~converged   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52       E nhanc ing  e ne r gy   e ff icie nc y   and   r e li abil it y   in   w ir e les s   s e n s or   ne t w or k s   …  ( D.   K .   Shar e e f )   607        % Step 3a: Cluster Formation  -   Group sensor nodes into clusters        clusters = formClusters(nodeLocations, nodeEnergies);           % Step 3b: Cluster Head Election  -   Select cluster heads based on nod e energy and  proximity        clusterHeads = electClusterHeads(clusters, nodeEnergies);           % Step 3c: Routing Path Selection  -   Optimize routing paths between cluster heads and  the base station        routingPaths = selectRoutingPaths (clusterHeads, baseStati onLocation);       % Step 4: Begin Micro - Level Optimization using Graph Attention Networks (GATs)        % Step 4a: Topology Adjustment  -   Adjust the network topology dynamically        adjustedTopology = adjustTopology(clusters, clusterHeads);            % Step 4b: Pa th Prioritization  -   Use attention mechanisms to prioritize efficient  communication paths        prioritizedPaths = prioritizePaths(adjustedTopology);            % Step 4c: Adaptation to Failures  -   Adapt to node failures and changes in the  network        [adjustedTo pology, nodeStatus] = adaptToFailures(adjustedTopology);        % Step 5: Evaluate Performance  -   Assess the network for energy efficiency, data  transmission rates, and robustness        [energyEfficiency, transmissionRates, networkRobustness] =  evaluatePerforman ce(adjustedTopology);        % Step 6: Check Convergence  -   Determine if the optimization process has converged        converged = checkConvergence(energyEfficiency, transmissionRates, networkRobustness);        % Step 6a: If Not Converged, continue the loop for fur ther optimization        % Step 6b: If Converged, exit the loop   end   % Step 7: End  -   Finalize the optimized WSN configuration   outputOptimizedConfiguration(adjustedTopology);       4.   RE S UL T S   AN D  AN AL YSI S   T h e   s i m u l a t i o n   pa r a m e t e r s   f o r   o ur   W S N   m o de l   a r e   pr e s e n t e d  i n   T a bl e   1.   T h e   pa r a m e t e r s   c o m pr i s e   t h e   f i e l d ’ s   d i m e n s i o ns ,   whi c h   a r e   c o n f i gur e d  to  b e   100   m e t e r s   by   100  m e t e r s .   S e tt i n g  t h e   pr o b a bil i t y  o f   da t a   t r a n s m i s s i o n   by   a   n o de   to  0. 1 .   E a c h   n o de   p o s s e s s e s   a n   i ni t i a l   e ne r g y   o f   0. 5  j o u l e s .   Ope r a t i n g  t h e   t r a ns m i t t e r   o r   r e c e i v e r   r e qu i r e s   50 × 10^ - 9  j o u l e s   o f   e n e r g y   p e r   bi t .   A dd i t i o n a l   pa r a m e t e r s   i n c l ude   t h e   da t a   a ggr e ga t i o n   e n e r g y ,   t h e   e n e r g y   a m p l if i e r   c o e f f i c i e n t s   f o r   f r e e   s pa c e   a n d  m u l t i pa t h   m o de l s ,   t h e   n u m be r   o f   s e n s o r   n o de s ,   t h e   n u m be r   o f   m o bil e   n o de s ,   t h e   s i n k  c o o r di na t e s ,   t h e   i ni t i a l   n u m be r   o f   de a d  n o de s ,   a n d  t h e   t h r e s h o l d  e n e r g y   r e qu i r e d  f o r   a   n o de   to   a tt a i n   t h e   l e a de r s hi p  po s i t i o n.       