]> AND Private Git Repository - JournalMultiPeriods.git/blob - article.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
version amélioree pour eviter copie
[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
1
2 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
3
4 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
5 \usepackage{multicol}
6 \usepackage{mathtools}  
7 \usepackage{colortbl}
8 \usepackage{multirow}
9
10 \SetAlFnt{\small}
11 \SetAlCapFnt{\large}
12 \SetAlCapNameFnt{\large}
13 \usepackage{algorithmic}
14 \algsetup{linenosize=\tiny}
15
16 \DeclarePairedDelimiter\ceil{\lceil}{\rceil}
17 \DeclarePairedDelimiter\floor{\lfloor}{\rfloor}
18 %% Use the option review to obtain double line spacing
19 %% \documentclass[authoryear,preprint,review,12pt]{elsarticle}
20
21 %% Use the options 1p,twocolumn; 3p; 3p,twocolumn; 5p; or 5p,twocolumn
22 %% for a journal layout:
23 %% \documentclass[final,1p,times]{elsarticle}
24 %% \documentclass[final,1p,times,twocolumn]{elsarticle}
25 %% \documentclass[final,3p,times]{elsarticle}
26 %% \documentclass[final,3p,times,twocolumn]{elsarticle}
27 %% \documentclass[final,5p,times]{elsarticle}
28 %% \documentclass[final,5p,times,twocolumn]{elsarticle}
29
30 %% For including figures, graphicx.sty has been loaded in
31 %% elsarticle.cls. If you prefer to use the old commands
32 %% please give \usepackage{epsfig}
33
34 %% The amssymb package provides various useful mathematical symbols
35 \usepackage{amssymb}
36 %% The amsthm package provides extended theorem environments
37 %% \usepackage{amsthm}
38
39 %% The lineno packages adds line numbers. Start line numbering with
40 %% \begin{linenumbers}, end it with \end{linenumbers}. Or switch it on
41 %% for the whole article with \linenumbers.
42 %% \usepackage{lineno}
43
44 \journal{Journal of Supercomputing}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
50 %% Title, authors and addresses
51
52 %% use the tnoteref command within \title for footnotes;
53 %% use the tnotetext command for theassociated footnote;
54 %% use the fnref command within \author or \address for footnotes;
55 %% use the fntext command for theassociated footnote;
56 %% use the corref command within \author for corresponding author footnotes;
57 %% use the cortext command for theassociated footnote;
58 %% use the ead command for the email address,
59 %% and the form \ead[url] for the home page:
60 %% \title{Title\tnoteref{label1}}
61 %% \tnotetext[label1]{}
62 %% \author{Name\corref{cor1}\fnref{label2}}
63 %% \ead{email address}
64 %% \ead[url]{home page}
65 %% \fntext[label2]{}
66 %% \cortext[cor1]{}
67 %% \address{Address\fnref{label3}}
68 %% \fntext[label3]{}
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/CNRS,   \\  Univ.  Bourgogne  Franche-Comt\'e,
90       Belfort, France}} \\ $^{b}${\em{Department of Computer Science, University
91       of Babylon, Babylon, Iraq}} }
92
93 \begin{abstract}
94 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
95 (WSNs). In this paper, a  method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
96 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
97 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
98 divided into  subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
99 sensor nodes in  each subregion. The proposed MuDiLCO protocol  works in periods
100 during which sets of sensor nodes are  scheduled, with one set for each round of
101 a period, to remain active during the  sensing phase and thus ensure coverage so
102 as  to maximize  the  WSN lifetime.  The  decision process  is
103   carried out by a leader node,  which solves an optimization problem to produce
104   the  best representative  sets to  be used  during the  rounds of  the sensing
105   phase. The optimization problem formulated as  an integer program is solved to
106   optimality through a Branch-and-Bound method  for small instances.  For larger
107   instances, the best  feasible solution found by the solver  after a given time
108   limit threshold is considered.
109 Compared  with some  existing protocols,  simulation results  based on  multiple
110 criteria (energy consumption, coverage ratio, and  so on) show that the proposed
111 protocol can prolong  efficiently the network lifetime and  improve the coverage
112 performance.
113 \end{abstract}
114
115 \begin{keyword}
116 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
117 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
118 \end{keyword}
119
120 \end{frontmatter}
121
122 \section{Introduction}
123  
124 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
125 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
126 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
127 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
128 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
129 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
130 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
131 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
132 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
133
134 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
135 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
136 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
137 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
138 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
139 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
140 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
141 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
142 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
143 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
144
145 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
146 protocol) presented  in this paper  is an  extension of the  approach introduced
147 in~\cite{idrees2015distributed}.  
