Analisis Ketahanan Energi Oleh
Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
(LEACH) Pada
Cluster Head
Wireless Sensor Network
(WSN)
Artikel Ilmiah
Peneliti :
Jhon Rinto Tonapa (672010155)
Indrastanti Ratna Widiasari, M.T.
Program Studi Teknik Informatika
Fakultas Teknologi Informasi
Universitas Kristen Satya Wacana
Analisis Ketahanan Energi Oleh
Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
(LEACH) Pada
Cluster Head
Wireless Sensor Network
(WSN)
Artikel Ilmiah
Diajukan kepada Fakultas Teknologi Informasi
untuk memperoleh Gelar Sarjana Komputer
Peneliti :
Jhon Rinto Tonapa (672010155)
Indrastanti Ratna Widiasari, M.T.
Program Studi Teknik Informatika
Fakultas Teknologi Informasi
Universitas Kristen Satya Wacana
L
embar Pernyataan Tidak Plagiat
Analisis Ketahanan Energi Oleh
Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
(LEACH) Pada
Cluster Head
Wireless Sensor Network
(WSN)
1)
Jhon Rinto Tonapa 2) Indrastanti Ratna Widiasari Fakultas Teknologi Informasi
Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga 50711, Indonesia
Email: 1) 672010155@student.uksw.edu, 2) indrastanti@staff.uksw.edu
Abstract
Wireless Sensor Network (WSN) is a wireless network that uses a sensor to monitor physical or environmental conditions, such as temperature, vibration, noise, electromagnetic waves, pressure, movement, and others. However, the limitations of the existing power and the factors that affect the operation of a sensor should be a consideration in the design of routing protocols in WSN. One of the protocols that improve the energy efficiency of WSN technology is Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH). Thus, in this research, a comparison protocol in WSN using Network Simulator 2 (NS-2). Measured Indicators are the energy consumption and the number of nodes that are still active. The simulation results show that LEACH more efficient, and have a longer working time.
Keywords: WSN, LEACH, routing
Abstrak
Wireless Sensor Network (WSN) merupakan sensor yang menggunakan jaringan wireless untuk melakukan monitoring fisik atau kondisi lingkungan sekitar, seperti suhu, getaran, suara, gelombang elektromagnetik, tekanan, gerakan, dan lain-lain. Namun demikian keterbatasan daya yang ada dan faktor-faktor yang memengaruhi bekerjanya suatu sensor harus menjadi pertimbangan dalam melakukan perancangan protokol routing pada WSN. Salah satu protokol yang meningkatkan efisiensi energi dari teknologi WSN adalah Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH). Sehingga dalam penelitian ini dilakukan perbandingan protokol dalam WSN menggunakan Network Simulator 2 (NS-2). Indikator yang diukur adalah konsumsi energi dan jumlah node yang masih aktif. Hasil simulasi menunjukkan bahwa LEACH lebih efisien, dan memiliki masa waktu kerja yang lebih lama.
Kata Kunci: WSN, LEACH, routing
_________________________________________________________________________________________________________
1)
Mahasiswa Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Teknologi Informasi, Universitas Kristen Satya Wacana
2)
1 1. Pendahuluan
Kemajuan terbaru dalam teknologi sensor, komunikasi wireless dan komputasi digital telah menghasilkan pengembangan yang lebih lanjut, yaitu Wireless Sensor Network (WSN). Sebuah Wireless Sensor Network dapat dijelaskan sebagai jaringan sebuah node-node yang saling berkolaborasi dalam melakukan penginderaan di daerah sekitarnya. Teknologi ini terdiri dari node sensor, sebuah head node atau cluster node serta base station. Berbagai macam aplikasi dari teknologi WSN adalah teknologi ini mampu melakukan monitoring fisik atau kondisi lingkungan sekitar seperti suhu, suara, tekanan, getaran, gerakan dan lain-lain [1].
Cara kerja dari WSN adalah dengan melakukan penginderaan lingkungan sekitarnya yang dilakukan oleh node-node yang tersebar yaitu dengan kemampuan tiap-tiap node yaitu mengirim, menerima dan merasakan. Kolaborasi atau kerja sama antar node-node memiliki peran penting dalam sistem.
