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1
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3
4 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
5 \usepackage{multicol}
6 \usepackage{mathtools}  
7 \usepackage{colortbl}
8 \usepackage{multirow}
9
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11 \SetAlCapFnt{\large}
12 \SetAlCapNameFnt{\large}
13 \usepackage{algorithmic}
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15
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43
44 \journal{Ad Hoc Networks}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
50 %% Title, authors and addresses
51
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69
70 \title{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
71
72 %% use optional labels to link authors explicitly to addresses:
73 %% \author[label1,label2]{}
74 %% \address[label1]{}
75 %% \address[label2]{}
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 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
95 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
96 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
97 %region) of  interest. 
98 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
99 (WSNs). In this paper, a  method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
100 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
101 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
102 divided into  subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
103 sensor nodes in  each subregion. The proposed MuDiLCO protocol  works in periods
104 during which sets of sensor nodes are  scheduled, with one set for each round of
105 a period, to remain active during the  sensing phase and thus ensure coverage so
106 as  to maximize  the  WSN lifetime.   \textcolor{blue}{The  decision process  is
107   carried out by a leader node,  which solves an optimization problem to produce
108   the  best representative  sets to  be used  during the  rounds of  the sensing
109   phase. The optimization problem formulated as  an integer program is solved to
110   optimality through a Branch-and-Bound method  for small instances.  For larger
111   instances, the best  feasible solution found by the solver  after a given time
112   limit threshold is considered.}
113 %The decision process is  carried out by a  leader node, which
114 %solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
115 %during the rounds  of the sensing phase. 
116 %\textcolor{red}{The integer program is solved by either GLPK solver or Genetic Algorithm (GA)}. 
117 Compared  with some  existing protocols,  simulation results  based on  multiple
118 criteria (energy consumption, coverage ratio, and  so on) show that the proposed
119 protocol can prolong  efficiently the network lifetime and  improve the coverage
120 performance.
121 \end{abstract}
122
123 \begin{keyword}
124 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
125 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
126 \end{keyword}
127
128 \end{frontmatter}
129
130 \section{Introduction}
131  
132 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
133 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
134 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
135 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
136 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
137 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
138 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
139 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
140 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
141
142 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
143 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
144 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
145 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
146 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
147 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
148 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
149 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
150 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
151 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
152
153 % 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
154 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
155 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
156 %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
157 %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
158 %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
159 %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}. 
160
161 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
162 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
163 %The area of interest is divided into subregions.
164
165 % 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.  
166
167 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
168 % Section~\ref{rw}
169 reviews the  related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
170 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} shows the simulation results
171 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
172 demonstrate  the  usefulness  of  the   proposed  approach.   Finally,  we  give
173 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
174 Section~\ref{sec:conclusion}.
175
176
177 %%RC : Related works good for a phd thesis but too long for a paper. Ali you  need to learn to .... summarize :-)
178 \section{Related works} % Trop proche de l'etat de l'art de l'article de Zorbas ?
179 \label{rw}
180
181 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
182 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
183 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
184 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
185 algorithms in WSNs according to several design choices:
186 \begin{itemize}
187 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
188   distributed/localized algorithms.
189 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
190   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
191 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
192   or communication capabilities.
193 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
194 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
195 \end{itemize}
196
197 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
198 many cover sets) can be added to the above list.
199 % 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.
200
201 \subsection{Centralized approaches}
202
203 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
204 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
205 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
206 or close to  optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
207 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
208 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
209 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach is  its
210 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
211 information from  all the sensor  nodes.  \textcolor{blue} {Exact  or heuristic
212   approaches are designed to provide cover sets.
213 %(Moreover, centralized approaches usually
214 %suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
215 %size increases.) 
216 Contrary to exact methods, heuristic ones  can handle very large and centralized
217 problems.  They are  proposed to  reduce computational  overhead such  as energy
218 consumption, delay, and generally allow to increase the network lifetime.}
219
220 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
221 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
222 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.    In
223 the  case   of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
224 participate in  more than one  cover set.  In some  cases, this may  prolong the
225 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
226 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces a  higher
227 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
228 scheduling policies  are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
229 involved in more than one cover sets.
230 %For instance, the proposed work in ~\cite{cardei2005energy, berman04}    
231
232 In~\cite{yang2014maximum},  the authors  have  considered  a linear  programming
233 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
234 preserve a  maximum coverage and  to extend lifetime  of the network.   Cheng et
235 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
236 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
237 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
238 Node Set Computing (CNSC) algorithm to find  the correlated node set for a given
239 node.   After that,  they  proposed a  High Residual  Energy  First (HREF)  node
240 selection algorithm to minimize the number of  active nodes so as to prolong the
241 network  lifetime.   Various  centralized  methods based  on  column  generation
242 approaches                   have                    also                   been
243 proposed~\cite{gentili2013,castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
244 \textcolor{blue}{In~\cite{gentili2013}, authors highlight  the trade-off between
245   the  network lifetime  and the  coverage  percentage. They  show that  network
246   lifetime can be hugely improved by decreasing the coverage ratio.}
247
248 \subsection{Distributed approaches}
249 %{\bf Distributed approaches}
250 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
251 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
252 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
253 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
254 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
255 covers.
256
257 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
258 to          preserve         coverage,          see          for         example
259 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,       yardibi2010distributed,
260   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms  typically operate  in
261 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
262 exchanges information with  its neighbors and makes a  decision to either remain
263 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
264 simple     greedy     criteria    like     the     largest    uncovered     area
265 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
266 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
267 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require  location information of
268 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
269 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
270 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
271 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due  to the
272 absence of location information.  In  \cite{ChinhVu}, the author have designed a
273 novel distributed heuristic,  called Distributed Energy-efficient Scheduling for
274 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
275 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
276 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor
277 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
278 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
279
280 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
281 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
282 %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. 
283
284 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
285 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
286 which  aim at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
287 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
288 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
289 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take  advantage from both
290 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
291 leverage prediction, to improve  the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
292 al.  have  described an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
293 which uses geographic  location information to divide the  area of interest into
294 fixed square grids.   Within each grid, it keeps only one  node staying awake to
295 take the responsibility of sensing and communication.