148 % In~\cite{idrees2015distributed},  the  protocol  is
149 %deployed over  only two subregions.  Simulation results  have shown that  it was
150 %more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
151 %computation complexity.
152
153 \textcolor{green}{
154  Compared to our previous paper~\cite{idrees2015distributed}, in this one we study the
155 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
156 a single round  optimization in our previous work.  The idea is
157   to take advantage  of the pre-sensing phase to plan  the sensor's activity for
158   several  rounds instead  of one,  thus saving  energy. In  addition, when  the
159   optimization problem becomes  more complex, its resolution is  stopped after a
160   given time threshold. In this paper we also analyse the performance of our protocol according to the number of primary points used (area coverage is replaced by the coverage of a set of particular points called primary points, see section~\ref{pp}).}
161
162 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
163 reviews the  related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
164 description of  MuDiLCO protocol. Section~\ref{exp} introduces  the experimental
165 framework, it describes  the simulation setup and the different  metrics used to
166 assess the  performances.  Section~\ref{analysis}  shows the  simulation results
167 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
168 demonstrate  the  usefulness  of  the   proposed  approach.   Finally,  we  give
169 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
170 Section~\ref{sec:conclusion}.
171
172 \section{Related works} 
173 \label{rw}
174
175 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
176 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
177 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
178 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
179 algorithms in WSNs according to several design choices:
180 \begin{itemize}
181 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
182   distributed/localized algorithms.
183 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
184   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
185 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
186   or communication capabilities.
187 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
188 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
189 \end{itemize}
190
191 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
192 many cover sets) can be added to the above list.
193
194 \subsection{Centralized approaches}
195
196 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
197 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
198 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
199 or close to  optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
200 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
201 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
202 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach is  its
203 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
204 information  from all  the  sensor nodes.   Exact or  heuristic
205   approaches  are designed  to provide  cover sets.  Contrary to  exact methods,
206   heuristic  ones can  handle very  large  and centralized  problems.  They  are
207   proposed to reduce  computational overhead such as  energy consumption, delay,
208   and generally allow to increase the network lifetime.
209
210 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
211 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
212 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.    In
213 the  case   of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
214 participate in  more than one  cover set.  In some  cases, this may  prolong the
215 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
216 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces a  higher
217 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
218 scheduling policies  are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
219 involved in more than one cover sets.
220
221 In~\cite{yang2014maximum},  the authors  have  considered  a linear  programming
222 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
223 preserve a  maximum coverage and  to extend lifetime  of the network.   Cheng et
224 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
225 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
226 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
227 Node Set Computing (CNSC) algorithm to find  the correlated node set for a given
228 node.   After that,  they  proposed a  High Residual  Energy  First (HREF)  node
229 selection algorithm to minimize the number of  active nodes so as to prolong the
230 network  lifetime.   Various  centralized  methods based  on  column  generation
231 approaches                   have                    also                   been
232 proposed~\cite{gentili2013,castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
233 In~\cite{gentili2013}, authors highlight  the trade-off between
234   the  network lifetime  and the  coverage  percentage. They  show that  network
235   lifetime can be hugely improved by decreasing the coverage ratio.
236
237 \subsection{Distributed approaches}
238
239 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
240 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
241 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
242 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
243 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
244 covers.
245
246 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
247 to          preserve         coverage,          see          for         example
248 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,       yardibi2010distributed,
249   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms  typically operate  in
250 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
251 exchanges information with  its neighbors and makes a  decision to either remain
252 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
253 simple     greedy     criteria    like     the     largest    uncovered     area
254 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
255 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
256 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require  location information of
257 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
258 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
259 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
260 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due  to the
261 absence of location information.  In  \cite{ChinhVu}, the author have designed a
262 novel distributed heuristic,  called Distributed Energy-efficient Scheduling for
263 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
264 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
265 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor
266 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
267 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
268
269 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
270 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
271 which  aim at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
272 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
273 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
274 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take  advantage from both
275 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
276 leverage prediction, to improve  the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
277 al.  have  described an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
278 which uses geographic  location information to divide the  area of interest into
279 fixed square grids.   Within each grid, it keeps only one  node staying awake to
280 take the responsibility of sensing and communication.
