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[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
1
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3
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6 \usepackage{mathtools}  
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8 \usepackage{multirow}
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43
44 \journal{Ad Hoc Networks}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
50 %% Title, authors and addresses
51
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69
70 \title{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
71
72 %% use optional labels to link authors explicitly to addresses:
73 %% \author[label1,label2]{}
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76 %\author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, \\
77 %Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
78
79 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
80 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
81 %\thanks{}% <-this % stops a space
82  
83 %\address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
84 %e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
85 %$\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
86
87
88 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$, \\
89 Michel Salomon$^{a}$ and Rapha\"el Couturier $^{a}$ \\
90   $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, \\
91   University Bourgogne Franche-Comt\'e, Belfort, France}} \\ 
92   $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}
93 }  
94
95
96 \begin{abstract}
97 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
98 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
99 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
100 %region) of  interest. 
101 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
102 (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
103 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
104 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
105 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
106 sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works in periods
107 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of
108 rounds  during the  sensing phase,  to  ensure coverage  so as  to maximize  the
109 lifetime of  WSN.  The decision process is  carried out by a  leader node, which
110 solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
111 during the rounds  of the sensing phase. \textcolor{red}{The integer program is solved by either GLPK solver or Genetic Algorithm (GA)}. Compared  with some existing protocols,
112 simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
113 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the
114 network lifetime and improve the coverage performance.
115
116 \end{abstract}
117
118 \begin{keyword}
119 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
120 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
121
122 \end{keyword}
123
124 \end{frontmatter}
125
126 \section{Introduction}
127  
128 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
129 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
130 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
131 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
132 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
133 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
134 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
135 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
136 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
137
138 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
139 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
140 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
141 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
142 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
143 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
144 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
145 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
146 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
147 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
148
149 % 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
150 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
151 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
152 %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
153 %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
154 %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
155 %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}. 
156
157 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
158 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
159 %The area of interest is divided into subregions.
160
161 % 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.  
162
163 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
164 % Section~\ref{rw}
165 reviews  the related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
166 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} 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
173 %%RC : Related works good for a phd thesis but too long for a paper. Ali you  need to learn to .... summarize :-)
174 \section{Related works} % Trop proche de l'etat de l'art de l'article de Zorbas ?
175 \label{rw}
176
177 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
178 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
179 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
180 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
181 algorithms in WSNs according to several design choices:
182 \begin{itemize}
183 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
184   distributed/localized algorithms.
185 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
186   to minimize the number of sensors during a sensing round.
187 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
188   or communication capabilities.
189 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
190 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
191 \end{itemize}
192
193 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
194 many cover sets) can be added to the above list.
195 % 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.
196
197 \subsection{Centralized approaches}
198
199 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
200 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
201 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
202 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
203 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
204 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
205 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
206 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
207 information from all the  sensor nodes. \textcolor{red} {Exact or heuristics approaches are designed to provide cover sets. (Moreover, centralized approaches usually
208 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
209 size increases.) Contrary to exact methods, heuristic methods can handle very large and centralized problems. They are proposed to reduce computational overhead such as energy consumption, delay and generally increase in
210 the network lifetime. }
211
212 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
213 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
214 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.     In
215 the   case  of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
216 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
217 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
218 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
219 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
220 scheduling  policies are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
221 involved in more than one cover sets.
222 %For instance, the proposed work in ~\cite{cardei2005energy, berman04}    
223
224 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors have  considered  a linear  programming
225 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
226 preserve a  maximum coverage  and to  extend lifetime of  the network.  Cheng et
227 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
228 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
229 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
230 Node Set Computing (CNSC) algorithm to  find the correlated node set for a given
231 node.   After that,  they  proposed a  High  Residual Energy  First (HREF)  node
232 selection algorithm to minimize the number  of active nodes so as to prolong the
233 network  lifetime.  Various  centralized  methods  based  on  column  generation
234 approaches                    have                   also                   been
235 proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
236
237 \subsection{Distributed approaches}
238 %{\bf Distributed approaches}
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 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
270 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
271 %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. 
272
273 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
274 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
275 which  aim at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
276 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
277 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
278 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take  advantage from both
279 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
280 leverage prediction, to improve  the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
281 al.  have  described an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
282 which uses geographic  location information to divide the  area of interest into
283 fixed square grids.   Within each grid, it keeps only one  node staying awake to
284 take the responsibility of sensing and communication.
285
286 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
287 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
288 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
289 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
290
291 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
292 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
293 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
294 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
295 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
296 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
297 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
298 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
299 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
300 a single round optimization in our previous work. \textcolor{red}{In addition, a metaheuristic based GA is proposed to solve our multiround optimization}.
301
302 \iffalse
303    
304 \subsection{Centralized Approaches}
305 %{\bf Centralized approaches}
306 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
307 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
308 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
309 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
310 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
311 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
312 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
313 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
314 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
315 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
316 size increases.
