I nte rna t io na l J o urna l o f   I nfo rm a t ics a nd   Co m m un ica t io n T ec hn o lo g y   ( I J - I CT )   Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 0 4 7 ~ 10 5 7   I SS N:  2252 - 8 7 7 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /iji ct . v 1 5 i 3 . pp 1 0 4 7 - 10 5 7           1047       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ict. ia esco r e. co m   Desig n  a  G a uss ia n mix ture - ba sed c lustering  mo del  f o r  enha ncing  accura cy  and ro bustness  in  sm a rt  ho mes       K a na k a   Ra j u Ra j a na ,   Sh a nm uk   Srini v a s   Am iripa lli   D e p a r t me n t   o f   C o mp u t e r   S c i e n c e   a n d   En g i n e e r i n g ,   G S C S E ,   G I TA M   U n i v e r si t y ,   V i sa k h a p a t n a m ,   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   Au g   4 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   2 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Ma y   1 7 ,   2 0 2 6       No wa d a y s,  sm a rt  h o m e s  h a v e   b e c o m e   q u it e   c o m p li c a ted   sy ste m s.   Th u s ,   a n   a p p ro p riate   tec h n i q u e   fo r  c o n t ro ll in g   a ll   t h o se   d e v ice s  is  n e c e ss a ry ,   e sp e c ially   c o n si d e rin g   th a t   c e rtain   n o d e s  a re   li k e ly   to   b e   b ro k e n .   I n   t h a t   c o n n e c ti o n ,   we   h a v e   p ro p o se d   t wo   a lg o ri th m s  re late d   to   G a u ss ian   m ix t u r e   m o d e ls   (G M M ) :  G M M   e q u a l  a n d   G M M   u n e q u a l .   T h e y   we re   c o m p a re d   with   g ra p h   n e u ra l  n e two r k   ( G NN )  e q u a l,   G NN   u n e q u a l,   a n d   th e   L u c a sWh e e l   a lg o rit h m s.  Th e   p e c u li a rit y   o f  t h e   G M M   e q u a l  a lg o rit h m   c o n sists   i n   th e   fa c t   th a t  a ll   c lu ste rs  sh o u l d   h a v e   sim il a r  siz e s  a n d   sh a p e s,  wh ich   is  q u it e   u se fu l   fo r  ro u ti n g   a n d   b a lan c in g   p u rp o s e s,  wh il e   th e   c lu ste rs  in   th e   G M M   u n e q u a l   a lg o rit h m   c a n   h a v e   v a rio u s  si z e s  a n d   sh a p e s  d e p e n d i n g   o n   th e   d a ta   d istri b u ti o n .   All   fi v e   m o d e ls  we r e   a n a ly z e d   u si n g   8 4 3   n o d e s,  wh e re   fa il u re   ra tes   ra n g e d   fr o m   z e ro   to   fift y   p e rc e n t.   Th e   su rp r isin g   o u tco m e   o f  t h is   a n a ly sis  is   th a t   G M M   e q u a l  p e rfo rm e d   b e tt e r  t h a n   th e   o t h e r  fo u r   m o d e ls  i n   e v e ry   a sp e c t.   Eff icie n c y   wa s  ste a d y   a n d   ste a d il y   i n c re a se d   in   a c c o rd a n c e   with   th e   risin g   fa il u re   ra te.   Th e   Wi e n e r   i nde x   g ra d u a ll y   fe ll   fro m   it s  in it ial   v a lu e   t o   n e a rly   z e ro ,   s u g g e stin g   a   d e n se   c o n n e c ti o n   a m o n g   th e   n o d e s  a n d   a n   e v e n ly   s p re a d - o u t   n e tw o rk .   F u r t h e rm o re ,   G M M   e q u a l  a tt a i n e d   t h e   h i g h e st   m o d u larit y   a m o n g   th e   fiv e   m o d e ls  at   e v e ry   fa il u re   lev e l .   In   c o m b in a ti o n ,   th e se   re su lt s  in d ica te  th a t  G M M   e q u a l  is  t h e   m o st  b a lan c e d   t o p o l o g y ,   wit h   th e   b e st   b a lan c e   b e twe e n   re li a b il i ty ,   e fficie n t  c o m m u n ica ti o n ,   a n d   sc a lab il it y   wh e n   a p p li e d   t o   t h e   i n tern e t  o f   t h i n g s a n d   sm a rt  h o m e s.   K ey w o r d s :   C en tr ality     Gau s s ian   m ix tu r e   mode   Gr ap h   n e u r al  n etwo r k   L u ca s   m o d el   Mo d u lar ity   Netwo r k   clu s ter in g   R an d o m   n o d e  f ailu r es   Su r v iv ab ilit y   W ien er   in d ex   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 :   Sh an m u k   Srin i v as Am ir ip alli   Dep ar tm en t o f   C o m p u ter   Scie n ce   an d   E n g in ee r in g ,   GSC SE ,   GI T AM   Un iv er s ity   Vis ak h ap atn am ,   I n d ia   E m ail:  s am ir ip a@ g itam . ed u       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  in cr ea s in g   c o m p lex ity   o f   s m ar t  h o m e  e n v ir o n m en ts   r eq u ir es   ef f icien t   a n d   ef f ec tiv e   n etwo r k   clu s ter in g   s t r a t e g ies,  wh ich   ar e   ca p ab le   of   m ain tain i n g   th eir   p e r f o r m an ce   ev en   in   th e  e v en t  o f   n o d e   f ailu r es.  T h is   p ap er   p r o p o s es  two   n ew   clu s ter in g   m o d els,   Gau s s ian   m ix tu r e  m o d els  ( GM M )   e q u al   an d   GM M   u n eq u al,   b ased   o n   GM M ,   an d   co m p a r es  th em   with   g r a p h   n eu r al  n etwo r k   ( GNN )   e q u al,   GNN   u n eq u al,   an d   th e  L u ca s   Me s h   to p o lo g y .   M ain tain in g   th e  co n n ec tiv it y   in   a  s m ar t  h o m e   in ter n et  o f   th in g s   ( I o T )   n etwo r k ,   ev en   wh en   n o d es  f ail  r an d o m l y ,   is   n o t  an   in s ig n if ican t  task .   W e  co n s id er ed   th e  c o m b in atio n   o f   L u ca s   n u m b e r   th eo r y   a n d   tr im et   g r ap h   o p tim izatio n ,   wh ich   p r o d u ce s   g r a p h s /to p o lo g ies  th at  ar e   m o r e   f au lt - to ler an t  th an   th e   s tan d a r d   clu s ter in g   o r   m esh   alg o r ith m s .   I n   o u r   ea r lier   s im u latio n s ,   L u ca s - T GO  p er f o r m ed   9 - 12   r o u n d s   of   k ee p in g   th e   n etwo r k   r u n n in g   co m p ar ed   to   6 - 8   r o u n d s   in   s tan d ar d   m o d els   [ 1 ] .   T h is   d i f f er en ce   h elp ed   u s   r ea lize   th at   th er e   was   s co p e   f o r   th e   ap p licatio n   of   n u m b e r   th eo r y   in   telec o m ,   h ea lth ca r e,   an d   in d u s tr y   I o T .   W h en   n o d es  ar e  g r o u p ed   b y   th eir   s tr u ctu r al  p r o p er ties ,   th e  s ize  an d   d en s ity   o f   clu s ter s   s tar t   to   im p ac t   all   asp ec ts   of   co n n ec tiv ity ,   co m m u n icatio n ,   an d   h o w  v u ln e r ab le   th ey   ar e  wh en   th in g s   g o   wr o n g   [ 2 ] .   L o w - d en s ity   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 4 7 - 1 0 5 7   1048   g r ap h s   m ak e   s tr u ctu r e   more   v is ib le   an d   allo w   f o r   ea s ier   is o latio n   o f   ef f ec ts   as  th ey   ar e   s p ar s er .   Me d iu m - d en s ity   co n f ig u r atio n s   tr y   to   b alan ce   ef f icien t  co m m u n ic atio n   an d   h u b   r esil ien ce .   H i g h - d e n s ity   g r ap h s   illu s tr ate   th e   r is k s   of   h av i n g   all   e g g s   in   o n e  b ask et   [ 3 ] .   