296
297 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
298 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
299 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
300 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
301
302 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
303 protocol) presented  in this paper  is an  extension of the  approach introduced
304 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
305 deployed over  only two subregions.  Simulation results  have shown that  it was
306 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
307 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
308 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
309 an  improved  model of  energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
310 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
311 a single round  optimization in our previous work.  \textcolor{blue}{The idea is
312   to take advantage  of the pre-sensing phase to plan  the sensor's activity for
313   several  rounds instead  of one,  thus saving  energy. In  addition, when  the
314   optimization problem becomes  more complex, its resolution is  stopped after a
315   given time threshold}.
316
317 \iffalse
318    
319 \subsection{Centralized Approaches}
320 %{\bf Centralized approaches}
321 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
322 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
323 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
324 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
325 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
326 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
327 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
328 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
329 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
330 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
331 size increases.
332
333 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
334 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
335 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
336 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
337 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
338 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
339 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
340 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
341 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
342 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
343 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
344 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
345 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
346 provide complete coverage of the monitoring zone.
347
348 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
349 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
350 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
351 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
352 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
353 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
354 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
355 complexity of the mixed integer programming resolution.
356
357 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
358 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
359 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
360 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
361 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
362 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
363 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
364 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
365 Also, they require  a smaller number of participating nodes  in order to achieve
366 these results.
367
368 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
369 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
370 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
371 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
372 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
373 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
374 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
375 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
376 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
377 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
378 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
379 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
380 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
381 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
382 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
383 optimal solution, is also proposed.
384
385 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
386 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
387 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
388 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
389 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
390 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
391 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
392 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
393 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
394 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
395 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
396
397 \subsection{Distributed approaches}
398 %{\bf Distributed approaches}
399 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
400 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
401 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
402 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
403 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
404 covers.
405
406 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
407 to          preserve         coverage,          see          for         example
408 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,yardibi2010distributed}.
409 Distributed  algorithms   typically  operate  in  rounds   for  a  predetermined
410 duration. At  the beginning of each  round, a sensor  exchanges information with
411 its neighbors and makes a decision to  either remain turned on or to go to sleep
412 for the  round. This decision is  basically made on simple  greedy criteria like
413 the largest  uncovered area \cite{Berman05efficientenergy}  or maximum uncovered
414 targets  \cite{lu2003coverage}.   In  \cite{Tian02},  the scheduling  scheme  is
415 divided into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by a
416 sensing phase.  Each sensor broadcasts  a message containing the node~ID and the
417 node  location to  its  neighbors at  the  beginning of  each  round.  A  sensor
418 determines its status by a rule named off-duty eligible rule, which tells him to
419 turn off if its  sensing area is covered by its neighbors.  A back-off scheme is
420 introduced to let each sensor delay the decision process with a random period of
421 time, in  order to  avoid simultaneous conflicting  decisions between  nodes and
422 lack  of coverage  on any  area.   In \cite{prasad2007distributed}  a model  for
423 capturing  the dependencies  between  different  cover sets  is  defined and  it
424 proposes localized heuristic based on this dependency. The algorithm consists of
425 two  phases,  an initial  setup  phase during  which  each  sensor computes  and
426 prioritizes  the covers  and  a sensing  phase  during which  each sensor  first
427 decides  its on/off  status, and  then remains  on or  off for  the rest  of the
428 duration. 
429
430 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
431 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
432 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
433 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
434 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
435 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
436 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
437 information.  In  \cite{ChinhVu}, the author  have proposed a  novel distributed
438 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
439 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
440 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
441 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
442 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
443 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
444
445 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
446 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
447 %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. 
448
449 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focus  on coverage-aware,
450 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
451 which aim  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
452 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
453 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
454 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
455 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
456 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
457 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
458 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
459 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
460 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
461 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
462 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
463 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
464 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
465 communication.
466
467 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
468 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
469 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
470 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
471
472 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
473 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
474 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
475 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
476 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
477 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
478 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
479 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
480 approach.
481
482
483
484
485 \fi
486 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
487 %(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.
488 %\section{Preliminaries}
489 %\label{Pr}
490
491 %Network Lifetime
492
493 %\subsection{Network Lifetime}
494 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
495 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
496 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
497 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
498 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
499 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
500 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
501 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
502 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
503 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
504 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
505 %transmit information on an event in the area that it monitors.
506
507 \section{MuDiLCO protocol description}
508 \label{pd}
509
510 %Our work will concentrate on the area coverage by design
511 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
512 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
513 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
514 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
515 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
516 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
517 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
518 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
519 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
520 %simultaneously).
521
522 %In this section, we introduce a Multiround 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
523 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
524 %The main features of our MuDiLCO protocol:
525 %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.
526
527 \subsection{Assumptions}
528
529 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
530 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
531 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
532 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
533 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
534 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
535 embedded GPS or through location discovery algorithms.
536    
537 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
538 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
539 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
540 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
541 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
542 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
543 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
544 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
545 active nodes.
546
547 %Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently, we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its primary points are covered. The choice of number and locations of primary points is the subject of another study not presented here.
548
549 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a
550 set of  points called  primary points~\cite{idrees2014coverage}. We  assume that
551 the sensing  disk defined by a  sensor is covered  if all the primary  points of
552 this  sensor are  covered.   By knowing  the position  of  wireless sensor  node
553 (centered at  the the  position $\left(p_x,p_y\right)$)  and it's  sensing range
554 $R_s$,  we define  up to  25 primary  points $X_1$  to $X_{25}$  as decribed  on
555 Figure~\ref{fig1}. The optimal number of primary points is investigated in
556 section~\ref{ch4:sec:04:06}.
557
558 The coordinates of the primary points are defined as follows:\\
559 %$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
560 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
561 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
562 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
563 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
564 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
565 $X_6=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
566 $X_7=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
567 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
568 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
569 $X_{10}= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
570 $X_{11}=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
571 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
572 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
573 $X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
574 $X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
575 $X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
576 $X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
577 $X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
578 $X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
579 $X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
580 $X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
581 $X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
582 $X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
583 $X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
584 $X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
585
586
587 %\begin{figure} %[h!]