T a bl e   1 .   S i m u l a t i o n   pa r a m e t e r s   P a r a me t e r   D e s c r ip ti o n   V a lu e   ,   D im e ns i o ns  of   th e   f ie ld  ( m e t e r s )   100, 100   x ,  y   A dde d  f o r  b e tt e r  di s pl a y  r e s ul ts  of  t h e  pl o t   0, 0   p   P r o ba bi li t y   of  n o d e  t r a ns mi tt in g da ta   0.1   Eo   I ni ti a l  e n e r g y   of  a  no d e   ( J o ul e s )   0.5   E TX , E RX   E ne r g y  c o ns um e d pe r  bi t  t o  r un  th e  t r a ns mi tt e r   o r  r e c e i v e r  c ir c u it  ( J o ul e /b it )   50 *  10^ - 9      F r e e   s pa c e  m o d e l  a mpl i f i e r   e n e r g y   ( J o ul e /b it /m ^ 2)   10e - 12   E mp   M ul ti pa th  mo d e l  a mpl i f i e r   e n e r g y   ( J o ul e /b it / m^ 4)   0.0013e - 12      D a ta   a ggr e ga ti o n  e n e r g y   ( J o ul e /b it /m e s s a ge )   5 *  10^ - 9     M a x im um num b e r   of  r o unds   2000   n   N umbe r   of  s e ns or  n o de s   100     N umbe r   of   m o bi le  n o d e s   10   s in kx , s in k y   C oo r di na t e s  of  t he  s in k   50, 120   de a d_n o de s   I ni ti a l  numbe r   of  d e a d n o de s   0   L e a d e r   N o d e   t hr e s hol d   T h r e s ho ld   e n e r g y   f or  a  no d e  t o  b e  a  l e a de r   0.03       F i gur e   3  de pi c t s   t h e   n u m b e r   o f   de a d  n o de s   i n   a   W S N  o v e r   2 , 000  r o un ds ,   i n d i c a t i n g  a   s t e ppe d   i nc r e a s e   pa tt e r n .   I ni t i a ll y ,   t h e   n u m be r   o f   de a d  n o de s   gr o ws   s l o w l y ,   i nd i c a t i n g  t h a t   t h e   m a j o r i t y   o f   t he   n o de s   h a v e   e n o ugh   e n e r g y   r e s e r v e s   to  o pe r a t e .   A s   t h e   r o un ds   pr o gr e s s ,   t h e   i n c r e a s e   be c o m e s   m o r e   pr on o un c e d,   im p lyi ng  t h a t  n o de s   a r e   e x ha us t i n g  t h e i r   e n e r g y   r e s e r ve s   due   to  c o n t i n uo us   o pe r a t i o n .   T hi s   i s   f o l l o we d  b y   pe r i o ds   o f   s t a bil i t y   i n  w hi c h   t h e   n u m be r   o f   de a d  n o de s   p l a t e a us ,   po s s i bly   due   t o   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   e n e r g y - s a vi ng  m e a s ur e s   o r   t h e   r o b us t n e s s   o f   s pe c i f i c   n o de s .   T h e   r a t e   a t  whi c h   n o de s   d i e   s l o ws   do wn   i n   l a t e r   r o un ds ,   whi c h   c o ul d  im p ly   t h a t   t h e   r e m a i n i ng  n o de s   a r e   e i t h e r   m o r e   e n e r g y - e f f i c i e n t ,   c l o s e r   to   t h e   BS ,   a n d  t h us   r e qu i r e   l e s s   e n e r g y   f o r   c o m m u ni c a t i o n ,   or   b e n e f i t   f r o m   t h e   r e duc e d  n e t wo r k   l o a d  a s   ot h e r   n o de s   b e c o m e   i na c t i v e .   