I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   3 8 ,   No .   2 ,  Ma y   20 2 5 ,   p p .   928 ~ 9 39   I SS N:  2 502 - 4 7 52 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijee cs .v 3 8 . i 2 . pp 928 - 9 39           928     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ee cs . ia esco r e. co m   Fuzzy ba sed  ener g y  ef ficien t  clus te r head   sele ction w ith  ba la nced cluste rs  forma tion in   w ire less  senso r net wo rks       M a rut hi H a nu m a ntha pp a   C ha nd ra pp a 1 ,2 ,  P o o rnim a   G o v ind a s wa m y 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   G o v e r n m e n t   En g i n e e r i n g   C o l l e g e ,  K u sh a l n a g a r ,  I n d i a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s a n d   C o m mu n i c a t i o n   En g i n e e r i n g ,   B M S   C o l l e g e   o f   En g i n e e r i n g ,   B e n g a l u r u ,  I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   2 4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Oct  2 7 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   No v   1 1 ,   2 0 2 4       Th e   imp o rtan c e   o f   e n e rg y   c o n se r v a ti o n   p re se n ts  a   c o n si d e ra b le  c h a ll e n g e   i n   wire les s  se n so r  n e two rk s   (W S Ns ),   wh e re   th e   se n so r   n o d e s  ( S Ns )  th a t   c o n stit u te  th e   n e two rk   d e p e n d   o n   b a tt e ry   p o we r.   Re c h a rg i n g   th e   b a tt e ries   o f  S Ns   in   t h e   fiel d   is   c h a ll e n g in g .   Th e   c lu ste rin g   tec h n i q u e   is  a   c o m m o n ly   e m p lo y e d   m e th o d   fo r   a tt a in i n g   e n e rg y   e fficie n c y .   In   th is  a rt icle ,   we   a re   p ro p o sin g   a   fu z z y - b a se d   e n e rg y   e fficie n t  c lu ste r  h e a d   (CH)   se lec ti o n   with   t h e   b a lan c e d   c lu ste r  fo rm a ti o n   (F EE CH - BCF )  tec h n iq u e .   It  is  a   h y b rid   o f  t h e     k - m e a n s   a lg o r it h m ,   lo w   e n e rg y   a d a p ti v e   c l u ste rin g   h iera rc h y -   u n ifo rm   siz e   c lu ste r  (LE ACH - USC)  tec h n i q u e ,   a n d   f u z z y   l o g ic   tec h n iq u e .   T o   c re a te  th e   c lu ste rs,  th e   k - m e a n s  a p p r o a c h   is   e m p lo y e d .   T h e   id e a   o f  LE ACH - U S C  is  u se d   fo r  lo a d   b a la n c in g   to   p r o d u c e   c lu ste rs  with   u n if o rm   siz e   b y   a ss ig n i n g   m e m b e r  n o d e s   (M Ns )  fr o m   lar g e r  c lu ste rs  to   sm a ll e r  c lu ste rs.  O p ti m ize d   CHs   a re   se lec ted   u sin g   f u z z y   b a se d   CH  se lec ti o n   tec h n i q u e .   T h e   k - m e a n s  a lg o rit h m   is  sim p le  a n d   q u ick   to   se t  u p ,   a ss ig n in g   th e   m e m b e rsh i p   o f  S Ns   to   th e   n e x t   b e st   c lu ste r  b a se d   o n   c e n tr o id   l o c a ti o n s  o f  c lu ste rs  re d u c e s  in tra - c lu st e r  d istan c e   a m o n g   c lu ste rs,  a n d   with   th e   h e lp   o f  f u z z y   lo g ic,  o p ti m ize d   CH s  will   b e   se lec ted .   Th e   p ro p o se d   a lg o rit h m   p e rfo rm s  e x c e p ti o n a ll y   we ll   i n   a tt a in in g   u n if o rm   e n e rg y   c o n su m p ti o n   a m o n g st  c l u ste rs  a n d   e x te n d s  t h e   n e two rk ’ s  li fe ti m e   to   a   g re a ter ex te n t.   K ey w o r d s :   B alan ce d   clu s ter s   C lu s ter   h ea d   s elec tio n   E n er g y   ef f icien cy   Fu zz y   lo g ic   K - m ea n s   alg o r ith m   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma r u th i H an u m a n th ap p a  C h an d r ap p a   Dep ar tm en t o f   E lectr o n ics an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,   Go v er n m e n t  E n g in ee r in g   C o lleg e   Ku s h aln ag r ,   5 7 1 2 3 4   I n d ia   E m ail:  m ar u th ib elag e r e@ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N     A  wir eles s   s en s o r   n etwo r k   ( W SN)   co n s i s ts   o f   s en s o r   n o d es  ( SNs )   th at  ar e  co m p ac t,  co s t - ef f ec tiv e,   s im p le,   an d   ca n   b e   d ep lo y ed   q u ick ly   [ 1 ] ,   [ 2 ] .  SNs   in ter ac t  with   ea ch   o th er   an d   p e r ce iv e  th eir   en v ir o n m e n t,   en co m p ass in g   f ac to r s   s u ch   as  lig h t,  tem p er at u r e,   v ib r at io n ,   s o u n d ,   m o tio n ,   an d   n u m er o u s   ad d itio n al  p ar am eter s .   E ac h   n o d e  f r eq u e n tly   lin k s   to   o th er   n o d es  in   o r d er   to   e x ch an g e  in f o r m atio n   r eg ar d in g   p o t e n tial   ev en ts   th at  m ay   tak e   p lace   in   a  s p ec if ic  en v ir o n m en t.  T h e  c lu s ter in g   tech n iq u e  is   wid ely   u tili ze d   f o r   e n er g y - ef f icien t  co m m u n icatio n   b etw ee n   th e  SNs   an d   th e   b ase  s tatio n   ( B S) .   T h e  BS   ca n   eith e r   b e  m o b ile  o r   f ix e d .     A  clu s ter ed   W SN   co m p r is es  m u ltip le  clu s ter s ,   with   e ac h   clu s ter   co n tain i n g   a   clu s ter   h ea d   ( C H)   a n d   its   ass o ciate d   m em b er   n o d es   ( M Ns) .   SNs   g ath er   in f o r m atio n   a n d   r ec o r d   v alu es  b ef o r e   s en d in g   th em   to   th e   B S  [ 3 ] ,   [ 4 ] .  T h e  f u n ctio n   o f   C H  is   to   g ath er   d ata   f r o m   its   MN s   an d   tr an s m it  it  to   th e  B S  th r o u g h   eith er   s in g le - h o p   o r   m u lti - h o p   d ata  t r an s m is s io n   [ 5 ] .   T h e  clu s ter in g   tech n iq u e   en h an ce s   n etwo r k   lo n g e v ity   b y   r e d u cin g   en e r g y   u s ag e  an d   c o m m u n icatio n   o v e r h ea d   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   A  t y p ical  clu s ter ed   W SN m o d el  is   s h o wn   in   F ig u r e   1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       F u z z y  b a s ed   en erg y  efficien t c lu s ter h ea d   s elec tio n   …  ( Ma r u th i H a n u ma n t h a p p a   C h a n d r a p p a )   929       Fig u r e   1 .   