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[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
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44 \journal{Ad Hoc Networks}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
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51
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69
70 \title{Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
71
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73 %% \author[label1,label2]{}
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76 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, \\
77 Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
78 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
79 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
80 %\thanks{}% <-this % stops a space
81  
82 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
83 e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
84 $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
85
86 \begin{abstract}
87 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
88 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
89 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
90 %region) of  interest. 
91 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
92 (WSNs). In this paper, a method called Multiperiod Distributed Lifetime Coverage
93 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
94 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
95 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
96 sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works into periods
97 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of
98 rounds  during the  sensing phase,  to  ensure coverage  so as  to maximize  the
99 lifetime of  WSN.  The decision process is  carried out by a  leader node, which
100 solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
101 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols,
102 simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
103 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the
104 network lifetime and improve the coverage performance.
105
106 \end{abstract}
107
108 \begin{keyword}
109 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
110 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
111
112 \end{keyword}
113
114 \end{frontmatter}
115
116 \section{Introduction}
117  
118 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
119 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
120 of small, limited-power sensors that can sense, process and transmit data over a
121 wireless  communication. They  communicate with  each other  by  using multi-hop
122 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
123 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
124 for  further analysis~\cite{Sudip03}.  There are  several fields  of application
125 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
126 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
127
128 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
129 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
130 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
131 of the network  it is important to conserve  battery power.  Therefore, lifetime
132 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
133 the other hand we must guarantee coverage over the area of interest.  To fulfill
134 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
135 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
136 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
137 the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
138
139 % One of the major scientific research challenges in WSNs, which are addressed by a large number of literature during the last few years is to design energy efficient approaches for coverage and connectivity in WSNs~\cite{conti2014mobile}. The coverage problem is one  of the
140 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
141 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
142 %design~\cite{Sudip03}, where it is difficult to replace and/or recharge their batteries because the the area of interest nature (such as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN
143 %deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be exploited to increase  the lifetime of the network. However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time
144 %leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
145 %some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. 
146
147 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
148 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
149 %The area of interest is divided into subregions.
150
151 % Each period includes four phases starts with a discovery phase to exchange information among the sensors of the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a sensor node as leader to carry out a coverage strategy.  This coverage strategy involves the solving of an integer program by the leader,  to optimize the coverage and the lifetime in the subregion by producing a sets of sensor nodes in order to take the mission of coverage preservation during several rounds in the sensing phase. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due to too many node failures.  
152
153 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
154 % Section~\ref{rw}
155 reviews  the related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
156 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} shows the simulation results
157 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
158 demonstrate  the  usefulness  of   the  proposed  approach.   Finally,  we  give
159 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
160 Section~\ref{sec:conclusion}.
161
162 \section{Related works} % Trop proche de l'etat de l'art de l'article de Zorbas ?
163 \label{rw}
164
165 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
166 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
167 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
168 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
169 algorithms in WSNs according to several design choices:
170 \begin{itemize}
171 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
172   distributed/localized algorithms.
173 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
174   to minimize the number of sensors during the sensing period.
175 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
176   or communication capabilities.
177 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
178 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient  coverage  and  connected
179   coverage.
180 \end{itemize}
181
182 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
183 many cover sets) can be added to the above list.
184 % The independency in the cover set (i.e. whether the cover sets are disjoint or non-disjoint) \cite{zorbas2010solving} is another design choice that can be added to the above list.
185    
186 \subsection{Centralized Approaches}
187 %{\bf Centralized approaches}
188 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
189 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
190 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
191 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
192 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
193 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
194 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
195 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
196 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
197 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
198 size increases.
199
200 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
201 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
202 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
203 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
204 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
205 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
206 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
207 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
208 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
209 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
210 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
211 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
212 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
213 provide complete coverage of the monitoring zone.
214
215 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
216 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
217 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
218 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
219 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
220 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
221 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
222 complexity of the mixed integer programming resolution.
223
224 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
225 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
226 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
227 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
228 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
229 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
230 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
231 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
232 Also, they require  a smaller number of node participations  in order to achieve
233 these results.
234
235 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
236 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
237 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
238 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
239 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
240 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
241 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
242 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
243 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
244 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
245 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
246 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
247 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
248 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
249 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
250 optimal solution, is also proposed.
