## SISTEM CLUSTERING UNTUK EFISIENSI ENERGI PADA JARINGAN SENSOR NIRKABEL
Aries Pratiarso, M. Zen Samsono Hadi, Samsul Arifin, Mas Ivan Haris R Prodi Teknik Telekomunikasi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp (+62)31-5947280, 5946114, Fax. (+62)31-5946114 Email: aries@eepis-its.edu, zenha@eepis-its.edu, musafi@ent.eepis-its.edu

## Abstrak
Saat ini, penelitian tentang jaringan sensor nirkabel menerima banyak perhatian karena menawarkan keuntugan dari pemantauan  berbagai  macam  linkungan  dengan  mendeteksi  fenomena  fisik.  Jaringan  sensor  nirkabel  terdiri  atas sejumlah  besar  sensor  node  dimana  setiap  sensor  node  memiliki  kemampuan  untuk  mengirim,  menerima  dan mendeteksi (melakukan proses sensor). Di sisi lain, sensor node memiliki kemampuan terbatas dalam hal kapasitas memori, bandwidth dan daya. Di antara berbagai isu, konsumsi energi menjadi perhatian banyak peneliti dikarenakan sensor  node  menggunakan  baterei  sebagai  konsumsi  dayanya.  Pada  penelitan  ini  dibandingkan  kinerja  protokol LEACH  (distributed)  dan  LEACH-C  (centralized),  kedua  protokol  tersebut  mendukung  konsep  clustering  untuk menghemat  daya  baterei.  Dari  hasil  pengujian,  didapat  bahwa  unjuk  kerja  protokol  LEACH-C  lebih  baik  dari LEACH. Selain  itu  juga  dilakukan  pengujian  dengan  perangkat  hardware  yang  sementara  masih  dilakukan  proses kekuatan penyebaran daya dari sebuah sensor node hardware.

## Kata kunci : Sensor node, Clustering, LEACH, LEACH-C

## Abstract
Nowadays,  researches  related  to  wireless  sensory  networks  receive  much  attention  because  it  provides  some advantages in various area through detecting the physical phenomena. Wireless sensory networks consist of number of  sensor  nodes.  Each  sensor  node  has the  ability  to  send,  receive  and  detect  (to  do  the  censor  process).  In  other side,  the  capability  of  a  censor  node  is    limited  in  term  of  its  memory,  bandwidth and power  capacity.  Among  the issues, the energy consumption has become the focus of many researchers because a censor node uses a battery as its  power  consumption.  This  research  compares  the  performance  of  LEACH  protocol  (distributed)  and  LEACH-C (centralized). Both protocols support clustering concept to save the battery power. The result of the test shows that the performance of LEACH-C protocol is better than that of LEACH. Furthermore, a test on hardware devices was also  done,  in  which  temporarily,  it  is  still  in  the  process  of  power  distribution  capability  from  a  single  hardware sensor node.
Keywords : Sensor node, Clustering, LEACH, LEACH-C

## PENDAHULUAN
Jaringan  sensor  nirkabel  (WSN)  adalah salah satu jenis dari jaringan ad hoc, dimana node  yang  digunakan  adalah smart  sensor, yaitu sebuah perangkat kecil yang dilengkapi dengan fungsi penginderaan canggih (termal, tekanan  dan  sebagainya),  prosesor  dan wireless transceiver. Dengan sifat seperti itu, maka  teknologi  WSN  banyak  memberikan inspirasi  dalam  penerapan  dan  penggunaan untuk  segala  bidang,  misalnya  pendeteksian kebakaran, target tracking, monitoring kuali-
tas  air  dan traffic  management. Taka, et al (2013); Harun, et al (2013); dan Samsono, et al (2013).
Struktur jaringan pada WSN terbagi men- jadi  3  bagian  yaitu flat-based,  hierarchical- based dan location-based, Heinzelman, et al (2002)  dan  Paul, et  al (2011).  Pada  pene- litian ini difokuskan pada hierarchical-based yang menggunakan konsep clustering, Taka, et al (2013), dimana node dalam cluster me- ngirimkan  data ke cluster  head dan cluster head kemudian me-neruskan data tersebut ke
base  station. Clustering sangat  berguna  da- lam  skalabilitas  jaringan  serta  penghematan energi. Sisi negatif dari struktur jaringan ini adalah  disetiap cluster akan  terjadi efek leher  botol (bottleneck),  ini  karena  hanya satu kepala berkomunikasi atas nama seluruh cluster,  sehingga  penurunan  energi  terbesar akan terjadi pada cluster head tersebut.
Algoritma hierarchical  clustering yang paling  banyak  digunakan  adalah  LEACH (Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy) dengan metode distributed dalam penentuan cluster  head-nya  dan  LEACH-C  (Low- energy  Adaptive  Clustering  Hierarchy- Centralized) yang menggunakan metode ter- sentralisasi  dalam  penentuan cluster  head- nya, Heinzelman, et al (2002).
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menguji unjuk  kerja  dari  kedua  protokol  di  atas  de- ngan  beberapa  parameter  seperti  jumlah cluster head yang optimal, jumlah node yang hidup selama selang waktu tertentu dan jum- lah data yang diterima pada base station. Se- lain  itu  juga  dibuat  perangkat hardware untuk  mengimplementasikan  protokol  ter- sebut, namun saat ini hardware tersebut ma- sih  dalam  tahap  pengujian coverage daya RSSI (Received Signal Strength Indicator).

