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1
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3
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9
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44 \journal{Ad Hoc Networks}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
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69
70 \title{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
71
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76 %\author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, \\
77 %Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
78
79 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
80 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
81 %\thanks{}% <-this % stops a space
82  
83 %\address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
84 %e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
85 %$\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
86
87 \author{Ali   Kadhum   Idrees$^{a,b}$,   Karine  Deschinkel$^{a}$,   \\   Michel
88   Salomon$^{a}$,   and  Rapha\"el   Couturier   $^{a}$  \\   $^{a}${\em{FEMTO-ST
89       Institute,  UMR  6174  CNRS,   \\  University  Bourgogne  Franche-Comt\'e,
90       Belfort, France}} \\ $^{b}${\em{Department of Computer Science, University
91       of Babylon, Babylon, Iraq}} }
92
93 \begin{abstract}
94 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
95 (WSNs). In this paper, a  method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
96 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
97 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
98 divided into  subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
99 sensor nodes in  each subregion. The proposed MuDiLCO protocol  works in periods
100 during which sets of sensor nodes are  scheduled, with one set for each round of
101 a period, to remain active during the  sensing phase and thus ensure coverage so
102 as  to maximize  the  WSN lifetime.   \textcolor{blue}{The  decision process  is
103   carried out by a leader node,  which solves an optimization problem to produce
104   the  best representative  sets to  be used  during the  rounds of  the sensing
105   phase. The optimization problem formulated as  an integer program is solved to
106   optimality through a Branch-and-Bound method  for small instances.  For larger
107   instances, the best  feasible solution found by the solver  after a given time
108   limit threshold is considered.} 
109 Compared  with some  existing protocols,  simulation results  based on  multiple
110 criteria (energy consumption, coverage ratio, and  so on) show that the proposed
111 protocol can prolong  efficiently the network lifetime and  improve the coverage
112 performance.
113 \end{abstract}
114
115 \begin{keyword}
116 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
117 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
118 \end{keyword}
119
120 \end{frontmatter}
121
122 \section{Introduction}
123  
124 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
125 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
126 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
127 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
128 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
129 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
130 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
131 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
132 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
133
134 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
135 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
136 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
137 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
138 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
139 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
140 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
141 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
142 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
143 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
144
145 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
146 reviews the  related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
147 description of  MuDiLCO protocol. Section~\ref{exp} introduces  the experimental
148 framework, it describes  the simulation setup and the different  metrics used to
149 assess the  performances.  Section~\ref{analysis}  shows the  simulation results
150 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
151 demonstrate  the  usefulness  of  the   proposed  approach.   Finally,  we  give
152 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
153 Section~\ref{sec:conclusion}.
154
155 \section{Related works} 
156 \label{rw}
157
158 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
159 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
160 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
161 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
162 algorithms in WSNs according to several design choices:
163 \begin{itemize}
164 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
165   distributed/localized algorithms.
166 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
167   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
168 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
169   or communication capabilities.
170 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
171 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
172 \end{itemize}
173
174 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
175 many cover sets) can be added to the above list.
176
177 \subsection{Centralized approaches}
178
179 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
180 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
181 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
182 or close to  optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
183 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
184 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
185 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach is  its
186 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
187 information  from all  the  sensor nodes.   \textcolor{blue}{Exact or  heuristic
188   approaches  are designed  to provide  cover sets.  Contrary to  exact methods,
189   heuristic  ones can  handle very  large  and centralized  problems.  They  are
190   proposed to reduce  computational overhead such as  energy consumption, delay,
191   and generally allow to increase the network lifetime.}
192
193 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
194 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
195 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.    In
196 the  case   of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
197 participate in  more than one  cover set.  In some  cases, this may  prolong the
198 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
199 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces a  higher
200 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
201 scheduling policies  are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
202 involved in more than one cover sets.
203
204 In~\cite{yang2014maximum},  the authors  have  considered  a linear  programming
205 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
206 preserve a  maximum coverage and  to extend lifetime  of the network.   Cheng et
207 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
208 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
209 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
210 Node Set Computing (CNSC) algorithm to find  the correlated node set for a given
211 node.   After that,  they  proposed a  High Residual  Energy  First (HREF)  node
212 selection algorithm to minimize the number of  active nodes so as to prolong the
213 network  lifetime.   Various  centralized  methods based  on  column  generation
214 approaches                   have                    also                   been
215 proposed~\cite{gentili2013,castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
216 \textcolor{blue}{In~\cite{gentili2013}, authors highlight  the trade-off between
217   the  network lifetime  and the  coverage  percentage. They  show that  network
218   lifetime can be hugely improved by decreasing the coverage ratio.}
219
220 \subsection{Distributed approaches}
221
222 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
223 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
224 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
225 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
226 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
227 covers.