251
252 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
253 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
254 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
255 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
256 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
257 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
258 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
259 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
260 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
261 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
262 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
263
264 \subsection{Distributed approaches}
265 %{\bf Distributed approaches}
266 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
267 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
268 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
269 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
270 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
271 covers.
272
273 Some        distributed       algorithms        have        been       developed
274 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,    yardibi2010distributed}
275 to perform  the scheduling so  as to preserve coverage.   Distributed algorithms
276 typically operate  in rounds for a  predetermined duration. At  the beginning of
277 each  round, a  sensor  exchanges information  with  its neighbors  and makes  a
278 decision  to either  remain turned  on or  to go  to sleep  for the  round. This
279 decision is basically made on  simple greedy criteria like the largest uncovered
280 area    \cite{Berman05efficientenergy}     or    maximum    uncovered    targets
281 \cite{lu2003coverage}.  In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme is divided into
282 rounds,  where each  round has  a self-scheduling  phase followed  by  a sensing
283 phase.  Each  sensor broadcasts  a message containing  the node~ID and  the node
284 location to its  neighbors at the beginning of each  round.  A sensor determines
285 its status by a  rule named off-duty eligible rule, which tells  him to turn off
286 if its sensing area is covered by its neighbors. A back-off scheme is introduced
287 to let each sensor  delay the decision process with a random  period of time, in
288 order  to avoid  simultaneous conflicting  decisions between  nodes and  lack of
289 coverage on any area.  In \cite{prasad2007distributed} a model for capturing the
290 dependencies between different  cover sets is defined and  it proposes localized
291 heuristic based  on this  dependency. The algorithm  consists of two  phases, an
292 initial setup phase during which each sensor computes and prioritizes the covers
293 and a  sensing phase during which  each sensor first decides  its on/off status,
294 and then remains on or off for the rest of the duration.
295
296 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
297 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
298 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
299 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
300 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
301 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
302 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
303 information.   In  \cite{ChinhVu},  the  author have proposed  a  novel  distributed
304 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
305 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
306 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
307 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
308 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
309 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
310
311 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
312 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
313 %In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We consider only distributing the coverage protocol over two subregions. 
314
315 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
316 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
317 which aims  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
318 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
319 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
320 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
321 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
322 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
323 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
324 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
325 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
326 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
327 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
328 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
329 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
330 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
331 communication.
332
333 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
334 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
335 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
336 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
337
338 The MuDiLCO protocol (for Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization
339 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
340 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
341 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
342 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
343 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
344 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
345 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
346 approach.
347
348 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
349 %(1) The high coverage ratio, (2) The reduced number of active nodes, (3) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, (4) The distributed dynamic leader election at each round based on some priority factors that led to energy consumption balancing among the nodes in the same subregion, (5) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, (6) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes for a multirounds to take the mission of the coverage in each subregion, (7) The very low energy consumption, (8) The higher network lifetime.
350 %\section{Preliminaries}
351 %\label{Pr}
352
353 %Network Lifetime
354
355 %\subsection{Network Lifetime}
356 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
357 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
358 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
359 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
360 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
361 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
362 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
363 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
364 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
365 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
366 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
367 %transmit information on an event in the area that it monitors.
368
369 \section{MuDiLCO protocol description}
370 \label{pd}
371
372 %Our work will concentrate on the area coverage by design
373 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
374 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
375 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
376 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
377 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
378 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
379 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
380 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
381 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
382 %simultaneously).
383
384 %In this section, we introduce a Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol, which is called MuDiLCO. It is  distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two efficient techniques: network
385 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
386 %The main features of our MuDiLCO protocol:
387 %i)It divides the area of interest into subregions by using divide-and-conquer concept, ii)It requires only the information of the nodes within the subregion, iii) it divides the network lifetime into periods, which consists in round(s), iv)It based on the autonomous distributed decision by the nodes in the subregion to elect the Leader, v)It apply the activity scheduling based optimization on the subregion, vi)  it achieves an energy consumption balancing among the nodes in the subregion by selecting different nodes as a leader during the network lifetime, vii) It uses the optimization to select the best representative non-disjoint sets of sensors in the subregion by optimize the coverage and the lifetime over the area of interest, viii)It uses our proposed primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a simple energy model that takes communication, sensing and computation energy consumptions into account to evaluate the performance of our Protocol.