T y p ical  c lu s ter ed   W SN m o d el       On e  o f   th e  p r o m in en t p r o to c o l s   in   th e  clu s ter in g   tech n iq u e,   l o w  en er g y   a d ap tiv e  clu s ter in g   h ier ar ch y   ( L E AC H )   [ 8 ] ,   co n s id er s   SNs   to   b e  h o m o g en e o u s   an d   d is tr ib u ted   in   th e  d ep lo y m e n t  ar ea   r an d o m ly .     T h is   p r o t o co l  h as  th r ee   p h ases   p er   r o u n d :  th e  ad v er tis em en t  p h ase,   th e  s etu p   p h ase,   an d   th e   s tead y   s tate   p h ase.   E v er y   r o u n d ,   SNs   will c o m p ete  to   b ec o m e   C H  u s in g   th e  th r e s h o ld   f o r m u la.      ( ) = { 1 − (      1 ) ,    ∈ 0 ,  ℎ                ( 1 )     W h er e ,   K   Pre f er r ed   p er ce n tag e  o f   C Hs ,   r   C u r r en t r o u n d ,   S   Set o f   n o d es th at  wer e   n o t CHs   in   r o u n d s   1 /K ,   T r ( n )   T h r esh o ld   v alu e  o f   n th   n o d e .   Usi n g   ( 1 ) ,   ea ch   SN   ev alu ate s   r an d o m   n u m b er s   th e y   g en e r ate  ( r an g in g   f r o m   0   to   1 )   a g ain s t  th e  estab lis h ed   th r esh o ld   v alu e.   Sh o u ld   th e  p r o d u ce d   r a n d o m   n u m b er   f all  b elo w  th e  th r esh o ld   v alu e,   th e  d esig n ate d   n o d e  ass u m es  th e  r o le  o f   C H  f o r   th at  r o u n d ,   s u b s eq u en tly   a n n o u n ci n g   its el f   as  C H.   T h e  r em ain in g   SNs   co n n ec t  to   th e  ch o s en   C H   ac co r d in g   to   th e  s ig n al  s tr en g th   o f   th e  ad v er tis in g   C H   th ey   r ec eiv e.   Du r in g   th e  s etu p   p h ase,   MN s   in f o r m   th eir   m em b er s h ip   s tatu s   to   th e  C H  u s in g   c ar r ier   s en s e  m u ltip le   ac ce s s /co llis io n   a v o id a n ce   ( C SMA/ C A) .   A  tim e  d iv is io n   m u ltip le  ac ce s s   ( T DM A)   s ch e d u le  is   im p le m en ted ,   f ea tu r i n g   a  v ar iab le  n u m b er   o f   tim e  s lo ts   th at  co r r esp o n d   t o   th e  n u m b e r   o f   MN s   in v o lv e d .   Du r in g   th e  s tead y   s tate  p h a s e,   MN s   will  s leep   u n til  th eir   s ch ed u led   tim e  a n d   t r an s m it  d u r i n g   t h eir   tim e   s lo t.  C H  g ath er s   in f o r m atio n   f r o m   MN s ,   ag g r eg ates   all   th e  d ata  f r o m   its   MN s ,   an d   tr a n s m its   it  to   th e  B S.   C lu s ter s   c r ea ted   b y   L E AC H  ar e  u n b ala n ce d   as  th e  n u m b er   o f   n o d es  p er   cl u s ter   is   u n e q u a l,  lead in g   to   s m all - s ized   clu s ter s   h av in g   m o r e  tim eslo ts   in   th e  d ata  tr a n s m is s io n   p h ase  an d   co n s u m in g   m o r e  e n er g y   co m p ar ed   to   lar g e - s ize d   clu s ter s   as  th o s e   MN s   tr an s m it  th eir   d ata  m o r e   o f ten   co m p ar ed   to   lar g e r   clu s ter s .   T h e  b alan ce d   clu s ter   s ize  f o r m atio n   ( B C F)  ap p r o ac h   was  in tr o d u ce d   b y   Pal  et  a l.   [ 9 ]   to   c r ea te  clu s ter s   h av in g   b ala n ce d   s ize.   T h e  clu s ter   g en er atio n   p r o ce d u r e  in   B C F  is   d iv id ed   in to   two   s tep s .   T h e  r escu e  p h ase  f o llo ws  th e  in itial  cl u s ter   f o r m atio n .   No d es  will  jo in   u p   wi th   th e  n ea r est  C H  d u r in g   th e  i n itial  p h ase,   r e f er r e d   to   as  in itial   clu s ter   f o r m atio n ,   d eter m in ed   b y   th e  s ig n al  in ten s ity   o f   th e  ad v er tis em en ts   r ec eiv ed   f r o m   th e  C Hs. ,  an d   ea ch   cl u s ter   ca n   h a v e  m ax im u m   T h cluster   MN s ,   wh ich   is   g iv en   b y   th e  ( 2 ) :     ℎ  =   ( 2 )     N  d en o tes  th e  to tal  co u n t  o f   S Ns,  wh ile  X  s ig n if ies  th e  n u m b er   o f   C Hs.  T h e  Th cluster   co n s tr ain t  m ay   r esu lt  in   a  lim ited   n u m b er   o f   n o d es  r em ain in g   u n clu s ter ed .   Du r in g   th e  r escu e  p h ase,   u n clu s ter ed   n o d es  wi ll  co n n ec t  t o   th e   C H   th at  is   with i n   a  d is tan ce   eq u al  to   o r   less   th an   Th distance   an d   h as  a   n u m b er   o f   MN s   f ewe r   th an   Th cluster .   Ho wev er ,   clu s ter s   f o r m ed   b y   th is   m eth o d   will o v er l ap   in   n atu r e  an d   q u ick l y   d ep le te  en er g y .   T o   s o lv e  th is   is s u e  Sin g h   et  a l .   [ 1 0 ]   in tr o d u ce d   t h e  lo w  en er g y   ad ap ti v e  clu s ter in g   h ier ar c h y   u n i f o r m   s ize  clu s ter   ( L E AC H - USC )   a p p r o ac h .   T h is   ap p r o ac h   also   em p lo y s   th e  clu s ter   f o r m atio n   an d   r ef u r b is h m en t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 8 ,   No .   2 ,  May   20 2 5 :   9 2 8 - 9 39   930   p h ase.   B y   u s in g   th e  L E AC H  tech n iq u e  clu s ter s   ar e  f o r m e d   in   th e  clu s ter   f o r m atio n   p h ase.   I n   th e  r ef u r b is h in g   p h ase,   clu s ter s   ar e  ar r an g ed   in   d ec r ea s in g   o r d er   b y   co n s id er in g   ea ch   clu s ter ’ s   to tal  n u m b er   o f   MN s .   T h e  b ig g est  clu s ter   is   f o u n d   f ir s t.  T h e  e x c ess   n o d es,  k   =  MN s   −  T h cluster ,   ar e  ass ig n ed   to   th e  n e x t  b est  clu s ter   b ased   o n   th e   d is tan ce   f r o m   SNs   to   o th er   C Hs  p r o v id ed   k   <  0   f o r   t h e   n ex t   b est  C H.   Un if o r m - s ize d   clu s ter s   d ec r e ase     in tr a - clu s ter   d is tan ce   wh ile  en ab lin g   ef f ec tiv e   d ata  f lo w  o n   t h e  n etwo r k .   C r ea tin g   u n if o r m   clu s ter s   b ased   o n   C H  lo ca tio n   af ter   ea ch   r o u n d   in cr ea s es  th e  c o m p u tatio n   co m p lex ity   a n d   r ec l u s ter in g   t h e  n etwo r k   in cr ea s es  en er g y   co n s u m p tio n .   I n   o u r   p r o p o s ed   ap p r o ac h ,   we  h av e   u s ed   th e  k - m ea n s   alg o r ith m   t o   cr ea te  in itial  clu s ter s .   