228
229 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
230 to          preserve         coverage,          see          for         example
231 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,       yardibi2010distributed,
232   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms  typically operate  in
233 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
234 exchanges information with  its neighbors and makes a  decision to either remain
235 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
236 simple     greedy     criteria    like     the     largest    uncovered     area
237 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
238 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
239 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require  location information of
240 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
241 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
242 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
243 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due  to the
244 absence of location information.  In  \cite{ChinhVu}, the author have designed a
245 novel distributed heuristic,  called Distributed Energy-efficient Scheduling for
246 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
247 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
248 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor
249 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
250 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
251
252 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
253 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
254 which  aim at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
255 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
256 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
257 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take  advantage from both
258 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
259 leverage prediction, to improve  the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
260 al.  have  described an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
261 which uses geographic  location information to divide the  area of interest into
262 fixed square grids.   Within each grid, it keeps only one  node staying awake to
263 take the responsibility of sensing and communication.
264
265 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
266 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
267 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
268 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
269
270 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
271 protocol) presented  in this paper  is an  extension of the  approach introduced
272 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
273 deployed over  only two subregions.  Simulation results  have shown that  it was
274 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
275 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
276 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
277 an  improved  model of  energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
278 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
279 a single round  optimization in our previous work.  \textcolor{blue}{The idea is
280   to take advantage  of the pre-sensing phase to plan  the sensor's activity for
281   several  rounds instead  of one,  thus saving  energy. In  addition, when  the
282   optimization problem becomes  more complex, its resolution is  stopped after a
283   given time threshold}.
284
285
286 \section{MuDiLCO protocol description}
287 \label{pd}
288
289 \subsection{Assumptions}
290
291 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
292 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
293 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
294 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
295 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
296 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
297 embedded GPS or through location discovery algorithms.
298    
299 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
300 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
301 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
302 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
303 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
304 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
305 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
306 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
307 active nodes.
308
309 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a
310 set of  points called  primary points~\cite{idrees2014coverage}. We  assume that
311 the sensing  disk defined by a  sensor is covered  if all the primary  points of
312 this  sensor are  covered.   By knowing  the position  of  wireless sensor  node
313 (centered at  the the  position $\left(p_x,p_y\right)$)  and it's  sensing range
314 $R_s$,  we define  up to  25 primary  points $X_1$  to $X_{25}$  as decribed  on
315 Figure~\ref{fig1}. The optimal number of primary points is investigated in
316 section~\ref{ch4:sec:04:06}.
317
318 The coordinates of the primary points are defined as follows:\\
319 %$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
320 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
321 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
322 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
323 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
324 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
325 $X_6=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
326 $X_7=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
327 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
328 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
329 $X_{10}= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
330 $X_{11}=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
331 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
332 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
333 $X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
334 $X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
335 $X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
336 $X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
337 $X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
338 $X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
339 $X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
340 $X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
341 $X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
342 $X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
343 $X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
344 $X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
345
346 \begin{figure}[h]
347   \centering
348   \includegraphics[scale=0.375]{fig26.pdf}
349   \label{fig1}
350   \caption{Wireless sensor node represented by up to 25~primary points}
351 \end{figure}
352
353 \subsection{Background idea}
354
355 \textcolor{blue}{The WSN  area of  interest is,  at  first,  divided into
356   regular  homogeneous subregions  using  a divide-and-conquer  algorithm. Then, our  protocol  will be  executed  in a  distributed  way in  each
357   subregion  simultaneously  to  schedule  nodes'  activities  for  one  sensing
358   period. Sensor nodes are assumed to be deployed almost uniformly and with high
359   density over the region. The regular  subdivision is made so that the number
360   of hops between any pairs of sensors  inside a subregion is less than or equal
361   to 3.}
362
363 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
364 where   each   period   is    divided   into   4~phases:   Information~Exchange,
365 Leader~Election,  Decision,  and Sensing.   Each  sensing  phase may  be  itself
366 divided into $T$ rounds \textcolor{blue} {of  equal duration} and for each round
367 a set of sensors (a cover set) is  responsible for the sensing task. In this way
368 a  multiround  optimization  process  is  performed  during  each  period  after
369 Information~Exchange and Leader~Election  phases, in order to  produce $T$ cover
370 sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
371 \begin{figure}[t!]