388
389 \subsection{Assumptions}
390
391 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
392 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
393 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
394 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
395 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
396 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
397 embedded GPS or through location discovery algorithms.
398    
399 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
400 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
401 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
402 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
403 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
404 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
405 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
406 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
407 working nodes in the active mode.
408
409 Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by
410 considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently,
411 we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its
412 primary points are covered. The choice of number and locations of primary points
413 is the subject of another study not presented here.
414
415 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
416 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
417 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
418 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
419 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
420 %sensors, instead of using all the points in the area.
421
422 %The MuDiLCO protocol works in periods and executed at each sensor node in the network, each sensor node can still sense data while being in
423 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
424 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
425 %Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list $L$.
426 %The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader after the decision to apply multi-round activity scheduling during the sensing phase. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will produce the cover sets of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase for $T$ rounds. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's schedule for $T$ rounds during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next period. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep based on it's schedule for $T$ rounds during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, which are includes $T$ rounds, all the sensor nodes in the same subregion will start new period by executing the MuDiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
427
428 \subsection{Background idea}
429
430 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
431 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our  MuDiLCO  protocol  will  be
432 implemented in each subregion in a distributed way.
433
434 As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
435 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
436 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
437 and for each  round a set of sensors  (said a cover set) is  responsible for the
438 sensing task.
439 \begin{figure}[ht!]
440 \centering \includegraphics[width=100mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
441 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
442 \label{fig2}
443 \end{figure} 
444
445 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
446 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
447 % set cover responsible for the sensing task.  
448 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
449
450 This protocol is  reliable against an unexpected node  failure, because it works
451 in periods.  On the one hand,  if a node  failure is detected before  making the
452 decision, the node  will not participate to this phase, and,  on the other hand,
453 if the node  failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
454 will be  temporarily affected:  only during  the period of  sensing until  a new
455 period starts.
456
457 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
458 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
459 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
460 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
461 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
462 monitor the area.
463
464 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
465
466 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
467 \begin{enumerate}[(a)] 
468 \item INFO  packet: a such packet  will be sent by  each sensor node  to all the
469   nodes inside a subregion for information exchange.
470 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
471   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
472   phase.
473 \end{enumerate}
474
475 There are five status for each sensor node in the network:
476 \begin{enumerate}[(a)] 
477 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
478 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
479   optimization process;
480 \item ACTIVE: sensor node participate to the monitoring of the area;
481 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
482 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
483 \end{enumerate}
484
485 Below, we describe each phase in more details.
486
487 \subsection{Information Exchange Phase}
488
489 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
490 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
491 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
492 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
493 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
494 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
495 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
496
497 %\subsection{\textbf Working Phase:}
498
499 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
500
501 \subsection{Leader Election phase}
502
503 This step  consists in  choosing the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
504 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
505 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
506 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.   The nodes in the  same subregion
507 will select the  leader based on the received informations  from all other nodes
508 in  the same subregion.   The selection  criteria are,  in order  of importance:
509 larger  number  of neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of
510 equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the
511 number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy
512 consumption due to the communications.
513
514 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
515 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
516
517 %Where $E_{th}$ is the minimum energy needed to stay active during the sensing phase. As shown in Algorithm~1, the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbours, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
518
519 \subsection{Decision phase}
520
521 Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
522 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
523 belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
524 The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
525 on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
526 each  round of the  sensing phase.  The integer  program is  based on  the model
527 proposed by \cite{pedraza2006} with some modification, where the objective is to
528 find a maximum number of disjoint cover sets.  To fulfill this goal, the authors
529 proposed  an integer  program  which forces  undercoverage  and overcoverage  of
530 targets to become minimal at the  same time.  They use binary variables $x_{jl}$
531 to indicate if sensor  $j$ belongs to cover set $l$.  In  our model, we consider
532 binary variables $X_{t,j}$ to determine  the possibility of activation of sensor
533 $j$ during  the round $t$  of a given  sensing phase.  We also  consider primary
534 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
535 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
536 involved in the integer program.