W e  in ten tio n ally   ch o s e  th e  L u ca s - b ased   alg o r ith m   as  th e  clu s ter   s izes  ar e  b ased   o n   L u ca s   s eq u en cin g ;   th e r ef o r e ,   t h e  s izes  ar e   h eter o g en e o u s ,   wh ich   l o o k e d   p r o m is in g   f o r   r ed u n d an c y   an d   s ca lab ilit y .   C o lo r   d if f er en tia tio n   an d   s p r in g   lay o u t  alg o r ith m s   wer e  u s ed   f o r   v is u aliza tio n   as th ey   ar e  s im p le  to   ev alu ate  asp ec ts   lik e  s tr u ctu r e  an d   r o b u s tn ess   [ 4 ] .   T h e  id ea   f o r   th e  ad ap tiv e   s am p lin g   u s in g   L u ca s   s eq u en cin g   ca m e  u p   af ter   we  r ea lize d   th at  th e  m ath em atica l  p r o p e r ties   co u ld   h elp   u s   o p tim ize  s am p lin g   in ter v als.   GNN   e q u al  clu s ter in g   attem p t s   to   d iv id e   th e  n o d es   s u ch   th at   th eir   s izes  ar e  e q u al.   W h en   tr ain in g ,   th e   co n s tr ain ts   o r   r eg u lar izatio n s   ar e   m ad e   s tr ict   or   h ar d c o r e   to   en s u r e   th at   th ey   lear n   to   b alan ce   th e  ass ig n m en ts   ev en   if   th e y   ar e   d ea lin g   with   lo ca l  d en s ities   th at   ar e   not   u n if o r m   or   eq u al   [ 5 ] .   T h is   is   ess en tial   f o r   lo a d   b alan cin g   in   d is tr ib u ted   s y s te m s   o r   co m m u n ity   d etec tio n   in   s o cial  n etwo r k s .   T h e  m ain   id ea   is   to   k ee p   th e  ca r d in ality   o f   th e   clu s ter s   h o m o g en e o u s   so   th at   no   one   clu s ter   tak es   up   all   th e  n o d es   [ 6 ] .   Fig u r e   1   s h o w s   GNN   e q u al  f ix ed - s ize  clu s ter i n g   on   a   g r a p h   wh e r e   each   cl u s ter   h ad   a   tar g et   of   100   n o d es   each .           Fig u r e  1 .   GNN  eq u al  clu s ter in g :  t h e  ev en   s p lit ca n   b e  o b s er v ed       On   th e  lef t  is   th e  f ea tu r e  s p ac e,   wh ich   h as  f iv e  clu s ter s   with   1 0 0   n o d es  ea ch ,   s o   th at  th ey   ar e  p er f ec tly   b alan ce d .   T h e   ce n te r s   o f   ea ch   cl u s ter ,   i.e ,   th e   ce n tr o id s   o f   ea ch   clu s ter ,   a r e  m a r k ed   with   b lack   X ,   an d   th e  clu s ter   h ea d   o f   ea ch   o f   th e  clu s ter   is   cir cled   with   r ed .   As  s ee n ,   th e  clu s ter s   ar e  well  s ep ar ated   with   v er y   litt le  o v er lap .   T h is   r ev ea l ed   th at  th e  p ar titi o n   w o r k ed   b etter   th an   we  ex p ec ted   it  to   w o r k .   On   t h e  r ig h t  is   th e  o r ig in al   g r a p h   f o r   th e  k - n ea r est  n eig h b o r   ( k NN )   alg o r ith m   an d   th e  i n ter co n n ec ted   n e two r k .   As  s ee n ,   th e   clu s ter   b o u n d ar ies  ar e  p r eser v ed   wh ile  en h a n cin g   c o n n ec tiv ity   [ 7 ] .   T h is   v is u aliza tio n   s h o ws  th at  th e  GNN - b ased   alg o r ith m s   p er f ec tly   a ch iev e  s ize  b alan ce   w h ile  e f f ec tiv ely   o p tim izin g   th e   n et wo r k   to p o lo g y   b y   s im u ltan eo u s ly   co n s id er in g   th e  lo ca l c lu s ter in g   o b jectiv es a n d   g lo b al  co n n ec tiv ity   p atter n s .   GNN  u n eq u al   clu s ter in g   is   th e  ex ac t  o p p o s ite  o f   GNN  e q u al,   in   th e   s en s e  th at  t h er e  is   n o   co n s tr ain t  o n   th e   d is tr ib u tio n   o f   th e  n o d es.  T h e  clu s ter s   will  b e  o f   v a r y in g   s izes  an d   s h ap es,  as  th e   alg o r ith m   is   s im p ly   f o llo win g   th e  lead   o f   th e  g r ap h .   T h is   allo ws  u s   to   id en tify   c lu s ter s   o f   all  s izes  an d   s h ap es,   s m all  an d   tig h t,  to   lar g e  an d   lo o s e,   with in   th e  s a m e  g r ap h   [ 8 ] .   L o o k   at  th e  lef t  p an el  o f   Fig u r e  2 ,   we  h av e  f iv e  clu s ter s ,   with   s izes  r an g in g   f r o m   5 8   to   2 7 6 .   T h e  g eo g r a p h ical   lay o u t   i s   b ased   o n   ac t u al  d ata   d e n s ity ,   n o t  o n   t h e  s ize   co n s tr ain ts .   T h e  r ig h t  p an els  illu s tr ate  th e  h id d en   co n n ec tiv ity   b en ea th   th e  s u r f ac e.   T h e  l ar g e  clu s ter   is   v er y   tig h tly   co n n ec ted   in t er n ally ,   a n d   th e  s m aller   o n es  ar e  v er y   tig h tly   co n n ec ted ,   with   ca r e f u l  b r id g es  b etwe en   th em .   T h is   s o lv ed   o u r   co n ce r n   ab o u t  wh et h er   GNN  clu s ter in g   with   n o   b alan cin g   ter m s   co u ld   id en tify   h id d en   co m m u n ity   s tr u ctu r es [ 9 ] .   I n   L u ca s   m esh   clu s ter in g   b u ild s   to p o lo g y   f r o m   th e   L u ca s   n u m b er   s eq u e n ce   d e f in e d   b y   th e   r ec u r r en ce   r elatio n ,   as  th e  s eq u en ce   d ictates  ev er y th i n g ,   lik e   th e  n u m b er   o f   clu s ter s   to   a  lay er ,   th e  n u m b e r   o f   n o d es  o n   ea ch   co n ce n tr ic  r in g ,   etc.   T h e  r elatio n s h ip s   ar e  d is p er s ed   ar o u n d   a  ce n tr al  n o d e   lik e  a  wh ee l  [ 1 0 ] .   W e  s elec ted   th i s   m o d el  s in ce   f au lt  to ler an ce   an aly s is   is   ea s ier   d u e  to   th e  d eter m in is tic  p ath   len g th s .   T h e   m u lti - lay er   h ier ar c h ical  m o d e l  is   illu s tr ated   in   Fig u r e  3 .   T h e  r ed   n o d es  in d icate   th e  c lu s ter   h ea d s   o r   th e  cr itical  h u b s .   T h e  r ig h t - h an d   f ig u r es  d ep ict  th e  en tire   n etwo r k ,   th e  c o n s o lid ated   f o r m ,   w ith   r ed u n d an t  p ath s   all  th r o u g h ,   wh ich   will b e  h an d y   in   ca s e  o f   n o d e  f ailu r e   [ 1 1 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       Desig n   a   Ga u s s ia n   mixtu r e - b a s ed   clu s teri n g   mo d el  fo r   en h a n cin g   a cc u r a cy   …  ( K a n a k a   R a ju   R a ja n a )   1049       Fig u r e  2 .   GNN   u n eq u al  clu s te r in g :  t h e  s p lit n atu r all y   v ar ies           Fig u r e  3 .   L u ca s - b ased   u n eq u al   clu s ter in g : th e  s p lit is   o r g an iz ed   in   lay er s       2.   L I T E R AT U RE   SU RVE Y   I n   th e   ev o lu tio n   o f   n ew   tech n o lo g ies,  c o m m u n icatio n   n et wo r k s   ar e   co n s tan tly   ch an g in g   f o r   b etter   ef f icien cy ,   s ca lab ilit y ,   an d   r esil ien cy ,   wh ich   ar e  th e  r ec u r r in g   p atter n s   o f   g r ap h   th e o r y .   I n   th e  p ap er   b y   R ajan a   an d   Am ir ip alli  [ 1 ] ,   th e  a u th o r s   u s ed   th e  L u ca s   n u m er ical  s eq u en ce   an d   tr im et  g r ap h   o p tim izatio n   f o r   I o T   n etwo r k   r esil ien cy   f o r   s m ar t  h o m e   I o T   n etwo r k s .   T h eir   m esh   n etwo r k ,   b ased   o n   th e  L u ca s   n u m er ica l   s eq u en ce ,   p e r f o r m ed   b ett er   wi th   r an d o m   n o d e  f ailu r es.  