T h e  l ar g est  clu s ter   is   id en tifie d   am o n g   all.   B ased   o n   Th cluster ,   th e  ex ce s s   n u m b er s   o f   MN s   f r o m   th at  clu s ter   ar e  as s ig n ed   to   th e  n ex t b est clu s ter .   T h e  ce n tr o id   o f   th e   clu s ter   is   u s ed   in s tead   o f   C H  f o r   ass ig n in g   m em b e r s h ip   to   t h e  n ex t  b est  clu s ter .   T h e   cr ea ted   cl u s ter   will  b e   u n to u c h ed   f u r th er .   Am o n g   th e   r est  o f   th e  cl u s ter s ,   th e  lar g es t  clu s ter   is   id en tifie d   ag ain   an d   th e  s am e  p r o ce s s   co n tin u es  u n til  all  th e  clu s ter s   h av e  an   e q u al  n u m b e r   o f   M Ns.  On ce   th e  u n i f o r m - s ized   c lu s ter s   ar e  cr ea ted ,     n o   f u r th er   r ec lu s ter in g   is   r eq u ir ed .   Am o n g   MN s   in   ea ch   clu s ter ,   C H  will  b e  ch o s en   u s in g   f u zz y   l o g ic.     Netwo r k   lo n g e v ity   is   in cr ea s ed   b y   an   e f f ec tiv e  C H  s elec tio n   m eth o d   [ 1 1 ] .   T h e  attr ib u tes u s ed   f o r   th is   p u r p o s e  ar e  th e  n o d e ’ s   r em ain i n g   en e r g y   an d   n o d e  ce n tr ality .   T h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   d em o n s tr ates  im p r o v e d   u n if o r m - s ized   clu s ter s ,   wh ich   lead s   to   a  r ed u ctio n   in   i n tr a - clu s ter   c o m m u n icatio n   d is tan ce   an d   a n   ex ten d e d   n etwo r k   life tim e  wh en   co m p ar ed   to   L E AC H,   B C F,  an d   L E A C H - USC .   T h e  s u b s eq u en t  s ec tio n s   o f   th e  ar ticle  ar e  s tr u ctu r ed   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   p r esen ts   th e  p r o b lem   s tatem en t,  s ec tio n   3   r ev iews  r elat ed   wo r k s ,   s ec tio n   4  o u tlin es  th e  p r o p o s ed   ap p r o a ch ,   an d   s ec tio n   5   ad d r ess es  r esu lts   an d   d is cu s s io n .   I n   s ec tio n   6   p r o v id es  th e   co n clu s io n   o f   th is   ar ticle.       2.   P RO B L E M   ST A T E M E NT   E n er g y   ef f icie n cy   is   cr u cial  wh ile  d esig n in g   th e   W SN.  T h e  clu s ter in g   tech n i q u e   ca n   in cr ea s e  th e   en er g y   e f f icien cy .   Ho we v er ,   cr ea tin g   ef f icien t  clu s ter s   an d   s elec tin g   o p tim al  C Hs  ar e  th e  k ey   co n c er n s .     T h e  is s u e  ass o ciate d   with   th e  o v er lap p i n g   o f   clu s ter s   as  in   B C F  is   ad d r ess ed   in   L E AC H - U SC .   T h e  clu s ter s   ar e   f o r m ed   b ased   o n   th e   C H.   Ho wev er ,   clu s ter   f o r m atio n   is   in ef f ec tiv e,   as  C Hs  ar e  s elec ted   b as ed   o n   th e  p r o b a b ilit y   v alu e  as  u s ed   in   t h e  L E AC H  p r o to co l.   Fu r th e r ,   b ased   o n   t h e  in itial  clu s ter   s ize,   if   k <= 0   f o r   th e  p ar ticu lar   clu s ter ,   th e  MN s   alr ea d y   ass ig n ed   to   th at  co r r esp o n d in g   C H  will  b e  u n to u ch e d .   Ho wev er ,   t h e  d i s tan ce   b etwe en   th e   MN s   an d   C H  is   n o t  co n s id e r ed .   Kee p in g   th o s e  MN s   u n t o u ch ed   an d   o n ly   th e  r e q u ir e d   n u m b er   o f   MN s     ( i.e . ,   m   =  T h cluster   -   MN s )   to   th at  clu s ter   will b e  g iv en   m em b er s h ip   f r o m   o th e r   clu s ter s .   I t  will lea d   to   in cr ea s ed   in tr a - clu s ter   d is tan ce .   T h e  co n v en tio n al  L E AC H  tech n iq u e  s elec ts   C H  in   ea ch   r o u n d ,   wh ic h   will  n o t  g u ar an tee  h ig h er   en er g y   ef f icien c y .   T h e  f r eq u en c y   with   wh ich   t h e  s am e  n o d e s   b ec o m e  C H  ag ain   m ig h t  af f ec t  th e   n etwo r k ’ s   lo n g e v ity   as  C H s   a r e  p ick ed   r an d o m ly .   Als o ,   r ec lu s ter in g   is   d o n e  af ter   ea ch   r o u n d   an d   co n s u m es  s ig n if ican t  en er g y .   T o   r eso lv e  th ese  is s u es,  f u zz y - b ased   en er g y   ef f icien t  C H  s elec tio n   with   th e  b alan ce d   clu s ter   f o r m atio n   FEE C H - B C F,  wh ich   ac h iev es  b alan ce d   clu s ter s ,   r ed u ce d   i n tr a - clu s ter   co m m u n icatio n   d is tan ce ,     an d   ef f icien t CH selectio n ,   is   p r o p o s ed   in   th is   wo r k .       3.   RE L AT E D  WO RK   E ac h   n o d e  g at h er s   d ata  f r o m   th e  en v ir o n m e n t  an d   tr an s m i ts   it  to   its   C H   in   th e  L E A C H  p r o to co l.     Data   is   co m p r ess ed   b ef o r e  b ei n g   s en t  to   th e  s in k .   R ed u ce d   c o m m u n icatio n   p ac k ets  ar e  s en t,  an d   th e  life s p an   o f   W SN s   is   ex ten d ed   [ 1 2 ] .  Ne v er th eless ,   it  p r esen ts   s ev er al  lim itatio n s ,   s u ch   as  th e  ar b itra r y   s elec tio n   o f   CH s   an d   th e  n ec ess ity   o f   f o r m in g   cl u s ter s   in   ea ch   iter atio n .   W ib o wo   et  a l.  [ 1 3 ]   e x p lo r es  h o w  th e  m ac h in e  lear n in g   ( ML )   m eth o d s   em p lo y ed   in   W SN s   af f ec t  en er g y   e f f icien cy   b y   c o m p a r in g   th em   to   th e  L E AC H  p r o t o co l  an d   p r o p o s in g   clu s ter - b ased   r o u tin g   al g o r ith m s   th at  tak e  ad v an tag e  o f   t h e  k - m ea n s   an d   t h e  o p tim al  v alu e   f o r   clu s ter in g .   T h is   s o lu tio n   r e d u ce s   en er g y   u s ag e,   r esu ltin g   in   a  b ala n ce   b etwe en   th e  en er g y   co n s u m p tio n   o f   th e  C Hs.   Pu r i  an d   B h u s h an   [ 1 4 ]   in clu d e d   th e  k - m ea n s   clu s ter in g   ap p r o ac h   in   th ei r   m eth o d   u s ed   in   u n s u p er v is ed   ML   u n d er   clu s ter in g   s in ce   it  is   b en ef icial  in   p r o lo n g in g   th e  n etwo r k ’ s   life .   I n   th is   p r o ce d u r e ,   K  p o in ts   o r   m ea n s   ar e  in itially   ass ig n ed   at  r an d o m ,   an d   th e n   ea ch   item   is   class if ied   u s in g   th e  m ea n   th at  is   clo s est  to   it.  