537
538 %parler de la limite en energie Et pour un round
539
540 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
541 whether the point $p$ is covered, that is:
542 \begin{equation}
543 \alpha_{j,p} = \left \{ 
544 \begin{array}{l l}
545   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
546  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
547   0 & \mbox{otherwise.}\\
548 \end{array} \right.
549 %\label{eq12} 
550 \end{equation}
551 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
552 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
553 \begin{equation}
554 X_{t,j} = \left \{ 
555 \begin{array}{l l}
556   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
557   0 &  \mbox{otherwise.}\\
558 \end{array} \right.
559 %\label{eq11} 
560 \end{equation}
561 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
562 \begin{equation}
563  \Theta_{t,p} = \left \{ 
564 \begin{array}{l l}
565   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
566     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
567   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
568 \end{array} \right.
569 \label{eq13} 
570 \end{equation}
571 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
572 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  the  round  $t$.   The
573 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
574 defined by:
575 \begin{equation}
576 U_{t,p} = \left \{ 
577 \begin{array}{l l}
578   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
579   0 & \mbox{otherwise.}\\
580 \end{array} \right.
581 \label{eq14} 
582 \end{equation}
583
584 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
585 \begin{equation}
586  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
587 \end{equation}
588
589 Subject to
590 \begin{equation}
591   \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
592 \end{equation}
593
594 \begin{equation}
595   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
596   \label{eq144} 
597 \end{equation}
598
599 \begin{equation}
600 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
601 \end{equation}
602
603 \begin{equation}
604 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
605 \end{equation}
606
607 \begin{equation}
608  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
609 \end{equation}
610
611 %\begin{equation}
612 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
613 %\end{equation}
614
615 \begin{itemize}
616 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
617   during the round $t$ (1 if yes and 0 if not);
618 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
619   are covering the primary point $p$ during the round $t$;
620 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
621   point $p$  is being covered during  the round $t$ (1  if not covered  and 0 if
622   covered).
623 \end{itemize}
624
625 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
626 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
627 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
628 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
629 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
630 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
631 required to be alive during one round.
632
633 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
634 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
635 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
636 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
637 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. In
638 our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{\theta}$ very
639 large compared to $W_U$.
640 %The Active-Sleep packet includes the schedule vector with the number of rounds that should be applied by the receiving sensor node during the sensing phase.
641
642 \subsection{Sensing phase}
643
644 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
645 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
646 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
647 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
648 Active-Sleep packet is obtained.
649
650 % In each round during the sensing phase, there is a cover set of sensor nodes,  in which  the active  sensors will  execute  their sensing  task  to preserve maximal  coverage and lifetime in the subregion and this will continue until finishing the round $T$ and starting new period. 
651
652 \begin{algorithm}[h!]                
653  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
654 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
655   \BlankLine
656   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
657   
658   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
659       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
660       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
661       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
662       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
663       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
664       
665       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
666       \emph{LeaderID = Leader election}\;
667       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
668         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
669         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
670           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
671         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
672         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
673           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
674         \emph{Update $RE_j $}\;
675       }   
676       \Else{
677         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
678         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
679         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
680         \emph{Update $RE_j $}\;
681       }  
682       %  }
683   }
684   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
685   
686  %   \emph{return X} \;
687 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
688 \label{alg:MuDiLCO}
689
690 \end{algorithm}
691
692 \section{Experimental study}
693 \label{exp}
694 \subsection{Simulation setup}
695
696 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
697 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
698 \cite{varga}.     The     simulation     parameters    are     summarized     in
699 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
700 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
701 25 runs.
702 %Based on the results of our proposed work in~\cite{idrees2014coverage}, we found as the region of interest are divided into larger subregions as the network lifetime increased. In this simulation, the network are divided into 16 subregions. 
703 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
704 250~nodes. Experimental results are obtained from randomly generated networks in
705 which  nodes  are deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
706 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
707 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
708 range.