## Arsitektur Protokol LEACH
Low-energy Adaptive Clustering Hierar- chy (LEACH) protocol adalah cluster-based protocol,  dimana  jumlah cluster  head dan cluster  member yang  dihasilkan  menjadi parameter  penting  untuk  mencapai  kinerja yang lebih baik. Terdapat 2 fase dalam pro- tokol LEACH yaitu Setup Phase dan Steady Phase.
LEACH  mengatur node dalam cluster dengan  satu  node  dari  setiap  kelompok bertugas sebagai cluster head (CH). LEACH secara  acak  memilih  beberapa  jumlah node yang  telah  ditetapkan  sebagai  CH.  CH  ke- mudian  mem-broadcast informasi  tersebut ke  semua  node  dan  mengajak  bergabung  ke CH  tersebut  berdasarkan  sinyal  yang  paling
kuat  antara node dengan  CH  (CH  yang terdekat  dari node),  dengan  cara  ini  maka cluster  tersebut  terbentuk.  CH  kemudian membuat  jadwal  pengiriman  data  berbasis Time  Division  Multiple  Access  (TDMA) untuk  node-node  yang  menjadi  anggotanya. Komunikasi  antara  cluster  yang  berbeda dilakukan  melalui  CH  dengan  cara Code Division  Multiple  Access  (CDMA).  Tahapan di  atas  dinamakan Setup  Phase. Pada  taha- pan Steady  Phase,  setelah proses  pemben- tukan node dan pemilihan cluster head serta cluster  member selanjutnya  node  yang  telah terpilih  mengirimkan  datanya  baik  dari cluster member ke cluster head maupun dari cluster  head ke base  station.  Ketika  node mengirimkan  data  dari cluster  member ke cluster  head maka  telah  diatur  oleh cluster head data yang dikirim sesuai slot yang telah disediakan.  Durasi  setiap  slot  pengiriman data  setiap  node  adalah  konstan,  jadi  waktu pengiriman  data  bergantung  jumlah  node pada cluster  member pada cluster tersebut. Pada  fase steady,  cluster  head harus  selalu hidup.  Berikut  adalah  gambar  pembentukan cluster pada protokol LEACH :
Gambar 1. Skema WSN dengan Algoritma LEACH
Sedangkan  untuk  fase  pada  protokol LEACH dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Fase pada LEACH Algoritma
Untuk  penentuan  sebagai cluster  head pada setup  phase maka  digunakan  rumus  sebagai berikut :
T(i) = 1 ∊ ∁
..................(1)
Dimana  p  adalah  persentase  CH  yang  di- inginkan,  r  adalah  jumlah putaran  pemben- tukan cluster yang telah terjadi, dan c adalah jumlah node yang belum menjadi CH dalam 1/p putaran.