281
282 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
283 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
284 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
285 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
286
287 \section{MuDiLCO protocol description}
288 \label{pd}
289
290 \subsection{Assumptions and primary points}
291 \label{pp}
292 \textcolor{green}{Assumptions and coverage model are identical to those presented in~\cite{idrees2015distributed}.}
293
294
295 \iffalse
296 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
297 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
298 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
299 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
300 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
301 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
302 embedded GPS or through location discovery algorithms.
303    
304 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
305 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
306 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
307 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
308 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
309 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
310 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
311 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
312 active nodes.\fi
313
314 \textcolor{green}{We consider a scenario where sensors are  deployed in high density to ensure initially
315 a high  coverage ratio  of the interested  area. Each sensor has a predefined sensing range $R_s$, an initial energy supply (eventually different from each other) and is supposed to be equipped with module for locating its geographical positions. All space points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
316 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.}
317
318 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a
319 set of  points called  primary points~\cite{idrees2014coverage}. We  assume that
320 the sensing  disk defined by a  sensor is covered  if all the primary  points of
321 this  sensor are  covered.   By knowing  the position  of  wireless sensor  node
322 (centered at  the the  position $\left(p_x,p_y\right)$)  and its  sensing range
323 $R_s$,  we define  up to  25 primary  points $X_1$  to $X_{25}$  as decribed  on
324 Figure~\ref{fig1}. The optimal number of primary points is investigated in
325 section~\ref{ch4:sec:04:06}.
326
327 The coordinates of the primary points are defined as follows:\\
328 %$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
329 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
330 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
331 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
332 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
333 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
334 $X_6=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
335 $X_7=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
336 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
337 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
338 $X_{10}= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
339 $X_{11}=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
340 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
341 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
342 $X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
343 $X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
344 $X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
345 $X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
346 $X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
347 $X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
348 $X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
349 $X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
350 $X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
351 $X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
352 $X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
353 $X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
354
355 \begin{figure}[h]
356   \centering
357   \includegraphics[scale=0.375]{fig26.pdf}
358   \label{fig1}
359   \caption{Wireless sensor node represented by up to 25~primary points}
360 \end{figure}
361
362 \subsection{Background idea}
363
364 The WSN  area of  interest is,  at  first,  divided into
365   regular  homogeneous subregions  using  a divide-and-conquer  algorithm. Then, our  protocol  will be  executed  in a  distributed  way in  each
366   subregion  simultaneously  to  schedule  nodes'  activities  for  one  sensing
367   period. Sensor nodes are assumed to be deployed almost uniformly and with high
368   density over the region. The regular  subdivision is made so that the number
369   of hops between any pairs of sensors  inside a subregion is less than or equal
370   to 3.
371
372 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
373 where   each   period   is    divided   into   4~phases:   Information~Exchange,
374 Leader~Election,  Decision,  and Sensing. \textcolor{green}{Compared to protocol DiLCO described in~\cite{idrees2015distributed}}  each  sensing  phase is itself
375 divided into $T$ rounds of  equal duration and for each round
376 a set of sensors (a cover set) is  responsible for the sensing task. In this way
377 a  multiround  optimization  process  is  performed  during  each  period  after
378 Information~Exchange and Leader~Election  phases, in order to  produce $T$ cover
379 sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds. \textcolor{green}{Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO} is
380 executed  by  each sensor  node~$s_j$ (with enough remaining energy) at the  beginning  of a  period.}
381 \begin{figure}[t!]
382 \centering \includegraphics[width=125mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
383 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
384 \label{fig2}
385 \end{figure} 
386
387 \textcolor{green}{As already described in~\cite{idrees2015distributed}}, two types of packets are used by the proposed protocol:
388 \begin{enumerate}[(a)] 
389 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
390   nodes inside a subregion for information exchange.
391 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
392   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
393   phase.
394 \end{enumerate}
395
396 There are five status for each sensor node in the network:
397 \begin{enumerate}[(a)] 
398 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
399 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
400   optimization process;
401 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
402 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
403 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
404 \end{enumerate}
405
406
407
408
409 This  protocol minimizes  the  impact of  unexpected node  failure  (not due  to
410 batteries running out of energy), because it works in periods.
411  On the one hand, if a node  failure is detected before making the decision, the
412  node will not  participate to this phase,  and, on the other hand,  if the node
413  failure occurs  after the  decision, the  sensing task of  the network  will be
414  temporarily affected:  only during  the period  of sensing  until a  new period
415  starts.  The   duration   of  the   rounds  is  a   predefined
416    parameter. Round duration  should be long enough to hide  the system control
417    overhead and  short enough to minimize  the negative effects in  case of node
418    failures.
419
420 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
421 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
422 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
423 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
424 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
425 monitor the area.