Di dalam implementasi perangkat lunak dan perangkat keras komputer dalam kaitannya dengan komputerisasi dan digitalisasi, faktor sumber daya energi dan tingkat konsumsinya perlu diperhatikan dengan baik. Beberapa faktor yang memengaruhi penggunaan energi WSN adalah kondisi implementasi dilapangan yang terbatas, setiap nodesensor memiliki sumber daya yang kecil setara dengan daya yang biasa dihasilkan oleh sebuah baterai biasa. Hal ini menjadikan node-node sensor harus mampu bekerja dengan cepat dan maksimal, tanpa harus kehabisan sumber energi di tengah-tengah pekerjaannya. Hal ini menyebabkan Penggunaan energi menjadi masalah yang penting dalam penggunaan Wireless Sensor Network [2].
Namun yang menjadi masalah adalah apabila ada node sensor yang tidak berfungsi karena sudah kehabisan energi atau karena terjadinya kerusakan pada node sensor dalam hal ini cluster head, sehingga jalur routing perlu dibenahi kembali agar node-node yang masih aktif dapat terus bekerja [3].
Berdasarkan latar belakang tersebut, dilakukannya penelitian ini bertujuan untuk menganalisa ketahanan energi dalam WSN pada saat node sudah tidak berfungsi, sehingga meskipun ada cluster head yang telah kehabisan energi atau tidak berfungsi, tidak akan mengurangi efektifitas monitoring yang dilakukan oleh sensor. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan agar didapatkan informasi mengenai penggunaan energi yang lebih efisien dalam wireless sensor network, sehingga node-node masih dapat melakukan transmisi data meskipun ada cluster node yang tidak berfungsi atau kehabisan energi.
2 2. Tinjauan Pustaka
Adapun penelitian terdahulu yang menjadi acuan dalam penelitian yang dilakukan adalah penelitian yang menjelaskan bahwa wireless sensor network terdiri dari atas sejumlah sensor node yang bebas. Setiap node memiliki kemampuan untuk mengirim, menerima, dan mendeteksi. Selain itu sensor juga dilengkapi peralatan pemrosesan, peralatan komunikasi dan power supply atau baterai. Melalui pendekatan berbasis geographical based, maka dibuat sebuah simulasi yang nantinya diharapkan dapat memberikan jalur routing terpendek namun juga efisiensi energi yang digunakan oleh node sehingga terjadinya penghematan jarak sebesar 10%-20% [4].
Penelitian lain yang menjadi acuan dalam penelitian yang dilakukan adalah penelitian tentang pembuatan simulasi dengan yang menggunakan LEACH protocol. Pada penelitian tersebut dijelaskan tentang bagaimana melakukan analisa dalam melakukan routing dan isu-isu desain jaringan pada WSN dengan menggunakan LEACH protocol [5].
Penelitian lain yang juga dijadikan sebagai acuan dalam penelitian ini adalah penelitian yang menjelaskan tentang bagaimana membentuk suatu routing alternatif dengan menggunakan gradient based sebagai algoritma yang rute pengiriman data. Dengan menggunakan pendekatan secara gradient atau jarak relatif dan tidak menggunakan jarak absolut, nantinya akan dihasilkan sebuah rute terbaik yang bisa dihasilkan agar sistem tetap dapat berjalan meskipun terjadi kerusakan dan kekurangan daya [6].
Berdasarkan penelitian-penelitian terdahulu mengenai efisiensi energi dan jarak yang menjadi rute dengan menggunakan metode Gradient Based dan Georaphical Based, yang mampu memberikan efisiensi terhadap penggunaan energi, maka dilakukan penelitian yang membahas tentang penggunaan energi node dengan memanfaatkan LEACH Protocol (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy), yaitu dengan membuat sebuah simulasi agar dapat mempelajari ketahanan energi terbaik meskipun terdapat node yang akan kehabisan energi. Dalam penelitian ini dilakukan perbandingan 2 protokol cluster pada WSN, yaitu protokol LEACH dan Static-Clustering dengan menggunakan Network-Simulator 2.
