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