T h e   f i gur e   i s   a   v a l ua bl e   t oo l   f o r   a s s e s s i n g   t h e   l o n ge vi t y   a n d  e f f i c i e nc y   o f   t h e   W S N,   e m p h a s i z i n g  t he   im po r t a n c e   o f   e n e r g y   m a n a g e m e n t   s t r a t e gi e s   i n   e x t e n d i ng  n e t wor k  l i f e t i m e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 :   60 1 - 61 2   608   F i gur e   4  de pi c t s   t h e   de c l i ne   i n   t h e   n u m be r   o f   l i ve   n o de s   i n   a   W S N   a f t e r   2 , 000   r o un ds   o f   o pe r a t i o n .   T h e   gr a ph   s h o ws   a   s t e e p  d r o p   a t  f i r s t ,   wi t h   a   l a r ge   n u m b e r   o f   n o de s   l o s i n g  po we r   qui c k l y ,   m o s t  l i ke ly   due   to  hi g h   e ne r g y   de m a n ds   o r   i n e f f i c i e n t   e n e r g y   us e .   F o l l o w i ng  t hi s   pha s e ,   t h e   de c l i ne   i n   li ve   n o de s   i s   m o r e   gr a dua l ,   i n d i c a t i n g  e i t h e r   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   e ne r g y   c o n s e r v a t i o n   m e a s ur e s   o r   i nh e r e n t   v a r i a bil i t y   i n   n o de   e n e r g y   c o n s u m pt i o n   r a t e s .   N ot a bl y ,   t h e r e   a r e   t i m e s   wh e n   t h e   n u m be r   o f   a c t i v e   n o de s   r e m a i ns   c o n s t a n t ,   i nd i c a t i n g  a   t e m po r a r y   s t a bil i z a t i o n   i n   n e t wo r k   a c t i vi t y .   T h e s e   p l a t e a us   m a y   i nd i c a t e   t h e   a c t i v a t i o n   o f   s l e e p  m o de s ,   e n e r g y   h a r v e s t i n g,   o r   ot h e r   s tr a t e gi e s   t h a t   t e m po r a r i ly   h a l t   t h e   n o de s ’   e n e r g y   d e p l e t i o n .   T owa r d  t h e   e n d  o f   t h e   o b s e r v e d  r o un ds ,   t h e   n u m be r   o f   li ve   n o de s   p l a t e a us ,   i m p l yi ng  t h a t   t h e   s ur vi v i ng   n o de s   a r e   po s s i bly   t h o s e   wi t h   l o we r   e n e r g y   d e m a n ds   o r   t h o s e   t h a t   a r e   b e t t e r   m a n a g e d,   i n d i c a t i n g  a   c r i t i c a l   po i n t   a t  whi c h   t he   n e t wo r k   m u s t   r e l y   o n   a   r e duc e d  i nf r a s t r uc t u r e   to  f u n c t i o n .   F i gur e   5  de p i c t s   a   c ur ve   o f   t h e   n u m be r   o f   pa c ke t s   s e n t   to   t h e   B S   i n   a   W S N   o v e r   2 , 000  r o un ds .     T h e   c ur ve   s l o pe s   upwa r d,   i n d i c a t i n g  a n   o v e r a ll   i n c r e a s e   i n   da t a   t r a n s m i s s i o n   o v e r   t i m e .   I ni t i a ll y ,   t he   n u m be r   o f   pa c ke t s   s e n t   to   t h e   B S   i n c r e a s e s   r a p i d ly ,   b ut   t h e n   be g i ns   to   t a pe r   a s   t h e   c ur v e   a ppr o a c h e s   a   p l a t e a u.     T hi s   pa t t e r n   i n d i c a t e s   t h a t   dur i n g  t h e   e a r l y   r o un ds ,   t h e   ne t wor k  i s   e x t r e m e ly   a c t i v e ,   w i t h   a ll   n o de s   c o n t r i b ut i n g  t o   da t a   t r a n s m i s s i o n .   A s   s h o w n   i n   F igur e   4,   t h e   r a t e   o f   pa c ke t s   s e n t   to   t h e   B S   i n c r e a s e s   s l o w l y   o v e r   t i m e ,   m o s t   l i ke ly   due   to  t h e   de c l i ni ng  n u m be r   o f   l i ve   n o d e s .   