## Arsitektur Protokol LEACH-C
Dari  berbagai  keuntungan  menggunakan protokol LEACH yang  berbasiskan  pada algoritma  pembentukan cluster yang  ter- distribusi,  protokol  ini  tidak  memberi  solusi secara  optimal  untuk  penempatan  dan  jum- lah  dari cluster  head.  Karena cluster adalah adaptive,  maka  pembentukan clustering yang  tidak  optimal  selama  fase setup tidak memberikan  efek  yang  besar  pada  unjuk kerja jaringan. Bagaimanapun, algoritma pe- ngontrolan  yang  terpusat  untuk  membentuk cluster akan  menghasilkan cluster dengan penyebaran cluster  head yang  merata  ke seluruh  jaringan.  Ini  adalah  dasar  dari LEACH-centralized (LEACH-C),  sebuah protokol  yang  menggunakan  algoritma clustering secara terpusat dan memiliki pro- ses steady yang  sama  dengan  protokol LEACH.
Selama  fase setup dari LEACH-C,  ma- sing-masing node mengirim informasi lokasi- nya (bisa digunakan GPS receiver) dan ener-
gi level  ke base station.  Dalam  penentuan cluster yang  optimal, base  station memasti- kan  bahwa  beban  energi  terdistribusi  ke semua node. Untuk melakukan hal ini, maka base  station menghitung  rata-rata  energi node,  dan  memutuskan  jika  terdapat node yang  memiliki  energi  dibawah  rata-rata maka  node  tersebut  tidak  dapat  menjadi cluster  head.  Dari  sisa  node  yang  ber- kemungkinan  menjadi cluster  head, base station mencari cluster menggunakan  algo- ritma simulated  annealing untuk  mendapat- kan cluster yang optimal.  Algoritma  ini meminimalkan  jumlah  energi  pada node selain cluster  head sewaktu  mengirim  data ke cluster head, dengan cara meminimalkan jumlah sum  of  squared  distance diantara semua  node  selain cluster  head dengan cluster head yang terdekat.
Jika cluster  head dan cluster  member yang tergabung dengannya sudah ditemukan, maka  base  station  mem-broadcast pesan yang  berisi ID  cluster  head untuk  masing- masing  node.  Jika  ID cluster  head sesuai dengan ID node tersebut, maka node tersebut adalah cluster  head,  sebaliknya  node  akan menentukan  TDMA slot untuk  transmisi data  dan  kemudian  ke  kondisi sleep sampai waktunya  untuk  mengirim  data.  Fase steady dari LEACH-C identik dengan LEACH.

## METODE PENELITIAN
Pada  tahap  ini  akan  dijelaskan  diagram blok  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini. Dalam diagram blok berikut akan dijelaskan proses  pembuatan  protokol LEACH dan LEACH-C menggunakan Network Simulator (NS-2)  dan  memproses  hasilnya  dengan matlab.
Pada  diagram blok  Gambar  3  proses pertama  yang  akan  dilakukan  adalah  pem- bentukan  file  LEACH,  dalam  hal  ini  pem- bentukan  file LEACH meliputi  beberapa parameter yang dimasukkan. Beberapa para- meter  yang  dimasukkan  antara  lain node yang  digunakan  adalah  sebanyak  100 node yang  nantinya  untuk  pembentukan cluster
per cluster head diatur secara random begitu juga  untuk cluster  member-nya.  Selain informasi  tentang node,  parameter  yang  di- gunakan adalah skenario yang meliputi letak setiap  node  dan coverage  area.  Selanjutnya parameter tersebut digunakan untuk melaku- kan  simulasi  pada  NS2  dan  menganalisanya dengan  menggunakan  MATLAB.  Untuk protokol  LEACH-C  juga  menggunakan  dia- gram  blok  yang  sama  seperti  gambar  3  di bawah.
Gambar 3. Flowchart perancangan sistem
Untuk  membentuk cluster,  baik  untuk cluster  head dan cluster  member dapat menggunakan flowchart pada  gambar  4. Pada  flowchart  tersebut,  100  node  disebar secara  random  ke  area  100 x 100m,  ke- mudian  ditentukan  beberapa  parameter  ter- kait seperti jumlah cluster head, initial energi pancar  dan  terima  serta  peletakan base station diposisi  (50,50).  Proses  berikutnya adalah  penentuan cluster  head (jika  pada LEACH  akan  ditentukan threshold,  persa- maan 1, sebagai batas untuk menjadi cluster head),  setelah  itu  baru  memasuki  pemben- tukan  cluster  dan  proses fase  steady untuk pengiriman data sensor.
Gambar 4. Flowchart simulasi LEACH pada NS2
Sedangkan  untuk  gambar  5 menunjukkan flowchart pembentukan cluster untuk  proto- kol LEACH.
Gambar 5. Flowchart pembentukan cluster
Pada  gambar  5  adalah  proses  pada  protokol LEACH  pada  fase  setup  dimana  setelah sebuah  node  terpilih  menjadi  cluster  head maka  node  tersebut  mengumumkannya  ke- pada node lainnya untuk bergabung dengan- nya.
Sedangkan  untuk  protokol  LEACH-C, prosesnya adalah sebagai berikut :
Gambar 6. Flowchart protokol LEACH-C
Perbedaan  dengan  LEACH  hanya  pada  pro- ses  setup  dimana  pemilihan cluster  head dilakukan  oleh base  station dengan algorit- ma simulated annealing (SA).