T h e  av er ag es   o f   th e  elem en ts   f o r m er ly   d esig n ated   as  th e  m ea n   ar e  u p d ated   af ter   th e  m ea n ’ s   p lace m en ts   h av e  b ee n   m o d i f ied .   T h e  p r o ce s s   is   co n tin u ed   u n ti l  n o   n ew  m o d if icatio n s   to   th e  p r o ce d u r es  ar e   f o u n d .   T h is   ap p r o ac h   is   ca lled   iter ativ e  r ef in in g .   A  n o v el  co n ce p t  f o r   W SNs   th at  in teg r ates  an t  co lo n y   o p tim iz atio n   with   k - m ea n s   clu s ter in g   f o r   en er g y - ef f icien t  r o u tin g   is   s h o wn   in   [ 1 5 ] .   T h e   f in d in g s   in d icate   th at   th e  m eth o d   ( AOC  +   k - m ea n s )   s u r p ass es  th e  m o s t  p r ev alen t  p o wer - awa r e  p r o to c o ls .   Fu zz y   lo g ic  is   f r e q u en tly   em p lo y ed   in   clu s ter in g   al g o r it h m s   b ec au s e  to   its   r elativ ely   lo wer   co m p u tatio n a l e x p en s e,   r ed u ce d   p r o ce s s in g   d em an d s ,   ef f icien t im p lem e n t atio n ,   an d   ex ten d ed   n etwo r k   lo n g ev ity   [ 1 6 ] – [ 1 8 ] .   T h e  o v er h e ad   lin k ed   to   s elec tin g   CH   is   d im in is h ed   b y   th e  ap p licatio n   o f   f u zz y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       F u z z y  b a s ed   en erg y  efficien t c lu s ter h ea d   s elec tio n   …  ( Ma r u th i H a n u ma n t h a p p a   C h a n d r a p p a )   931   lo g ic - b ased   clu s ter in g   tech n i q u es.  E x am p les  o f   f u zz y   lo g ic - b ased   alg o r ith m s   in clu d e  th e   f u zz y   lo g ic - b ased   clu s ter in g   p r o to c o l  f o r   u n if o r m   s ize  clu s ter   f o r m atio n   ( FUS A)   [ 1 9 ] ,  CH   elec tio n   with   f u zz y   lo g ic  ( C HE F)  [ 2 0 ] ,  FLE C H  [ 2 1 ] ,  en er g y   awa r e  u n eq u al  clu s ter in g   with   f u zz y   lo g ic  ( E AUCF )   [ 2 2 ] ,   an d   en er g y   ef f icien t  alg o r ith m - f u zz y   C - m ea n s   (EEA - FC M)   [ 2 3 ] .   No tab ly ,   th ese  f u zz y   lo g ic - b ased   clu s ter in g   m eth o d s   ex t en d   th e  lo n g ev ity   o f   n etwo r k s .       4.   P RO P O SE D  WO RK   T h e  p r o p o s ed   FEE C H - B C F a p p r o ac h   h as th e  f o llo win g   o b j ec tiv es:   −   Gen er ate  clu s ter s   o f   u n i f o r m   s ize.   −   R ed u ce   in tr a - clu s ter   d is tan ce .   −   E m p lo y   a n   ef f icien t CH selectio n   m eth o d .   −   I n cr ea s e  n etwo r k   life tim e.   E u clid ian   d is tan ce   is   u s ed   in   th e  k - m ea n s   alg o r ith m   to   f o r m   t h e  clu s ter s .   C en tr o id s   ar e  in itially   s elec ted   r an d o m l y   with in   th e  n etwo r k .   No d e   I D,   its   r e m ain in g   en er g y ,   a n d   lo ca tio n   ar e   co llected   [ 2 4 ] .   T h e  ce n tr o id   clo s est  to   th e  n o d e  s h o u ld   b e   ch o s en   af ter   ca lcu latin g   th e  E u clid ian   d is tan ce   b etwe en   e ac h   n o d e  a n d   ea c h   ce n tr o id   a n d   u p d atin g   th e  lo c atio n   o f   th e  ce n tr o id   till   th e  o p tim al  lo ca tio n   is   f o u n d .   Ho wev er ,   th e  cl u s ter s   cr ea ted   will b e  o f   n o n - u n if o r m   s izes in itially .   W e  ar e  in s p ir ed   b y   L E AC H - USC   to   ass ig n   ex ce s s   MN s   f r o m   a  lar g e r   clu s ter   to   a   s m aller   clu s ter   b y   co n s id er in g   th e  d is tan ce   b etwe en   th e  n ex t  b est  ce n tr o id s   an d   ex ce s s   SNs   o f   t h e  lar g er   clu s ter .   T o   d eter m i n e  th e   Th cluster ,   we  ca lcu lated   th e  to tal  n u m b er   o f   SNs   with in   th e   d ep lo y m e n t  ar ea   an d   d iv id e d   it  b y   th e  r eq u ir e d   clu s ter s .   T wo   ca s es  ex is t.  I n   th e  f ir s t  s ce n ar io ,   wh e n   th e  r e m ain d er   is   ze r o ,   it  in d icate s   t h at  ea ch   clu s ter   will  co n tain   an   id en tical  n u m b er   o f   MN s .   I n   c ase  2 ,   wh e n   th e  r em ain d er   is   n o n - ze r o ,   it c an   b e  o b s er v ed   th at  all  b u t   o n e  clu s ter   will  co n tain   a n   eq u al  n u m b er   o f   MN s .   Fo r   ex am p l e,   if   th e  to tal  n u m b e r   o f   SNs   is   5 0   an d   th e  r e q u ir e d   clu s ter s   ar e  3 ,   th en   two   clu s ter s   will h av e  1 7   MN s ,   an d   o n e  clu s ter   h av e  1 6   MN s .   T h e  r em a in d er   was r o u n d ed   o f f   b y   c o n s id er in g   th e  d ig it  in   t h e  ten th s   p lace ;  if   it  is   les s   th an   5 ,   b o t h   th e  ten th s   p lace   an d   th e  s u b s eq u en t  p lace   ar e  s et  to   0 .   W h en   th e  d ig it  in   th e  ten th s   p lace   is   5   o r   h ig h er ,   th e  d ig it  in   th e  o n es  p lace   is   in cr em en ted   b y   1 ,   an d   all   s u b s eq u en t   d ig its   a f ter   th e  d ec im al   p o i n t  ar e   s et  to   0 .   MN s   o f   s m aller   cl u s ter s   will  also   b e   co n s id er e d   to   b e  ass ig n ed   to   th e  n ex t  b est  cl u s ter   wh ile  cr ea tin g   b alan ce d   clu s ter s .   B alan ce d   clu s ter s   cr ea ted   b y   th is   m eth o d   r em ain   th e  s am e  u n til  th e  e n d   o f   t h e  n etwo r k   life tim e,   i.e . ,   th er e  will  b e  n o   r ec l u s ter in g .   Af ter   m ak i n g   th e   u n if o r m - s ized   clu s ter s ,   C Hs  w ill  b e  ch o s en   u s in g   th e  f u zz y   l o g ic  ap p r o ac h   u s in g   r esid u al  e n er g y   a n d   ce n tr ality   p ar am eter s .     4 . 1 .     Net w o rk   c o n f ig ura t io n   C o n s id er   a  W SN  in clu d in g   ‘ N ’   SNs   p lace d   with in   a  M× M  m 2   ar ea .   T h ese  SN s   d etec t  th e  en v ir o n m en tal  p h y s ical  f ac to r s .   T h e  n etwo r k   m o d el  a n d   its   ass u m p tio n s   ar e  o u tlin ed   as  f o llo ws:   No d es  ar e   u n if o r m ,   s tatic,   a n d   o b liv io u s   t o   th eir   p o s itio n .   