3
semburan panas bumi, area habitat monitoring, objecttracking, traffic monitoring, ataupun kondisi lainnya [8].
Routing protokol mengijinkan router-router untuk sharing informasi tentang jaringan dan koneksi antar router. Sebuah jaringan terdiri dari beberapa node, yang pada umumnya paket data dikirim melewati beberapa node sebelum akhirnya mencapai tujuan. Berikut merupakan berbagai macam routing yang ada pada WSN berdasarkan pada struktur jaringanya, routing dalam WSN dibagi menjadi 3; Flat Routing, Hierarchical Routing, dan Location Based Routing [9].
Flat Routing memungkinkan setiap node biasanya memainkan peranan yang sama, dan sensor node bersama-sama berkolaborasi untuk melakukan tugas penginderaan. Karena besarnya jumlah node maka tidak mungkin untuk memberikan pengenal global ke setiap node, yang menyebabkan flat routing menjadi data-centric routing. Dimana base station mengirim queri ke daerah tertentu dan menunggu data dari sensor yang terletak di daerah yang dipilih. Karena data yang diminta melalui queri tertentu, pemberian atribut dilakukan untuk menentukan sifat data yang akan diterima dan dikirim.
HierarchicalRouting membuat node dengan energi tinggi dapat digunakan untuk memproses dan mengirimkan informasi sementara node dengan energi rendah dapat digunakan untuk melakukan penginderaan. Hal ini menyebabkan penentuan cluster head memberikan kontribusi untuk skalabilitas, lifetime, dan kebutuhan energi. Routing ini merupakan cara yang efisien untuk menurunkan konsumsi energi dalam cluster dan dengan melakukan data aggegation and fusion untuk mengurangi jumlah data yang ditransmisikan ke base station.
Location Based Routing bekerja dengan cara sensor node ditangani sesuai dengan lokasi mereka. Jarak antar node diperkirakan atas dasar kekuatan sinyal yang masuk. Koordinat relatif antar node diperoleh dengan pertukaran informasi antar tetangga node, maupun dengan koordinat dari Global Positioning System (GPS)
Protokol yang digunakan dalam penelitian ini adalah Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH). LEACH adalah cluster-based protocol. Jumlah cluster head dan anggota cluster yang dihasilkan oleh LEACH menjadi parameter penting untuk mencapai kinerja yang lebih baik. LEACH merupakan clustering adaptif protokol yang menggunakan pengacakan untuk mendistribusikan beban energi secara merata antara sensor dalam jaringan.
4
Gambar 1 Cluster based mechanism of LEACH in WSN [5].
Gambar 1 menjelaskan bagaimana cara kerja LEACH dalam WSN dimana node-node akan membentuk sebuah cluster dan memilih cluster head yang nantinya akan mengirimkan informasi ke base station
Operasi dari LEACH terbagi menjadi putaran-putaran dimana setiap putaran dibagi menjadi dua tahapan, tiap tahapan dimulai dengan set-up phase, saat cluster mulai berorganisir diikuti oleh steady-state phase, saat data ditransmisikan ke base station terjadi yang digambarkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Set-Up Phase dan Steady-state LEACH [9].
Setup phase dibagi lagi menjadi 3 tahapan yaitu Advertisement phase: dimana algoritma pemilihan Cluster Head dieksekusi yang digambarkan pada Gambar 2, Cluster setup: node-node bergabung menjadi sebuah cluster, Broadcast schedule: head melakukan penjadwalan untuk melakukan broadcast ke memberclusternya.
(1)
Gambar 3 Selection Algorithm [10] 1 [ * mod(1/ )] ( )
0 ,
P
if n G
P r P
T n
otherwise
5
Gambar 3 menjelaskan tentang tahapan advertisement dimana algoritma akan memilih cluster head dengan sebuah probabilitas, node N akan memilih random number antara 0-1, jika m<T(n) untuk node n, maka node akan menjadi cluster head, dimana P merupakan persentasi dari total jumlah node, r adalah putaran sementara, dan G adalah node yang belum menjadi cluster head selama 1/P putaran. Dengan menggunakan batasan ini setiap node akan berkesempatan menjadi cluster head selama 1/P putaran. Selama putaran 0 (r=0), setiap node berkesempatan P untuk menjadi cluster head. Pada tahap Steady-state phase ini semua node akan mengirim data ke cluster headnya masing-masing, kemudian cluster head melakukan pengumpulan data dan melakukan transmisi untuk mengirimkan data ke Base Station dengan menggunakan transmisi secara langsung.