I n   a n o th er   p a p er ,   C h en   a n d   Z h an g   [ 2 ]   in v esti g ated   th e   m ath em atica l  f o u n d atio n s   o f   clu s ter in g   th eo r y ,   s p ec if ically   GM M,   m in im ax   lo wer   b o u n d s ,   an d   alg o r ith m s .   W e  ex ten d ed   o u r   wo r k   b ased   o n   s o m e  o f   th e  c o n ce p ts   p r e s en ted .   Ho wev er ,   th e  h o m o g e n eo u s   p r o p er ties   o f   co v ar ian ce   ar e  n o t  v alid   f o r   r a n d o m   n o d e  f ailu r es,  wh ich   m ig h t  lim it  th e  d ir ec t  ap p licatio n   f o r   I o T   n etwo r k s   with   d is r u p ted   clu s ter s .   I n   o u r   s tu d y ,   th is   was  r ef lecte d   in   th e  lo w  f au lt  to ler an ce   o f   GNN   u n eq u al:  less   th an   0 . 3 5   an d   o n ly   u p   to   2 0   iter atio n s .   So n g   a n d   Z h an g ’ s   [ 4 ]   in t r o d u ce d   wh ee l  an d   s tar   ar ch itectu r es  co m b in in g   wav ele n g th   d iv is io n   m u ltip lex in g   a n d   wir eless   p r o tectio n .   T h e  u s e  o f   r i n g   to p o l o g y   f o r   in ter c o n n ec tio n s ,   alo n g   with   a  s tar   to p o lo g y   f o r   co n n ec tiv ity ,   e n s u r ed   h ig h   r eliab ilit y ,   m in i m u m   laten cy ,   s ca lab ilit y ,   an d   AI - ass is ted   f au lt   r ec o v er y .   T s its u lin   et  a l.  [ 8 ]   to o k   u n s u p e r v is ed   g r ap h   n eu r al  n etwo r k   p o o lin g   to   th e  n ex t  lev el  u s in g   m o d u lar ity   o p tim izatio n .   T h e ir   DM o N  m o d u le  was  ef f ec tiv e  o n   clu s ter s   o f   eq u al  s i ze .   T h eir   s tu d y   als o   s h o wed   th e  lim itatio n s   o f   GNN  clu s ter in g   o n   clu s ter s   o f   u n eq u al  s ize:  th e  im p o r tan ce   o f   t h e  r o b u s tn ess   o f   th e   alg o r ith m   was  m o r e  s ig n if ican t  th an   p r ev io u s ly   ass u m ed .   Kir m an i  et  a l.   [ 1 2 ]   p r o v i d ed   an   ex h au s tiv e   o v er v iew   o f   I o T - b ased   s m ar t  g r id   s y s tem s .   T h eir   w o r k   in cl u d ed   th r ee - tier e d   a r ch itectu r e,   clo u d   ar c h itectu r e,   co m m u n icatio n   s y s tem s ,   an d   s ec u r ity   s y s tem s   u tili zin g   b lo ck ch ain   an d   AI .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 4 7 - 1 0 5 7   1050   T h e  au th o r s   Kar ak o c  an d   Ko n ar   [ 1 3 ]   u s ed   c o m p lex   n etwo r k   th e o r y   f o r   g lo b al  tr ad e   n et wo r k s   with   s tar   t o p o lo g y ,   s ca le - f r ee   to p o lo g y ,   an d   r in g   to p o lo g y .   T h ey   f o u n d   co r e - p er ip h er y   s tr u ctu r es  an d   lattice  s tr u ctu r es  f r o m   th e   tr ad eo f f   b etwe en   ef f icien cy   an d   r esil ien ce .   T h eir   wo r k   is   in s ig h tf u l,  b u t  tr ad e   n etwo r k s   b eh av e  d if f e r en tly   f r o m   I o T   n etwo r k s .   Nelso n   et  a l.   [1 4 ]   p r o v ed   th e  ap p licab ilit y   o f   th e  m esh   to p o lo g y   with   lo w - p o wer   Z i g b ee   n etwo r k s   f o r   e n v ir o n m en tal  m o n ito r i n g .   “Self - h ea lin g ,   co s t - ef f ec tiv e ,   an d   r eliab le  d ata   ac q u is itio n . ”  Ho wev er ,   th e  n etwo r k   s ize  was   lim ited   to   f e wer   th an   5 0   n o d es.  Nu r lan   e t  a l.   [1 5 ]   cr itically   an aly ze d   th e  in ter f ac es  f o r   W SN  an d   W MN s   in   ter m s   o f   p er f o r m a n ce ,   p r o t o co ls ,   an d   s ec u r ity   an d   p r iv ac y .     AI   an d   ML   p lay   an   im p o r ta n t  r o le  in   th is   ar ea .   H o wev e r ,   th er e   was  n o   q u an tific atio n   o f   th e  r esil ien cy .     Om p al  et  a l.   [1 6 ]   p r o v id e d   a n   o v e r v iew  o f   th e   in teg r atio n   o f   s tar   to p o lo g y ,   m esh   to p o lo g y ,   an d   cl u s ter   tr ee   to p o lo g y   with   FP GA  an d   I E E E   8 0 2 . 1 5 . 4 .   T h eir   f o c u s   o n   in ter n o d e  co m m u n icatio n ,   en er g y   ef f icien c y ,   an d   AI - b ased   o p tim izatio n   p o in te d   f o r wa r d .   Ho wev er ,   th e y   d i d   n o t  co n s id er   n o d e   f ailu r es.   W h at  is   m is s in g   ac r o s s   m o s t  o f   th ese  r ef er en ce s   is   an   h o n est  d is cu s s io n   o f   wh at  f ail ed   o r   u n d er p e r f o r m ed .   W e  tr ied   to   ad d r ess   th at  in   o u r   wo r k .       3.   P RO P O SE D  M O D E L   GM M  e q u al  an d   GM M  u n eq u al  clu s ter in g   s tr ateg ies  p r o p o s e   a  d if f er en t  a p p r o ac h   in   cl u s ter in g   th e  clu s ter   s izes w ith   u n if o r m   ac r o s s   n etwo r k s   in   th e  e q u al  ca s e  an d   v a r iab le  in   th e  u n eq u al  ca s e .     3 . 1 .     G M M   e qu a l   GM M  e q u al  c lu s ter in g   f o r ce s   ea ch   Ga u s s ian   co m p o n en t   to   s h ar e  a n   id e n tical  co v a r ian ce   s tr u ctu r e   an d   p u s h es  b alan ce d   m em b er s h ip   d is tr ib u tio n   Fig u r e  3 .   E ac h   clu s ter   b ec o m es  s p h e r ical  o r   id en tically   o r ien ted   ellip s o id al.   T h is   w o r k s   wh en   y o u   ass u m e  th at   th e   g r o u p s   h av e   a  s im ilar   d en s ity   an d   s p ac e.   W e  h av e   test ed   it  with   s y n th etic  d ata  f o r   th r ee   co m p o n e n ts   with   a  s p h er ical  co v ar ian ce   an d   with   th r ee   well - s ep ar ated   eq u al - s ize   clu s ter s   [ 1 2 ] .   T h e   r esu lt  ca m e  o u t  with   a   u n if o r m   s h ap e  an d   with   a  s im ilar   d i s tr ib u tio n   o f   p o in ts .   Ass u m in g   th at  all  th e   co m p o n en ts   h av e   eq u al   weig h ts   wh i le  in itializin g   p r esu p p o s es  th a t  th e  g r o u p s   h av e   a   b alan ce d   co m p o s itio n ,   w h ich   p r ev e n ts   a  d o m in a n t  c lu s ter   f r o m   tak in g   o v er   th e  as s ig n m en ts   [1 7 ] .   T o   b e  h o n est,  th is   wo r k s   b est  wh e n   y o u   s p ec if ically   wan t  h o m o g e n eity   b etwe en   clu s ter s   [ 1 3 ] .   W e  h av e  co n d u cte d   ex ten s iv e  an aly s is   with   a  n etwo r k   d ataset,   wh ic h   h as  f o u r   clu s ter s ,   with   ex ac tly   1 0 0   n o d es  in   ea ch .   T h e  lef t   p an el  in   Fig u r e  4   s h o ws  th e  2 D  f ea tu r e  s p ac e,   with   y ello w,   g r ee n ,   p u r p le,   an d   b lu e  clu s t er s ,   with   b lack   X’ s   f o r   th e  ce n tr o id s ,   an d   r e d   f o r   t h e  clu s ter   h ea d s   [1 4 ] .   So m e  p r o b ab ilis tic  o v er lap ,   wh ich   we   wan ted ,   is   s h o wn   with   th e  u s e  o f   a  GM M.   