588 %\centering
589 % \begin{multicols}{2}
590 %\centering
591 %\includegraphics[scale=0.28]{fig21.pdf}\\~ (a)
592 %\includegraphics[scale=0.28]{principles13.pdf}\\~(c) 
593 %\hfill \hfill
594 %\includegraphics[scale=0.28]{fig25.pdf}\\~(e)
595 %\includegraphics[scale=0.28]{fig22.pdf}\\~(b)
596 %\hfill \hfill
597 %\includegraphics[scale=0.28]{fig24.pdf}\\~(d)
598 %\includegraphics[scale=0.28]{fig26.pdf}\\~(f)
599 %\end{multicols} 
600 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a) 5, (b) 9, (c) 13, (d) 17, (e) 21 and (f) 25 primary points respectively}
601 %\label{fig1}
602 %\end{figure}
603     
604 \begin{figure}[h]
605   \centering
606   \includegraphics[scale=0.375]{fig26.pdf}
607   \label{fig1}
608   \caption{Wireless sensor node represented by up to 25~primary points}
609 \end{figure}
610
611 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
612 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
613 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
614 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
615 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
616 %sensors, instead of using all the points in the area.
617
618 %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
619 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
620 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
621 %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 $L$.
622 %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.
623
624 \subsection{Background idea}
625 %%RC : we need to clarify the difference between round and period. Currently it seems to be the same (for me at least).
626 %The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
627 %smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
628 %implemented in each subregion in a distributed way.
629
630 \textcolor{blue}{The WSN  area of  interest is,  at  first,  divided into
631   regular  homogeneous subregions  using  a divide-and-conquer  algorithm. Then, our  protocol  will be  executed  in a  distributed  way in  each
632   subregion  simultaneously  to  schedule  nodes'  activities  for  one  sensing
633   period. Sensor nodes are assumed to be deployed almost uniformly and with high
634   density over the region. The regular  subdivision is made so that the number
635   of hops between any pairs of sensors  inside a subregion is less than or equal
636   to 3.}
637
638 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
639 where   each   period   is    divided   into   4~phases:   Information~Exchange,
640 Leader~Election,  Decision,  and Sensing.   Each  sensing  phase may  be  itself
641 divided into $T$ rounds \textcolor{blue} {of  equal duration} and for each round
642 a set of sensors (a cover set) is  responsible for the sensing task. In this way
643 a  multiround  optimization  process  is  performed  during  each  period  after
644 Information~Exchange and Leader~Election  phases, in order to  produce $T$ cover
645 sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
646 \begin{figure}[t!]
647 \centering \includegraphics[width=125mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
648 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
649 \label{fig2}
650 \end{figure} 
651
652 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
653 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
654 % set cover responsible for the sensing task.  
655 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
656
657 This  protocol minimizes  the  impact of  unexpected node  failure  (not due  to
658 batteries running out of energy), because it works in periods.
659 %This protocol is reliable against an unexpected node failure, because it works in periods. 
660 %%RC : why? I am not convinced
661  On the one hand, if a node  failure is detected before making the decision, the
662  node will not  participate to this phase,  and, on the other hand,  if the node
663  failure occurs  after the  decision, the  sensing task of  the network  will be
664  temporarily affected:  only during  the period  of sensing  until a  new period
665  starts.   \textcolor{blue}{The   duration   of  the   rounds  is  a   predefined
666    parameter. Round duration  should be long enough to hide  the system control
667    overhead and  short enough to minimize  the negative effects in  case of node
668    failures.}
669
670 %%RC so if there are at least one failure per period, the coverage is bad...
671 %%MS if we want to be reliable against many node failures we need to have an
672 %% overcoverage...  
673
674 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
675 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
676 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
677 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
678 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
679 monitor the area.
680
681 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
682
683 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
684 \begin{enumerate}[(a)] 
685 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
686   nodes inside a subregion for information exchange.
687 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
688   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
689   phase.
690 \end{enumerate}
691
692 There are five status for each sensor node in the network:
693 \begin{enumerate}[(a)] 
694 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
695 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
696   optimization process;
697 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
698 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
699 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
700 \end{enumerate}
701
702 Below, we describe each phase in more details.
703
704 \subsection{Information Exchange Phase}
705
706 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
707 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
708 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
709 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
710 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
711 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
712 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
713
714 %\subsection{\textbf Working Phase:}
715
716 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
717
718 \subsection{Leader Election phase}
719
720 This step  consists in choosing  the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
721 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
722 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
723 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.  The  nodes in the  same subregion
724 will select the leader based on the received information from all other nodes in
725 the same subregion.  The selection criteria  are, in order of importance: larger
726 number of  neighbors, larger  remaining energy,  and then  in case  of equality,
727 larger index. Observations on previous simulations  suggest to use the number of
728 one-hop neighbors as  the primary criterion to reduce energy  consumption due to
729 the communications.
730
731 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
732 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
733
734 %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.  
735
736 \subsection{Decision phase}
737
738 Each WSNL will  \textcolor{blue}{solve an integer program to  select which cover
739   sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
740   to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
741   WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
742   the algorithm's results,  indicating if the sensor should be  active or not in
743   each round of the sensing phase.}
744 %Each  WSNL will \textcolor{red}{ execute an optimization algorithm (see section \ref{oa})} to  select which  cover sets  will be
745 %activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
746 %belongs.  The \textcolor{red}{optimization algorithm} will produce $T$ cover sets,  one for each round. The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
747 %each round  of the  sensing phase.  
748
749
750 %solve  an integer  program
751
752
753
754
755
756
757
758 %\section{\textcolor{red}{ Optimization Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
759 %\label{oa}
760 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the leader will execute an optimization
761 algorithm based on an integer program. The integer program is based on the model
762 proposed by \cite{pedraza2006}  with some modifications, where  the objective is
763 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.  To  fulfill this  goal, the
764 authors proposed an integer program  which forces undercoverage and overcoverage
765 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
766 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
767 consider binary variables  $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
768 sensor $j$ during round $t$ of a  given sensing phase.  We also consider primary
769 points as targets.  The  set of primary points is denoted by $P$  and the set of
770 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
771 involved in the integer program.
772
773 %parler de la limite en energie Et pour un round
774
775 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
776 whether the point $p$ is covered, that is:
777 \begin{equation}
778 \alpha_{j,p} = \left \{ 
779 \begin{array}{l l}
780   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
781  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
782   0 & \mbox{otherwise.}\\
783 \end{array} \right.
784 %\label{eq12} 
785 \end{equation}
786 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
787 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
788 \begin{equation}
789 X_{t,j} = \left \{ 
790 \begin{array}{l l}
791   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
792   0 &  \mbox{otherwise.}\\
793 \end{array} \right.