317
318 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
319 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
320 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
321 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
322 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
323 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
324 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
325 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
326 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
327 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
328 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
329 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
330 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
331 provide complete coverage of the monitoring zone.
332
333 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
334 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
335 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
336 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
337 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
338 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
339 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
340 complexity of the mixed integer programming resolution.
341
342 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
343 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
344 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
345 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
346 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
347 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
348 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
349 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
350 Also, they require  a smaller number of participating nodes  in order to achieve
351 these results.
352
353 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
354 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
355 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
356 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
357 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
358 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
359 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
360 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
361 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
362 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
363 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
364 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
365 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
366 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
367 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
368 optimal solution, is also proposed.
369
370 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
371 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
372 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
373 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
374 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
375 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
376 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
377 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
378 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
379 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
380 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
381
382 \subsection{Distributed approaches}
383 %{\bf Distributed approaches}
384 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
385 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
386 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
387 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
388 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
389 covers.
390
391 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
392 to          preserve         coverage,          see          for         example
393 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,yardibi2010distributed}.
394 Distributed  algorithms   typically  operate  in  rounds   for  a  predetermined
395 duration. At  the beginning of each  round, a sensor  exchanges information with
396 its neighbors and makes a decision to  either remain turned on or to go to sleep
397 for the  round. This decision is  basically made on simple  greedy criteria like
398 the largest  uncovered area \cite{Berman05efficientenergy}  or maximum uncovered
399 targets  \cite{lu2003coverage}.   In  \cite{Tian02},  the scheduling  scheme  is
400 divided into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by a
401 sensing phase.  Each sensor broadcasts  a message containing the node~ID and the
402 node  location to  its  neighbors at  the  beginning of  each  round.  A  sensor
403 determines its status by a rule named off-duty eligible rule, which tells him to
404 turn off if its  sensing area is covered by its neighbors.  A back-off scheme is
405 introduced to let each sensor delay the decision process with a random period of
406 time, in  order to  avoid simultaneous conflicting  decisions between  nodes and
407 lack  of coverage  on any  area.   In \cite{prasad2007distributed}  a model  for
408 capturing  the dependencies  between  different  cover sets  is  defined and  it
409 proposes localized heuristic based on this dependency. The algorithm consists of
410 two  phases,  an initial  setup  phase during  which  each  sensor computes  and
411 prioritizes  the covers  and  a sensing  phase  during which  each sensor  first
412 decides  its on/off  status, and  then remains  on or  off for  the rest  of the
413 duration. 
414
415 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
416 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
417 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
418 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
419 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
420 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
421 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
422 information.  In  \cite{ChinhVu}, the author  have proposed a  novel distributed
423 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
424 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
425 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
426 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
427 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
428 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
429
430 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
431 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
432 %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. 
433
434 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focus  on coverage-aware,
435 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
436 which aim  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
437 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
438 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
439 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
440 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
441 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
442 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
443 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
444 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
445 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
446 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
447 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
448 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
449 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
450 communication.
451
452 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
453 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
454 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
455 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
456
457 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
458 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
459 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
460 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
461 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
462 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
463 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
464 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
465 approach.
466
467
468
469
470 \fi
471 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
472 %(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.
473 %\section{Preliminaries}
474 %\label{Pr}
475
476 %Network Lifetime
477
478 %\subsection{Network Lifetime}
479 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
480 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
481 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
482 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
483 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
484 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
485 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
486 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
487 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
488 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
489 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
490 %transmit information on an event in the area that it monitors.
491
492 \section{MuDiLCO protocol description}
493 \label{pd}
494
495 %Our work will concentrate on the area coverage by design
496 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
497 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
498 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
499 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
500 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
501 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
502 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
503 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
504 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
505 %simultaneously).
506
507 %In this section, we introduce a Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol, which is called MuDiLCO. It is  distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two efficient techniques: network
508 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
509 %The main features of our MuDiLCO protocol:
510 %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.
511
512 \subsection{Assumptions}
513
514 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
515 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
516 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
517 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
518 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
519 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
520 embedded GPS or through location discovery algorithms.
521    
522 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
523 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
524 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
525 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
526 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
527 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
528 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
529 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
530 active nodes.
531
532 Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by
533 considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently,
534 we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its
535 primary points are covered. The choice of number and locations of primary points is the subject of another study not presented here.
536
537 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
538 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
539 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
540 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
541 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
542 %sensors, instead of using all the points in the area.
543
544 %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
545 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
546 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
547 %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 $L$.
548 %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.
549
550 \subsection{Background idea}
551 %%RC : we need to clarify the difference between round and period. Currently it seems to be the same (for me at least).
552 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
553 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
554 implemented in each subregion in a distributed way.
555
556 As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
557 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
558 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
559 \textcolor{green} {of equal duration} and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
560 task. In  this way  a multiround optimization  process is performed  during each
561 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
562 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
563 \begin{figure}[ht!]