E v er y   SN  p o s s ess es  a  s leep   m o d e.   No d es  ca n   m o d if y   th eir   s ig n al  p o wer   b ased   o n   f r ee   s p ac e   o r   m u ltip ath   p r o p ag atio n   co n d itio n s .     4 . 2 .     E nerg y   m o del   T h e  f ir s t - o r d er   r a d io   m o d el   ca lcu lates  th e  n ec ess ar y   en er g y   f o r   ex ec u tin g   v ar io u s   o p er atio n s .     T h is   m o d el  p o s its   th at  th e  en er g y   ex p en d e d   in   d ata  tr an s m is s io n   co n s is t s   o f   two   co m p o n en ts :  en er g y   lo s t  in   o p er atin g   elec tr o n ic  cir cu itry   an d   en er g y   u tili ze d   in   s ig n al  am p lific atio n .   Fig u r e   2   s h o ws   an   en er g y   m o d el.     T h e  en er g y   ex p en d e d   in   tr a n s m itti n g   a  l - b it m ess ag e  ac r o s s   a  d is tan ce   d   is   r ep r esen ted   b y   ( 3 ) .      = { . + . ∊  . 2             <  . + . ∊  . 4             ≥      ( 3 )     T h e  elec tr o n ic  en er g y   E elec t   r ep r esen ts   th e  en er g y   d is s ip atio n   p er   b it  o f   th e  tr a n s m itter   o r   r ec eiv er   cir cu itry ,   wh ile  ε fs   an d   ε mp   d e n o te  th e  am p lifie r   m o d els.  Her e ,   d   s ig n if ies  th e   d is tan ce   b etw ee n   th e  tr a n s m itter   an d   r ec ei v er ,   a n d   d co   is   th e  r e f er en ce   d is tan ce   v alu e.   I f   d   is   less   th an   d co ,   t h e  f r ee - s p ac e  m o d el  is   em p l o y ed .     I f   d   ≥   d co ,   a   m u ltip ath   p r o p ag atio n   m o d el  is   em p lo y ed .   I n   f r ee   s p ac e,   en er g y   d im in is h es  in v er s ely   with   th e   s q u ar e  o f   t h e  d is tan ce .   I n   th e  ε mp   m o d el,   en e r g y   d im in is h es in v er s ely   to   th e   d 4 .   T o   r ec eiv e  th e   d ata,   th e  e n er g y   r eq u i r ed   is   ( 4 ) .      ( ) = .                                 ( 4 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 8 ,   No .   2 ,  May   20 2 5 :   9 2 8 - 9 39   932       Fig u r e   2 .   E n er g y   m o d el  o f   W SN       4 . 3 .     K - m e a ns   clus t er ing   T h e  FEE C H - B C F a p p r o ac h   g en er ates c lu s ter s   v ia  th e  k - m ea n s   alg o r ith m   [ 2 5 ]   as o u tlin ed   b elo w.   a.   T o   cr ea te  ‘ k ’   clu s ter s ,   in itially   p o s itio n   ‘ k ’   ce n tr o id s   at  ar b itr ar y   p lace s .   b.   T h e  ce n tr o id   n ea r est  to   th e  n o d e  s h o u ld   b e  s elec ted   af te r   co m p u tin g   th e  E u clid ea n   d is tan ce   b etwe en   ea ch   n o d e  an d   ea ch   ce n tr o id .   I n itial c lu s ter s   ar e  g en er ated   b y   t h is   ‘ k. ’   Ass u m e  th at  ‘ n ’   n o d es a r e   p r o v id e d ,   ea ch   o f   wh ich   b elo n g s   to   R d .   T h e  c h allen g e  o f   d eter m in in g   th e  m in im u m   v ar ian ce   cl u s ter in g   o f   th ese  n o d es  in to   ‘ k ’   clu s ter s   in v o l v es id en tify in g   th e  ‘ k ’   ce n tr o id s   m j k   =  1   i n   R d   s u ch   th at ,     1   ∑ ( 2 ( , ) )      = 1          ( 5 )     w h er e  d 2 (X i ,   m j )  d en o tes  th e   E u clid ea n   d is tan ce   b etwe en   X i   an d   m j .   T h e   p o in ts   j k i  =   1   ar e  k n o wn   as  clu s ter   ce n tr o id s   o r   as c lu s ter   m ea n s .   c.   R ec o m p u te  th e  lo ca tio n   o f   ea ch   clu s ter ’ s   ce n tr o id s   an d   id en tify   an y   p o s itio n al  alter atio n s   f r o m   th e  p r io r   iter atio n .   d.   Pro ce ed   to   STE P  2   if   an y   ce n tr o id   p o s itio n s   ch an g e;  o th er wis e,   th e  clu s ter s   ar e  f in alize d ,   an d   th e  clu s ter in g   p r o ce d u r e  is   co m p leted .     4 . 4 .     L o a d ba la ncing   T h e  p r o p o s ed   alg o r ith m   is   in s p ir ed   b y   th e  L E AC H - US C   lo ad - b alan cin g   tech n iq u e.   K - m ea n s   clu s ter in g   o u tp u ts   MN s   an d   c en tr o id s   o f   ea ch   clu s ter .   T h e  p r o p o s ed   FEE C H - B C F  in co r p o r ates  a  m o d if ie d   r ef u r b is h m e n t  p h ase  as  s p ec if i ed   in   th e  f o llo win g   s tep s ,   co n tin g en t  u p o n   th e  to tal  n u m b e r   o f   SNs   b ein g   wh o lly   d iv is ib le  b y   th e  e n tire   n u m b er   o f   ce n tr o id s .   a.   B ased   o n   th e  MN s   in   th e  clu s ter ,   th e  clu s ter s   ar e  s o r ted   i n   d e s ce n d in g   o r d er .   b.   T h e  lar g est clu s ter ,   wh ich   h as th e  h ig h est n u m b er   o f   MN s   is   id en tifie d .   c.   E x ce s s   n o d es in   th e  lar g est clu s ter   k =  MN s - Th cluster   is   ca lcu lated .   d.   T h e  d is tan ce   b etwe en   e x ce s s   n o d es a n d   o th er   ce n tr o id s   is   ca lcu lated .   e.   C lu s ter   ce n tr o id ,   n ea r est to   th e   lar g est clu s ter ’ s   ex ce s s   MN s ,   is   id en tifie d .   f.   Ass ig n   ex ce s s   n o d es to   th e  n e ar est ce n tr o id   clu s ter .   g.   No d es  f r o m   wh ich   n o d es  ar e  a s s ig n ed   to   th e  n ex t  b est  clu s te r s   wh o s e  ‘ k ’   is   n o w  ze r o   will   b e  ex clu d ed   f o r   f u r th er   l o ad   b ala n cin g .   h.   Go   to   s tep   2   u n til all  clu s ter s   h av e  an   eq u al  n u m b er   o f   MN s .   T h e  co n ce p t  is   e x p lain ed   b y   co n s id er in g   1 0 0   SNs   th at  a r e  d ep l o y ed   in   th e  d ep lo y m e n t  ar ea   o f     1 0 0   ×  1 0 0   m 2 ,   an d   1 0   clu s ter s   ar e  f o r m e d .   Fig u r e  3   s h o ws  h o w  th e  g eo g r ap h ically   d is tr ib u t ed   SNs   ar e  ass ig n ed   as  MN s   to   clu s ter s .   Fig u r e s   3 ( a )   a n d   3 ( b )   s h o w  th e  g e o g r ap h ical  d is tr ib u tio n   o f   SNs   an d   th e   p r o b ab ilit y   d is tr ib u tio n   o f   MN s   in   ea c h   clu s ter   a f ter   k - m ea n s   clu s ter in g .   Fig u r e   3 ( c )   s h o ws  th at  clu s ter s   ar e     ar r an g e d   in   d escen d in g   o r d e r .   