794 %\label{eq11} 
795 \end{equation}
796 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
797 \begin{equation}
798  \Theta_{t,p} = \left \{ 
799 \begin{array}{l l}
800   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
801     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
802   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
803 \end{array} \right.
804 \label{eq13} 
805 \end{equation}
806 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
807 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
808 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
809 defined by:
810 \begin{equation}
811 U_{t,p} = \left \{ 
812 \begin{array}{l l}
813   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
814   0 & \mbox{otherwise.}\\
815 \end{array} \right.
816 \label{eq14} 
817 \end{equation}
818
819 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
820 \begin{equation}
821  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{|P|} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
822 \end{equation}
823
824 Subject to
825 \begin{equation}
826   \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
827 \end{equation}
828
829 \begin{equation}
830   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{10 mm}\forall j \in J\hspace{6 mm} 
831   \label{eq144} 
832 \end{equation}
833
834 \begin{equation}
835 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
836 \end{equation}
837
838 \begin{equation}
839 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
840 \end{equation}
841
842 \begin{equation}
843  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
844 \end{equation}
845
846 %\begin{equation}
847 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
848 %\end{equation}
849
850 %%RC why W_{\theta} is not defined (only one sentence)? How to define in practice Wtheta and Wu?
851
852 \begin{itemize}
853 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
854   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
855 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
856   are covering the primary point $p$ during round $t$;
857 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
858   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
859   covered).
860 \end{itemize}
861
862 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
863 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
864 and undercoverage variables  help balancing the restriction  equations by taking
865 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
866 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
867 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
868 required to be alive during one round.
869
870 There are  two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
871 points in order to activate a minimum  number of sensors.  Second we prevent the
872 absence  of  monitoring  on  some  parts of  the  subregion  by  minimizing  the
873 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be properly  chosen so as
874 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round.
875 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
876 In our simulations,  priority is given to the coverage  by choosing $W_{U}$ very
877 large compared to $W_{\theta}$.
878
879 \textcolor{blue}{The size of the problem depends  on the number of variables and
880   constraints. The number of variables is  linked to the number of alive sensors
881   $A \subseteq J$,  the number of rounds  $T$, and the number  of primary points
882   $P$.  Thus  the integer  program contains $A*T$  variables of  type $X_{t,j}$,
883   $P*T$ overcoverage variables and $P*T$  undercoverage variables. The number of
884   constraints  is equal  to $P*T$  (for constraints  (\ref{eq16})) $+$  $A$ (for
885   constraints (\ref{eq144})).}
886 %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
887
888 \subsection{Sensing phase}
889
890 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
891 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
892 sleep for each  round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
893 will  be executed  by  each sensor  node~$s_j$  at the  beginning  of a  period,
894 explains how the Active-Sleep packet is obtained.
895
896 % 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. 
897
898 \begin{algorithm}[h!]                
899  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
900 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
901   \BlankLine
902   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
903   
904   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
905       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
906       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
907       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
908       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
909       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
910       
911       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
912       \emph{LeaderID = Leader election}\;
913       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
914         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
915         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
916           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
917         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
918         \emph{Send $ActiveSleep()$ packet to each node $k$ in subregion: a packet \\
919           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
920         \emph{Update $RE_j $}\;
921       }   
922       \Else{
923         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
924         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
925         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
926         \emph{Update $RE_j $}\;
927       }  
928       %  }
929   }
930   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
931   
932  %   \emph{return X} \;
933 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
934 \label{alg:MuDiLCO}
935
936 \end{algorithm}
937
938 \iffalse
939 \textcolor{red}{This integer program can be solved using two approaches:}
940
941 \subsection{\textcolor{red}{Optimization solver for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
942 \label{glpk}
943 \textcolor{red}{The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. We named the protocol which is based on GLPK solver in the decision phase as MuDiLCO.}
944 \fi
945
946 \iffalse
947
948 \subsection{\textcolor{red}{Genetic Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
949 \label{GA}
950 \textcolor{red}{Metaheuristics  are a generic search strategies for exploring search spaces for solving the complex problems. These strategies have to dynamically balance between the exploitation of the accumulated search experience and the exploration of the search space. On one hand, this balance can find regions in the search space with high-quality solutions. On the other hand, it prevents waste too much time in regions of the search space which are either already explored or don’t provide high-quality solutions. Therefore,  metaheuristic provides an enough good solution to an optimization problem, especially with incomplete  information or limited computation capacity \cite{bianchi2009survey}. Genetic Algorithm (GA) is one of the population-based metaheuristic methods that simulates the process of natural selection \cite{hassanien2015applications}.  GA starts with a population of random candidate solutions (called individuals or phenotypes) . GA uses genetic operators inspired by natural evolution, such as selection, mutation, evaluation, crossover, and replacement so as to improve the initial population of candidate solutions. This process repeated until a stopping criterion is satisfied. In comparison with GLPK optimization solver, GA provides a near optimal solution with acceptable execution time, as well as it requires a less amount of memory especially for large size problems. GLPK provides optimal solution, but it requires higher execution time and amount of memory for large problem.}
951
952 \textcolor{red}{In this section, we present a metaheuristic based GA to solve our multiround lifetime coverage optimization problem. The proposed GA provides a near optimal sechedule for multiround sensing per period. The proposed GA is based on the mathematical model which is presented in Section \ref{oa}. Algorithm \ref{alg:GA} shows the proposed GA to solve the coverage lifetime optimization problem. We named the new protocol which is based on GA in the decision phase as GA-MuDiLCO. The proposed GA can be explained in more details as follow:}
953
954 \begin{algorithm}[h!]    