T h e  r ig h t p an els s h o w  th e  en tire   n etwo r k   an d   th e  u n i f ied   v er s io n   with   in ter co n n ec ted   n etwo r k s .   Fig u r e  5   illu s tr ates   th e  f lo wch ar t,   an d   T a b les 1   an d   2   s h o w   th e   n o tatio n   tab le  f o r   GM M .           Fig u r e  4 .   Pro p o s ed   m o d el  o f   GM M  e q u al  v is u aliza tio n :  c lu s ter in g       3 . 2 .     G M M   un equa l   T h is   f lex ib ilit y   is   p ar ticu lar l y   u s ef u l  f o r   h eter o g en e o u s   d ata  wh er e  th e  clu s ter s   v ar y   i n   ter m s   o f   s p r ea d   an d   d e n s ity   [ 1 5 ] .   As  s h o wn   in   o u r   ex p er im e n ts ,   th is   f lex ib ilit y   led   to   o n e  o f   th e  clu s ter s   co n tain in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       Desig n   a   Ga u s s ia n   mixtu r e - b a s ed   clu s teri n g   mo d el  fo r   en h a n cin g   a cc u r a cy   …  ( K a n a k a   R a ju   R a ja n a )   1051   m o r e  th a n   3 0 .   Fig u r e   6 :  u n e x p ec ted   d en s ity   co n ce n tr atio n   o f   C lu s ter   1   an d   s u b s eq u e n t  r ap id   in cr ea s e  in   b etwe en n ess   ce n tr ality .   L ef t:  2 D  f ea tu r e  s p ac e  s h o win g   th e  d is tr ib u tio n   o f   t h e  f o u r   clu s ter s   with   v ar y in g   s izes.  C lu s ter in g   r esu lts :  C lu s t er   0 :   5 2   n o d es  ( b lu e) .   C lu s ter   1 :  1 6 6   n o d es   ( teal) .   C lu s ter   2 :  9 0   n o d es   ( y ello w) .   C lu s ter s   3   an d   4 :  1 1 5   an d   7 7   n o d es  ( g r ee n   a n d   p u r p le) .   R ig h t:  c o m p lete  n etwo r k   a n d   c o m b in ed   v iew.   T h e   u n eq u al  clu s ter in g   r esu lted   f r o m   th e  h eter o g e n eo u s   d ata  an d   is   ex p ec ted   to   b e  n atu r al  [ 1 6 ] .   T h is   im b alan ce   p r o v es  t h e  ef f ec tiv en ess   o f   GM M  in   d ea lin g   with   r ea l - wo r ld   s itu atio n s   wh e r e  n atu r al  g r o u p in g s   ar e   n o t   alwa y s   b alan ce d .   As  s h o wn   b y   th e   d is tin ct  b o u n d ar ies  o f   th e  clu s ter s   with   p r o m in e n t  ce n t r o id s   an d   h ea d s   o f   th e  clu s ter s ,   th e  alg o r ith m   was   s u cc ess f u l  in   d is co v e r in g   s tr u ctu r al  p atter n s   with in   th e  d ata  s et.   T h e  p an els  o n   th e  r ig h t  p o r tio n   o f   t h e  g r ap h   s h o w  ad d itio n al  in f o r m atio n   r eg ar d in g   t h e  s tr u ctu r e  o f   t h e  n etwo r k ,   wh ich   ca n   b e  u s ed   to   f u r th er   u n d er s tan d   t h e  d ata   s et  p r esen ted   [ 1 8 ] .   T h e  “Fu ll  Netwo r k   Stru ctu r e”   o f   Fig u r e  6   s h o ws  th e  co m p lex   i n ter co n n ec ted n ess   o f   th e  d ata   s et,   with   th e  lar g est  clu s ter   ( C lu s ter   1 )   s h o win g   d en s e  co n n ec tiv ity   with in   th e  g r o u p   wh ile  estab li s h in g   s tr ateg ic  co n n ec tio n s   with   o th er   clu s ter s   [ 1 9 ] .   T h e  s in g le  in ter co n n ec ted   n etwo r k   ( Un if ied   View) ”  s h o ws  th e  g l o b al  s tr u ct u r e  o f   th e  d ata  s et.   Fig u r e  7   s h o ws  its   f lo wch ar t,   d em o n s tr atin g   th at  t h e  u n e q u al  clu s ter in g   is   a  n atu r al  r ep r e s en tatio n   o f   th e  h ie r ar ch ical  s tr u ctu r e  o f   th e  d ata   s et  with o u t c o m p r o m is in g   th e  o v er all  co h esio n   o f   t h e  n etwo r k   ar ch itectu r e.           Fig u r e  5 .   Pro p o s ed   m o d el  o f   GM M  e q u al  v is u aliza tio n : f lo wch ar t       T ab le  1 .   No tatio n   tab le  f o r   G MM   e q u al   S y mb o l   D e scri p t i o n   n   To t a l   n u m b e r   o f   d a t a   p o i n t s   ( sam p l e s)   n s a m pl e s   N u mb e r   o f   d a t a   p o i n t s  g e n e r a t e d   ( e . g . ,   5 0 0 )   X   D a t a   ma t r i x   o f   sh a p e   ( n , 2 ) ,   w h e r e   e a c h   r o w   i s   a   t w o - d i m e n s i o n a l   d a t a   p o i n t   n c l us t e rs   N u mb e r   o f   c l u s t e r s ( e . g . ,   5 )   k   N u mb e r   o f   n e a r e s t   n e i g h b o r s   f o r   n e t w o r k   c o n s t r u c t i o n   ( e . g . ,   5 )   G M M   G a u ss i a n   m i x t u r e   m o d e l   u s e d   f o r   c l u s t e r i n g   µ j   I n i t i a l   c e n t r o i d   o f   c l u s t e r   j   a s  d e t e r mi n e d   b y   t h e   G M M   f i x e d _ c l u s t e r _ si z e   N u mb e r   o f   p o i n t s  p e r   c l u st e r   f o r   e q u a l - si z e   a ssi g n me n t   ( n / n c l us t e rs )   l a b e l s   C l u st e r   a ss i g n m e n t   v e c t o r   f o r   a l l   d a t a   p o i n t s   c e n t r o i d s   A r r a y   o f   r e c a l c u l a t e d   c e n t r o i d s a f t e r   e q u a l - s i z e   a ss i g n m e n t   C l u st e r _ h e a d s   I n d i c e s   o f   p o i n t s c l o sest   t o   e a c h   c e n t r o i d   ( d e s i g n a t e d   a s c l u st e r   h e a d s)   C d i st   (X,   Y)   P a i r w i se   d i st a n c e   ma t r i x   b e t w e e n   p o i n t s   i n   X   a n d   Y   G   k N N   n e t w o r k   g r a p h   G c om b i ne d   N e t w o r k   g r a p h   w i t h   a d d i t i o n a l   e d g e s   c o n n e c t i n g   a l l   c l u s t e r   h e a d s   G uni fi e d   N e t w o r k   g r a p h   w i t h   s u p p l e m e n t a r y   i n t e r - c l u s t e r   e d g e s   pos   D i c t i o n a r y   m a p p i n g   n o d e   i n d i c e s  t o   t h e i r   2 D   ( x ,   y)   c o o r d i n a t e s f o r   v i s u a l i z a t i o n   u n i q u e _ l a b e l s   U n i q u e   c l u st e r   l a b e l s  p r e s e n t   i n   t h e   d a t a   c l u st e r _ c o u n t s   D i c t i o n a r y   o f   n o d e   c o u n t s  p e r   c l u st e r   i n t e r _ e d g e s_ p e r _ p a i r   N u mb e r   o f   i n t e r - c l u st e r   e d g e s  a d d e d   b e t w e e n   e a c h   p a i r   o f   c l u st e r s   n e w l y _ a d d e d _ i n t e r _ c l u s t e r _ e d g e s   Li st   o f   n e w   i n t e r - c l u st e r   e d g e s  i n t r o d u c e d   i n   t h e   u n i f i e d   n e t w o r k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 4 7 - 1 0 5 7   1052   T ab le  2 .   