De s p i t e   t h e   de c r e a s e   i n   l i v e   n o de s ,     t h e   n e t wor k  m a i n t a i ns   a   c o n s i s t e n t   f l o w  o f   da t a   to  t h e   B S ,   i m p ly i ng  t h a t   t h e   s ur vi vi ng  n o de s   or   t h e   n e t wo r k   pr oto c o l   a r e   e f f e c t i v e ly   m a na g i n g  t h e   r e m a i n i ng  e n e r g y   t o  s us t a i n   t h e   n e t wo r k ’ s   pr i m a r y   f u nc t i o n  o f   da t a   co m m u ni c a t i o n .   T h e   p l a t e a u  n e a r   t h e   e n d  i nd i c a t e s   t h a t   t h e   n e t wo r k   h a s   r e a c h e d  a   s t a bl e   s t a t e   o f   t r a n s m i s s i o n ,   po s s i bl y   us i ng  mi n i m a l   e n e r g y   o r   o n ly   t h e   m o s t   e f f i c i e n t   r o u t e s .           F i g ur e   3 .   Num b e r   o f   de a d  n o de s             F i g ur e   4 .   Num b e r   o f   l i ve   n o de s     F i g ur e   5 .   P a c ke t s   to   B S       F i gur e   6  de pi c t s   t h e   tr a j e c t or y   o f   pa c ke t s   s e nt  to   C Hs   i n   a   W S N ,   s pa nni ng  2 , 000  r o un ds .     T hi s   a s c e n d i ng  c ur v e   s h o ws   a   c o n s i s t e n t   i n c r e a s e   i n   pa c ke t s   to  C Hs ,   whi c h   c o u l d  i n d i c a t e   t h a t   e f f i c i e n t   i n t r a - c l u s t e r   c o m m u ni c a t i o n   a n d  da t a   a ggr e ga t i o n   pr o toco l s   a r e   i n   p l a c e .   Unli ke   t h e   n u m be r   o f   pa c ke t s   to  t h e   BS   de p i c t e d  i n   F i gur e   5,   t hi s   gr a ph   s h o ws   a   s m o o t h e r   a n d  m o r e   gr a dua l   i nc r e a s e   i n   da t a   pa c ke t s ,   whi c h   c o ul d  b e  a tt r i b ut e d  to  e f f e c t i v e   l o a d  b a l a n c i ng  a m o n g  C Hs   a n d  r o b us t  r o u t i n g  s t r a t e gi e s   t h a t  c o m pe n s a t e   f o r   t h e   de c r e a s i ng  n u m be r   o f   l i ve   n o de s .   I t ’ s   l i ke ly   t h a t   a s   t h e   n e t w o r k   p r o gr e s s e s   t h r o ugh   t h e   r o un ds ,   t h e   C Hs   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n g  &   C o m p  S c i     I S S N:   2 5 0 2 - 4 7 52       E nhanc ing  e ne r gy   e ff icie nc y   and   r e li abil it y   in   w ir e les s   s e n s or   ne t w or k s   …  ( D.   K .   Shar e e f )   609   m a i n t a i n   c o m m u ni c a t i o n   w i t h   t h e   r e m a i n i ng  a c t i v e   n o de s ,   ke e pi n g  t h e   da t a   f l o w i ng.   T hi s   c o n s i s t e n t   gr o w t h   i s   a   p o s i t i ve   i n d i c a t or   o f   a   r e s i li e n t   n e t w o r k   s t r uc t u r e   i n   whi c h   C Hs   e f f e c t i v e ly   c o l l a t e   a n d  f o r wa r d   i nf o r m a t i o n   de s p i t e   c ha l l e n g e s   s uc h   a s   n o de   f a il ur e s   o r   e n e r g y   de p l e t i o n .   F i gur e   7  de p i c t s   t h e   d e c l i ne   i n  t h e   n u m be r   o f   C Hs   i n   a   W S N   o v e r   t h e   c o ur s e   o f   2 , 000  r o un ds .   I ni t i a l ly ,   t h e r e   a r e   m o r e   C Hs ,   i n d i c a t i n g  e f f e c t i v e   n e t wo r k  m a n a ge m e n t .   