Fig u r e   4   s h o ws  h o w   MN s   ar e  eq u ally   ass ig n ed   to   ea c h   clu s ter .  MN s   o f     lar g er   c lu s ter s   tak e  m em b er s h ip   in   th e  n ex t  b est  clu s t er s   b ased   o n   th e  d is tan ce   b etwe en   th e  MN s     an d   t h e  ce n tr o id .   Hen ce   f o r m ed   clu s ter s   a r e  well - b alan ce d   an d   h av e   cr is p   b o u n d a r ies,  as  s h o wn   in     Fig u r e s   4 ( a)   an d   4 ( b ) .     4 . 5 .     F uzzy   lo g ic - ba s ed   clus t er   hea d select io n   Key   co m p o n en ts   o f   a  f u zz y   lo g ic  s y s tem   ar e  th e  f u zz i f ier ,   in f er e n ce   en g i n e,   r u le  b ase,   an d     d ef u zz if ier .   T h e   f u zz y if ier   is   u s ed   to   co n v e r ts   d is cr ete  d ata   in to   f u zz y   s ets.  T h e   f u zz y   r u le  b ase  is   u s ed   to   g en er ate  o u tp u ts   b y   Ma m d an i ’ s   f u zz y   in f er en ce   en g i n e.   Fig u r e   5   s h o ws  th e   f u z zy   lo g ic   s y s tem ’ s    b lo ck   d ia g r am .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       F u z z y  b a s ed   en erg y  efficien t c lu s ter h ea d   s elec tio n   …  ( Ma r u th i H a n u ma n t h a p p a   C h a n d r a p p a )   933       ( a)   ( b )       ( c)     Fig u r e  3 .   Sh o ws th e  ap p r o ac h   to   cr ea te  clu s ter s   o f   eq u al  s ize :   ( a)   g eo g r ap h ical  d is tr ib u tio n   o f   SNs ,   ( b )   s h o ws  th e  p r o b ab ilit y   d is tr ib u tio n   o f   MN s   in   ea ch   clu s ter ,   an d   ( c)   s h o ws th at  MN s   ar e  s o r ted   in   d escen d in g   o r d er           ( a)   ( b )     Fig u r e   4 .   Sh o ws th e  p r o p o s ed   m eth o d   ( a )   o f   cr is p   b o u n d a r y   clu s ter s   an d     ( b )   d is tr ib u tio n   o f   MN s   eq u ally   in   ev er y   clu s ter           Fig u r e .   5   Sh o ws th e  ty p ical  f u zz y   lo g ic  s y s tem       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 8 ,   No .   2 ,  May   20 2 5 :   9 2 8 - 9 39   934   1 )   Fu zz if icatio n :  t h e  f o llo win g   f u zz y   d escr ip to r s   ar e  f ed   in t o   th e  f u zz if ier   in   t h e  p r o p o s ed   FE E C H - B C F.   R esid u al  en er g y :  th e  en er g y   o f   a  n o d e  is   cr u cial  in   th e  ch o o s in g   o f   th e  C H.   A  C H  n o d e  m u s t  p o s s ess   h ig h er   en er g y   le v els to   ac co m m o d ate   ag g r eg atio n   an d   tr an s m is s io n   d em an d s .   No d e  ce n tr ality :  h o w  ce n tr al  a  n o d e  is   am o n g   its   n eig h b o r s   in   a  clu s ter   is   k n o wn   as  n o d e   ce n tr ality   [ 2 6 ] .  No d e  ce n tr ality   nc i   is   m ath em atica lly   d ef in ed   as   ( 6 ) .      = √ ∑ ( ) ∊  2 ( , ) |  ( ) |       ℎ                ( 6 )     w h er e  th e   s ize  o f   th e  n etwo r k   is   th e  len g th   o f   t h e  ed g e  o f   t h e  n etwo r k   ar ea   M× M  m 2 .   n n br ( i)   d en o tes  th e   n u m b er   o f   n eig h b o r in g   n o d es  ass o ciate d   with   n o d e  i,  wh ile  d 2 ( i,j)   s ig n if ies  th e  d is tan ce   b et wee n   n o d e  i  an d   n o d e  j.  A  s m aller   n o d e  ce n tr al ity   v alu e  is   ad v an ta g eo u s   s in c e  it r esu lts   in   d im in is h ed   en er g y   co n s u m p tio n .   2)   Fu zz y   r u le  b ase:  th e  f u zz y   d e s cr ip to r s   in   th e  f u zz y   r u le  b ase  f o r   I F - t h en   r u les  ar e  n o d e   e n er g y   an d   n o d e  ce n tr ality .   W e  u tili ze   f u zz y   A ND  an d   OR   o p er ato r s   to   g en er ate  f u zz y   r u les.  T h e  f u zz y   i n f er en ce   en g i n e  em p lo y s   a   r u le  b ase  to   d eter m i n e  th e  f in al  p r o b a b ilit y   o f   ea ch   n o d e   b ec o m in g   C H.   Ver y   s m a ll,  s m all,   r ath er   s m all,   m id   s m all,   m i d ,   m id   la r g e,   r ath er   lar g e,   lar g e,   an d   v er y   lar g e  ar e   th e   ter m s   u s ed   t o   d escr ib e   lo ca l  q u alif icatio n .   T a b le  1   illu s tr ates a   f u zz y   r u le  b ase.   3)   Def u zz if icatio n :  t h e  d ef u zz if i er   tr an s f o r m s   th e  f in al  o u tp u t  in to   a  v alu e  r ef er r e d   to   as  lo ca l  q u alif icatio n .   Her e,   th e  lo ca l  q u alif icatio n   o f   th e  n o d e  with   “ v e r y   lar g e”   will  b e  th e  m o r e  s u itab le  ca n d id ate  to   b ec o m e   C H,   an d   th e  least,  wh ich   h as  a  “ v er y   s m all”  lo ca l  q u alif icatio n .   T h e  p lo t  o f   th e  m em b er s h ip   f u n ctio n s   is   p r esen ted   in   Fig u r e  6 .   T h e   p lo ts   o f   th e  m em b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   en e r g y ,   ce n tr ality ,   a n d   l o ca l q u alif icatio n   ar e  p r esen ted   in   Fig u r e s  6 ( a ) - 6 ( c)   r esp ec tiv ely .       T ab le  1 .   Fu zz y   r u les f o r   C H  s elec tio n   R u l e   R e si d u a l   e n e r g y   C e n t r a l i t y   Lo c a l   q u a l i f i c a t i o n   1   Lo w   H i g h   V e r y   s m a l l   2   Lo w   M i d   S mal l   3   Lo w   Lo w   R a t h e r   s ma l l   4   M i d   H i g h   M i d   s m a l l   5   M i d   M i d   M i d   6   M i d   Lo w   M i d   l a r g e   7   H i g h   H i g h   R a t h e r   l a r g e   8   H i g h   M i d   La r g e   9   H i g h   Lo w   V e r y   l a r g e           ( a)   ( b )         Fig u r e   6 .   Sh o ws th e  m em b er s h ip   f u n ctio n   p l o t :   ( a)   f o r   en e r g y ,   ( b )   f o r   c en tr ality ,   a n d     ( c)   f o r   lo ca l q u alif icatio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       F u z z y  b a s ed   en erg y  efficien t c lu s ter h ea d   s elec tio n   …  ( Ma r u th i H a n u ma n t h a p p a   C h a n d r a p p a )   935   T h e  wo r k f lo w  alg o r it h m   is   p r o v id ed   b elo w :     Alg o r ith m   1 .   