No tatio n   tab le  f o r   G MM   u n eq u al   S y mb o l   D e scri p t i o n   n   To t a l   n u m b e r   o f   d a t a   p o i n t s   ( sam p l e s)   n sam p l e s   N u mb e r   o f   d a t a   p o i n t s  g e n e r a t e d   ( e . g . ,   5 0 0 )   X   D a t a   ma t r i x   o f   sh a p e   ( n , 2 ) ,   w h e r e   e a c h   r o w   i s   a   t w o - d i m e n s i o n a l   d a t a   p o i n t   n c l u s t e r s   N u mb e r   o f   c l u s t e r s ( e . g . ,   5 )   k   N u mb e r   o f   n e a r e s t   n e i g h b o u r s f o r   n e t w o r k   c o n s t r u c t i o n   ( e . g . ,   5 )   G M M   G a u ss i a n   M i x t u r e   M o d e l   u s e d   f o r   c l u st e r i n g   µj   I n i t i a l   c e n t r o i d   o f   c l u s t e r   j   a s  d e t e r mi n e d   b y   t h e   G M M   d i s t a n c e s   P a i r w i se   d i st a n c e   ma t r i x   b e t w e e n   d a t a   p o i n t s   X   a n d   c e n t r o i d s µ j   l a b e l s   C l u st e r   a ss i g n m e n t   v e c t o r   f o r   a l l   d a t a   p o i n t s   c e n t r o i d s   A r r a y   o f   r e c a l c u l a t e d   c e n t r o i d s  - si z e   a ssi g n me n t   C l u st e r _ h e a d s   I n d i c e s   o f   p o i n t s c l o sest   t o   e a c h   c l u s t e r   c e n t r o i d   µ j   ( c l u st e r   h e a d s)   C l u st e r _ n o d e s_ i n d i c e s   Li st   o f   a r r a y s,  e a c h   c o n t a i n i n g   t h e   i n d i c e s   o f   n o d e s  b e l o n g i n g   t o   c l u st e r   j   G   k N N   n e t w o r k   g r a p h   c o n st r u c t e d   f r o m  X   G c o m b i n e d   N e t w o r k   g r a p h   G   w i t h   a d d i t i o n a l   e d g e s c o n n e c t i n g   a l l   c l u st e r   h e a d s   G u n i f i e d   N e t w o r k   g r a p h   G   w i t h   su p p l e me n t a r y   i n t e r - c l u st e r   e d g e s   pos   D i c t i o n a r y   m a p p i n g   n o d e   i n d i c e s  t o   t h e i r   t w o - d i me n si o n a l   c o o r d i n a t e s fo r   v i s u a l i z a t i o n   c l u st e r _ c o u n t s   D i c t i o n a r y   o f   n o d e   c o u n t s  p e r   c l u st e r   i n t e r _ e d g e s_ p e r _ p a i r   N u mb e r   o f   i n t e r - c l u st e r   e d g e s  a d d e d   b e t w e e n   e a c h   p a i r   o f   c l u st e r s   n e w l y _ a d d e d _ i n t e r _ c l u s t e r _ e d g e s   Li st   o f   n e w   i n t e r - c l u st e r   e d g e s  i n t r o d u c e d   i n   t h e   u n i f i e d   n e t w o r k           Fig u r e  6 .   Pro p o s ed   m o d el  o f   GM M  u n eq u al  v is u aliza tio n : c lu s ter in g           Fig u r e  7 .   Pro p o s ed   m o d el  o f   GM M  u n eq u al  v is u aliza tio n :  f lo wch ar t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       Desig n   a   Ga u s s ia n   mixtu r e - b a s ed   clu s teri n g   mo d el  fo r   en h a n cin g   a cc u r a cy   …  ( K a n a k a   R a ju   R a ja n a )   1053   T h e  p r o p o s ed   A lg o r ith m   1   GM M  eq u al  b eg i n s   b y   r an d o m ly   d e p lo y in g   n _ s am p les  s en s o r   n o d es  ac r o s s   a  two - d im en s io n al  r e g io n ,   af ter   w h ich   a  GM M  is   f itted   to   t h e  n o d e  co o r d i n ates  to   esti m ate   p r o b a b ilis tically   in f o r m ed   in itial c en tr o id s ,   o f f er in g   a  s tatis ti ca lly   s u p er io r   alter n ativ e  to   co n v en tio n al  r an d o m   s ee d in g .   E ac h   n o d e  th e n   co m p u tes  its   E u clid ea n   d is tan ce   to   all  ce n tr o id s ,   an d   a  b alan ce d   p ar titi o n in g   s tr ateg y  ass ig n s   ex ac tly   [ n _ s am p les/ n _ clu s ter s ]   n o d es  to   ea ch   clu s ter   b y   iter ativ ely   s elec tin g   th e  clo s est  u n ass ig n ed   n o d es,  th er e b y   en s u r i n g   a  u n if o r m   en e r g y   lo a d   d is tr ib u tio n   ac r o s s   th e  n etwo r k .   W ith in   ea ch   clu s ter ,   th e   ce n tr o id   is   r ec o m p u ted   as  th e  m ea n   p o s iti o n   o f   ass ig n ed   n o d es,  an d   th e  n o d e  ly in g   clo s est  to   th is   ce n tr o id   is   elec ted   as  th e  clu s ter   h ea d   ( C H) ,   d esig n ated   to   p er f o r m   l o c al  d ata  ag g r eg atio n   an d   in te r - clu s ter   f o r war d in g .     A  k NN  g r ap h   G  is   s u b s eq u en t ly   co n s tr u cted   o v e r   all  n o d es  to   estab lis h   lo ca l  c o m m u n icatio n   lin k s   r e f lectin g   p h y s ical  p r o x im ity ,   u p o n   wh i ch   a  f u ll  m esh   o v er lay .   G combined   is   f o r m ed   b y   in ter c o n n ec tin g   all  C Hs,  en ab lin g   d ir ec t  s in g le - h o p   c o m m u n icatio n   b etwe en   an y   two   cl u s ter s   an d   s ig n if ican tly   r e d u cin g   r o u tin g   o v e r h ea d .   T o   f u r th er   en h a n ce   n etwo r k   r esil ien ce ,   s to ch asti c  in ter - cl u s ter   b r id g e  e d g es  ar e   in tr o d u ce d   b y   r an d o m l y   s elec tin g   n o d e  p air s   f r o m   n eig h b o r in g   clu s ter s   an d   co n n ec tin g   th e m ,   y ield in g   t h e  f in al  u n if ied   g r ap h   G unified ,   wh o s e   to p o lo g y   is   th en   v is u alize d   to   v alid ate  clu s ter   f o r m ati o n ,   lo c al  co n n ec tiv ity ,   a n d   i n ter - clu s ter   m esh   s tr u ctu r e,   m ak in g   th e   o v er all  f r am ewo r k   well - s u ited   f o r   en e r g y - co n s tr ain ed   W SN a n d   I o T   n etwo r k   d esig n .     Alg o r ith m   1 .   GM M  eq u al   Input: n_samples, n_clusters, k   Output:   Combined network with cluster  head connections of a Mesh   Step 1: Start   Step 2: Generate X = { 1   , ...,  } in  2   Step 3: Fit GMM with n_clusters to X → initial_centroids   Step 4: For each x_i:         Compute distances to all centroids   Step 5: For each cluster j:         Assign n_samples/ n_clusters closest unassigned points to cluster j   Step 6: For each cluster j:         centroid_j = mean   (points in cluster j)         cluster_head_j = argmin_x ||x  -   centroid_j||   Step 7: Build k - NN graph G from X   Step 8: G_combined = G + edges between all cluste r heads   Step 9: For each cluster pair (i, j):         Randomly select nodes from i and j         Add inter - cluster edges in G_unified   Step 10:   Visualize clusters, G, and G_unified   Step 11:   Stop     T h e  A lg o r ith m   2   GM M  u n eq u al  b eg in s   with   th e  r an d o m   d ep lo y m en t  o f   n _ s am p les  s en s o r   n o d es  in   a  two - d im en s io n al  r eg io n .   Su b s eq u en tly ,   a  GM M  was   f itted   to   th e  n o d e  co o r d in ates,  g en er atin g   p r o b a b ilis tically   in f o r m ed   in it ial  ce n tr o id   p o s itio n s   th at  m o r e  ac cu r ately   r ef lect  th e   s p atial  d is tr ib u tio n   o f   t h e  n o d es th an   tr a d itio n al  s ee d in g   m eth o d s .   At  th is   p o i n t,  a n   in iti al  clu s ter   lab el  is   ass ig n ed   to   ea ch   n o d e   b ased   o n   th e  o u tp u t  o f   th e  GM M,   an d   th e  n u m b er   o f   n o d es  p er   clu s ter   is   r ec o r d ed   to   q u an tif y   th e   in itial  d is tr ib u tio n   b ef o r e   r eb alan ci n g .   T h en   a  b a lan ce d   p a r titi o n in g   s tep   is   p er f o r m ed   in   w h ich   ea c h   clu s ter   is   ass ig n ed   ex ac tly   [ n _ s am p les/ n _ clu s ter s ]   n o d es  b y   iter ativ ely   s elec tin g   th e  clo s est  u n ass ig n ed   n o d es.  