A s   t h e   r o un ds   pr o g r e s s ,   t h e   n u m be r   o f   C Hs   de c r e a s e s   i n   d i s c r e t e   s t e ps   r a t h e r   t h a n   gr a dua l ly ,   w hi c h   c o ul d  r e pr e s e n t   pe r i o d i c   r e - e l e c t i o n   of   C H s   o r   a da pt a t i o n   t o   t h e   n e t wor k ’ s   c h a n g i ng  e n e r g y   l a n d s c a pe .   T h e   s t e p - by - s t e p  r e duc t i o n ,   r a t h e r   t h a n   a   c o n t i n uo us   de c l i ne ,   s ugge s t s   p l a nn e d  r e c o nf i gur a t i o n s   i n   r e s p o n s e   to  c h a n g i ng  n e t wo r k   c o n d i t i o n s .   Af t e r   a   f e w   r o un ds ,   t h e   n u m b e r   s t a bi li z e s ,   i n d i c a t i n g  t h a t  t h e   r e m a i n i n g  C Hs   a r e   a de qua t e   to  h a n d l e   t h e   n e t wo r k   l o a d  o r   t h a t  t h e   pr oto c o l   n o   l o n ge r   a l l o w s   f o r   t h e   e l e c t i o n   o f   n e w   C Hs   due   to  e n e r g y   c o ns t r a i n t s .   T h e   f l a t   l i ne   n e a r   t h e   e n d   s ugge s t s   a   s t a bl e   s t a t e   i n   whi c h   t h e   n e t w o r k   o pe r a t e s   wi t h   a   s m a ll   n u m be r   o f   C Hs ,   p o s s i bl y   i n d ica t i n g  a   pe r i o d  o f   o p t i m a l   e n e r g y   u s a ge   a n d  n e t wo r k  m a n a g e m e n t .   T hi s   f i gur e ,   pa r t i c u l a r ly   i t s   s t e ppe d  pa tt e r n ,   e m p h a s i z e s   t h e   i m po r t a n c e   o f   e f f e c t i v e   CH   m a n a g e m e n t   i n   m a i n t a i n i ng  ne t wor k  f unc t i o na l i t y   o v e r   t i m e.             F i g ur e   6 .   P a c ke t s   to   CH     F i g ur e   7 .   Num b e r   o f   C Hs       F i gur e   8  de p i c t s   t h e   i ni t i a l   n e t wo r k   to p o l o g y   f o r   t h e   B i o GA T   m o de l ,   w hi c h   s h o ws   t h e   s pa t i a l   d i s t r i b ut i o n   o f   n o de s   a n d  m o bil e   s i nks   i n  a   W S N.   Gr e e n   do t s   r e pr e s e n t   s e ns o r   n o de s   d i s pe r s e d  t h r o u gh o ut   t h e   n e t wo r k ,   i n d i c a t i n g  a   r a n do m   de p l o ym e n t   to  m a xim i z e   c o v e r a ge .   T h e   r e d  d ot s   r e pr e s e n t   t h e   m o bil e   s i n ks ,   whi c h   a r e   s t r a t e gi c a ll y   p l a c e d  to  a l l o w  f o r   e f f i c i e n t   da t a   c o l l e c t i o n   a n d  e n e r g y   ut i li z a t i o n .   F i gur e   9  de p i c t s   t h e   s t a t us   o f   m o bil i t y   f o r   f o ur   m o bil e   s i nk s   i n   a   W S N  a f t e r   2 , 000   r o un ds ,   de m o ns t r a t i n g  t h e   d y na mi c   b e ha vi o r   m o de l e d  i n   t h e   B i o GA T   s y s t e m .   T h e   i s o l a t e d  r e d  do t s   r e pr e s e n t   t h e   m o bil e   s i nk s ’   po s i t i o ns   f o l l o w i ng  s i g nif i c a n t   n e t w o r k  a c t i vi t y ,   e m p h a s i z i ng  t h e i r   m o v e m e n t   a c r o s s   t h e   n e t wo r k   to   o p t i m i z e   da t a   a ggr e ga t i o n   a n d  e ne r g y   c o n s u m pt i o n .             F i g ur e   8 .   