372 \centering \includegraphics[width=125mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
373 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
374 \label{fig2}
375 \end{figure} 
376
377 This  protocol minimizes  the  impact of  unexpected node  failure  (not due  to
378 batteries running out of energy), because it works in periods.
379  On the one hand, if a node  failure is detected before making the decision, the
380  node will not  participate to this phase,  and, on the other hand,  if the node
381  failure occurs  after the  decision, the  sensing task of  the network  will be
382  temporarily affected:  only during  the period  of sensing  until a  new period
383  starts.   \textcolor{blue}{The   duration   of  the   rounds  is  a   predefined
384    parameter. Round duration  should be long enough to hide  the system control
385    overhead and  short enough to minimize  the negative effects in  case of node
386    failures.}  
387
388 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
389 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
390 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
391 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
392 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
393 monitor the area.
394
395 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
396 \begin{enumerate}[(a)] 
397 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
398   nodes inside a subregion for information exchange.
399 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
400   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
401   phase.
402 \end{enumerate}
403
404 There are five status for each sensor node in the network:
405 \begin{enumerate}[(a)] 
406 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
407 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
408   optimization process;
409 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
410 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
411 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
412 \end{enumerate}
413
414 Below, we describe each phase in more details.
415
416 \subsection{Information Exchange Phase}
417
418 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
419 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
420 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
421 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
422 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
423 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
424 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
425
426 \subsection{Leader Election phase}
427
428 This step  consists in choosing  the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
429 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
430 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
431 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.  The  nodes in the  same subregion
432 will select the leader based on the received information from all other nodes in
433 the same subregion.  The selection criteria  are, in order of importance: larger
434 number of  neighbors, larger  remaining energy,  and then  in case  of equality,
435 larger index. Observations on previous simulations  suggest to use the number of
436 one-hop neighbors as  the primary criterion to reduce energy  consumption due to
437 the communications.
438
439 \subsection{Decision phase}
440 \label{decision}
441
442 Each WSNL will  \textcolor{blue}{solve an integer program to  select which cover
443   sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
444   to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
445   WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
446   the algorithm's results,  indicating if the sensor should be  active or not in
447   each round of the sensing phase.}
448
449 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the leader will execute an optimization
450 algorithm based on an integer program. The integer program is based on the model
451 proposed by \cite{pedraza2006}  with some modifications, where  the objective is
452 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.  To  fulfill this  goal, the
453 authors proposed an integer program  which forces undercoverage and overcoverage
454 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
455 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
456 consider binary variables  $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
457 sensor $j$ during round $t$ of a  given sensing phase.  We also consider primary
458 points as targets.  The  set of primary points is denoted by $P$  and the set of
459 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
460 involved in the integer program.
461
462 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
463 whether the point $p$ is covered, that is:
464 \begin{equation}
465 \alpha_{j,p} = \left \{ 
466 \begin{array}{l l}
467   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
468  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
469   0 & \mbox{otherwise.}\\
470 \end{array} \right.
471 %\label{eq12} 
472 \end{equation}
473 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
474 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
475 \begin{equation}
476 X_{t,j} = \left \{ 
477 \begin{array}{l l}
478   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
479   0 &  \mbox{otherwise.}\\
480 \end{array} \right.
481 %\label{eq11} 
482 \end{equation}
483 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
484 \begin{equation}
485  \Theta_{t,p} = \left \{ 
486 \begin{array}{l l}
487   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
488     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
489   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
490 \end{array} \right.
491 \label{eq13} 
492 \end{equation}
493 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
494 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
495 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
496 defined by:
497 \begin{equation}
498 U_{t,p} = \left \{ 
499 \begin{array}{l l}
500   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
501   0 & \mbox{otherwise.}\\
502 \end{array} \right.