709
710 \begin{table}[ht]
711 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
712 % title of Table
713 \centering
714 % used for centering table
715 \begin{tabular}{c|c}
716 % centered columns (4 columns)
717       \hline
718 %inserts double horizontal lines
719 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
720    
721 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
722 % inserts table
723 %heading
724 \hline
725 % inserts single horizontal line
726 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
727 % inserting body of the table
728 %\hline
729 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
730 %\hline
731 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
732 %\hline
733 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
734 $E_{R}$ & 36 Joules\\
735 $R_s$ & 5~m   \\     
736 %\hline
737 $w_{\Theta}$ & 1   \\
738 % [1ex] adds vertical space
739 %\hline
740 $w_{U}$ & $|P^2|$
741 %inserts single line
742 \end{tabular}
743 \label{table3}
744 % is used to refer this table in the text
745 \end{table}
746   
747 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
748 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
749 rounds  in one  sensing period).   In the  following, the  general case  will be
750 denoted by  MuDiLCO-T and we will  make comparisons with two  other methods. The
751 first method, called DESK and  proposed by \cite{ChinhVu}, is a full distributed
752 coverage  algorithm.   The  second  method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
753 consists in dividing the region  into fixed squares.  During the decision phase,
754 in each  square, one sensor is then  chosen to remain active  during the sensing
755 phase time.
756
757 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
758 subregions  which subdivide  the  sensing field,  considering different  network
759 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
760 lifetime. Moreover, it  makes the MuDiLCO-T protocol more  robust against random
761 network  disconnection due  to  node failures.  However,  too much  subdivisions
762 reduces the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
763 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
764 it. Therefore, we  have set the number  of subregions to 16 rather  than 32. 
765
766 \subsection{Energy Model}
767
768 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
769 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
770 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
771 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
772
773 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
774 %The new energy consumption model will take into account the energy consumption for communication (packet transmission/reception), the radio of the sensor node, data sensing, computational energy of Micro-Controller Unit (MCU) and high computation energy of MCU. 
775 %revoir la phrase
776
777 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
778 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
779 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
780 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
781 is  responsible  for  transmitting/receiving  messages, sensing  subsystem  that
782 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
783 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
784 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
785 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
786 summarized in Table~\ref{table4}.  The energy  needed to send or receive a 1-bit
787 packet is equal to $0.2575~mW$.
788
789 \begin{table}[ht]
790 \caption{The Energy Consumption Model}
791 % title of Table
792 \centering
793 % used for centering table
794 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
795 % centered columns (4 columns)
796       \hline
797 %inserts double horizontal lines
798 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
799 \hline
800 % inserts single horizontal line
801 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
802 % inserting body of the table
803 \hline
804 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
805 \hline
806 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
807 \hline
808 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
809 %\hline
810 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
811  \hline
812 \end{tabular}
813
814 \label{table4}
815 % is used to refer this table in the text
816 \end{table}
817
818 For sake  of simplicity we  ignore the  energy needed to  turn on the  radio, to
819 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
820 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
821 Thus, when  a sensor becomes active  (i.e., it already decides  it's status), it
822 can turn its  radio off to save  battery. MuDiLCO uses two types  of packets for
823 communication. The size of the  INFO packet and Active-Sleep packet are 112~bits
824 and 24~bits  respectively.  The  value of energy  spent to send  a 1-bit-content
825 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
826 calculate  the energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
827 value for receiving the packets.
828
829 The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A
830 sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is
831 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
832 stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the
833 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
834 (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be
835 alive during at most 20 rounds.
836
837 \subsection{Metrics}
838
839 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
840
841 \begin{enumerate}[i]
842   
843 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area
844   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
845   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point for
846   calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
847 \begin{equation*}
848 \scriptsize
849 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
850 \end{equation*}
851 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
852 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number
853 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
854 \times 26 = 1326$ grid points.
855 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
856 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
857 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
858 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
859
860 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
861   few  active  nodes  as  possible  in  each  round,in  order  to  minimize  the
862   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
863   Ratio is defined as follows:
864 \begin{equation*}
865 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
866   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
867 \end{equation*}
868 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
869 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
870 network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
871
872 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
873   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
874   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) as  the amount of  time during
875   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
876   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
877   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
878   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
879   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
880   event in the area that it monitors.
881
882 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
883   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
884   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
885   follows:
886  \begin{equation*}
887 \scriptsize
888 \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +
889   \sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
890 \end{equation*}
891
892 %\begin{equation*}
893 %\scriptsize
894 %\mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^c_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D %E^l_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^a_d$}}{\mbox{$D$}} + %\frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^s_d$}}{\mbox{$D$}}.