426
427
428
429
430 At the beginning of each period, each sensor wich has enough remaining energy ($RE_j$) to be alive during at least one round ( $E_{R}$ is the  amount of energy
431 required to be alive during one round) sends (line 3 of algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}) its position, remaining energy $RE_j$, and the number
432 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
433 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
434 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
435 packets sent by other nodes (line 4). 
436
437 After  that, each node will have information about
438 all  the sensor  nodes in  the subregion.  
439  The  nodes in the  same subregion
440 will select (line 5) a Wireless Sensor Node Leader (WSNL) based on the received information from all other nodes in
441 the same subregion.  The selection criteria  are, in order of importance: larger
442 number of  neighbors, larger  remaining energy,  and then  in case  of equality,
443 larger index. Observations on previous simulations  suggest to use the number of
444 one-hop neighbors as  the primary criterion to reduce energy  consumption due to
445 the communications.\\
446
447
448
449
450 %Each WSNL will solve an integer program to  select which cover
451 %  sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
452 %  to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
453 %  WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
454 %  the algorithm's results,  indicating if the sensor should be  active or not in
455 %  each round of the sensing phase.
456 \subsection{Multiround Optimization model}
457 \label{mom}
458 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO} at line 8, the leader (WNSL) will execute an optimization
459 algorithm based on an integer program. to  select which cover
460 sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
461 to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
462 WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
463 the algorithm's results (line 10),  indicating if the sensor should be  active or not in
464 each round of the sensing phase.
465
466
467 The integer program is based on the model
468 proposed by \cite{pedraza2006}  with some modifications, where  the objective is
469 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.  To  fulfill this  goal, the
470 authors proposed an integer program  which forces undercoverage and overcoverage
471 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
472 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
473 consider binary variables  $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
474 sensor $j$ during round $t$ of a  given sensing phase.  We also consider primary
475 points as targets.  The  set of primary points is denoted by $P$  and the set of
476 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
477 involved in the integer program. \textcolor{green}{Note that the proposed integer program is an extension of that formulated in~\cite{idrees2015distributed}, 
478 variables are now indexed in addition with the number of round $t$.}
479
480 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
481 whether the point $p$ is covered, that is:
482 \begin{equation}
483 \alpha_{j,p} = \left \{ 
484 \begin{array}{l l}
485   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
486  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
487   0 & \mbox{otherwise.}\\
488 \end{array} \right.
489 %\label{eq12} 
490 \end{equation}
491 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
492 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
493 \begin{equation}
494 X_{t,j} = \left \{ 
495 \begin{array}{l l}
496   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
497   0 &  \mbox{otherwise.}\\
498 \end{array} \right.
499 %\label{eq11} 
500 \end{equation}
501 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
502 \begin{equation}
503  \Theta_{t,p} = \left \{ 
504 \begin{array}{l l}
505   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
506     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
507   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
508 \end{array} \right.
509 \label{eq13} 
510 \end{equation}
511 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
512 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
513 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
514 defined by:
515 \begin{equation}
516 U_{t,p} = \left \{ 
517 \begin{array}{l l}
518   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
519   0 & \mbox{otherwise.}\\
520 \end{array} \right.
521 \label{eq14} 
522 \end{equation}
523
524 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
525 \begin{equation}
526  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{|P|} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
527 \end{equation}
528
529 Subject to
530 \begin{equation}
531   \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
532 \end{equation}
533
534 \begin{equation}
535   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{10 mm}\forall j \in J\hspace{6 mm} 
536   \label{eq144} 
537 \end{equation}
538
539 \begin{equation}
540 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
541 \end{equation}
542
543 \begin{equation}
544 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
545 \end{equation}
546
547 \begin{equation}
548  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
549 \end{equation}
550
551 \begin{itemize}
552 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
553   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
554 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
555   are covering the primary point $p$ during round $t$;
556 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
557   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
558   covered).
559 \end{itemize}
560
561 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
562 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
563 and undercoverage variables  help balancing the restriction  equations by taking
564 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
565 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
566 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
567 required to be alive during one round.
568
569 There are  two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
570 points in order to activate a minimum  number of sensors.  Second we prevent the
571 absence  of  monitoring  on  some  parts of  the  subregion  by  minimizing  the
572 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be properly  chosen so as
573 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round.
574 In our simulations,  priority is given to the coverage  by choosing $W_{U}$ very
575 large compared to $W_{\theta}$.