564 \centering \includegraphics[width=100mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
565 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
566 \label{fig2}
567 \end{figure} 
568
569 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
570 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
571 % set cover responsible for the sensing task.  
572 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
573
574 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
575 running out of energy), because it works in periods. 
576 %This protocol is reliable against an unexpected node failure, because it works in periods. 
577 %%RC : why? I am not convinced
578  On the one hand, if a node failure is detected before  making the
579 decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand,
580 if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
581 will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new
582 period starts. \textcolor{green}{The duration of the period  and the duration of the rounds are predefined parameters. Round duration should be long enough to hide the system control overhead and short enough to minimize the negative effects in case of node failure.}
583
584 %%RC so if there are at least one failure per period, the coverage is bad...
585 %%MS if we want to be reliable against many node failures we need to have an
586 %% overcoverage...  
587
588 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
589 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
590 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
591 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
592 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
593 monitor the area.
594
595 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
596
597 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
598 \begin{enumerate}[(a)] 
599 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
600   nodes inside a subregion for information exchange.
601 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
602   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
603   phase.
604 \end{enumerate}
605
606 There are five status for each sensor node in the network:
607 \begin{enumerate}[(a)] 
608 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
609 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
610   optimization process;
611 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
612 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
613 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
614 \end{enumerate}
615
616 Below, we describe each phase in more details.
617
618 \subsection{Information Exchange Phase}
619
620 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
621 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
622 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
623 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
624 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
625 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
626 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
627
628 %\subsection{\textbf Working Phase:}
629
630 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
631
632 \subsection{Leader Election phase}
633
634 This step  consists in  choosing the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
635 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
636 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
637 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.   The nodes in the  same subregion
638 will select the  leader based on the received information  from all other nodes
639 in  the same subregion.   The selection  criteria are,  in order  of importance:
640 larger  number  of neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of
641 equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the
642 number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy
643 consumption due to the communications.
644
645 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
646 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
647
648 %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.  
649
650 \subsection{Decision phase}
651
652 Each  WSNL will \textcolor{red}{ execute an optimization algorithm (see section \ref{oa})} to  select which  cover sets  will be
653 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
654 belongs.  The \textcolor{red}{optimization algorithm} will produce $T$ cover sets,  one for each round. The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
655 each round  of the  sensing phase.  
656
657 %solve  an integer  program
658
659 \subsection{Sensing phase}
660
661 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
662 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
663 sleep for each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
664 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
665 Active-Sleep packet is obtained.
666
667 % 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. 
668
669 \begin{algorithm}[h!]                
670  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
671 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
672   \BlankLine
673   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
674   
675   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
676       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
677       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
678       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
679       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
680       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
681       
682       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
683       \emph{LeaderID = Leader election}\;
684       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
685         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
686         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
687           Execute \textcolor{red}{Optimization Algorithm}($T,J$)}\;
688         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
689         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
690           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
691         \emph{Update $RE_j $}\;
692       }   
693       \Else{
694         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
695         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
696         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
697         \emph{Update $RE_j $}\;
698       }  
699       %  }
700   }
701   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
702   
703  %   \emph{return X} \;
704 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
705 \label{alg:MuDiLCO}
706
707 \end{algorithm}
708
709
710
711
712
713
714 \section{\textcolor{red}{ Optimization Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
715 \label{oa}
716 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the leader will execute an optimization algorithm based on an integer program. The  integer program  is based on  the model
717 proposed by  \cite{pedraza2006} with some modifications, where  the objective is
718 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
719 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
720 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
721 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
722 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
723 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
724 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
725 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
726 involved in the integer program.
727
728 %parler de la limite en energie Et pour un round
729
730 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
731 whether the point $p$ is covered, that is:
732 \begin{equation}
733 \alpha_{j,p} = \left \{ 
734 \begin{array}{l l}
735   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
736  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
737   0 & \mbox{otherwise.}\\
738 \end{array} \right.
739 %\label{eq12} 
740 \end{equation}
741 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
742 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
743 \begin{equation}
744 X_{t,j} = \left \{ 
745 \begin{array}{l l}
746   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
747   0 &  \mbox{otherwise.}\\
748 \end{array} \right.
749 %\label{eq11} 
750 \end{equation}
751 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
752 \begin{equation}
753  \Theta_{t,p} = \left \{ 
754 \begin{array}{l l}
755   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
756     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
757   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
758 \end{array} \right.
759 \label{eq13} 
760 \end{equation}
761 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
762 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
763 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
764 defined by:
765 \begin{equation}
766 U_{t,p} = \left \{ 
767 \begin{array}{l l}
768   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
769   0 & \mbox{otherwise.}\\
770 \end{array} \right.