503 \label{eq14} 
504 \end{equation}
505
506 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
507 \begin{equation}
508  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{|P|} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
509 \end{equation}
510
511 Subject to
512 \begin{equation}
513   \sum_{j=1}^{|J|} \alpha_{j,p} * X_{t,j}   = \Theta_{t,p} - U_{t,p} + 1 \label{eq16} \hspace{6 mm} \forall p \in P, t = 1,\dots,T
514 \end{equation}
515
516 \begin{equation}
517   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{10 mm}\forall j \in J\hspace{6 mm} 
518   \label{eq144} 
519 \end{equation}
520
521 \begin{equation}
522 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
523 \end{equation}
524
525 \begin{equation}
526 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
527 \end{equation}
528
529 \begin{equation}
530  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
531 \end{equation}
532
533 \begin{itemize}
534 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
535   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
536 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
537   are covering the primary point $p$ during round $t$;
538 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
539   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
540   covered).
541 \end{itemize}
542
543 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
544 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
545 and undercoverage variables  help balancing the restriction  equations by taking
546 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
547 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
548 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
549 required to be alive during one round.
550
551 There are  two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
552 points in order to activate a minimum  number of sensors.  Second we prevent the
553 absence  of  monitoring  on  some  parts of  the  subregion  by  minimizing  the
554 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be properly  chosen so as
555 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round.
556 In our simulations,  priority is given to the coverage  by choosing $W_{U}$ very
557 large compared to $W_{\theta}$.
558
559 \textcolor{blue}{The size of the problem depends  on the number of variables and
560   constraints. The number of variables is  linked to the number of alive sensors
561   $A \subseteq J$,  the number of rounds  $T$, and the number  of primary points
562   $P$.  Thus  the integer  program contains $A*T$  variables of  type $X_{t,j}$,
563   $P*T$ overcoverage variables and $P*T$  undercoverage variables. The number of
564   constraints  is equal  to $P*T$  (for constraints  (\ref{eq16})) $+$  $A$ (for
565   constraints (\ref{eq144})).}
566
567 \subsection{Sensing phase}
568
569 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
570 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
571 sleep for each  round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
572 will  be executed  by  each sensor  node~$s_j$  at the  beginning  of a  period,
573 explains how the Active-Sleep packet is obtained.
574
575 \begin{algorithm}[h!]                
576   \BlankLine  
577   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
578       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
579       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
580       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
581       
582       \emph{LeaderID = Leader election}\;
583       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
584         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
585         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
586           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
587         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
588         \emph{Send $ActiveSleep()$ packet to each node $k$ in subregion: a packet \\
589           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
590         \emph{Update $RE_j $}\;
591       }   
592       \Else{
593         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
594         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
595         \emph{Update $RE_j $}\;
596       }  
597   }
598   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
599   
600 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
601 \label{alg:MuDiLCO}
602
603 \end{algorithm}
604
605 \section{Experimental framework}
606 \label{exp}
607
608 \subsection{Simulation setup}
609
610 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
611 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
612 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
613 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
614 results presented hereafter are the average of these 25 runs.
615 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
616 250~nodes deployed  over a $50 \times  25~m^2 $ sensing field.   More precisely,
617 the deployment  is controlled  at a  coarse scale  in order  to ensure  that the
618 deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.
619
620 \begin{table}[ht]
621 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
622 \centering
623 \begin{tabular}{c|c}
624   \hline
625 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
626 \hline
627 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
628 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
629 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
630 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
631 $E_{R}$ & 36 Joules\\
632 $R_s$ & 5~m   \\     
633 $W_{\theta}$ & 1   \\
634 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
635 \end{tabular}
636 \label{table3}
637 \end{table}
638
639 \textcolor{blue}{Our  protocol  is  declined   into  four  versions:  MuDiLCO-1,
640   MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and MuDiLCO-7, corresponding respectively to $T=1,3,5,7$
641   ($T$ the  number of rounds in  one sensing period). Since  the time resolution
642   may  be prohibitive  when the  size  of the  problem increases,  a time  limit
643   threshold has  been fixed when  solving large  instances. In these  cases, the
644   solver returns  the best solution  found, which  is not necessary  the optimal
645   one. In practice, we only set time  limit values for $T=5$ and $T=7$. In fact,
646   for $T=5$ we limited the time for  250~nodes, whereas for $T=7$ it was for the
647   three  largest network  sizes.  Therefore  we used  the  following values  (in
648   second): 0.03 for  250~nodes when $T=5$, while for $T=7$  we chose 0.03, 0.06,
649   and 0.08 for respectively 150, 200, and 250~nodes.