955        
956  \small
957  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
958  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
959  \Input{ \textcolor{red}{$ P, J, T, S_{pop}, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}$}}
960  \Output{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}
961
962   \BlankLine
963   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
964   \ForEach {\textcolor{red}{Individual $ind$ $\in$ $S_{pop}$}} {
965      \emph{\textcolor{red}{Generate Randomly Chromosome $\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}\;
966      
967      \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $\left\{(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})\right\}_{p \in P}$}}\;
968      
969   
970      \emph{\textcolor{red}{Evaluate Individual $(P, J, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})$}}\;  
971   }
972   
973   \While{\textcolor{red}{ Stopping criteria is not satisfied} }{
974   
975   \emph{\textcolor{red}{Selection $(ind_1, ind_2)$}}\;
976     \emph{\textcolor{red}{Crossover $(P_c, X_{t,j}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind_2}, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
977     \emph{\textcolor{red}{Mutation $(P_m, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
978    
979    
980    \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;
981   \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
982  
983 \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;  
984  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
985  
986  \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
987   
988  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
989   
990       
991   }
992   \emph{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots,X_{t,j},\dots,X_{T,J}\right)\right\}$ =
993             Select Best Solution ($S_{pop}$)}}\;
994  \emph{\textcolor{red}{return X}} \;
995 \caption{\textcolor{red}{GA($T, J$)}}
996 \label{alg:GA}
997
998 \end{algorithm}
999
1000
1001 \begin{enumerate} [I)]
1002
1003 \item \textcolor{red}{\textbf{Representation:} Since the proposed GA's goal is to find the optimal schedule of the sensor nodes which take the responsibility of monitoring the subregion for $T$ rounds in the sensing phase, the chromosome is defined as a schedule for alive  sensors and each chromosome contains $T$ rounds. The proposed GA uses binary representation, where each round in the schedule includes J genes, the total alive sensors in the subregion. Therefore, the gene of such a chromosome is a schedule of a sensor. In other words, The genes corresponding to active nodes have the value of one, the others are zero. Figure \ref{chromo} shows solution representation in the proposed GA.}
1004 %[scale=0.3]
1005 \begin{figure}[h!]
1006 \centering
1007  \includegraphics [scale=0.35] {rep.pdf} 
1008 \caption{Candidate Solution representation by the proposed GA. }
1009 \label{chromo}
1010 \end{figure} 
1011
1012
1013
1014 \item \textcolor{red}{\textbf{Initialize Population:} The initial population is randomly generated and each chromosome  in the GA population represents a possible sensors schedule solution to cover the entire subregion for $T$ rounds during current period. Each sensor in the chromosome is given a random value (0 or  1) for all rounds. If the random value is 1, the remaining  energy of this sensor should be adequate to activate this sensor during the current round. Otherwise, the value is set to 0. The energy constraint is applied for each sensor during all rounds. }
1015
1016
1017 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage:} 
1018 After creating the initial population, The overcoverage $\Theta_{t,p}$ and undercoverage $U_{t,p}$ for each candidate solution are computed (see Algorithm \ref{OU}) so as to use them in the next step.}
1019
1020 \begin{algorithm}[h!]                
1021   
1022  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
1023  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
1024  \Input{ \textcolor{red}{parameters $P, J, ind, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}$}}
1025  \Output{\textcolor{red}{$U^{ind} = \left\lbrace U_{1,1}^{ind}, \dots, U_{t,p}^{ind}, \dots, U_{T,P}^{ind} \right\rbrace$ and $\Theta^{ind} = \left\lbrace \Theta_{1,1}^{ind}, \dots, \Theta_{t,p}^{ind}, \dots, \Theta_{T,P}^{ind} \right\rbrace$}}
1026
1027   \BlankLine
1028
1029   \For{\textcolor{red}{$t\leftarrow 1$ \KwTo $T$}}{
1030   \For{\textcolor{red}{$p\leftarrow 1$ \KwTo $P$}}{
1031      
1032  %    \For{$i\leftarrow 0$ \KwTo $I_j$}{
1033         \emph{\textcolor{red}{$SUM\leftarrow 0$}}\;
1034          \For{\textcolor{red}{$j\leftarrow 1$ \KwTo $J$}}{
1035               \emph{\textcolor{red}{$SUM \leftarrow SUM + (\alpha_{j,p}^{ind} \times X_{t,j}^{ind})$ }}\;
1036          }
1037          
1038          \If { \textcolor{red}{SUM = 0}} {
1039          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
1040          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 1$}}\;
1041          }
1042          \Else{
1043          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow SUM -1$}}\;
1044          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
1045          }
1046      
1047      }
1048      
1049   }
1050 \emph{\textcolor{red}{return $U^{ind}, \Theta^{ind}$ }} \;
1051 \caption{O-U-Coverage}
1052 \label{OU}
1053
1054 \end{algorithm}
1055
1056
1057
1058 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate Population:}
1059 After creating the initial population, each individual is evaluated and assigned a fitness value according to the fitness function is illustrated in Eq. \eqref{eqf}. In the proposed GA, the optimal (or near optimal) candidate solution, is the one with the minimum value for the fitness function. The lower the fitness values been assigned to an individual, the better opportunity it gets survived.  In our works, the function rewards  the decrease in the sensor nodes which cover the same primary point and penalizes the decrease to zero in the sensor nodes which cover the primary point. }
1060
1061 \begin{equation}
1062  F^{ind} \leftarrow  \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)    \label{eqf} 
1063 \end{equation}
1064
1065
1066 \item \textcolor{red}{\textbf{Selection:} In order to generate a new generation, a portion of the existing population is elected based on a fitness function that ranks the fitness of each candidate solution and preferentially select the best solutions. Two parents should be selected to the mating pool.  In the proposed GA-MuDiLCO algorithm, the first parent is selected by using binary tournament selection to select one of the parents \cite{goldberg1991comparative}. In this method,  two individuals are chosen at random from the population and the better of the two
1067 individuals is selected. If they have similar fitness values, one of them will be selected randomly. The best individual in the population is selected as a second parent.}
1068
1069
1070
1071 \item \textcolor{red}{\textbf{Crossover:} Crossover is a genetic operator used to take more than one parent solutions and produce a child solution from them. If crossover probability $P_c$ is 100$\%$, then the crossover operation takes place between two individuals. If it is 0$\%$, the  two selected individuals in the mating pool will be the new chromosomes without crossover. In the proposed GA, a two-point crossover is used. Figure \ref{cross} gives an example for a two-point crossover for 8 sensors in the subregion and the schedule for 3 rounds.}
1072
1073
1074 \begin{figure}[h!]