771 \label{eq14} 
772 \end{equation}
773
774 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
775 \begin{equation}
776  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
777 \end{equation}
778
779 Subject to
780 \begin{equation}
781   \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
782 \end{equation}
783
784 \begin{equation}
785   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
786   \label{eq144} 
787 \end{equation}
788
789 \begin{equation}
790 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
791 \end{equation}
792
793 \begin{equation}
794 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
795 \end{equation}
796
797 \begin{equation}
798  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
799 \end{equation}
800
801 %\begin{equation}
802 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
803 %\end{equation}
804
805 %%RC why W_{\theta} is not defined (only one sentence)? How to define in practice Wtheta and Wu?
806
807 \begin{itemize}
808 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
809   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
810 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
811   are covering the primary point $p$ during round $t$;
812 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
813   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
814   covered).
815 \end{itemize}
816
817 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
818 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
819 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
820 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
821 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
822 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
823 required to be alive during one round.
824
825 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
826 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
827 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
828 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
829 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
830 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
831 In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
832 large compared to $W_{\theta}$.
833 %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.
834
835 \textcolor{red}{This integer program can be solved using two approaches:}
836
837 \subsection{\textcolor{red}{Optimization solver for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
838 \label{glpk}
839 \textcolor{red}{The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. We named the protocol which is based on GLPK solver in the decision phase as MuDiLCO.}
840
841
842
843
844 \subsection{\textcolor{red}{Genetic Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
845 \label{GA}
846 \textcolor{red}{Metaheuristics  are a generic search strategies for exploring search spaces for solving the complex problems. These strategies have to dynamically balance between the exploitation of the accumulated search experience and the exploration of the search space. On one hand, this balance can find regions in the search space with high-quality solutions. On the other hand, it prevents waste too much time in regions of the search space which are either already explored or don’t provide high-quality solutions. Therefore,  metaheuristic provides an enough good solution to an optimization problem, especially with incomplete  information or limited computation capacity \cite{bianchi2009survey}. Genetic Algorithm (GA) is one of the population-based metaheuristic methods that simulates the process of natural selection \cite{hassanien2015applications}.  GA starts with a population of random candidate solutions (called individuals or phenotypes) . GA uses genetic operators inspired by natural evolution, such as selection, mutation, evaluation, crossover, and replacement so as to improve the initial population of candidate solutions. This process repeated until a stopping criterion is satisfied. In comparison with GLPK optimization solver, GA provides a near optimal solution with acceptable execution time, as well as it requires a less amount of memory especially for large size problems. GLPK provides optimal solution, but it requires higher execution time and amount of memory for large problem.}
847
848 \textcolor{red}{In this section, we present a metaheuristic based GA to solve our multiround lifetime coverage optimization problem. The proposed GA provides a near optimal sechedule for multiround sensing per period. The proposed GA is based on the mathematical model which is presented in Section \ref{oa}. Algorithm \ref{alg:GA} shows the proposed GA to solve the coverage lifetime optimization problem. We named the new protocol which is based on GA in the decision phase as GA-MuDiLCO. The proposed GA can be explained in more details as follow:}
849
850 \begin{algorithm}[h!]    
851        
852  \small
853  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
854  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
855  \Input{ \textcolor{red}{$ P, J, T, S_{pop}, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}$}}
856  \Output{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}
857
858   \BlankLine
859   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
860   \ForEach {\textcolor{red}{Individual $ind$ $\in$ $S_{pop}$}} {
861      \emph{\textcolor{red}{Generate Randomly Chromosome $\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}\;
862      
863      \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $\left\{(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})\right\}_{p \in P}$}}\;
864      
865   
866      \emph{\textcolor{red}{Evaluate Individual $(P, J, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})$}}\;  
867   }
868   
869   \While{\textcolor{red}{ Stopping criteria is not satisfied} }{
870   
871   \emph{\textcolor{red}{Selection $(ind_1, ind_2)$}}\;
872     \emph{\textcolor{red}{Crossover $(P_c, X_{t,j}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind_2}, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
873     \emph{\textcolor{red}{Mutation $(P_m, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
874    
875    
876    \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;
877   \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
878  
879 \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;  
880  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
881  
882  \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
883   
884  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
885   
886       
887   }
888   \emph{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots,X_{t,j},\dots,X_{T,J}\right)\right\}$ =
889             Select Best Solution ($S_{pop}$)}}\;
890  \emph{\textcolor{red}{return X}} \;
891 \caption{\textcolor{red}{GA($T, J$)}}
892 \label{alg:GA}
893
894 \end{algorithm}
895
896
897 \begin{enumerate} [I)]
898
899 \item \textcolor{red}{\textbf{Representation:} Since the proposed GA's goal is to find the optimal schedule of the sensor nodes which take the responsibility of monitoring the subregion for $T$ rounds in the sensing phase, the chromosome is defined as a schedule for alive  sensors and each chromosome contains $T$ rounds. The proposed GA uses binary representation, where each round in the schedule includes J genes, the total alive sensors in the subregion. Therefore, the gene of such a chromosome is a schedule of a sensor. In other words, The genes corresponding to active nodes have the value of one, the others are zero. Figure \ref{chromo} shows solution representation in the proposed GA.}
900 %[scale=0.3]
901 \begin{figure}[h!]