W o r k f lo w  o f   FE E C H - B C F   Input:   Number of centroids (X), Each cluster ’ s node count (CLUSTER[]), Th cluster   Important variables:  K, largest, MN, Centroid[], SecondBestCentroid[], k   Result:  CH, Uniform Size Clusters     k - means Algorithm   1: Indicate the requisite number of clusters.   2: Initialise K centroids in a random fashion.   3:  repeat   4: Assign SNs to their nearest Centroids[]   5: Calculate the updated mean for each CLUSTER[]   6:  until  The locations of the centroids remain unchanged.     Load Balancing Technique   7: Sort CLUSTER[] in Descending order   8:  for   i = 1; i ≤ X; i++  do   9:    largest = i   10.    MN = CLUSTER[largest]   11.    for  j = 1; j ≤ MN; j++  do   12.      SecondBestCentroid[] = Distance to second best centroid    13.    end for   14.    Sort SecondBestCentroid[] in Ascending order   15.   k = MN  -   Th cluster   16.   if  k > 0  then   17.   Sort SecondBestCentroid[] and assign first k nodes.   18.    UPDATE CLUSTER[]   19   end if   20.    The formed cluster of k = 0 is removed from further load balancing consideration   21.   Sort CLUSTER[] in Descending order   22.  end for   23.  until  Uniform Size Clusters     Cluster Head Selection Technique   24.  for  each CLUSTER[]  do   25. MNs calculates localqualification   //refer Table 1   26. Qualified MN becomes new CH   27. Steady state phase   28. Go back to step 24  until  network lifetime   29.  end for       5.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   W SN  wil l  b e  o p er atio n al  u n ti l  th e  en er g y   is   p r esen t  i n   th e  n etwo r k .   I t  is   p r ac tically   n o t  f ea s ib le  to   ch ar g e  th e  b atter y   o f   SNs   wh en   th e  en er g y   g ets lo w.   Hen ce   en er g y   c o n s er v atio n   is   m o s t im p o r tan t to   co n s id er   wh ile  co n f ig u r e  r in g   th e  n etw o r k .   I n   o u r   p r o p o s ed   wo r k   we   co n s id er ed   th e  h y b r id   tech n i q u e  alo n g   with   th e   co r e  n o v elty   c o n ce p t.  T h e  s im u latio n   is   co n d u cted   u s in g   M AT L AB .   T ab le  2   d escr ib es th e  p r im ar y   s im u latio n   p ar am eter s .         T ab le  2 .   Netwo r k   p ar am ete r s   Param et e r   N e t w o rk   s i ze   T o t a l   n u m b er  o f  SN s   In i t i a l   e n er g y   o f  eac h   n o d es   Si ze   o f  d a t a  p ac k e t   Si n k   p o s i t i o n   (x ,   y )  co o r d i n a t e   Free  s p ace   mo d e l   en er g y   p ara me t er   (ε fs )   Mu l t i p a t h   mo d e l   en er g y   p ara me t er   (ε mp )   D a t a  ag g re g a t i o n   en er g y   Req u i re d   en er g y   t o   ru n   ci rc u i t ry   (E e l e c )   CH   p erc en t a g e   V a l u e   5 0 × 5 0   m 2   50   2   J   4 , 0 0 0   b i t s   (2 5 ,   4 8 )   1 0   p J / b i t / m 2   0 . 0 0 1 3   p J / b i t / m 4   5  n J / b i t / s i g n al   5 0   n J / b i t   5       I n itial c lu s ter s   ar e  f o r m e d   b as ed   o n   k - m ea n s   clu s ter in g   as sh o wn   in   Fig u r e   7.   B u t   th e   cr ea t ed   clu s ter s   ar e  o f   n o n - u n if o r m   s ize.   Her e  th e  clu s ter s   wi th   f ewe r   n u m b er   o f   m em b e r s   will  d ie  ea r ly   d u e  to   m o r e  o f te n   tr an s m is s io n   th an   th e  clu s ter   with   lar g er   n u m b er   o f   m em b er s .   T o   r eso lv e  th is   s ce n ar io ,   L E A C H - US C   alg o r ith m   ca n   b e  u s ed   to   ass ig n   th e   SN  m em b er s h ip   in   s u ch   a   way   th a t  all  clu s ter s   ar e  o f   e q u al  s ize.   B u t,  L E AC H - US C   is   co m p lex   an d   tim e - co n s u m i n g   to   r ec lu s ter   af ter   ev er y   r o u n d   an d   m em b er s h ip   is   t o   b e   ass ig n ed   ea c h   tim e  b ased   o n   C H  lo ca tio n .   I n   o u r   ap p r o ac h ,   th e  clu s ter s   ar e  f o r m ed   b ased   o n   ce n tr o id s   u s in g   k - m ea n s   alg o r ith m .   Me m b er s   ar e  ass ig n ed   b ased   o n   L E AC H - USC   p r o to co l.  W e  d o   n o t  p er f o r m   r ec lu s ter   o n ce   cl u s ter s   ar e  f o r m ed   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In d o n esian   J   E lec   E n g   &   C o m p   Sci ,  Vo l.  3 8 ,   No .   2 ,  May   20 2 5 :   9 2 8 - 9 39   936   m em b er s h ip   o f   SNs   is   also   f ix ed   as  s h o wn   in   Fig u r e   8 .   I t  s av es  tim e  an d   en e r g y   r eq u ir e d   f o r   r ec lu s ter in g   an d   s elec tin g   C H.   Po ten tial  C H s   ar e  id en tifie d   b y   f u zz y   lo g ic,   c o n s id er in g   r esid u al  en er g y   a n d   n o d e  ce n tr ality ,   as  in d icate d   in   T ab le   1 ,   a n d   it is   n o t o b lig at o r y   to   alter   th e  C H  af ter   ea ch   r o u n d .               Fig u r e   7 .   Sh o ws th e  clu s ter   s tr u ctu r e  u s in g   k - m ea n s   alg o r ith m   Fig u r e   8 .   Sh o ws th e  clu s ter   s tr u ctu r e  u s in g   FEE C H - B C F       W e  m ad e  th e  ass u m p tio n   t h at  e v er y   n o d e  i n   th e  r eg io n   o f   i n ter est  is   id en tical  an d   d is tr ib u ted   at  r an d o m .   T h e  n u m b er   o f   r o u n d s ,   en er g y   u s ag e,   an d   ac tiv e   n o d e  co u n t  wer e  u s ed   to   ass ess   th e  ef f icien cy   o f   th e  s u g g ested   FEE C H - B C F  s y s tem .   T h e  n et wo r k   p er f o r m a n ce   ev al u atio n ’ s   r esu lts   h av e  b ee n   av e r ag ed   o v er   5 0   iter atio n s .   T h e  r esu ltin g   clu s ter   s tr u ct u r es  an d   t h eir   q u ality   a r e  c o m p ar ed   am o n g   L E AC H,   B C F,  L E AC H - USC ,   an d   FEE C H - B C F.  Su b s eq u en tly ,   th e  n etwo r k   p er f o r m a n ce   is   ev alu ated   in   co m p ar is o n   to   o n e  a n o th er .     5 . 1 .     Co m pa riso n ba s ed  o n c lus t er   s t ruct ures   An   an aly s is   o f   th e  clu s ter s   cr ea ted   b y   L E AC H,   B C F,  L E A C H - USC ,   an d   FEE C H - B C F  in   a  r o u n d   is   p r esen ted   in   th is   s ec tio n .   SNs   will jo in   th e  n ea r est C H  in   ca s e  o f   L E AC H  p r o to co l,  s o   th er e  is   n o   g u ar an tee  o f   eq u al - s ize  clu s ter s .   