## Hasil Pengujian
Setelah  simulasi  berhasil  dilakukan, maka  dilakukan  pengujian  untuk  memban- dingkan  unjuk  kerja  protokol  LEACH  dan LEACH-C.  Pada  gambar  7  adalah  hasil  pe- nyebaran node sedangkan  pada  gambar  8 adalah  proses clustering dari fase  setup dan steady untuk  protokol  LEACH  dan  untuk protokol LEACH-C pada gambar 9. Protokol
LEACH-C  menghasilkan  proses  clustering yang  lebih  optimal  daripada  LEACH.  Peng- ujian yang dilakukan meliputi:
a. Jumlah cluster head yang optimal
b. Jumlah  node  yang  hidup  selama interval waktu tertentu
c. Jumlah  data  yang  diterima  di base
station
Gambar 7. Penyebaran 100 node di area 100 x 100 m
Gambar 8. Proses Culstering Protokol
LEACH
Gambar 8. Proses Culstering Protokol LEACH-C
Memasukkan penyebaran node di LEACH-C
Pembuatan Parameter awal
Proses Algoritma Leach-c
SetUp phase 1. Pemilihan CH berbasis SA 2. Pemilihan cluster Member
3. Pembentukan TDMA schedule
Steady Phase (Proses Transmisi data)
Semua node mati
Analisis Hasil
Gambar 10. Rata-rata energi disipasi per round pada protokol LEACH dan LEACH-C
Pada  percobaan  di atas,  terlihat  bahwa jumlah cluster yang  menghasilkan  energi yang  paling  efisien  adalah  sebanyak  5 cluster baik  pada  protokol  LEACH  maupun LEACH-C. Pada protokol LEACH-C selama proses  pembentukan cluster pada  setiap round akan stabil dengan 5 cluster (5% dari jumlah  node),  hal  ini  berbeda  dengan  pro- tokol LEACH yang fluktuatif di sekitar 5, ini dikarenakan sifatnya yang distributed.
Berikut  adalah  perbandingan  jumlah node yang  hidup  selama  rentang  waktu  ter- tentu.
Gambar 11. Perbandingan total node yang hidup dengan waktu
Dari  hasil  pengujian  di  atas,  terlihat bahwa  LEACH-C  lebih  superior  dari pada protokol LEACH, hal ini dikarenakan proses penentuan cluster  head dilakukan  oleh base station sehingga  lebih  menghemat  energi  di sisi node.
Untuk  pengujian  terhadap  jumlah  data yang diterima pada base station dapat dilihat pada  gambar  12.  Pada  protokol  LEACH-C, jumlah  data  yang  dikirim  ke  base  station lebih banyak daripada protokol LEACH. Hal ini berhubungan dengan pengujian sebelum- nya  bahwa  superioritas  LEACH-C  disebab- kan  karena  proses clustering di  LEACH-C sehingga  node  cukup  mengirim  level  sinyal RSSI  dan  level  baterinya  ke base  station. Semua proses penentuan cluster head kemu- dian  dilakukan  di  base  station.  Hal  ini  ber- beda  dengan  protokol  LEACH  dimana  pro- ses  penentuan cluster  head diproses  oleh node  itu  sendiri,  tentunya  akan  menghabis- kan  energi  yang  dipunyai  masing-masing node.
Gambar 12. Perbandingan total node yang hidup dengan jumlah data yang diterima pada BS
Selain  pengujian  menggunakan  simulasi di  atas,  juga  dibuat  node hardware berbasis Xbee  pro. Pada  penelitian  ini  masih  dalam pembuatan  hardwarenya  dan  belum  meng- implementasikan algoritma berbasis LEACH /LEACH-C.  Pengujian  dilakukan  untuk  me- ngetahui coverage area dari sebuah node ter- sebut. Pengujian  dilakukan  pada  kondisi lingkungan free  space  loss dengan  jarak awal  antara  penigirim  dan  penerima  sejauh 1 meter dengan penambahan step per 1 me- ter,  pengujian  dilakukan  hingga  jarak  mak- simal  atau gateway tidak  dapat  menangkap hasil pengiriman node sejauh 25 meter (ter-
-40 0 22.5 45
67.5 90 112.5
135 157.5 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 1m
2m 4m 8m
gantung  luas  area  pengujian)  untuk  lingku- ngan free space loss.
Gambar 13. Pengujian node singlehop terhadap jarak (a) (b)
Gambar 14. (a) Gateway menghadap node (b) Node diputar dengan step 45 o
Pengujian pada  penelitian ini  diberi  su- dut-sudut untuk menentukan sudut node ter- sebut dengan  0 o (0  derajat)  menghadap  ke gateway atau saling berhadapan.
Node akan  diputar  360 o dengan  step  45 o dan  jarak  sesuai  dengan  tempat  pengukuran yaitu  lapangan  basket  gedung  d4  PENS  se- hingga  didapat  nilai  RSSI  pada  setiap  sudut dengan  jarak  yang  telah ditentukan  dalam satuan (dBm).
Gambar 15. Grafik hasil RSSI terhadap jarak
Untuk posisi node pada setiap jarak tidak terlalu  berpengaruh  pada  kuat  sinyal  yang diterima  oleh gateway namun  nilai  RSSI
berpengaruh pada jarak antar node dan gete- way yang  mana  semakin  jauh node mengi- rimkan  data  hasil  pembacaan  sensor  suhu dan  cahaya  maka  nilai  RSSI  yang  didapat semakain kecil. Nilai RSSI pada software X- CTU memiliki range yaitu -40 dBm sampai - 104 dBm.
Dari gambar  15 dapat  ditampilan  hasil RSSI  pada grafik  terhadap  sudut  kepada  ja- rak  pengukuran  dimana  sudut  penempatan node terhadap gateway tidak  terlalu  banyak mempengaruhi hasil RSSI  yang didapat saat pengujian.  RSSI  lebih  berpengaruh  kepada jarak pengukuran atau jarak antara node dan gateway.
Jarak  yang node dengan gateway yang dapat diterima oleh gateway pada pengujian ini  didapat  jarak  maximal  18  meter  dengan data  RSSI  pada  sudut  45 o dan  90 o tidak mendapatkan hasil RSSI pada jarak 18 meter, sehingga jarak 19 meter sudah tidak lagi data dapat diterima oleh gateway.