650   These time limit thresholds have been  set empirically. The basic idea consists
651   in considering  the average execution  time to  solve the integer  programs to
652   optimality, then in  dividing this average time by three  to set the threshold
653   value.  After that,  this threshold value is increased if  necessary so that
654   the solver is able  to deliver a feasible solution within  the time limit.  In
655   fact, selecting the optimal values for the time limits will be investigated in
656   the future.}
657
658  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
659  method,  called DESK  and proposed  by  \cite{ChinhVu}, is  a full  distributed
660  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
661  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
662  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
663  phase time.
664
665 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
666 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
667 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
668 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
669 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
670 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
671 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
672 it. In the following we have set the number of subregions to 16.
673
674 \subsection{Energy model}
675
676 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
677 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
678 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
679 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
680
681 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
682 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
683 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
684 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
685 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
686 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
687 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
688 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
689 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
690 summarized in Table~\ref{table4}.
691
692 \begin{table}[ht]
693 \caption{The Energy Consumption Model}
694 \centering
695 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
696   \hline
697 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
698 \hline
699 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
700 \hline
701 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
702 \hline
703 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
704 \hline
705 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
706 \hline
707 \end{tabular}
708
709 \label{table4}
710 \end{table}
711
712 For the sake of simplicity we ignore the  energy needed to turn on the radio, to
713 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
714 Thus, when a sensor becomes active (i.e.,  it has already chosen its status), it
715 can turn its radio  off to save battery.  MuDiLCO uses two  types of packets for
716 communication. The size of the INFO  packet and Active-Sleep packet are 112~bits
717 and 24~bits  respectively.  The value  of energy  spent to send  a 1-bit-content
718 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
719 calculate the  energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
720 value for receiving  the packets. The energy  needed to send or  receive a 1-bit
721 packet is equal to 0.2575~mW.
722
723 The initial energy of each node is  randomly set in the interval $[500;700]$.  A
724 sensor node will  not participate in the  next round if its  remaining energy is
725 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
726 stay alive  during one round.  This  value has been computed  by multiplying the
727 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
728 (3600 seconds).   According to the interval  of initial energy, a  sensor may be
729 alive during at most 20 rounds.
730
731 \subsection{Metrics}
732
733 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
734
735 \begin{enumerate}[i]
736   
737 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
738   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
739   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
740   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
741 \begin{equation*}
742 \scriptsize
743 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
744 \end{equation*}
745 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
746 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
747 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
748 \times 26 = 1326$ grid points.
749
750 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
751   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
752   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
753   Ratio is defined as follows:
754 \begin{equation*}
755 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
756   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
757 \end{equation*}
758 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
759 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
760 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
761
762 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
763   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
764   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) the amount of  time during
765   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
766   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
767   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
768   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
769   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
770   event in the area that it monitors.
771
772 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
773   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
774   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
775   follows:
776
777   \begin{equation*}
778     \scriptsize
779     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_m} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M} T_m},
780   \end{equation*}
781
782 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
783 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
784 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
785 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
786 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
787 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
788 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
789 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
790 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
791 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
792 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
793
794 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
795 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
796
797 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
798   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
799   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
800   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
801   
802 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
803   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
804   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
805   to network disconnections and for which round it occurs.
806
807 \end{enumerate}
808
809 \section{Experimental results and analysis}
810 \label{analysis}
811
812 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
813 \label{ch4:sec:04:06}
814
815 In this  section, we study the  performance of MuDiLCO-1 approach  for different
816 numbers of  primary points. The  objective of this  comparison is to  select the
817 suitable number  of primary points  to be used by  a MuDiLCO protocol.   In this
818 comparison,  MuDiLCO-1 protocol  is used  with five  primary point  models, each
819 model corresponding to a number of  primary points, which are called Model-5 (it
820 uses 5 primary points), Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21.
821
822 \subsubsection{Coverage ratio} 
823
824 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
825 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
826 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
827 worst.
828 Moreover, when the  number of periods increases, the coverage  ratio produced by
829 all models  decrease due  to dead nodes.  However, Model-5 is  the one  with the
830 slowest decrease due to lower numbers of active sensors in the earlier periods.
831 Overall this  model is slightly more  efficient than the other  ones, because it
832 offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
833 \begin{figure}[t!]
834 \centering
835  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
836 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
837 \label{Figures/ch4/R2/CR}
838 \end{figure} 
839
840 \subsubsection{Network lifetime}
841
842 Finally, we study the effect of increasing the number of primary points on the lifetime of the network. 
843 As       highlighted       by       Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)       and
844 \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b), the  network lifetime  obviously increases  when the
845 size of the network increases, with  Model-5 which leads to the largest lifetime
846 improvement.