895 %\end{equation*}
896
897 where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
898 $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$.  The total  energy consumed by  the sensors
899 (EC) comes through taking into consideration four main energy factors. The first
900 one ,  denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_m$, represent  the energy consumption
901 spent  by  all  the  nodes   for  wireless  communications  during  period  $m$.
902 $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next  factor, corresponds  to the  energy
903 consumed by the sensors in LISTENING  status before receiving the decision to go
904 active or  sleep in  period $m$. $E^{\scriptsize  \mbox{comp}}_m$ refers  to the
905 energy needed  by all  the leader nodes  to solve  the integer program  during a
906 period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$  indicate the energy consummed by the whole
907 network in round $t$.
908
909 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
910 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
911
912 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
913   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
914   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
915   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
916   
917 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
918   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
919   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
920   to network disconnections and for which round it occurs.
921
922 \end{enumerate}
923
924 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%VU JUSQU ICI**************************************************
925
926 \section{Results and analysis}
927
928 \subsection{Coverage ratio} 
929
930 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
931 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
932 which is a little bit better than the  one of MuDiLCO-T. This is due to the fact
933 that in  comparison with MuDiLCO that  uses optimization to put  in SLEEP status
934 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
935 consequence,  when the  number  of rounds  increases,  a larger  number of  node
936 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
937 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
938 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the  proposed sensor activity
939 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
940 the area of interest for a larger number of rounds. It also means that MuDiLCO-T
941 saves more  energy, with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
942 should extend the network lifetime.
943
944 \begin{figure}[t!]
945 \centering
946  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
947 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
948 \label{fig3}
949 \end{figure} 
950
951 \subsection{Active sensors ratio} 
952
953 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
954 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
955 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
956 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
957 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
958 MuDiLCO-T clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes. After the
959 thirty  fifth round,  MuDiLCO-T exhibits  larger number  of active  nodes, which
960 agrees with  the dual observation of  higher level of  coverage made previously.
961 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
962 activated many nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO-T activates the available
963 nodes in a more efficient manner.
964
965 \begin{figure}[t!]
966 \centering
967 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
968 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
969 \label{fig4}
970 \end{figure} 
971
972 \subsection{Stopped simulation runs}
973 %The results presented in this experiment, is to show the comparison of our MuDiLCO protocol with other two approaches from the point of view the stopped simulation runs per round. Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
974 %runs per round for 150 deployed nodes. 
975
976 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
977 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each of
978 the methods.  DESK stops first,  after around 45~rounds, because it consumes the
979 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
980 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO-T overcomes
981 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
982 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
983 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
984 still connected.
985
986 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
987
988 \begin{figure}[t!]
989 \centering
990 \includegraphics[scale=0.5]{R1/SR.pdf} 
991 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
992 \label{fig6}
993 \end{figure} 
994
995 \subsection{Energy Consumption} \label{subsec:EC}
996
997 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
998 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
999 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1000 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1001 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1002
1003 \begin{figure}[h!]
1004   \centering
1005   \begin{tabular}{cl}
1006     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf}} & (a) \\
1007     \verb+ + \\
1008     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf}} & (b)
1009   \end{tabular}
1010   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1011     (b) $Lifetime_{50}$}
1012   \label{fig7}
1013 \end{figure} 
1014
1015 The  results  show  that MuDiLCO-T  is  the  most  competitive from  the  energy
1016 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1017 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
1018 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
1019 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1020 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
1021 the  number of  sensors involved  in the  integer program,  the larger  the time
1022 computation to  solve the optimization  problem. To improve the  performances of
1023 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
1024 sensors to consider in the integer program.
1025
1026 %In fact,  a distributed optimization decision, which produces T rounds, on the subregions is  greatly reduced the cost of communications and the time of listening as well as the energy needed for sensing phase and computation so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks and producing T rounds for each subregion periodically. 
1027
1028
1029 \subsection{Execution time}
1030
1031 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1032 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1033 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$.  The
1034 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1035 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1036 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1037 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1038 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1039 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1040 for different network sizes.
1041
1042 \begin{figure}[t!]
1043 \centering
1044 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
1045 \caption{Execution Time (in seconds)}
1046 \label{fig77}
1047 \end{figure} 
1048
1049 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1050 into account for scheduling of the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1051 or $5$ seems bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1052 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1053 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1054 we need to choose a relevant number of subregion in order to avoid a complicated
1055 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1056 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1057 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1058 optimization problem.