3. Metode dan Perancangan Sistem
Tahapan penelitian pada perancangan simulasi ini melalui beberapa tahapan yang terlihat pada Gambar 3.
Gambar 4 Tahapan Penelitian [11]
6
Adapun perangkat keras dan lunak yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Kebutuhan Sistem
Komponen Fungsi Spesifikasi 1 Buah mesin
Pada tahap perancangan sistem yang dilakukan adalah langkah-langkah perancangan Network Simulator 2, yang akan dipergunakan untuk mendapatkan hasil data penggunaan energi setelah menggunakan LEACH protokol. Perancangan sistem didasarkan pada perencanaan area simulasi, jumlah node sensor, lama waktu simulasi berjalan, dan sistem komunikasi node. Area simulasi ditetapkan sebagai luasan yang didefinisikan sebagai sumbu x dan sumbu y. Jumlah node yang telah ditentukan kemudian diposisikan dengan aturan yang sudah ditentukan, dimana dalam perancangan ini nodesensor diposisikan dengan aturan random. Keseluruhan perencanaan parameter-parameter ini diinisialisasikan yang kemudian menjadi kebutuhan untuk simulasi. Proses algoritma pada protokol LEACH terbagi menjadi 2 fase, yaitu fase setup-state dan steady-state yang dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.
7
Gambar 5 merupakan flowchart proses setup-phase dimana pada tahapan ini node akan dipilih untuk menjadi cluster head dengan selection algorithm. Kemudian setiap node akan dicek kembali apakah node i merupakan clusterhead, node yang menjadi cluster head akan mengirimkan brodcast ADV kepada node -node disekitarnya, sementara node yang bukan clusterhead akan menerima setiap broadcast ADV dari cluster head, dan memilih akan bergabung dengan cluster terdekat. Node yang bukan clusterhead akan mengirim kembali joint-Req kepada node yang dia pilih, dan node yang menjadi clusterhead akan menerima joint-Req dari node yang bukan cluster head dan membentuk cluster. Node non Cluster head menunggu jadwal TDMA yang dibuat oleh clusterhead, setelah clusterhead membuat jadwal TDMA, kemudian jadwal dikirimkan ke anggota clusternya, dan node non cluster head menerima dan proses steady-state selesai yang akan dilanjutkan dengan setup-phase yang digambarkan pada Gambar 6.
Gambar 6 Proses steady-state pada LEACH [12]
Pada fase ini node akan diperiksa apakah merupakan sebuah clusterhead, apabila merupakan cluster head maka, cluster head akan menerima data dari semua anggota cluster. Node yang bukan cluster head hanya akan mengirim data sesuai dengan jadwal TDMA yang sudah diterima. Node cluster head akan mengumpulkan dan melakukan kompresi terhadap data dan semua data yang sudah dikompresi akan dikirimkan ke Base Station, proses steady-state pun selesai.
Parameter yang menjadi acuan untuk melihat kinerja dari LEACH dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Parameter Simulasi
Parameter Nilai
Area Simulasi 100 Yard x 100 Yard Waktu Simulasi 3600 Putaran
8
Tabel 2 menjelaskan tentang parameter-parameter yang akan digunakan dalam melakukan eksperimen dari penggunaan LEACH protokol. Penempatan Base Station pada koordinat x = 50 dan y = 175 yang dimaksudkan untuk menyesuaikan dengan keadaan aslinya dimana Base Station selalu berada paling jauh dari node dan tetapi dekat dengan administrator. Penggunaan energi 2 Joule/node merupakan inisiatif dari penulis dikarenakan pada penelitian sebelumya telah digunakan energi 0.5 – 1 Joule/node [10], sehingga hasil yang akan didapatkan akan berbeda dari penelitian - penelitian sebelumnya.