1075 \centering
1076  \includegraphics [scale = 0.3] {crossover.pdf} 
1077 \caption{Two-point crossover. }
1078 \label{cross}
1079 \end{figure} 
1080
1081
1082 \item \textcolor{red}{\textbf{Mutation:}
1083 Mutation is a divergence operation which introduces random modifications.  The purpose of the mutation is to maintain diversity within the population and prevent premature convergence. Mutation is used to add new genetic information (divergence) in order to achieve a global search over the solution search space and avoid to fall in local optima. The mutation operator in the proposed GA-MuDiLCO works as follow: If mutation probability $P_m$ is 100$\%$, then the mutation operation takes place on the new individual. The round number is selected randomly within (1..T) in the schedule solution. After that one sensor within this round is selected randomly within (1..J). If the sensor is scheduled as active "1", it should be rescheduled to sleep "0". If the sensor is scheduled as sleep, it rescheduled to active only if it has adequate remaining energy.}
1084
1085
1086 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage for children:}
1087 Before evaluating each new individual, Algorithm \ref{OU} is called for each new individual to compute the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters. }
1088  
1089 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate New Individuals:}
1090 Each new individual is evaluated using Eq. \ref{eqf} but with using the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters of the new children.}
1091
1092 \item \textcolor{red}{\textbf{Replacement:}
1093 After evaluation of new children, Triple Tournament Replacement (TTR) will be applied for each new individual. In TTR strategy, three individuals are selected
1094 randomly from the population. Find the worst from them and then check its fitness with the new individual fitness. If the fitness of the new individual is better than the fitness of  the worst individual, replace the new individual with the worst individual. Otherwise, the replacement is not done. }
1095
1096  
1097 \item \textcolor{red}{\textbf{Stopping criteria:}
1098 The proposed GA-MuDiLCO stops when the stopping criteria is met. It stops after running for an amount of time in seconds equal to \textbf{Time limit}. The \textbf{Time limit} is the execution time obtained by the optimization solver GLPK for solving the same size of problem. The best solution will be selected as a schedule of sensors for $T$ rounds during the sensing phase in the current period.}
1099
1100
1101
1102 \end{enumerate} 
1103
1104 \fi
1105
1106 %% EXPERIMENTAL STUDY
1107
1108 \section{Experimental study}
1109 \label{exp}
1110 \subsection{Simulation setup}
1111
1112 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
1113 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
1114 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
1115 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
1116 results presented hereafter are the average of these 25 runs.
1117 %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. 
1118 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
1119 250~nodes deployed  over a $50 \times  25~m^2 $ sensing field.   More precisely,
1120 the deployment  is controlled  at a  coarse scale  in order  to ensure  that the
1121 deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.
1122
1123 %%RC these parameters are realistic?
1124 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
1125
1126 \begin{table}[ht]
1127 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
1128 % title of Table
1129 \centering
1130 % used for centering table
1131 \begin{tabular}{c|c}
1132 % centered columns (4 columns)
1133       \hline
1134 %inserts double horizontal lines
1135 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
1136    
1137 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
1138 % inserts table
1139 %heading
1140 \hline
1141 % inserts single horizontal line
1142 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
1143 % inserting body of the table
1144 %\hline
1145 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
1146 %\hline
1147 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
1148 %\hline
1149 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
1150 $E_{R}$ & 36 Joules\\
1151 $R_s$ & 5~m   \\     
1152 %\hline
1153 $W_{\theta}$ & 1   \\
1154 % [1ex] adds vertical space
1155 %\hline
1156 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
1157 %$P_c$ & 0.95   \\ 
1158 %$P_m$ & 0.6 \\
1159 %$S_{pop}$ & 50
1160 %inserts single line
1161 \end{tabular}
1162 \label{table3}
1163 % is used to refer this table in the text
1164 \end{table}
1165
1166 \textcolor{blue}{Our  protocol  is  declined   into  four  versions:  MuDiLCO-1,
1167   MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and MuDiLCO-7, corresponding respectively to $T=1,3,5,7$
1168   ($T$ the  number of rounds in  one sensing period). Since  the time resolution
1169   may  be prohibitive  when the  size  of the  problem increases,  a time  limit
1170   threshold has  been fixed when  solving large  instances. In these  cases, the
1171   solver returns  the best solution  found, which  is not necessary  the optimal
1172   one. In practice, we only set time  limit values for the three largest network
1173   sizes when $T=7$, using the following  respective values (in second): 0.03 for
1174   150~nodes, 0.06 for 200~nodes, and 0.08 for 250~nodes.
1175 % Table \ref{tl} shows time limit values.
1176   These time limit thresholds have been  set empirically. The basic idea consists
1177   in considering  the average execution  time to  solve the integer  programs to
1178   optimality, then in  dividing this average time by three  to set the threshold
1179   value.  After that,  this threshold value is increased if  necessary so that
1180   the solver is able  to deliver a feasible solution within  the time limit.  In
1181   fact, selecting the optimal values for the time limits will be investigated in
1182   the future.}
1183 %In Table \ref{tl},  "NO" indicates  that  the  problem has  been  solved to  optimality without time limit.}
1184
1185 %\begin{table}[ht]
1186 %\caption{Time limit values for MuDiLCO protocol versions }
1187 %\centering
1188 %\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1189 % \hline
1190 % WSN size & MuDiLCO-1 & MuDiLCO-3 & MuDiLCO-5 & MuDiLCO-7 \\ [0.5ex]
1191 %\hline
1192 % 50 & NO & NO & NO & NO \\
1193 % \hline
1194 %100 & NO & NO & NO & NO \\
1195 %\hline
1196 %150 & NO & NO & NO & 0.03 \\
1197 %\hline
1198 %200 & NO & NO & NO & 0.06 \\
1199 % \hline
1200 % 250 & NO & NO & NO & 0.08 \\
1201 % \hline
1202 %\end{tabular}
1203
1204 %\label{tl}
1205
1206 %\end{table}
1207
1208  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
1209  method,  called DESK  and proposed  by  \cite{ChinhVu}, is  a full  distributed
1210  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
1211  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
1212  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
1213  phase time.
1214
1215 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
1216 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
1217 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
1218 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
1219 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
1220 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
1221 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
1222 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
1223
1224 \subsection{Energy model}
1225
1226 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
1227 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
1228 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
1229 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
1230
1231 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
1232 %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. 
1233 %revoir la phrase
1234
1235 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
1236 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
1237 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
1238 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
1239 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
1240 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
1241 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
1242 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
1243 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
1244 summarized in Table~\ref{table4}.