902 \centering
903  \includegraphics [scale=0.35] {rep.pdf} 
904 \caption{Candidate Solution representation by the proposed GA. }
905 \label{chromo}
906 \end{figure} 
907
908
909
910 \item \textcolor{red}{\textbf{Initialize Population:} The initial population is randomly generated and each chromosome  in the GA population represents a possible sensors schedule solution to cover the entire subregion for $T$ rounds during current period. Each sensor in the chromosome is given a random value (0 or  1) for all rounds. If the random value is 1, the remaining  energy of this sensor should be adequate to activate this sensor during the current round. Otherwise, the value is set to 0. The energy constraint is applied for each sensor during all rounds. }
911
912
913 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage:} 
914 After creating the initial population, The overcoverage $\Theta_{t,p}$ and undercoverage $U_{t,p}$ for each candidate solution are computed (see Algorithm \ref{OU}) so as to use them in the next step.}
915
916 \begin{algorithm}[h!]                
917   
918  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
919  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
920  \Input{ \textcolor{red}{parameters $P, J, ind, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}$}}
921  \Output{\textcolor{red}{$U^{ind} = \left\lbrace U_{1,1}^{ind}, \dots, U_{t,p}^{ind}, \dots, U_{T,P}^{ind} \right\rbrace$ and $\Theta^{ind} = \left\lbrace \Theta_{1,1}^{ind}, \dots, \Theta_{t,p}^{ind}, \dots, \Theta_{T,P}^{ind} \right\rbrace$}}
922
923   \BlankLine
924
925   \For{\textcolor{red}{$t\leftarrow 1$ \KwTo $T$}}{
926   \For{\textcolor{red}{$p\leftarrow 1$ \KwTo $P$}}{
927      
928  %    \For{$i\leftarrow 0$ \KwTo $I_j$}{
929         \emph{\textcolor{red}{$SUM\leftarrow 0$}}\;
930          \For{\textcolor{red}{$j\leftarrow 1$ \KwTo $J$}}{
931               \emph{\textcolor{red}{$SUM \leftarrow SUM + (\alpha_{j,p}^{ind} \times X_{t,j}^{ind})$ }}\;
932          }
933          
934          \If { \textcolor{red}{SUM = 0}} {
935          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
936          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 1$}}\;
937          }
938          \Else{
939          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow SUM -1$}}\;
940          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
941          }
942      
943      }
944      
945   }
946 \emph{\textcolor{red}{return $U^{ind}, \Theta^{ind}$ }} \;
947 \caption{O-U-Coverage}
948 \label{OU}
949
950 \end{algorithm}
951
952
953
954 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate Population:}
955 After creating the initial population, each individual is evaluated and assigned a fitness value according to the fitness function is illustrated in Eq. \eqref{eqf}. In the proposed GA, the optimal (or near optimal) candidate solution, is the one with the minimum value for the fitness function. The lower the fitness values been assigned to an individual, the better opportunity it gets survived.  In our works, the function rewards  the decrease in the sensor nodes which cover the same primary point and penalizes the decrease to zero in the sensor nodes which cover the primary point. }
956
957 \begin{equation}
958  F^{ind} \leftarrow  \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)    \label{eqf} 
959 \end{equation}
960
961
962 \item \textcolor{red}{\textbf{Selection:} In order to generate a new generation, a portion of the existing population is elected based on a fitness function that ranks the fitness of each candidate solution and preferentially select the best solutions. Two parents should be selected to the mating pool.  In the proposed GA-MuDiLCO algorithm, the first parent is selected by using binary tournament selection to select one of the parents \cite{goldberg1991comparative}. In this method,  two individuals are chosen at random from the population and the better of the two
963 individuals is selected. If they have similar fitness values, one of them will be selected randomly. The best individual in the population is selected as a second parent.}
964
965
966
967 \item \textcolor{red}{\textbf{Crossover:} Crossover is a genetic operator used to take more than one parent solutions and produce a child solution from them. If crossover probability $P_c$ is 100$\%$, then the crossover operation takes place between two individuals. If it is 0$\%$, the  two selected individuals in the mating pool will be the new chromosomes without crossover. In the proposed GA, a two-point crossover is used. Figure \ref{cross} gives an example for a two-point crossover for 8 sensors in the subregion and the schedule for 3 rounds.}
968
969
970 \begin{figure}[h!]