576
577 The size of the problem depends  on the number of variables and
578   constraints. The number of variables is  linked to the number of alive sensors
579   $A \subseteq J$,  the number of rounds  $T$, and the number  of primary points
580   $P$.  Thus  the integer  program contains $A*T$  variables of  type $X_{t,j}$,
581   $P*T$ overcoverage variables and $P*T$  undercoverage variables. The number of
582   constraints  is equal  to $P*T$  (for constraints  (\ref{eq16})) $+$  $A$ (for
583   constraints (\ref{eq144})).
584
585 \iffalse
586 \subsection{Sensing phase}
587
588 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
589 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
590 sleep for each  round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
591 will  be executed  by  each sensor  node~$s_j$  at the  beginning  of a  period,
592 explains how the Active-Sleep packet is obtained.
593 \fi
594
595 \begin{algorithm}[h!]                
596   \BlankLine  
597   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
598       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
599       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
600       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
601       
602       \emph{LeaderID = Leader election}\;
603       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
604         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
605         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
606           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
607         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
608         \emph{Send $ActiveSleep()$ packet to each node $k$ in subregion: a packet \\
609           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
610         \emph{Update $RE_j $}\;
611       }   
612       \Else{
613         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
614         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
615         \emph{Update $RE_j $}\;
616       }  
617   }
618   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
619   
620 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
621 \label{alg:MuDiLCO}
622
623 \end{algorithm}
624
625 \section{Experimental framework}
626 \label{exp}
627
628 \subsection{Simulation setup}
629
630 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
631 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
632 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
633 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
634 results presented hereafter are the average of these 25 runs.
635 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
636 250~nodes deployed  over a $50 \times  25~m^2 $ sensing field.   More precisely,
637 the deployment  is controlled  at a  coarse scale  in order  to ensure  that the
638 deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.
639
640 \begin{table}[ht]
641 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
642 \centering
643 \begin{tabular}{c|c}
644   \hline
645 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
646 \hline
647 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
648 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
649 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
650 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
651 $E_{R}$ & 36 Joules\\
652 $R_s$ & 5~m   \\     
653 $W_{\theta}$ & 1   \\
654 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
655 \end{tabular}
656 \label{table3}
657 \end{table}
658
659 Our  protocol  is  declined   into  four  versions:  MuDiLCO-1,
660   MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and MuDiLCO-7, corresponding respectively to $T=1,3,5,7$
661   ($T$ the  number of rounds in  one sensing period). Since  the time resolution
662   may  be prohibitive  when the  size  of the  problem increases,  a time  limit
663   threshold has  been fixed when  solving large  instances. In these  cases, the
664   solver returns  the best solution  found, which  is not necessary  the optimal
665   one. In practice, we only set time  limit values for $T=5$ and $T=7$. In fact,
666   for $T=5$ we limited the time for  250~nodes, whereas for $T=7$ it was for the
667   three  largest network  sizes.  Therefore  we  used the  following values  (in
668   second): 0.03 for  250~nodes when $T=5$, while for $T=7$  we chose 0.03, 0.06,
669   and  0.08  for  respectively  150,  200,  and  250~nodes.   These  time  limit
670   thresholds  have been  set  empirically. The  basic idea  is  to consider  the
671   average execution  time to solve  the integer  programs to optimality  for 100
672   nodes and then to adjust the time linearly according to the increasing network
673   size. After that,  this threshold value is increased if  necessary so that the
674   solver is able to deliver a feasible  solution within the time limit. In fact,
675   selecting the optimal  values for the time limits will  be investigated in the
676   future.
677
678  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
679  method,  called DESK  and proposed  by  \cite{ChinhVu}, is  a full  distributed
680  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
681  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
682  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
683  phase time.
684
685 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
686 subregions  which subdivides  the sensing  field, considering  different network
687 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
688 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
689 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too many  subdivisions
690 reduce the  advantage of the optimization.  In fact, there is  a balance between
691 the benefit from the optimization and the  execution time needed to solve it. In
692 the following we have set the number of subregions to 16 \textcolor{green}{as recommended in~\cite{idrees2015distributed}}.
693
694 \subsection{Energy model}
695 \textcolor{green}{The energy consumption  model is detailed in~\cite{}. It is based on the model proposed by~\cite{ChinhVu}. We  refer to the sensor  node Medusa~II which
696 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy} to use numerical values.}
697 \textcolor{red}{Est-ce qu'il faut en ecrire plus et redonner le tableau de valeurs?}
698 \iffalse
699 \subsection{Energy model}
700
701 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
702 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
703 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
704 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
705
706 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
707 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
708 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
709 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
710 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
711 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
712 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
713 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
714 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
715 summarized in Table~\ref{table4}.
