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