Ne t w o r k   to p o l o g y   a t   i ni t i a l   s t a ge   w i t h   n o de s   a n d  m o bi l e   s i n k s     F i g ur e   9 .   M o b i li t y   o f   4  m o bil e   s i nks   a f t e r   2 , 000  r o un ds       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a n   J   E l e c   E n g   &   C o m p  S c i ,  Vo l .   3 7 ,   N o .   1 ,  J a n ua r y   20 2 5 :   60 1 - 61 2   610   T a bl e   2  pr o vi de s   a   de t a i l e d  a n a ly s i s   o f   t h e   n e t wo r k ’ s   pe r f o r m a nc e   a c r o s s   t h r e e   r o un ds   ( 500,   750,   a n d  1 , 000)   f o r   a   100 - n o de   n e t w o r k ,   i l l u s t r a t i n g  th e   i n t e r a c t i o n   b e t we e n   va r i o us   m e t r i c s .   A s   t h e   nu m b e r   o f   r o un ds   i n c r e a s e s ,   s o   do e s   t h e   l i f e t i m e   o f   t h e   ne t wo r k ,   whi c h   r i s e s   f r o m   443. 21  s e c o n d s   a f t e r   500  r o un ds   to  621. 21  s e c o n ds   a f t e r   1 , 000  r o un ds ,   i n d i c a t i n g  t h a t   g r e a t e r   us a ge   e x t e n d s   t h e   n e t wo r k ’ s   l if e s pa n .   T h e   m e a n  t h r o ugh pu t  de m o n s t r a t e s   a   m a r g i n a l   de c l i ne   f r o m   141  kb ps   dur i n g  t h e   i ni t i a l   i t e r a t i o ns   to  138   kb ps   d ur i n g  t h e   i n t e r m e d i a t e   s t a ge s ,   b e f o r e   r e t u r ni n g  t o  140  kb ps ,   w hi c h   s ugge s t s   a   r o b us t   tr a n s mi s s i o n   c a pa bil i t y .     T h e   gr a dua l   i nc r e a s e   i n   a ve r a ge   e n d - to - e n d  de l a y   f r o m   0. 3837  s e c o n ds   t o   0 . 4432  s e c o n ds   m a y   b e   a   r e s u l t   o f   i nc r e a s e d  n e t wo r k   c o n ge s t i o n   o r   r o un d  l e n gt h   c o m p l e xi t y .   B e g i nn i ng  a t   0 . 946,   r e a c hi n g  a   m a xim u m   o f   0. 951  a f t e r   750   r o un ds ,   a n d  t a pe r i n g  s li g h t l y   t o  0 . 949 ,   t h e   pa c ke t  de l i ve r y   r a t i o   r e m a i ns   r e l a t i v e ly   s t a bl e   a n d   de pe n d a bl e   t h r o ugh o u t  t h e   n e t wor k ’ s   o pe r a t i o n .   T h e   a f o r e m e n t i o n e d  m e t r i c s   i n d i c a t e   t h a t  t h e   n e t wo r k   m a i n t a i ns   i t s   pe r f o r m a n c e   a tt r i b ut e s   de s p i t e   gr o wi n g  de m a n ds ;   i t   s t r i k e s   a   h a r m o ni o u s   e qu i li br i u m   b e t we e n  dur a bil i t y ,   c o n s i s t e n t   t h r o ugh put ,   a n d  de pe n d a bl e   pa c ke t   di s t r i b ut i o n .       T a bl e   2.   C o m pa r i s o n   o f   va r i o us   n e t wo r k   pa r a m e t e r s   f o r   di f f e r e n t   r o un ds   f o r   100   n o de s   N e tw o r k  p a r a m e t e r s   R o unds  ( f o r  n o d e s = 100)   500   750   1 , 000   L i f e ti m e  ( S e c s )   443.21   471   621.21   A ve r a ge   t hr o ughput ( kbps )   141   138   140   A ve r a ge   e nd - to - e nd de la y   ( S e c s )   0.3837   0.4131   0.4432   P a c k e t  de l i v e r y  r a ti o   0.946   0.951   0.949       4. 1.     