971 \centering
972  \includegraphics [scale = 0.3] {crossover.pdf} 
973 \caption{Two-point crossover. }
974 \label{cross}
975 \end{figure} 
976
977
978 \item \textcolor{red}{\textbf{Mutation:}
979 Mutation is a divergence operation which introduces random modifications.  The purpose of the mutation is to maintain diversity within the population and prevent premature convergence. Mutation is used to add new genetic information (divergence) in order to achieve a global search over the solution search space and avoid to fall in local optima. The mutation operator in the proposed GA-MuDiLCO works as follow: If mutation probability $P_m$ is 100$\%$, then the mutation operation takes place on the new individual. The round number is selected randomly within (1..T) in the schedule solution. After that one sensor within this round is selected randomly within (1..J). If the sensor is scheduled as active "1", it should be rescheduled to sleep "0". If the sensor is scheduled as sleep, it rescheduled to active only if it has adequate remaining energy.}
980
981
982 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage for children:}
983 Before evaluating each new individual, Algorithm \ref{OU} is called for each new individual to compute the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters. }
984  
985 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate New Individuals:}
986 Each new individual is evaluated using Eq. \ref{eqf} but with using the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters of the new children.}
987
988 \item \textcolor{red}{\textbf{Replacement:}
989 After evaluation of new children, Triple Tournament Replacement (TTR) will be applied for each new individual. In TTR strategy, three individuals are selected
990 randomly from the population. Find the worst from them and then check its fitness with the new individual fitness. If the fitness of the new individual is better than the fitness of  the worst individual, replace the new individual with the worst individual. Otherwise, the replacement is not done. }
991
992  
993 \item \textcolor{red}{\textbf{Stopping criteria:}
994 The proposed GA-MuDiLCO stops when the stopping criteria is met. It stops after running for an amount of time in seconds equal to \textbf{Time limit}. The \textbf{Time limit} is the execution time obtained by the optimization solver GLPK for solving the same size of problem. The best solution will be selected as a schedule of sensors for $T$ rounds during the sensing phase in the current period.}
995
996
997
998 \end{enumerate} 
999
1000
1001
1002 \section{Experimental study}
1003 \label{exp}
1004 \subsection{Simulation setup}
1005
1006 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
1007 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
1008 \cite{varga}.     The     simulation     parameters    are     summarized     in
1009 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
1010 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
1011 25 runs.
1012 %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. 
1013 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
1014 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
1015 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
1016 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
1017 range.
1018
1019 %%RC these parameters are realistic?
1020 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
1021
1022 \begin{table}[ht]
1023 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
1024 % title of Table
1025 \centering
1026 % used for centering table
1027 \begin{tabular}{c|c}
1028 % centered columns (4 columns)
1029       \hline
1030 %inserts double horizontal lines
1031 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
1032    
1033 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
1034 % inserts table
1035 %heading
1036 \hline
1037 % inserts single horizontal line
1038 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
1039 % inserting body of the table
1040 %\hline
1041 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
1042 %\hline
1043 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
1044 %\hline
1045 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
1046 $E_{R}$ & 36 Joules\\
1047 $R_s$ & 5~m   \\     
1048 %\hline
1049 $W_{\theta}$ & 1   \\
1050 % [1ex] adds vertical space
1051 %\hline
1052 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
1053 $P_c$ & 0.95   \\ 
1054 $P_m$ & 0.6 \\
1055 $S_{pop}$ & 50
1056 %inserts single line
1057 \end{tabular}
1058 \label{table3}
1059 % is used to refer this table in the text
1060 \end{table}
1061   
1062 \textcolor{red}{Our first protocol based GLPK optimization solver is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
1063 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
1064 rounds in one sensing period). The second protocol based GA is declined into  four versions: GA-MuDiLCO-1,  GA-MuDiLCO-3, GA-MuDiLCO-5,
1065 and  GA-MuDiLCO-7 for the same reason of the first protocol. After extensive experiments, we chose the dedicated values for the parameters $P_c$, $P_m$, and $S_{pop}$ because they gave the best results}.  In  the following, we will make comparisons with
1066 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{ChinhVu},
1067 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
1068 GAF~\cite{xu2001geography}, consists in dividing  the region into fixed squares.
1069 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
1070 active during the sensing phase time.
1071
1072 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
1073 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
1074 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
1075 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
1076 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
1077 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
1078 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
1079 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
1080
1081 \subsection{Energy model}
1082
1083 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
1084 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
1085 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
1086 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
1087
1088 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
1089 %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. 
1090 %revoir la phrase
1091
1092 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
1093 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
1094 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
1095 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
1096 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
1097 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
1098 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
1099 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
1100 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
1101 summarized in Table~\ref{table4}.
1102
1103 \begin{table}[ht]
1104 \caption{The Energy Consumption Model}
1105 % title of Table
1106 \centering
1107 % used for centering table
1108 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1109 % centered columns (4 columns)
1110       \hline
1111 %inserts double horizontal lines
1112 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
1113 \hline
1114 % inserts single horizontal line
1115 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
1116 % inserting body of the table
1117 \hline
1118 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
1119 \hline
1120 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
1121 \hline
1122 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
1123 %\hline
1124 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
1125  \hline
1126 \end{tabular}
1127
1128 \label{table4}
1129 % is used to refer this table in the text
1130 \end{table}
1131
1132 For the sake of simplicity we ignore  the energy needed to turn on the radio, to
1133 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
1134 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
1135 Thus, when a sensor becomes active (i.e., it has already chosen its status), it can
1136 turn  its radio  off to  save battery.  MuDiLCO uses  two types  of  packets for
1137 communication. The size of the  INFO packet and Active-Sleep packet are 112~bits
1138 and 24~bits  respectively.  The  value of energy  spent to send  a 1-bit-content
1139 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
1140 calculate  the energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
1141 value for receiving the packets. The energy  needed to send or receive a 1-bit
1142 packet is equal to 0.2575~mW.