716
717 \begin{table}[ht]
718 \caption{The Energy Consumption Model}
719 \centering
720 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
721   \hline
722 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
723 \hline
724 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
725 \hline
726 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
727 \hline
728 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
729 \hline
730 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
731 \hline
732 \end{tabular}
733
734 \label{table4}
735 \end{table}
736
737 For the sake of simplicity we ignore the  energy needed to turn on the radio, to
738 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
739 Thus, when a sensor becomes active (i.e.,  it has already chosen its status), it
740 can turn its radio  off to save battery.  MuDiLCO uses two  types of packets for
741 communication. The size of the INFO  packet and Active-Sleep packet are 112~bits
742 and 24~bits  respectively.  The value  of energy  spent to send  a 1-bit-content
743 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
744 calculate the  energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
745 value for receiving  the packets. The energy  needed to send or  receive a 1-bit
746 packet is equal to 0.2575~mW.
747
748 The initial energy of each node is  randomly set in the interval $[500;700]$.  A
749 sensor node will  not participate in the  next round if its  remaining energy is
750 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
751 stay alive  during one round.  This  value has been computed  by multiplying the
752 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
753 (3600 seconds).   According to the interval  of initial energy, a  sensor may be
754 alive during at most 20 rounds.
755 \fi
756
757 \subsection{Metrics}
758
759 \textcolor{green} {To evaluate our approach we consider the performance metrics detailed in~\cite{idrees2015distributed} which are Coverage Ratio, Network Lifetime and Energy Consumption.  
760 Compared to the previous definitions, formulations of Coverage Ratio and Energy Consumption are enriched with the index of round $t$.} 
761
762 \begin{enumerate}[i]
763   
764 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
765   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
766   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
767   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
768 \begin{equation*}
769 \scriptsize
770 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
771 \end{equation*}
772 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
773 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
774 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
775 \times 26 = 1326$ grid points.
776
777 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
778   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
779   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
780   Ratio is defined as follows:
781 \begin{equation*}
782 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
783   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
784 \end{equation*}
785 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
786 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
787 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
788
789 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
790   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
791   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) the amount of  time during
792   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
793   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
794   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
795   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
796   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
797   event in the area that it monitors.
798
799 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
800   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
801   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
802   follows:
803
804   \begin{equation*}
805     \scriptsize
806     \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},
807   \end{equation*}
808
809 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
810 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
811 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
812 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
813 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
814 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
815 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
816 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
817 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
818 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
819 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
820
821 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
822 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
823 \end{enumerate}
824
825 \iffalse
826 \begin{enumerate}
827  \setcounter{5}
828 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
829   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
830   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
831   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
832   
833 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
834   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
835   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
836   to network disconnections and for which round it occurs.
837
838 \end{enumerate}
839 \fi
840
841 \section{Experimental results and analysis}
842 \label{analysis}
843
844 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
845 \label{ch4:sec:04:06}
846
847 In this  section, we study the  performance of MuDiLCO-1 approach (with only one round as in~\cite{idrees2015distributed}) for different
848 numbers of  primary points. The  objective of this  comparison is to  select the
849 suitable number  of primary points  to be used by  a MuDiLCO protocol.   In this
850 comparison,  MuDiLCO-1 protocol  is used  with five  primary point  models, each
851 model corresponding to a number of  primary points, which are called Model-5 (it
852 uses 5 primary points), Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21. \textcolor{green}{Note that results presented in~\cite{idrees2015distributed} corresponds to Model-13 (13 primary points)}.
853
854 \subsubsection{Coverage ratio} 
855
856 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
857 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
858 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
859 worst.
860 Moreover, when the  number of periods increases, the coverage  ratio produced by
861 all models  decrease due  to dead nodes.  However, Model-5 is  the one  with the
862 slowest decrease due to lower numbers of active sensors in the earlier periods.
863 Overall this  model is slightly more  efficient than the other  ones, because it
864 offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
865 \begin{figure}[t!]
866 \centering
867  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
868 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
869 \label{Figures/ch4/R2/CR}
870 \end{figure} 
871
872 \subsubsection{Network lifetime}
873
874 Finally, we study the effect of increasing the number of primary points on the lifetime of the network. 
875 As       highlighted       by       Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)       and
876 \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b), the  network lifetime  obviously increases  when the
877 size of the network increases, with  Model-5 which leads to the largest lifetime
878 improvement.
879
880 \begin{figure}[h!]