847
848 \begin{figure}[h!]
849 \centering
850 \centering
851 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
852
853 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
854
855 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
856   \label{Figures/ch4/R2/LT}
857 \end{figure}
858
859 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
860 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
861 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
862 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
863 experiments presented thereafter.
864
865 \subsection{Coverage ratio} 
866
867 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
868 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
869 which is a little  bit better than the one of MuDiLCO.  This  is due to the fact
870 that, in comparison with MuDiLCO which  uses optimization to put in SLEEP status
871 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
872 consequence,  when the  number  of rounds  increases, a  larger  number of  node
873 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
874 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
875 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the proposed  sensor activity
876 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
877 the area of interest  for a larger number of rounds. It  also means that MuDiLCO
878 saves more energy,  with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
879 should  extend the  network lifetime.  \textcolor{blue}{MuDiLCO-7 seems  to have
880   most of the  time the best coverage  ratio up to round~80,  after MuDiLCO-5 is
881   slightly better.}
882
883 \begin{figure}[ht!]
884 \centering
885  \includegraphics[scale=0.5] {F/CR.pdf} 
886 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
887 \label{fig3}
888 \end{figure} 
889
890 \subsection{Active sensors ratio} 
891
892 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
893 minimize    the    communication    overhead   and    maximize    the    network
894 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
895 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
896 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
897 MuDiLCO clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes.  Obviously,
898 in that case DESK and GAF have less active nodes, since they have activated many
899 nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more
900 efficient manner.
901
902 \begin{figure}[ht!]
903 \centering
904 \includegraphics[scale=0.5]{F/ASR.pdf}  
905 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
906 \label{fig4}
907 \end{figure} 
908
909 \subsection{Stopped simulation runs}
910
911 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
912 per round  for 150  deployed nodes.  This figure gives  the breakpoint  for each
913 method.  DESK  stops first, after  approximately 45~rounds, because  it consumes
914 the more  energy by  turning on  a large  number of  redundant nodes  during the
915 sensing  phase. GAF  stops  secondly for  the  same reason  than  DESK.  Let  us
916 emphasize that the simulation  continues as long as a network  in a subregion is
917 still connected.
918
919 \begin{figure}[ht!]
920 \centering
921 \includegraphics[scale=0.5]{F/SR.pdf} 
922 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
923 \label{fig6}
924 \end{figure} 
925
926 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
927
928 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
929 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
930 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
931 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
932 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
933
934 \begin{figure}[h!]
935   \centering
936   \begin{tabular}{cl}
937     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC95.pdf}} & (a) \\
938     \verb+ + \\
939     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC50.pdf}} & (b)
940   \end{tabular}
941   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
942     (b) $Lifetime_{50}$}
943   \label{fig7}
944 \end{figure} 
945
946 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
947 consumption point of view.  The other  approaches have a high energy consumption
948 due to  activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
949 consumed during the different status of the sensor node.
950
951 \textcolor{blue}{Energy consumption increases with the  size of the networks and
952   the  number  of  rounds.   The curve  Unlimited-MuDiLCO-7  shows  that  energy
953   consumption due to  the time spent to solve the  integer program to optimality
954   increases drastically with  the size of the network. When  the resolution time
955   is limited for large network sizes, the energy consumption remains of the same
956   order whatever the MuDiLCO version. As can be seen with MuDiLCO-7.}
957
958 \subsection{Execution time}
959 \label{et}
960 We observe  the impact of the  network size and of  the number of rounds  on the
961 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
962 seconds (needed to solve optimization problem)  for different values of $T$. The
963 modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is employed to
964 generate the Mixed  Integer Linear Program instance in a  standard format, which
965 is then read and solved by  the optimization solver GLPK (GNU linear Programming
966 Kit  available in  the  public domain)  \cite{glpk}  through a  Branch-and-Bound
967 method. The  original execution  time is  computed on a  laptop DELL  with Intel
968 Core~i3~2370~M (2.4 GHz) processor (2  cores) and the MIPS (Million Instructions
969 Per Second) rate equal to 35330. To be  consistent with the use of a sensor node
970 with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to
971 run  the optimization  resolution, this  time  is multiplied  by 2944.2  $\left(
972 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and reported  on Figure~\ref{fig77}
973 for different network sizes.