1059
1060 %While MuDiLCO-1, 3, and 5 solves the optimization process with suitable execution times to be used on wireless sensor network because it distributed on larger number of small subregions as well as it is used acceptable number of round(s) T.  We think that in distributed fashion the solving of the optimization problem to produce T rounds in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal with very large networks, a distributed method is clearly required.
1061
1062 \subsection{Network Lifetime}
1063
1064 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1065 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1066 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1067 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1068 node  density  which  result in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1069 deactivated  and  thus save  energy.   Compared  to  the other  approaches,  our
1070 MuDiLCO-T protocol  maximizes the  lifetime of the  network.  In  particular the
1071 gain in  lifetime for a coverage over  95\% is greater than  38\% when switching
1072 from GAF to MuDiLCO-3.  The slight  decrease that can bee observed for MuDiLCO-7
1073 in case of  $Lifetime_{95}$ with large wireless sensor  networks result from the
1074 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1075 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1076 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1077 linked.
1078
1079 \begin{figure}[t!]
1080   \centering
1081   \begin{tabular}{cl}
1082     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}} & (a) \\
1083     \verb+ + \\
1084     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}} & (b)
1085   \end{tabular}
1086   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1087     (b) $Lifetime_{50}$}
1088   \label{fig8}
1089 \end{figure} 
1090
1091 % By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest with a maximum number rounds and by letting the other nodes sleep in order to be used later in next rounds, our MuDiLCO-T protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1092
1093 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO-T protocol, which are used distributed optimization on the subregions with the ability of producing T rounds, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each sensor node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1094
1095
1096 %We see that our MuDiLCO-7 protocol results in execution times that quickly become unsuitable for a sensor network as well as the energy consumption seems to be huge because it used a larger number of rounds T during performing the optimization decision in the subregions, which is led to decrease the network lifetime. On the other side, our MuDiLCO-1, 3, and 5 protocol seems to be more efficient in comparison with other approaches because they are prolonged the lifetime of the network more than DESK and GAF.
1097
1098
1099 \section{Conclusion and Future Works}
1100 \label{sec:conclusion}
1101
1102 In this  paper, we have addressed the  problem of the coverage  and the lifetime
1103 optimization in  wireless sensor networks. This  is a key issue  as sensor nodes
1104 have limited resources  in terms of memory, energy,  and computational power. To
1105 cope with this problem, the field  of sensing is divided into smaller subregions
1106 using the concept  of divide-and-conquer method, and then  we propose a protocol
1107 which  optimizes  coverage and  lifetime  performances  in  each subregion.  Our
1108 protocol,   called   MuDiLCO    (Multiperiod   Distributed   Lifetime   Coverage
1109 Optimization)  combines two  efficient techniques:  network leader  election and
1110 sensor activity scheduling.
1111 %,  where the challenges
1112 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1113 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1114 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1115 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1116 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1117 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1118 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds (iv) Sensing
1119 Phase itself divided into T rounds.
1120
1121 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1122 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1123 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1124 approach like  the one we  propose allows to  reduce the difficulty of  a single
1125 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1126 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1127 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1128 the resulting optimization problem leads to too high resolution time and thus to
1129 an excessive energy consumption.
1130
1131 %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
1132 %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.
1133 % use section* for acknowledgement
1134
1135 \section*{Acknowledgment}
1136 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like  to gratefully acknowledge the
1137 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1138 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1139 student   services,  and   international  mobility),   and  the   University  of
1140 Franche-Comt\'e - France for all the support in France.
1141
1142 %% \linenumbers
1143
1144 %% main text
1145 %\section{}
1146 %\label{}
1147
1148 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1149 %% appendix sections are then done as normal sections
1150 %% \appendix
1151
1152 %% \section{}
1153 %% \label{}
1154
1155 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1156 %% bibitems, please use
1157 %%
1158 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1159 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1160 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1161 %% TeX file.
1162
1163 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1164 \bibliography{biblio}
1165   
1166 \end{document}
1167
1168 %%\bibitem{}
1169
1170 %\end{thebibliography}
1171 %\end{document}
1172 \endinput
1173 %%
1174 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.