881 \centering
882 \centering
883 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
884
885 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
886
887 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
888   \label{Figures/ch4/R2/LT}
889 \end{figure}
890
891 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
892 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
893 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
894 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
895 experiments presented thereafter.
896
897 \subsection{Coverage ratio} 
898
899 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
900 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
901 which is a little  bit better than the one of MuDiLCO.  This  is due to the fact
902 that, in comparison with MuDiLCO which  uses optimization to put in SLEEP status
903 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
904 consequence,  when the  number  of rounds  increases, a  larger  number of  node
905 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
906 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
907 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the proposed  sensor activity
908 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
909 the area of interest  for a larger number of rounds. It  also means that MuDiLCO
910 saves more energy,  with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
911 should  extend the  network lifetime.  MuDiLCO-7 seems  to have
912   most of the  time the best coverage  ratio up to round~80,  after that MuDiLCO-5 is
913   slightly better.
914
915 \begin{figure}[ht!]
916 \centering
917  \includegraphics[scale=0.5] {F/CR.pdf} 
918 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
919 \label{fig3}
920 \end{figure} 
921
922 \subsection{Active sensors ratio} 
923
924 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
925 minimize    the    communication    overhead   and    maximize    the    network
926 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
927 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
928 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
929 MuDiLCO clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes.  Obviously,
930 in that case DESK and GAF have less active nodes, since they have activated many
931 nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more
932 efficient manner.
933
934 \begin{figure}[ht!]
935 \centering
936 \includegraphics[scale=0.5]{F/ASR.pdf}  
937 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
938 \label{fig4}
939 \end{figure} 
940
941 \subsection{Stopped simulation runs}
942 A simulation ends when the sensor network
943   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
944   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
945   to network disconnections and for which round it occurs.
946 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
947 per round  for 150  deployed nodes.  This figure gives  the breakpoint  for each
948 method.  DESK  stops first, after  approximately 45~rounds, because  it consumes
949 the more  energy by  turning on  a large  number of  redundant nodes  during the
950 sensing  phase. GAF  stops  secondly for  the  same reason  than  DESK.  Let  us
951 emphasize that the simulation  continues as long as a network  in a subregion is
952 still connected.
953
954 \begin{figure}[ht!]
955 \centering
956 \includegraphics[scale=0.5]{F/SR.pdf} 
957 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
958 \label{fig6}
959 \end{figure} 
960
961 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
962
963 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
964 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
965 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
966 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
967 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
968
969 \begin{figure}[h!]
970   \centering
971   \begin{tabular}{cl}
972     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC95.pdf}} & (a) \\
973     \verb+ + \\
974     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC50.pdf}} & (b)
975   \end{tabular}
976   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
977     (b) $Lifetime_{50}$}
978   \label{fig7}
979 \end{figure} 
980
981 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
982 consumption point of view.  The other  approaches have a high energy consumption
983 due to  activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
984 consumed during the different status of the sensor node.
985
986 Energy consumption increases with the  size of the networks and
987   the  number  of  rounds.   The curve  Unlimited-MuDiLCO-7  shows  that  energy
988   consumption due to  the time spent to  optimally solve the  integer program
989   increases drastically with  the size of the network. When  the resolution time
990   is limited for large network sizes, the energy consumption remains of the same
991   order whatever the MuDiLCO version. As can be seen with MuDiLCO-7.
992
993 \subsection{Execution time}
994 \label{et}
995 We observe  the impact of the  network size and of  the number of rounds  on the
996 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
997 seconds (needed to solve optimization problem)  for different values of $T$. The
998 modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is employed to
999 generate the Mixed  Integer Linear Program instance in a  standard format, which
1000 is then read and solved by  the optimization solver GLPK (GNU linear Programming
1001 Kit  available in  the  public domain)  \cite{glpk}  through a  Branch-and-Bound
1002 method. The  original execution  time is  computed on a  laptop DELL  with Intel
1003 Core~i3~2370~M (2.4 GHz) processor (2  cores) and the MIPS (Million Instructions
1004 Per Second) rate equal to 35330. To be  consistent with the use of a sensor node
1005 with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to
1006 run  the optimization  resolution, this  time  is multiplied  by 2944.2  $\left(
1007 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and reported  on Figure~\ref{fig77}
1008 for different network sizes.
1009
1010 \begin{figure}[ht!]