974
975 \begin{figure}[ht!]
976 \centering
977 \includegraphics[scale=0.5]{F/T.pdf}  
978 \caption{Execution Time (in seconds)}
979 \label{fig77}
980 \end{figure} 
981
982 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
983 into  account to  schedule  the sensing  phase. \textcolor{blue}{Obviously,  the
984   number of variables and constraints of the integer program increases with $T$,
985   as was explained  in section~\ref{decision} The times obtained  for $T=1,3$ or
986   $5$ seem  bearable. But for  $T=7$, without any  limitation of the  time, they
987   become  quickly unsuitable  for  a  sensor node,  especially  when the  sensor
988   network size  increases as  demonstrated by Unlimited-MuDiLCO-7.   Notice that
989   for 250  nodes, we also  limited the execution  time for $T=5$,  otherwise the
990   execution time  would have  been above  MuDiLCO-7.  On the  one hand,  a large
991   value  for  $T$  permits  to  reduce the  energy-overhead  due  to  the  three
992   pre-sensing phases, on  the other hand a leader node  may waste a considerable
993   amount of  energy to solve the  optimization problem. Thus, limiting  the time
994   resolution for large instances allows to reduce the energy consumption without
995   any impact on the coverage quality.}
996
997 \subsection{Network lifetime}
998
999 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1000 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1001 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network lifetime  increases
1002 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1003 node  density  which results  in  more  and more  redundant  nodes  that can  be
1004 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1005 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the gain  in
1006 lifetime for a coverage  over 95\%, and a network of  250~nodes, is greater than
1007 38\% when switching from GAF to MuDiLCO-5.
1008 %The lower performance that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1009 %of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1010 %difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1011 %This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1012 %energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1013 %linked.
1014 \textcolor{blue}{Overall,  it appears  clearly that  computing a  scheduling for
1015   several rounds is possible and relevant,  providing that the execution time to
1016   solve the  optimization problem for  large instances is limited.   Notice that
1017   rather than limiting the execution time,  similar results might be obtained by
1018   replacing  the  computation of  the  exact  solution  with  the finding  of  a
1019   suboptimal  one using  a  heuristic  approach. For  our  simulation setup  and
1020   considering  the different  metrics, MuDiLCO-5  seems  to be  the most  suited
1021   method in comparison with MuDiLCO-7.}
1022
1023 \begin{figure}[t!]
1024   \centering
1025   \begin{tabular}{cl}
1026     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT95.pdf}} & (a) \\
1027     \verb+ + \\
1028     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT50.pdf}} & (b)
1029   \end{tabular}
1030   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1031     (b) $Lifetime_{50}$}
1032   \label{fig8}
1033 \end{figure} 
1034
1035 \section{Conclusion and future works}
1036 \label{sec:conclusion}
1037
1038 We have addressed  the problem of the coverage and  of the lifetime optimization
1039 in wireless sensor networks.   This is a key issue as  sensor nodes have limited
1040 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1041 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions using  the
1042 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1043 optimizes coverage and  lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1044 called MuDiLCO (Multiround Distributed  Lifetime Coverage Optimization) combines
1045 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1046 scheduling. The  activity scheduling in  each subregion works in  periods, where
1047 each  period consists  of four  phases:  (i) Information  Exchange, (ii)  Leader
1048 Election, (iii)  Decision Phase  to plan  the activity of  the sensors  over $T$
1049 rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into $T$ rounds.
1050
1051 Simulations results  show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1052 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1053 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1054 approach, like the one  we propose, allows to reduce the  difficulty of a single
1055 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1056 subregion,  that  can be  solved  more  easily.  \textcolor{blue}{  Furthermore,
1057   results  also show  that to  plan the  activity of  sensors for  large network
1058   sizes, an  approach to obtain  a near optimal  solution is needed.  Indeed, an
1059   exact resolution  of the resulting  optimization problem leads  to prohibitive
1060   computation times and thus to an excessive energy consumption.}
1061
1062 %In  future work, we plan  to study and propose adjustable sensing range coverage optimization protocol, which computes  all active sensor schedules in one time, by using
1063 %optimization  methods. This protocol can prolong the network lifetime by minimizing the number of the active sensor nodes near the borders by optimizing the sensing range of sensor nodes.
1064 % use section* for acknowledgement
1065
1066 \section*{Acknowledgment}
1067 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1068 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1069 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1070 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1071 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1072
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