1245
1246 \begin{table}[ht]
1247 \caption{The Energy Consumption Model}
1248 % title of Table
1249 \centering
1250 % used for centering table
1251 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1252 % centered columns (4 columns)
1253       \hline
1254 %inserts double horizontal lines
1255 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
1256 \hline
1257 % inserts single horizontal line
1258 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
1259 % inserting body of the table
1260 \hline
1261 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
1262 \hline
1263 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
1264 \hline
1265 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
1266 %\hline
1267 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
1268  \hline
1269 \end{tabular}
1270
1271 \label{table4}
1272 % is used to refer this table in the text
1273 \end{table}
1274
1275 For the sake of simplicity we ignore the  energy needed to turn on the radio, to
1276 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
1277 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
1278 Thus, when a sensor becomes active (i.e.,  it has already chosen its status), it
1279 can turn its radio  off to save battery.  MuDiLCO uses two  types of packets for
1280 communication. The size of the INFO  packet and Active-Sleep packet are 112~bits
1281 and 24~bits  respectively.  The value  of energy  spent to send  a 1-bit-content
1282 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
1283 calculate the  energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
1284 value for receiving  the packets. The energy  needed to send or  receive a 1-bit
1285 packet is equal to 0.2575~mW.
1286
1287 The initial energy of each node is  randomly set in the interval $[500;700]$.  A
1288 sensor node will  not participate in the  next round if its  remaining energy is
1289 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
1290 stay alive  during one round.  This  value has been computed  by multiplying the
1291 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
1292 (3600 seconds).   According to the interval  of initial energy, a  sensor may be
1293 alive during at most 20 rounds.
1294
1295 \subsection{Metrics}
1296
1297 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
1298
1299 \begin{enumerate}[i]
1300   
1301 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
1302   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
1303   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
1304   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
1305 \begin{equation*}
1306 \scriptsize
1307 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
1308 \end{equation*}
1309 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
1310 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
1311 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
1312 \times 26 = 1326$ grid points.
1313 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
1314 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
1315 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
1316 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
1317
1318 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
1319   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
1320   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
1321   Ratio is defined as follows:
1322 \begin{equation*}
1323 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
1324   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
1325 \end{equation*}
1326 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
1327 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
1328 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
1329
1330 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
1331   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
1332   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) the amount of  time during
1333   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
1334   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
1335   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
1336   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
1337   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
1338   event in the area that it monitors.
1339
1340 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
1341   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
1342   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
1343   follows:
1344
1345   % New version with global loops on period
1346   \begin{equation*}
1347     \scriptsize
1348     \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},
1349   \end{equation*}
1350
1351
1352 % Old version with loop on round outside the loop on period
1353 %  \begin{equation*}
1354 %    \scriptsize
1355 %    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
1356 %  \end{equation*}
1357
1358 % Ali version 
1359 %\begin{equation*}
1360 %\scriptsize
1361 %\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{$D$}}.
1362 %\end{equation*}
1363
1364 % Old version -> where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
1365 %$Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$. 
1366 % New version
1367 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
1368 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
1369 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
1370 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
1371 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
1372 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
1373 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
1374 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
1375 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
1376 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
1377 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
1378
1379 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
1380 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
1381
1382 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
1383   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
1384   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
1385   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
1386   
1387 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
1388   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
1389   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
1390   to network disconnections and for which round it occurs.
1391
1392 \end{enumerate}
1393
1394 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
1395 \label{ch4:sec:04:06}
1396
1397 In this  section, we study the  performance of MuDiLCO-1 approach  for different
1398 numbers of  primary points. The  objective of this  comparison is to  select the
1399 suitable number  of primary points  to be used by  a MuDiLCO protocol.   In this
1400 comparison,  MuDiLCO-1 protocol  is used  with five  primary point  models, each
1401 model corresponding to a number of  primary points, which are called Model-5 (it
1402 uses 5 primary points), Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21.
1403
1404 %\begin{enumerate}[i)]
1405
1406 %\item {{\bf Coverage Ratio}}
1407 \subsubsection{Coverage ratio} 
1408
1409 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
1410 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
1411 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
1412 worst.
1413 %Moreover, when the number of periods increases, coverage ratio produced by Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21 decreases in comparison with Model-5 due to a larger time computation for the decision process for larger number of primary points.
1414 Moreover, when the  number of periods increases, the coverage  ratio produced by
1415 all models  decrease due  to dead nodes.  However, Model-5 is  the one  with the
1416 slowest decrease due to lower numbers of active sensors in the earlier periods.
1417 % smaller time computation of decision process for a smaller number of primary points.
1418 Overall this  model is slightly more  efficient than the other  ones, because it
1419 offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
1420 %\parskip 0pt
1421 \begin{figure}[t!]
1422 \centering
1423  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
1424 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
1425 \label{Figures/ch4/R2/CR}
1426 \end{figure} 
1427
1428
1429 %\item {{\bf Network Lifetime}}
1430 \subsubsection{Network lifetime}
1431
1432 Finally, we study the effect of increasing the number of primary points on the lifetime of the network. 
1433 %In Figure~\ref{Figures/ch4/R2/LT95} and in Figure~\ref{Figures/ch4/R2/LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes. 
1434 As       highlighted       by       Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)       and
1435 \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b), the  network lifetime  obviously increases  when the
1436 size of the network increases, with  Model-5 which leads to the largest lifetime
1437 improvement.
1438
1439 \begin{figure}[h!]
1440 \centering
1441 \centering
1442 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
1443
1444 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
1445
1446 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
1447   \label{Figures/ch4/R2/LT}
1448 \end{figure}
1449
1450 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
1451 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
1452 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
1453 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
1454 experiments presented thereafter.
1455
1456 %\end{enumerate}
1457
1458 % MICHEL => TO BE CONTINUED
1459
1460 \subsection{Experimental results and analysis}
1461
1462 \subsubsection{Coverage ratio} 
1463
1464 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
1465 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
1466 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
1467 %%RC : need to uniformize MuDiLCO or MuDiLCO-T? 
1468 %%MS : MuDiLCO everywhere
1469 %%RC maybe increase the size of the figure for the reviewers, no?
1470 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
1471 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
1472 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
1473 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
1474 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
1475 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
1476 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
1477 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
1478 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
1479 rounds, and thus should extend the network lifetime.
1480
1481 \begin{figure}[ht!]