1011 \centering
1012 \includegraphics[scale=0.5]{F/T.pdf}  
1013 \caption{Execution Time (in seconds)}
1014 \label{fig77}
1015 \end{figure} 
1016
1017 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1018 into  account to  schedule  the sensing  phase. Obviously,  the
1019   number of variables and constraints of the integer program increases with $T$,
1020   as  explained  in section~\ref{mom}, the times obtained  for $T=1,3$ or
1021   $5$ seem  bearable. But for  $T=7$, without any  limitation of the  time, they
1022   become  quickly unsuitable  for  a  sensor node,  especially  when the  sensor
1023   network size  increases as  demonstrated by Unlimited-MuDiLCO-7.   Notice that
1024   for 250  nodes, we also  limited the execution  time for $T=5$,  otherwise the
1025   execution time, denoted by Unlimited-MuDiLCO-5, is also above  MuDiLCO-7.  On the  one hand,  a large
1026   value  for  $T$  permits  to  reduce the  energy-overhead  due  to  the  three
1027   pre-sensing phases, on  the other hand a leader node  may waste a considerable
1028   amount of  energy to solve the  optimization problem. Thus, limiting  the time
1029   resolution for large instances allows to reduce the energy consumption without
1030   any impact on the coverage quality.
1031
1032 \subsection{Network lifetime}
1033
1034 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1035 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1036 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network lifetime  increases
1037 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1038 node  density  which results  in  more  and more  redundant  nodes  that can  be
1039 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1040 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the gain  in
1041 lifetime for a coverage  over 95\%, and a network of  250~nodes, is greater than
1042 43\% when switching from GAF to MuDiLCO-5.
1043 %The lower performance that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1044 %of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1045 %difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1046 %This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1047 %energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1048 %linked.
1049 Overall,  it  clearly appears  that  computing a  scheduling for
1050   several rounds is possible and relevant,  providing that the execution time to
1051   solve the  optimization problem for  large instances is limited.   Notice that
1052   rather than limiting the execution time,  similar results might be obtained by
1053   replacing  the  computation of  the  exact  solution  with  the finding  of  a
1054   suboptimal  one using  a  heuristic  approach. For  our  simulation setup  and
1055   considering  the different  metrics, MuDiLCO-5  seems  to be  the best  suited
1056   method compared to MuDiLCO-7.
1057
1058 \begin{figure}[t!]
1059   \centering
1060   \begin{tabular}{cl}
1061     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT95.pdf}} & (a) \\
1062     \verb+ + \\
1063     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT50.pdf}} & (b)
1064   \end{tabular}
1065   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1066     (b) $Lifetime_{50}$}
1067   \label{fig8}
1068 \end{figure} 
1069
1070 \section{Conclusion and future works}
1071 \label{sec:conclusion}
1072
1073 We have addressed  the problem of the coverage and  of the lifetime optimization
1074 in wireless sensor networks.   This is a key issue as  sensor nodes have limited
1075 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1076 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions using  the
1077 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1078 optimizes coverage and  lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1079 called MuDiLCO (Multiround Distributed  Lifetime Coverage Optimization) combines
1080 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1081 scheduling. The  activity scheduling in  each subregion works in  periods, where
1082 each  period consists  of four  phases:  (i) Information  Exchange, (ii)  Leader
1083 Election, (iii)  Decision Phase  to plan  the activity of  the sensors  over $T$
1084 rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into $T$ rounds.
1085
1086 Simulations results  show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1087 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1088 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1089 approach, like the one  we propose, allows to reduce the  difficulty of a single
1090 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1091 subregion,  that  can be  solved  more  easily. Furthermore,
1092   results  also show  that to  plan the  activity of  sensors for  large network
1093   sizes, an  approach to obtain  a near optimal  solution is needed.  Indeed, an
1094   exact resolution  of the resulting  optimization problem leads  to prohibitive
1095   computation times and thus to an excessive energy consumption.
1096
1097 %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
1098 %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.
1099 % use section* for acknowledgement
1100
1101 \section*{Acknowledgment}
1102 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1103 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1104 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1105 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1106 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1107
1108
1109
1110
1111 %% \linenumbers
1112
1113 %% main text
1114 %\section{}
1115 %\label{}
1116
1117 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1118 %% appendix sections are then done as normal sections
1119 %% \appendix
1120
1121 %% \section{}
1122 %% \label{}
1123
1124 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1125 %% bibitems, please use
1126 %%
1127 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1128 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1129 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1130 %% TeX file.
1131
1132 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1133 \bibliography{article}
1134   
1135 \end{document}
1136
1137 %%\bibitem{}
1138
1139 %\end{thebibliography}
1140 %\end{document}
1141 \endinput
1142 %%
1143 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.