B C F   f o r m s   th e  clu s ter s   in   a  well - b alan ce d   m an n er   i n   ter m s   o f   clu s ter   s ize,   b u t  th er e  will  b e  clu s ter s   o v er lap p in g .   L E AC H - USC   f o r m s   clu s ter s   o f   eq u a l  s ize  an d   h av e  c r is p   b o u n d a r ies  b u t  it  is   m o r e   co m p lex   an d   tim e - co n s u m i n g .   I n   co n tr ast,  th e  p r o p o s ed   FEE C H - B C F  cr ea tes   well - b alan ce d   clu s ter s   as  s h o wn   in   Fig u r e s   8   an d   9 .           Fig u r e   9 .   Sh o ws th e  d is tr ib u tio n   o f   MN s   to   ea ch   clu s ter   in   F E E C H - B C F       5 . 2 .     Co m pa riso n   ba s ed  o n intr a - clus t er   dis t a nce   T h e  s u g g ested   a p p r o ac h   is   e v alu ated   ag ai n s t  th e  L E AC H,   B C F,  an d   L E AC H - USC   tec h n iq u es  to   d eter m in e  in tr a - cl u s ter   d is tan ce .   T ab le  3   p r esen ts   a  co m p ilatio n   o f   th e  to tal  in tr a - clu s ter   d is tan ce   d u r in g   d if f er en t iter atio n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:   2 5 0 2 - 4 7 52       F u z z y  b a s ed   en erg y  efficien t c lu s ter h ea d   s elec tio n   …  ( Ma r u th i H a n u ma n t h a p p a   C h a n d r a p p a )   937   T ab le  3 .   C o m p a r is o n   o f   clu s ter   s ize  an d   to tal  in tr a - cl u s ter   co m m u n icatio n   d is tan ce   A p p r o a c h   LEA C H   BCF   LEA C H - U S C   F EEC H - B C F   I t e r a t i o n   1   2   3   1   2   3   1   2   3   1   2   3   S i z e   o f   c l u st e r   1   20   16   17   18   17   17   17   17   17   17   17   17   S i z e   o f   c l u st e r   2   9   13   24   15   17   23   16   16   16   17   16   17   S i z e   o f   c l u st e r   3   21   21   9   17   16   13   17   17   17   16   17   16   To t a l   i n t r a - c l u st e r   d i s t a n c e   6 9 5   6 9 4   7 9 1   8 9 2   8 7 0   9 9 5   7 5 8   7 3 5   8 8 9   6 0 8   6 6 1   5 0 2       T h e  in tr a - clu s ter   d is tan ce   o f   B C F  i s   h ig h est  d u e  to   th e  p r ed e ter m in ed   clu s ter   s ize.   Du r in g   t h e  r escu e  p h ase,   u n clu s ter ed   n o d es  will  j o in   th e  clu s ter s   b ased   o n   th r es h o ld   d is tan ce   an d   th e  m ax im u m   p er m is s ib le  MN s   p er   clu s ter .   T h is   m eth o d   r esu lts   in   a  b alan ce d   clu s ter ;  h o wev er ,   it  also   lead s   to   an   in cr e ase  in   in tr a - clu s ter   d is tan ce .   L E AC H - US C   d em o n s tr ates  a  r ed u ce d   in tr a - clu s ter   d is tan ce   co m p ar ed   with   B C F,  as  th e  MN s   in   th e   lar g est  clu s ter s   s elec t  m em b e r s h ip   with   th e  n ex t  o p tim al  c lu s ter   b ased   o n   th e  s ec o n d - b es t  CH   p ar am eter .   L E AC H  r esu lts   in   a  r ed u ce d   in tr a - clu s ter   d is tan ce ,   as  SNs   s elec t  th e  n ea r est  clu s ter   m em b er s h ip ;  h o wev er ,     th e  clu s ter s   ex h ib it  u n ev en   s i ze s .   T h e  p r o p o s ed   FEE C H - B C F  p r o to co l  ac h iev es  th e  m in im u m   in tr a - clu s ter   d is tan ce   b y   allo win g   ex ce s s   S Ns  f r o m   th e  lar g est  clu s ter   to   j o in   th e  n ex t  b est  clu s ter ,   d eter m in ed   b y   p r o x im ity   to   th e  n ea r est  ce n tr o id   d is tan c e  to   th e  SN s .   T h e   d is tr ib u tio n   o f   m e m b er s   to   clu s ter s ,   d eter m in ed   b y   ce n tr o id   lo ca tio n ,   m in im izes in tr a - cl u s ter   d is tan ce .     5 . 3 .    Net w o rk   perf o rma nce   T h e  m etr ics  tak en   in to   ac co u n t   f o r   n etwo r k   a n aly s is   in clu d e  th e  co u n t  o f   ac tiv e  n o d es  o v er   t h e  r o u n d s ,   f ir s t  n o d e  d ea t h   ( FND) ,   h alf   n o d e  d ea th   ( HND) ,   an d   last   n o d e  d ea th   ( L ND) .   Fig u r e   1 0   ill u s tr ates  th e  n u m b er   o f   n o d es  th at  r em ain e d   o p e r atio n al  d u r in g   th e   n etwo r k ’ s   life s p an .   T h e   r esu lts   ar e  p r esen ted   in   T ab le  4 .           Fig u r e   10 .   Sh o ws th e  n etwo r k   life tim e       T ab le  4 .   Netwo r k   life tim e   A p p r o a c h   N e t w o r k   l i f e t i m e   F N D   HND   LN D   LEA C H   5 4 0   6 7 4   8 0 0   BCF   6 1 2   7 2 1   8 5 2   LEA C H - U S C   7 1 8   9 6 2   1 0 1 5   F EEC H - B C F   7 1 6 3   9 0 5 4   9 1 3 0       C o m p ar ed   with   L E AC H,   FEE C H - B C F  ac h iev es  1 2 2 6 %,  1 2 4 3 %,  an d   1 0 4 1 %  in cr ea s e  in   l if etim e  f o r   FND,   HND,   an d   L ND,   r esp ec ti v ely .   W h ile  f o r   B C F,  FEE C H - B C F  ac h iev es  1 0 7 0 %,  1 1 5 6 %,  an d   9 7 2 %  in cr ea s e  in   life tim e  f o r   FND,   HND,   a n d   L ND  r esp ec tiv ely .   W h ile  f o r   L E AC H - USC ,   FEE C H - B C F  ac h iev es  8 9 8 %,   8 4 1 %,  an d   7 9 8 % in cr ea s e  in   a   life tim e  f o r   FND,   HND,   an d   L ND  r esp ec tiv ely .   Du r in g   m o r e  th a n   7 8 %  o f   th e  to tal  n etwo r k   life s p an ,   all  n o d es  r em ain   o p er atio n al.   T h e  r e g io n   u n d er   m o n ito r in g   is   co n s is ten tly   m o n ito r ed   d u r in g   th e  n etwo r k ’ s   life s p an .   I n   co m p ar is o n   to   th e  L E AC H - US C ,     B C F,  an d   L E AC H  m eth o d o lo g ies,  th e  p r o p o s ed   FEE C H - B C F  d em o n s tr ates  a  m ar k ed ly   lo wer   in cid en ce   o f   n o d e  d ea th s   o v e r   th e  n etwo r k ’ s   d u r atio n .   T h e  s u g g ested   ap p r o ac h   o u tp er f o r m s   p r ev i o u s   tech n iq u es  d u e  t o     well - b alan ce d   clu s ter s ,   th e  a v o id an ce   o f   r ec lu s ter in g ,   r ed u ce d   in tr a - clu s ter   co m m u n ic atio n   d is tan ce ,   an d   ef f ec tiv e  s elec tio n   o f   C Hs,  s ig n if ican tly   en h a n cin g   n etwo r k   lo n g ev ity .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.