T h is   en s u r es  u n if o r m   clu s ter   s izes  an d   s im ilar   en er g y   lo a d   d is tr ib u tio n   o v e r   th e  n etwo r k .   CH j   =  ar g   m in x   ∥ x −c en tr o i d j ∥ .  T h e   ce n tr o id   is   th en   r ec alcu lated   a s   th e  m ea n   p o s itio n   o f   all  ass ig n ed   n o d es,  a n d   th e   n o d e  cl o s est  to   th e  r ef in e d   ce n tr o id   is   elec ted   as  th e  C H.   T h e  C H  i s   r esp o n s ib le  f o r   lo ca l  d ata  ag g r eg atio n   an d   in ter - cl u s ter   f o r war d in g .   A  k NN   g r ap h   G ,   is   th en   c o n s tr u cted   o v er   all  n o d es  to   m o d el  lo ca l  co m m u n icatio n   lin k s ,   an d   a  f u ll  m es h   o v er lay   G combined   is   f o r m ed   b y   in ter co n n ec tin g   all  C Hs  f o r   d ir ec t  s in g le - h o p   in ter - clu s t er   co m m u n icatio n .     T o   f u r th er   im p r o v e  n etwo r k   r e s ilien ce ,   we  in tr o d u ce   all   p o s s ib le  ed g es  b etwe en   r an d o m ly   c h o s en   n o d e   s u b s ets  f r o m   ea ch   p air   o f   n ei g h b o r in g   clu s ter s   an d   s to r e  th ese  n ewly   ad d ed   in ter - clu s ter   ed g es  ex p licitly   in   n ewly _ ad d e d _ in ter _ clu s ter _ ed g es  f o r   tr ac ea b ilit y ,   y ield in g   th e  f in al   u n if ie d   g r ap h   G unified .   T h e  r esu ltin g   to p o lo g y   is   th en   v is u alize d   with   clu s ter   an n o tatio n s ,   ce n tr o id s ,   an d   C H  d esig n atio n s   to   en ab le   r ig o r o u s   v alid atio n   an d   p er f o r m a n ce   an aly s is   in   W S N  an d   I o T   r esear ch   co n tex ts .     Alg o r ith m   2 .   GM M  u n eq u al   Output: Combined  network with cluster head connections of a Mesh   Step 1: Start   Step 2: Generate X = { 1   , ...,  } in  2   Step 3: Fit GMM with n_clusters to X → initial_centroids   Step 4: For each    :         Store in labels;   count nodes in each cluster   Step 5: For  each cluster j:           Assign n_samples/n_clusters closest unassigned points to cluster j   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 4 7 - 1 0 5 7   1054   Step 6: For each cluster j:         centroid_j = mean   (points in cluster j)         cluster_head_j = argmin_x ||x  -   centroid_j||   Step 7: Build k - NN graph G from X   Step 8: G c ombined   = G + edges between all cluster heads   Step 9: For each cluster pair (i, j):         Randomly select nodes from i and j         Add all possible edges between these nodes in G unified        Store new edges in newly_added _inter_cluster_edges   Step 10:   Visualize:        Clusters with node counts,   centroids, and   cluster heads        Full k - NN network structure       Unified network with inter - cluster edges   Step 11:   Stop       4.   RE SU L T   AND  DI SCUS SS I O N   Netwo r k   s cien ce   e v alu atio n   h as  r esu lted   i n   th e   cr ea tio n   o f   to o ls   th at  e n ab le   u s   to   m ea s u r e  th e   p er f o r m an ce   o f   a n   alg o r ith m   in   th r ee   o v e r lap p in g   d i m en s io n s :   s tr u ctu r al  r o b u s tn ess ,   c o m m u n icatio n   e f f icien cy ,   a n d   r o b u s tn ess   ag ain s t  f ailu r e  [ 2 0 ] .   T h er e  ar e  s ev er al  m etr ics  in   ea ch   c ateg o r y /d im e n s io n .   Stru ctu r al  r o b u s tn ess   d escr ib es  th e  ex ten t  to   wh ich   th e  n etwo r k   s tay s   co n n ec ted   d u r in g   a  d is r u p tio n   [ 2 1 ] .     T h e  n u m b er   o f   c o n n ec te d   co m p o n e n ts   is   ca lled   f r ag m e n tatio n   [ 2 2 ] .   T h e  d e g r ee   o f   r e d u n d an cy   o f   p ath s   is   m ea s u r ed   b y   th e  av e r ag e  d e g r ee   [ 2 3 ] .   C lu s ter in g   co ef f icien t  is   a  m ea s u r e  o f   lo ca l  co h esio n .   Netwo r k   d en s ity   is   u s ed   to   m ea s u r e  g lo b a l   co n n ec tiv ity .   W ien er   in d ex   i s   a  m ea s u r e  o f   ef f icien c y   in   r er o u tin g   o f   p ath s .   C o m m u n icatio n   ef f icien cy   s tu d ies  th e  ef f icien c y   o f   in f o r m atio n   tr a v el.   T h e  d en s ity   o f   th e  n etwo r k   is   n e g ativ ely   ass o ciate d   with   p at h   len g th s .   B etwe en n ess   ce n tr ality   id en tifie s   k ey   in te r m ed iar ies  wh o s e  f ailu r e  p r o p a g ates  r o u tin g .     Failu r e  r esil ien ce   co m b in es  r o b u s tn ess   with   ef f icien c y   to   k ee p   f u n ctio n i n g   i n   th e   f ac e   o f   p r o g r ess iv e  n o d e   f ailu r e  [ 2 4 ] .   T h e   p o s t - f ailu r e   r elate d   co m p o n e n ts   s h o w  th e   in ten s ity   o f   f r a g m en tatio n .   R em ain in g   alter n ate   p ath s   ar e  m ea s u r ed   b y   s u r v i v al  o f   th e  av er ag e  d e g r ee   an d   g r ap h   d e n s ity .   E ig en v ec to r   ce n tr ality   is   u s ed   to   ev alu ate  th e  s ig n if ican ce   o f   s tr o n g ly   in f l u en tial   n o d es  [ 2 5 ] .   All  th ese  m etr ics  ar e  in d icato r s   o f   n etwo r k   s u r v iv ab ilit y   ac r o s s   f ailu r e  r at es;  th e  r o b u s tn ess   s co r e  s h o wn   in   Fig u r e  8   r e v ea led   L u ca s W h ee l  d o m in ated   all,   with   s co r es  o v er   ( ~4 6 )   at  ze r o   f ailu r e  b u t  d ec lin ed   s teep ly   with   in cr ea s in g   f ailu r es.  GM M   e q u al  s u s tain s   b etter   r esil ien ce   th a n   GM M   u n eq u al,   wh ile  GNN   e q u al  a n d   GNN   u n eq u al  b e h av e   s im ilar ly   th r o u g h o u t .   B ey o n d   4 5 %  f ailu r e ,   all  to p o lo g ies  co n v e r g e  n ea r   a   s co r e   o f   4   to   6 ,   in d icatin g   th at  s tr u ctu r al  ad v an tag es  d im in is h   u n d er   s ev er e  n o d e  d eg r ad atio n .   T h e  ef f icien cy   s c o r e   s h o wn   in   Fig u r e  9   r e v ea le d   a  g r ad u al  u p war d   tr en d ,   as  n etwo r k   co n tr ac tio n   r ed u ce s   av e r ag e  p ath   le n g th s   am o n g   s u r v iv in g   n o d es.   GM M   e q u al  s u s tain s   th e   h ig h est  ef f icien cy   th r o u g h o u t ( ~0 . 5 9   to   0 . 6 5 ) ,   wh e r ea s   GNN   e q u al  e x h ib its   th e  s teep est  r is e,   p ea k in g   at  ~ 0 . 7 0   at  5 0 %  f ailu r e.   GM M   u n e q u al  co n s is ten tly   r ec o r d s   th e  l o west  ef f icien cy ,   wh ile  L u ca s W h ee l  an d   GNN   u n eq u al   f o llo w  m o d er ate  ascen d in g   tr en d s ,   co n v er g in g   n e ar   0 . 5 8   to   0 . 6 5   at  h ig h e r   f ailu r e  r ates.  Fig u r e  10   co m p ar es  th e   m o d u lar ity   s co r es  o f   f iv e  to p o lo g ies  ac r o s s   n o d e  f ail u r e  r ates  f r o m   0 %   to   5 0 %.  GNN   e q u al   ac h iev es  th e  h ig h est  m o d u lar ity   ( ~0 . 6 5 ) ,   wh ile  GM M   e q u a l,  GM M   u n eq u al,   an d   GNN   u n eq u al  m ain tai n   co m p ar ab le   s co r es  b etwe e n   0 . 