1143
1144 The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A
1145 sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is
1146 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
1147 stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the
1148 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
1149 (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be
1150 alive during at most 20 rounds.
1151
1152 \subsection{Metrics}
1153
1154 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
1155
1156 \begin{enumerate}[i]
1157   
1158 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
1159   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
1160   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
1161   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
1162 \begin{equation*}
1163 \scriptsize
1164 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
1165 \end{equation*}
1166 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
1167 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
1168 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
1169 \times 26 = 1326$ grid points.
1170 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
1171 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
1172 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
1173 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
1174
1175 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
1176   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
1177   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
1178   Ratio is defined as follows:
1179 \begin{equation*}
1180 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
1181   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
1182 \end{equation*}
1183 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
1184 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
1185 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
1186
1187 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
1188   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
1189   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) the amount of  time during
1190   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
1191   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
1192   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
1193   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
1194   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
1195   event in the area that it monitors.
1196
1197 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
1198   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
1199   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
1200   follows:
1201
1202   % New version with global loops on period
1203   \begin{equation*}
1204     \scriptsize
1205     \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},
1206   \end{equation*}
1207
1208
1209 % Old version with loop on round outside the loop on period
1210 %  \begin{equation*}
1211 %    \scriptsize
1212 %    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
1213 %  \end{equation*}
1214
1215 % Ali version 
1216 %\begin{equation*}
1217 %\scriptsize
1218 %\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{$D$}}.
1219 %\end{equation*}
1220
1221 % Old version -> where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
1222 %$Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$. 
1223 % New version
1224 where  $M$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of  rounds in  a
1225 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
1226 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
1227 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
1228 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
1229 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
1230 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
1231 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
1232 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
1233 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
1234 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
1235
1236 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
1237 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
1238
1239 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
1240   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
1241   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
1242   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
1243   
1244 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
1245   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
1246   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
1247   to network disconnections and for which round it occurs.
1248
1249 \end{enumerate}
1250
1251 \subsection{Results and analysis}
1252
1253 \subsubsection{Coverage ratio} 
1254
1255 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
1256 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
1257 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
1258 %%RC : need to uniformize MuDiLCO or MuDiLCO-T? 
1259 %%MS : MuDiLCO everywhere
1260 %%RC maybe increase the size of the figure for the reviewers, no?
1261 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
1262 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
1263 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
1264 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
1265 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
1266 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
1267 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
1268 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
1269 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
1270 rounds, and thus should extend the network lifetime.
1271
1272 \begin{figure}[ht!]
1273 \centering
1274  \includegraphics[scale=0.5] {R/CR.pdf} 
1275 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
1276 \label{fig3}
1277 \end{figure} 
1278
1279 \textcolor{red}{ We
1280 can see that for the first thirty nine rounds GA-MuDiLCO provides a little bit better coverage ratio  than MuDiLCO. Both DESK and GAF provide a coverage
1281 which is a little bit better than the one of MuDiLCO and GA-MuDiLCO for the first thirty rounds because they activate a larger number of nodes during sensing phase. After that GA-MuDiLCO provides a coverage ratio near to the  MuDiLCO and better than DESK and GAF. GA-MuDiLCO gives approximate solution with activation a larger number of nodes than MuDiLCO during sensing phase while it activates a less number of nodes in comparison with both DESK and GAF. MuDiLCO and GA-MuDiLCO clearly outperform DESK and GAF for
1282 a number of periods between 31 and 103. This is because they optimize the coverage and the lifetime in a wireless sensor network by selecting the best representative sensor nodes to take the responsibility of coverage during the sensing phase.}
1283
1284
1285
1286 \subsubsection{Active sensors ratio} 
1287
1288 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
1289 minimize the communication overhead and maximize    the network lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
1290 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
1291 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
1292 MuDiLCO clearly outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes. \textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a number of sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF. GA-MuDiLCO-1, GA-MuDiLCO-3, and GA-MuDiLCO-5 continue in providing a larger number of active sensors until the forty-sixth round after that it provides less number of active nodes due to the died nodes. GA-MuDiLCO-7 provides a larger number of sensor nodes and maintains a better coverage ratio compared to MuDiLCO-7 until the fifty-seventh round.  After the thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes compared with DESK  and GAF, which agrees with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously}.
1293 Obviously, in that case DESK  and GAF have less active nodes, since  they have activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner. \textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates near optimal number of sensor nodes also in efficient manner compared with both DESK  and GAF}.