## Kesimpulan
Berdasarkan dari hasil pengujian dan analisa sistem  perangkat  pada penelitian ini  diper- oleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Jumlah cluster yang  optimal,  ditinjau dari rata-rata energi setiap putaran, baik untuk  protokol  LEACH  dan  LEACH-C adalah sebanyak 5% dari jumlah node.
2. Pada  jumlah  node  yang  hidup  selama interval waktu tertentu, protokol LEACH-C lebih baik daripada LEACH.
3. Untuk  banyaknya  data  yang  dikirim  ke base  station selama  interval  waktu  ter- tentu,  protokol  LEACH-C  juga  lebih baik.
4. LEACH-C  lebih  dominan  dikarenakan proses  penentuan cluster  head untuk clustering ditentukan  oleh base  station (centralized) sehingga menghemat ener- gi dari masing-masing node.
5. Untuk hardware yang  sudah  dibuat,  di- dapatkan coverage area  dari  sebuah node dengan  memutar  node  360 0 tidak memberi efek yang signifikan.
1 – 16 meter

## DAFTAR PUSTAKA
Hadi.M.Z,S., Adi  S.N.,  Taufiqurrahman
(2013) Sistem  Monitoring  Kecelakaan
Mobil  Pada  Jaringan  Vanet  Mengguna- kan  Sistem  Komunikasi  Multi-Hop, Proceeding  of  Sentia  (Seminar  Nasional Teknologi  Informasi  dan  Aplikasinya),
Politeknik Negeri Malang.
Harun,M.U.A,  Saputra, F.A., Hadi.M.Z,S.,
Fahmi,A  (2013) Beacon-Enabled  IEEE 802.15.4 Wireless  Sensor  Network  Per- formance, IEEE International Conference on Communications, Network and Satellite (COMNETSAT),  Yogyakarta 2013. Heinzelman,W.,Chandrakasan, A., and Bala- krishnan,  H. (2002) An  application specific protocol architecture for wireless micro-sensor  networks, IEEE  Trans.
Wirel. Commun., Vol. 1, No. 4, pp. 660 –
670.
Paul, S., and Sao,N  (2011) An  Energy
Efficient Hybrid Node Scheduling Scheme  in  Cluster  Based  Wireless Sensor Networks, Proceedings  of  the World Congress on Engineering (WCE),
Vol. 2, pp. 1775-1779.
Taka, H., Ueahara,  H.,  dan Ohira,T (2013)
Energy-Efficiency  of  Sensor  Networks in  Terms  of  Network  Topology,  IEICE Trans.  Commun.,  Vol.J96-B,  No.07,  pp. 680-689.