5 6   to   0 . 6 5 ,   all   s h o win g   a  s lig h t  d ec lin e   as  th e   f ail u r e  r ate   in cr ea s es.  L u ca s W h ee l  r ec o r d s   a   n ea r - ze r o   m o d u lar ity   ac r o s s   all  f ailu r e   co n d itio n s ,   co n f ir m in g   its   h u b - ce n tr i c   ar ch itectu r e  la ck s   an y   m ea n in g f u l c o m m u n ity   s tr u ct u r e.   T h ese  r esu lts   s u g g est  th at  G MM   an d   GNN - b ased   to p o lo g ies  p r eser v e  s tr o n g er   clu s ter   o r g an izatio n   u n d er   n o d e  f ailu r es  c o m p ar e d   to   L u ca s W h ee l.   C en tr ality   B alan ce ,   s h o wn   i n   Fig u r e   11 ,   r ev ea led   th e  s tr u ctu r al   d if f er en ce s   a m o n g   th e  m eth o d s .   E x ce p t  at   ze r o   f ailu r e,   G NN   e q u al  an d   GM M   u n eq u al   ex h ib it  t h e  h ig h est  v alu es  ( ~0 . 1 2   an d   ~0 . 1 1 ) ,   wh er ea s   GNN   u n eq u al  s tar ts   n ea r   ze r o ,   r ef lectin g   h i g h ly   s k ew ed   lo ad   d is tr ib u tio n .   All  to p o lo g ies  d r o p   s h ar p ly   b y   5 %  in   f ailu r e  an d   s u b s eq u e n tl y   s tab ilize  with in   a  n ar r o w   b an d   o f   0 . 0 1 – 0 . 0 3 ,   with   n o   t o p o lo g y   co n s is ten tly   o u tp e r f o r m in g   o th er s .   T h is   c o n v er g en ce   im p lies   th at  p r o g r ess iv e  n o d e  f ailu r es   n atu r ally   r ed is tr ib u te  t r af f ic   lo ad   am o n g   s u r v iv in g   n o d es,  r ed u cin g   ce n t r ality   im b ala n ce   r eg ar d less   o f   th e   in itial  to p o lo g y   d esig n .   Failu r e  r esil ien ce   p er f o r m an ce   o f   a ll  f iv e  clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e  f ailu r es   ar e  s h o wn   in   Fig u r e  12 .   L u ca s W h ee l  s tar ts   with   a  p er f ec t  s co r e  o f   1 . 0   b u t  d eg r a d es  m o s t   s ev er ely ,   d r o p p in g   to   ~0 . 0 8   at  5 0 %  f ailu r e,   m ak i n g   i t  th e  least  f au lt - to ler a n t   to p o lo g y   o v e r all.   GM M   e q u al  e x h ib its   th e  s tr o n g est   r esil ien ce   th r o u g h o u t,  d ec lin i n g   g r ad u ally   f r o m   ~0 . 8 8   at   1 0 %  to   ~0 . 3 9   at   5 0 %   f ailu r e.   GM M   u n eq u al,     GNN   e q u al,   an d   GNN   u n eq u al  f o llo w  co m p ar ab le  d escen d in g   tr en d s ,   co n v er g i n g   n ea r   0 . 2 5   to   0 . 3 1   at  5 0 %  f ailu r e,   co n f ir m in g   t h at  GM M  an d   GNN  b ased   to p o lo g ies  s u s tain   b etter   co n n ec tiv ity   th a n   L u ca s W h ee l  u n d er   p r o g r ess iv e  n o d e  d e g r ad atio n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J  I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l     I SS N:   2252 - 8 7 7 6       Desig n   a   Ga u s s ia n   mixtu r e - b a s ed   clu s teri n g   mo d el  fo r   en h a n cin g   a cc u r a cy   …  ( K a n a k a   R a ju   R a ja n a )   1055           Fig u r e   8 .   R o b u s tn es s  s co r e  p er f o r m a n ce   o f   clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e  f ailu r es   Fig u r e   9 .   E f f icien cy   s co r e   p er f o r m an ce   o f   clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e  f ailu r es               Fig u r e   10 .   Mo d u la r ity   s co r e  p er f o r m a n ce   o f   clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e  f ailu r es   Fig u r e  11 .   C en tr ality   b alan ce   p er f o r m an ce   o f   clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e  f ailu r es           Fig u r e   1 2 .   Failu r e  r esil ien ce   p er f o r m a n ce   o f   clu s ter in g   alg o r ith m s   u n d er   n o d e   f ailu r es       5.   CO NCLU SI O N   Af ter   test in g   all  th e  alg o r ith m s   o n   8 4 3   n o d es  with   t h e  f ailu r e  r ate  o f   5 0   p er ce n tag e,   t h e  G MM   e q u al   alg o r ith m   p r o v ed   th e   m o s t  w ell - r o u n d ed   p er f o r m er   with   s u s tain in g   co m p etitiv e  ef f icien cy   an d   th e  s lo west  r esil ien ce   d e ca y   ac r o s s   all  te s ted   co n d itio n s .   L u ca s W h ee l,  d esp ite  its   s u p er io r   in itial  r o b u s tn ess ,   d eg r ad e d   s h ar p ly   u n d e r   p r o g r ess iv e  n o d e  f ailu r e s   with   n eg lig ib le  m o d u lar ity ,   lim itin g   its   p r ac tical  a p p licab ilit y .   GNN   e q u al  ex h ib ited   th e   s tr o n g est  m o d u lar ity   a n d   e f f icien cy   g ain s   at  elev ated   f ailu r e   r ate s ,   wh ile  ce n tr ality   b alan ce   co n v e r g ed   ac r o s s   all  to p o lo g ies  b ey o n d   cr itical  f ailu r e  th r esh o ld s .   T h ese  o u tc o m es  v alid ate  th at  GM M,   GNN  b ased   clu s ter in g   f r am ewo r k s   a r e  m o r e  r esil ien t ,   an d   s tr u ctu r ally   s tab le,   p o s itio n in g   GM M   e q u al   as th e  o p tim al  ar ch itectu r e   f o r   wir eless   s en s o r   n etwo r k   d esig n   u n d e r   ad v er s e  co n d itio n s .       6.   F UT UR E   WO RK     Fu tu r e  r esear ch   s h o u ld   b u ild   u p o n   th is   an aly s is   b y   ap p l y in g   th e  s am e   alg o r ith m s   o n   lar g er   n etw o r k s   th at  s u r p ass   th e  s ize  o f   1 0 , 0 0 0   n o d es,  wh ile  co n s id er in g   d y n am ic  f ailu r e  s ce n ar io s   s u ch   as   ca s ca d in g   f ailu r es   an d   ad v er s ar y   attac k s   to   m im ic  th e  r ea l - life   co n d itio n s   with in   ess en tial sy s tem s .   I n   ad d itio n ,   th er e  is   s co p e  f o r   s tu d y in g   h y b r id   alg o r ith m s   wh er e  th e  r esil ien ce   o f   GM M   e q u al  is   co m b in ed   with   th e  m o d u lar ity   o f   GNN   e q u al  u s in g   e n s em b le  lear n in g   tech n iq u es o r   r ein f o r ce m en t l ea r n in g   tech n iq u es.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 7 7 6   I n t J I n f   &   C o m m u n   T ec h n o l ,  Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1 0 4 7 - 1 0 5 7   1056   ACK NO WL E DG M E N T S   W e  wo u ld   lik e  to   e x p r ess   o u r   g r atitu d e   to   GI T AM   ( Dee m ed   to   b e  Un iv er s ity )   f o r   p r o v id in g   th e   h ig h - en d   co m p u tatio n al  f ac ilit ies an d   in v alu ab le  s u p p o r t e s s en tial to   th e  im p lem en tatio n   o f   th is   r esear ch .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h e  au th o r s   d ec lar e  th at  n o   f u n d in g   o r   f in an cial  ass is tan ce   was r ec eiv ed   f o r   th is   r ev iew  wo r k .