1482 \centering
1483  \includegraphics[scale=0.5] {F/CR.pdf} 
1484 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
1485 \label{fig3}
1486 \end{figure} 
1487
1488 \iffalse
1489 \textcolor{red}{ We
1490 can see that for the first thirty nine rounds GA-MuDiLCO provides a little bit better coverage ratio  than MuDiLCO. Both DESK and GAF provide a coverage
1491 which is a little bit better than the one of MuDiLCO and GA-MuDiLCO for the first thirty rounds because they activate a larger number of nodes during sensing phase. After that GA-MuDiLCO provides a coverage ratio near to the  MuDiLCO and better than DESK and GAF. GA-MuDiLCO gives approximate solution with activation a larger number of nodes than MuDiLCO during sensing phase while it activates a less number of nodes in comparison with both DESK and GAF. MuDiLCO and GA-MuDiLCO clearly outperform DESK and GAF for
1492 a number of periods between 31 and 103. This is because they optimize the coverage and the lifetime in a wireless sensor network by selecting the best representative sensor nodes to take the responsibility of coverage during the sensing phase.}
1493 \fi
1494
1495
1496 \subsubsection{Active sensors ratio} 
1497
1498 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
1499 minimize the communication overhead and maximize    the network lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
1500 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
1501 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
1502 MuDiLCO clearly outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes. 
1503 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a number of sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF. GA-MuDiLCO-1, GA-MuDiLCO-3, and GA-MuDiLCO-5 continue in providing a larger number of active sensors until the forty-sixth round after that it provides less number of active nodes due to the died nodes. GA-MuDiLCO-7 provides a larger number of sensor nodes and maintains a better coverage ratio compared to MuDiLCO-7 until the fifty-seventh round.  After the thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes compared with DESK  and GAF, which agrees with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously}.
1504 Obviously, in that case DESK  and GAF have less active nodes, since  they have activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner. 
1505 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates near optimal number of sensor nodes also in efficient manner compared with both DESK  and GAF}.
1506
1507 \begin{figure}[ht!]
1508 \centering
1509 \includegraphics[scale=0.5]{F/ASR.pdf}  
1510 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
1511 \label{fig4}
1512 \end{figure} 
1513
1514 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF }
1515
1516
1517 \subsubsection{Stopped simulation runs}
1518 %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
1519 %runs per round for 150 deployed nodes. 
1520
1521 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
1522 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each method.  DESK stops first,  after approximately 45~rounds, because it consumes the
1523 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
1524 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK. 
1525 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO  stops thirdly for the  same reason than  DESK and GAF.} \textcolor{red}{MuDiLCO and GA-MuDiLCO overcome}
1526 %DESK and GAF because \textcolor{red}{they activate less number of sensor nodes, as well as }the optimization process distributed on several subregions leads to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  
1527 Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is still connected. 
1528
1529 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1530
1531 \begin{figure}[ht!]
1532 \centering
1533 \includegraphics[scale=0.5]{F/SR.pdf} 
1534 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
1535 \label{fig6}
1536 \end{figure} 
1537
1538 \subsubsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
1539
1540 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
1541 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
1542 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1543 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1544 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1545
1546 \begin{figure}[h!]
1547   \centering
1548   \begin{tabular}{cl}
1549     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC95.pdf}} & (a) \\
1550     \verb+ + \\
1551     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC50.pdf}} & (b)
1552   \end{tabular}
1553   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1554     (b) $Lifetime_{50}$}
1555   \label{fig7}
1556 \end{figure} 
1557
1558 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
1559 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1560 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node.
1561 % Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1562 %versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less sensors to consider in the integer program.
1563 %\textcolor{red}{As shown in Figure~\ref{fig7}, GA-MuDiLCO consumes less energy than both DESK and GAF, but a little bit higher than MuDiLCO  because it provides a near optimal solution by activating a larger number of nodes during the sensing phase.  GA-MuDiLCO consumes less energy in comparison with MuDiLCO-7 version, especially for the dense networks. However, MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol are the most competitive from the energy
1564 %consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption
1565 %due to activating a larger number of redundant nodes.}
1566 %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. 
1567
1568
1569 \subsubsection{Execution time}
1570 \label{et}
1571 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1572 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1573 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the Mixed Integer Linear Program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. The
1574 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1575 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1576 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1577 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1578 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1579 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1580 for different network sizes.
1581
1582 \begin{figure}[ht!]
1583 \centering
1584 \includegraphics[scale=0.5]{F/T.pdf}  
1585 \caption{Execution Time (in seconds)}
1586 \label{fig77}
1587 \end{figure} 
1588
1589 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1590 into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1591 or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1592 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1593 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1594 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
1595 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1596 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1597 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1598 optimization problem.
1599
1600 %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.
1601
1602 \subsubsection{Network lifetime}
1603
1604 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1605 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1606 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1607 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1608 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1609 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1610 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
1611 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
1612 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1613 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1614 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1615 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1616 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1617 linked. 
1618 %\textcolor{red}{As can be seen in these figures, the lifetime increases with the size of the network, and it is clearly largest for the MuDiLCO
1619 %and the GA-MuDiLCO protocols. GA-MuDiLCO prolongs the network lifetime obviously in comparison with both DESK and GAF, as well as the MuDiLCO-7 version for $lifetime_{95}$.  However, comparison shows that MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol, which use distributed optimization over the subregions are the best ones because they are robust to network disconnection during the network lifetime as well as they consume less energy in comparison with other approaches.}
1620 \begin{figure}[t!]
1621   \centering
1622   \begin{tabular}{cl}
1623     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/LT95.pdf}} & (a) \\
1624     \verb+ + \\
1625     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/LT50.pdf}} & (b)
1626   \end{tabular}
1627   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1628     (b) $Lifetime_{50}$}
1629   \label{fig8}
1630 \end{figure} 
1631
1632 % 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 protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1633
1634 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO 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.
1635
1636
1637 %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.
1638
1639
1640 \section{Conclusion and future works}
1641 \label{sec:conclusion}
1642
1643 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
1644 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
1645 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1646 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
1647 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1648 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1649 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
1650 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1651 scheduling.
1652 %,  where the challenges
1653 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1654 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1655 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1656 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1657 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1658 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1659 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
1660 Phase itself divided into $T$ rounds.
1661
1662 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1663 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1664 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1665 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
1666 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1667 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1668 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1669 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
1670 an excessive energy consumption.
1671
1672 %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
1673 %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.
1674 % use section* for acknowledgement
1675
1676 \section*{Acknowledgment}
1677 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1678 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1679 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1680 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1681 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1682
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