4. Hasil dan Pembahasan
Pembentukan cluster untuk simulasi sesuai dengan parameter yang telah dirancang dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7 Posisi Node Simulasi
Gambar 7 mengilustrasikan posisi dari setiap node , dalam simulasi, misal terdapat 100 node yang akan melakukan penginderaan terhadap lingkungannya, dan sebuah node yang menjadi base station dimana semua data akhirnya akan dikirimkan ke node ini.
Pada tahapan hasil dan pembahasan penerapan dari peracangan simulasi yang sudah dibangun. Adapan skenario simulasi yang dilakukan yaitu membuat variasi jumlah node yang akan digunakan pada simulasi yaitu 50, 75, dan 100 node dengan posisi acak. Analisis dari simulasi ini adalah membandingkan antara dua Hierarchical Routing yaitu protokol LEACH dengan protokol Static-Clustering, kedua protokol menggunakan parameter simulasi yang terdapat pada Tabel 2 . Tujuan dari simulasi ini adalah untuk melihat kinerja dari kedua protokol yang sama-sama berbasis pada cluster.
9
Hasil simulasi kinerja untuk kedua protokol dapat dilihat pada Gambar 8 dimana yang menjadi perbandingan antara kedua protokol adalah jumlah node yang masih bekerja pada iterasi ke-i.
Gambar 8 Jumlah Node Aktif LEACl vs Static-Clustering Protocol
Dari Gambar 8 terlihat bahwa kemampuan LEACH dalam melakukan distribusi energi pada cluster lebih baik daripada Static-Clustering sehingga node yang masih bisa bekerja lebih banyak daripada yang menggunakan protokol Static-Clustering. Distribusi energi pada yang terjadi pada LEACH adalah dengan melakukan rotasi pada Cluster Head yang akan kehabisan energi, mengingat beban kerja pada Cluster Head yang lebih berat daripada node biasa, maka node yang terpilih menjadi Cluster Head akan lebih cepat kehabisan energi. Sebelum Cluster Head yang terpilih kehabisan energi, rotasi pada Cluster Head akan dilakukan, dengan cara kembali melakuan Setup-State untuk memilh Cluster Head yang baru yang dilanjutkan pembentukan anggota cluster yang memilih Cluster Head terdekatnya. Mekanisme ini akan terus dilakukan sampai setiap node sudah tidak lagi mempunyai energi atau kehabisan energi. Berbeda dengan Static-Clustering protokol yang tidak melakukan perputaran pada Cluster Head, karena jenis protokol ini meerupakan cluster yang tetap jadi apabila Cluster Head yang telah terpilih kehabisan energi, maka setiap node anggotanya tidak akan berfungsi lagi karena hanya bertumpu pada Cluster Head yang sudah ada. Rotasi yang dilakukan oleh LEACH mampu menjaga ketahanan energi yang menyebabkan lifetime dari WSN dapat lebih lama. Tabel 3 merupakan perbandingan dari jumlah node yang masih aktif antara LEACH vs Static-Clustering
Node
10
Tabel 3 Perbandingan Jumlah Node Aktif LEACH vs Static-Clustering
Jumlah Node Protokol Waktu aktif
Node (Round)
50 LEACH 273.4
Static-Clustering 34
75 LEACH 396.6
Static-Clustering 37.3
100 LEACH 387
Static-Clustering 38.4
Tabel 3 merupakan data jumlah node yang masih hidup pada periode waktu tertentu dimana terlihat bahwa protokol LEACH lebih memiliki waktu yang lebih lama dari protokol Static-Clustering. Berdsarkan data jumlah node yang masih aktif atau hidup dapat diambil kesimpulan bahwa LEACH protokol memiliki ketahanan energi yang kurang lebih 9 kali lebih baik daripada Static-Clustering protokol dalam keaktifan node pada cluster WSN.
Hasil dari simulasi penggunaan energi kedua protokol dapat dilihat pada Gambar 9, dimana yang menjadi perbandingan merupakan jumlah energi yang dipergunakan selama simulasi berlangsung.