P e r f o r m an c e   e val u at ion   F i gur e   10  s h o ws   a n   a v e r a g e   e n e r g y   c o n s u m pt i o n   p l o t   t h a t   c o m pa r e s   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   v a r i o us   a l go r i t hm s   o v e r   a   r a n ge   o f   100  to   300   n o de s ,   wi t h   B i o GA T ,   t h e   pr o p o s e d  m e t h o d,   h i g hli g h t e d  i n  pur pl e .   Nu m e r i c a ll y ,   B i o G A T   o u t pe r f o r m s   t h e   ot h e r   m e t h o ds   ( GS - E E R A ,   E H R ,   S A C R E H,   a n d  E HPR P )   by   m a i n t a i n i ng  t h e   l o we s t   a v e r a ge   e n e r g y   c o n s u m pt i o n   a s   t h e   n u m be r   o f   n o de s   gr o ws .   F i gur e   11  i ll us t r a t e s   t h e   pr o gr e s s i o n   o f   t h e   pa c k e t   de l i ve r y   r a t i o   f o r   f i ve   d i s t i n c t   m o de l s   a s   t h e   n e t wo r k   s i z e ,   de n o t e d  by   t h e   qua n t i t y   o f   n o de s ,   i nc r e a s e s .   T h e   pr o p o s e d  B i o GA T   m o de l ,   de n o t e d  b y   pur p l e   t r i a n g l e   m a r ke r s ,   c o n s i s t e n t l y   m a i n t a i ns   t h e   hi g h e s t  de l i ve r y   r a t i o ,   whi c h   c o m m e n c e s   a t  0 . 95,   s ur pa s s i ng  a ll   ot h e r   m o de l s .   GS - E E R A   ( c i r c l e d  i n   r e d)   e xhi b i t s   r o b us t n e s s   a s   we ll ,   a s   e vi de n c e d  by   i t s   i ni t i a l   r a t i o   o f   0. 92  a n d  t h e   pr e s e n c e   o f   o nly   mi n o r   f l uc t ua t i o n s .   F i gur e   12  pr e s e n t s   a   gr a phi c a l   r e pr e s e n t a t i o n   o f   t he   m e a n   e n d - to - e n d  de l a y   f o r   f i ve   d i s t i nc t   m o de l s ,   s pa nni ng  a   v a r i e t y   o f   n e t wo r k  s i z e s .   T h e   gr a p h   a c c o un t s   f o r   pr a c t i c a l   f l uc t ua t i o ns   i n   pe r f o r m a nc e   whil e   uph o l d i ng  pr e de t e r m i ne d  e n d  v a l ue s .   B i o GA T   ( i nd i c a t e d  by   t h e   t r i a n g l e   a n d  pur p l e   m a r ke r s )   de m o n s t r a t e s   o p t i m a l   p e r f o r m a n c e   w i t h   m i n im a l   l a t e n c y ,   c o m men c i ng  a n d  c o n c l ud i ng  a t   0. 38   s e c o n ds .   T hi s   s u b s t a n t i a t e s   i t s   e f f e c t i v e n e s s   a n d  r e s il i e n c e   i n  m a n a g i ng  n e t wo r k  tr a f f i c ,   e v e n   w he n   t h e   ne t wor k  e x pa n d s   in   s c a l e .  S t a bi li t y   i s   i nd i c a t e d  by   t h e   f a c t   t h a t   GS - E E R A   ( c i r c l e d,   r e d  m a r ke r s )   m a i n t a i ns   a   de l a y   o f   0. 8  s e c o nds   a c r o s s   a l l   n o de   s i z e s .   T h e   n u m e r i c a l   da t a   i ll us t r a t e s   B i o GA T ’ s   e x c e pt i o n a l   a bi li t y   t o  s us t a i n   m i n im a l   l a t e n c y ,   a n  e s s e n t i a l   e l e m e n t   f o r   s tr e a m li ne d  n e t wo r k   o pe r a t i o n s .             F i gur e   10.   A v e r a ge   e n e r g y   c o n s u m pt i o n   p l o t     F i gur e   11.   P a c ke t   de l i ve r y   r a t i o   c o m p a r i s o n   p l o t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.