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Kan ak a  R aju   R ajan a     ✓     ✓     ✓   ✓     ✓     ✓         Sh an m u k   Srin i v as  Am ir ip alli   ✓     ✓     ✓       ✓     ✓     ✓         C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   T o   T h e  a u th o r s   d ec lar e   n o   c o n f licts   o f   in ter est       DATA AV AI L AB I L I T Y   T h e  d ata  th at   s u p p o r t  th e  f in d in g s   o f   th is   s tu d y   ar e  av ailab le  u p o n   r ea s o n a b le  r eq u est  to   th e   co r r esp o n d in g   a u th o r .         RE F E R E NC E S   [ 1 ]   K .   R .   R a j a n a   a n d   S .   S .   A m i r i p a l l i ,   “ A   n o v e l   Lu c a s - b a s e d   c l u s t e r i n g   o p t i m i z a t i o n   f o r   e n h a n c i n g   su r v i v a b i l i t y   i n   sm a r t   h o me   d e s i g n , ”   E n g i n e e ri n g ,   T e c h n o l o g y   &   Ap p l i e d   S c i e n c e   Re s e a rc h ,   v o l .   1 5 ,   n o .   1 ,   p p .   1 9 9 0 3 – 1 9 9 0 9 ,   2 0 2 5 ,   d o i :   1 0 . 4 8 0 8 4 / e t a sr . 9 2 3 2 .   [ 2 ]   X .   C h e n   a n d   A .   Y .   Z h a n g ,   “ A c h i e v i n g   o p t i ma l   c l u s t e r i n g   i n   G a u ss i a n   m i x t u r e   mo d e l s  w i t h   a n i s o t r o p i c   c o v a r i a n c e   st r u c t u r e s , ”     i n   Pro c .   3 8 t h   An n u a l   C o n f .   N e u ra l   I n f o rm a t i o n   Pr o c e ssi n g   S y s t e m s ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 5 2 2 0 2 / 0 7 9 0 1 7 - 3 6 1 0 .   [ 3 ]   S .   D a o u s i s,   N .   P e l a d a r i n o s ,   V .   C h e i maras ,   P .   P a p a g e o r g a s,   D .   D .   P i r o mal i s,  a n d   R .   A .   M u n t e a n u ,   “ O v e r v i e w   o f   p r o t o c o l s     a n d   s t a n d a r d s   f o r   w i r e l e ss   se n s o r   n e t w o r k s   i n   c r i t i c a l   i n f r a st r u c t u r e s,”   Fu t u r e   I n t e rn e t ,   v o l .   1 6 ,   n o .   1 ,   p .   3 3 ,   2 0 2 4 ,     d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / f i 1 6 0 1 0 0 3 3 .   [ 4 ]   Z.   S o n g   a n d   H .   Z h a n g ,   “ R e si l i e n t   f i b e r – w i r e l e s s  n e t w o r k s  f e a t u r i n g   sc a l a b i l i t y   a n d   l o w   l a t e n c y :   i n t e g r a t i n g   a   w h e e l - a n d - st a r   a r c h i t e c t u r e   w i t h   w i r e l e ss  p r o t e c t i o n , ”   I EEE  Ac c e ss ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / A C C ESS . 2 0 2 4 . 3 4 1 7 6 2 0 .   [ 5 ]   A .   R .   S a l e h i   a n d   M .   K h e d ma t i ,   “ A   c l u s t e r - b a se d   S M O TE   b o t h - sam p l i n g   ( C S B B o o st )   e n sem b l e   a l g o r i t h m  f o r   c l a ss i f y i n g   i mb a l a n c e d   d a t a , ”   S c i e n t i f i c   Re p o r t s ,   v o l .   1 4 ,   n o .   1 ,   p .   5 1 5 2 ,   2 0 2 4 ,   d o i :   1 0 . 1 0 3 8 / s4 1 5 9 8 - 024 - 5 5 5 9 8 - 1.   [ 6 ]   A .   Tsi t su l i n   a n d   B .   P e r o z z i ,   “ Th e   g r a p h   l o t t e r y   t i c k e t   h y p o t h e si s :   f i n d i n g   sp a r se,   i n f o r ma t i v e   g r a p h   st r u c t u r e , ”   a r X i v   p r e p r i n t   a r X i v : 2 3 1 2 . 0 4 7 6 2 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 4 8 5 5 0 / a r X i v . 2 3 1 2 . 0 4 7 6 2 .   [ 7 ]   J.  H e r ma n n s  e t   a l . ,   “ G r a sp :   S c a l a b l e   g r a p h   a l i g n me n t   b y   s p e c t r a l   c o r r e s p o n d i n g   f u n c t i o n s , ”   A C M  T r a n sa c t i o n s  o n   K n o w l e d g e   D i sco v e r y   f ro m   D a t a ,   v o l .   1 7 ,   n o .   4 ,   p p .   1 – 2 6 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 4 5 / 3 5 6 1 0 5 8 .   [ 8 ]   M .   Y a s i r ,   J.  P a l o w i t c h ,   A .   Ts i t s u l i n ,   L.   Tr a n - Th a n h ,   a n d   B .   P e r o z z i ,   “ E x a mi n i n g   t h e   e f f e c t s  o f   d e g r e e   d i st r i b u t i o n   a n d   h o m o p h i l y   i n   g r a p h   l e a r n i n g   m o d e l s , ”   a rX i v   p r e p ri n t   a rXi v : 2 3 0 7 . 0 8 8 8 1 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 4 8 5 5 0 / a r X i v . 2 3 0 7 . 0 8 8 8 1 .   [ 9 ]   S .   P i t a f i ,   T.   A n w a r ,   a n d   Z.   S h a r i f ,   “ A   t a x o n o m y   o f   m a c h i n e   l e a r n i n g   c l u st e r i n g   a l g o r i t h ms ,   c h a l l e n g e s ,   a n d   f u t u r e   r e a l ms , ”     Ap p l i e d   S c i e n c e s ,   v o l .   1 3 ,   n o .   6 ,   p .   3 5 2 9 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / a p p 1 3 0 6 3 5 2 9 .   [ 1 0 ]   S .   V .   S .   R .   R a j u   a n d   S .   S .   A mi r i p a l l i ,   “ A   c o m p a r a t i v e   s t u d y   o n   s o c i a l   b e h a v i o r   o f   t r i b e s  a n d   n o n   t r i b e s   i n   I TD A   P a d e r u   b y   u s i n g   n e t w o r k   sc i e n c e , ”   i n   Pr o c e d i n g s   I n t e rn a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m p u t i n g ,   C o m m u n i c a t i o n   a n d   L e a r n i n g ,   C h a m ,   S w i t zer l a n d :   S p r i n g e r ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / 9 7 8 - 3 - 0 3 1 - 5 6 9 9 8 - 2 _ 2 1 .   [ 1 1 ]   S .   V .   S .   R .   R a j u   a n d   S .   S .   A mi r i p a l l i ,   “ A n a l y s i s  o f   s u r v i v a b l e   w i r e l e ss  I o T  mesh e s  u s i n g   g r a p h   i n v a r i a n t   t e c h n i q u e , ”   i n   I n t e l l i g e n t   S y s t e m s  a n d   S u st a i n a b l e   C o m p u t i n g ,   I n d i a ,   2 0 2 3 ,   p p .   5 4 5 – 5 5 5 ,   d o i :   1 0 . 1 0 0 7 / 9 7 8 - 9 8 1 - 99 - 4 7 1 7 - 1 _ 5 1 .   [ 1 2 ]   S .   K i r m a n i ,   A .   M a z i d ,   I .   A .   K h a n ,   a n d   M .   A b i d ,   “ A   s u r v e y   o n   I o T - e n a b l e d   s mart   g r i d s:   t e c h n o l o g i e s,   a r c h i t e c t u r e s,   a p p l i c a t i o n s ,   a n d   c h a l l e n g e s,”   S u s t a i n a b i l i t y ,   v o l .   1 5 ,   n o .   1 ,   p .   7 1 7 ,   2 0 2 2 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / s u 1 5 0 1 0 7 1 7 .   [ 1 3 ]   D .   B .   K a r a k o c   a n d   M .   K o n a r ,   “ A   c o mp l e x   n e t w o r k   f r a mew o r k   f o r   t h e   e f f i c i e n c y   a n d   r e s i l i e n c e   t r a d e - o f f   i n   g l o b a l   f o o d   t r a d e , ”   En v i r o n m e n t a l   R e se a rc h   L e t t e rs ,   v o l .   1 6 ,   n o .   1 0 ,   p .   1 0 5 0 0 3 ,   2 0 2 1 ,   d o i :   1 0 . 1 0 8 8 / 1 7 4 8 - 9 3 2 6 / a c 1 a 9 b .   [ 1 4 ]   J.  N e l s o n   e t   a l . ,   “ W i r e l e ss  se n s o r   n e t w o r k   w i t h   m e sh   t o p o l o g y   f o r   c a r b o n   d i o x i d e   m o n i t o r i n g   i n   a   w i n e r y , ”   i n   Pro c e e d i n g s   I EEE   T o p i c a l   C o n f e r e n c e   W i r e l e s s   S e n s o r s   a n d   S e n s o r   N e t w o r k s   ( W i S N e T ) ,   2 0 2 1 ,   p p .   3 0 – 3 3 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / W i S N e T 5 1 8 4 8 . 2 0 2 1 . 9 4 1 3 7 9 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.