Gambar 9 Penggunaan Energi LEACH vs Static-Clustering Protocol
Gambar 9 adalah merupakan gambar grafik penggunaan energi yang digunakan untuk melakukan pengiriman data hingga ke Base Station. Pada metode cluster base, ketika suatu node anggota cluster mendapatkan data dan ingin mengirimkannya ke Base Station, maka data tersebut harus dikirimkan melalui
Energy
11
cluster headnya, kemudian setelah itu cluster head mengumpulkan data barulah kemudian akan dikirimkan data tersebut ke Base Station. Dari grafik perbandingan penggunaan energi kedua protokol LEACH lebih unggul daripada Static-Clustering. Protokol Static-Clustering tidak melakukan pergantian pada cluster headnya, hal ini menyebabkan cluster head cepat kehabisan energi dan tidak dapat beroperasi kembali, dan akhirnya node anggota dari cluster tidak dapat mengirim data ke Base Station karena penghubung mereka yaitu cluster head sudah tidak dapat beroperasi lagi karena kehabisan energi. Ketidakmampuan distribusi energi yang dilakukan Static-Clustering protokol menyebabkan lifetime dari WSN menjadi lebih cepat seleasai daripada yang bisa dilakukan oleh protokol LEACH.
Tabel 4 Perbandingan Penggunaan Energi Node LEACH vs Static-Clustering
Jumlah Node Protokol Energi Yang Digunakan
12 5. Simpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan ekperimen yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa protokol LEACH mempunyai ketahanan energi yang lebih efektif kurang lebih 14 kali lebih baik daripada Static-Clustering. Perbandingan hasil energi menunjukkan LEACH dapat mengurangi energi yang terbuang sehinggi dapat menambah masa waktu operasi. Perbandingan jumlah node yang aktif menunjukkan LEACH 10 kali lebih baik daripada Static-Clustering.
Protokol LEACH dapat bekerja lebih efektif dalam melakukan monitoring daerah yang menjadi lokasi penginderaannya. LEACH akan memiliki masa waktu yang lebih lama dalam melakukan monitoring dikarenakan oleh pendistribusian energi yang dilakukan pada cluster head sebelum kehabisan energi, menyebabkan jumlah node yang masih dapat bekerja lebih lama dibandingkan Static-Clustering.
6. Daftar Pustaka
[1] Kupwade Patil, Hars dan Szygenda, Stephen A., 2013, Security For Wireless Sensor Networks Using Identyty-Based Cryptography, New York:CNC Press
[2] Pratama, I Putu A. E., dan Suakanto, Sinung, 2015, Wireless Sensor Network : Teori & Praktek Berbasiskan Open Source, Bandung : Informatika
[3] Karl, Holger, dan Willig, Andres, 2005, Protocols and Architecture for Wireless Sensor Network, England:John Wiley & Sons.
[4] Ridha, Galih., Santoso, Tri Budi., dan Kristalina, Prima, 2011, Analisa Simulasi Routing Protokol pada WSN dengan Metode Geographic Based Approach. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
[5] Kaur, Amrinder, dan Suni, Sainil, 2013, Simulation of Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol for Wireless sensor network, IJARCSSE Volume 3: 1316-1320.
[6] Arrossy, Kunpraga Maulana., Santoso, Tri Budi., dan Kristalina, Prima, 2011, Analisa Kinerja Routing Protokol pada Jaringan Sensor Nirkabel. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
13
[10] Heinzelman, W., Chandrakasan, A., dan Balakrishnan, H., Energy -Efficient Communication Protocol for Wireless Sensor Networks, Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences, January 2000.
[11] Hasibuan, Zainal, A., 2007, Metodologi Penelitian Pada Bidang Ilmu Komputer Dan Teknologi Informasi : Konsep, Teknik, dan Aplikasi, Jakarta: Ilmu Komputer Universitas Indonesia.
![Gambar 6 Proses steady-state pada LEACH [12]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/739790.457166/14.595.99.505.293.528/gambar-proses-steady-state-pada-leach.webp)