1294
1295 \begin{figure}[ht!]
1296 \centering
1297 \includegraphics[scale=0.5]{R/ASR.pdf}  
1298 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
1299 \label{fig4}
1300 \end{figure} 
1301
1302 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF }
1303
1304
1305 \subsubsection{Stopped simulation runs}
1306 %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
1307 %runs per round for 150 deployed nodes. 
1308
1309 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
1310 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each method.  DESK stops first,  after approximately 45~rounds, because it consumes the
1311 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
1312 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK. \textcolor{red}{GA-MuDiLCO  stops thirdly for the  same reason than  DESK and GAF.} \textcolor{red}{MuDiLCO and GA-MuDiLCO overcome}
1313 DESK and GAF because \textcolor{red}{they activate less number of sensor nodes, as well as }the optimization process distributed on several subregions leads to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  
1314 Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is still connected. 
1315
1316 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1317
1318 \begin{figure}[ht!]
1319 \centering
1320 \includegraphics[scale=0.5]{R/SR.pdf} 
1321 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
1322 \label{fig6}
1323 \end{figure} 
1324
1325 \subsubsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
1326
1327 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
1328 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
1329 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1330 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1331 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1332
1333 \begin{figure}[h!]
1334   \centering
1335   \begin{tabular}{cl}
1336     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R/EC95.pdf}} & (a) \\
1337     \verb+ + \\
1338     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R/EC50.pdf}} & (b)
1339   \end{tabular}
1340   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1341     (b) $Lifetime_{50}$}
1342   \label{fig7}
1343 \end{figure} 
1344
1345 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
1346 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1347 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1348 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less sensors to consider in the integer program.
1349 \textcolor{red}{As shown in Figure~\ref{fig7}, GA-MuDiLCO consumes less energy than both DESK and GAF, but a little bit higher than MuDiLCO  because it provides a near optimal solution by activating a larger number of nodes during the sensing phase.  GA-MuDiLCO consumes less energy in comparison with MuDiLCO-7 version, especially for the dense networks. However, MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol are the most competitive from the energy
1350 consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption
1351 due to activating a larger number of redundant nodes.}
1352 %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. 
1353
1354
1355 \subsubsection{Execution time}
1356
1357 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1358 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1359 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the Mixed Integer Linear Program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. The
1360 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1361 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1362 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1363 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1364 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1365 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1366 for different network sizes.
1367
1368 \begin{figure}[ht!]
1369 \centering
1370 \includegraphics[scale=0.5]{R/T.pdf}  
1371 \caption{Execution Time (in seconds)}
1372 \label{fig77}
1373 \end{figure} 
1374
1375 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1376 into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1377 or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1378 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1379 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1380 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
1381 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1382 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1383 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1384 optimization problem.
1385
1386 %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.
1387
1388 \subsubsection{Network lifetime}
1389
1390 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1391 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1392 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1393 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1394 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1395 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1396 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
1397 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
1398 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1399 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1400 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1401 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1402 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1403 linked. \textcolor{red}{As can be seen in these figures, the lifetime increases with the size of the network, and it is clearly largest for the MuDiLCO
1404 and the GA-MuDiLCO protocols. GA-MuDiLCO prolongs the network lifetime obviously in comparison with both DESK and GAF, as well as the MuDiLCO-7 version for $lifetime_{95}$.  However, comparison shows that MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol, which use distributed optimization over the subregions are the best ones because they are robust to network disconnection during the network lifetime as well as they consume less energy in comparison with other approaches.}
1405 \begin{figure}[t!]
1406   \centering
1407   \begin{tabular}{cl}
1408     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R/LT95.pdf}} & (a) \\
1409     \verb+ + \\
1410     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R/LT50.pdf}} & (b)
1411   \end{tabular}
1412   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1413     (b) $Lifetime_{50}$}
1414   \label{fig8}
1415 \end{figure} 
1416
1417 % By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest with a maximum number rounds and by letting the other nodes sleep in order to be used later in next rounds, our MuDiLCO protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1418
1419 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO protocol, which are used distributed optimization on the subregions with the ability of producing T rounds, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each sensor node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1420
1421
1422 %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.
1423
1424
1425 \section{Conclusion and future works}
1426 \label{sec:conclusion}
1427
1428 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
1429 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
1430 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1431 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
1432 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1433 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1434 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
1435 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1436 scheduling.
1437 %,  where the challenges
1438 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1439 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1440 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1441 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1442 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1443 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1444 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
1445 Phase itself divided into $T$ rounds.
1446
1447 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1448 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1449 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1450 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
1451 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1452 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1453 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1454 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
1455 an excessive energy consumption.
1456
1457 %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
1458 %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.
1459 % use section* for acknowledgement
1460
1461 \section*{Acknowledgment}
1462 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1463 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1464 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1465 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1466 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1467
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1493 \bibliography{article}
1494   
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1499 %\end{thebibliography}
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