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1
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3
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9
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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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73 %% \author[label1,label2]{}
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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 \subsection{Distributed approaches}
253 %{\bf Distributed approaches}
254 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
255 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
256 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
257 processing  by the cooperating  sensor nodes,  but they  are more  scalable for
258 large  WSNs.    Localized  and   distributed  algorithms  generally   result  in
259 non-disjoint set covers.
260
261 Some        distributed       algorithms        have        been       developed
262 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,    yardibi2010distributed}
263 to perform  the scheduling so  as to preserve coverage.   Distributed algorithms
264 typically operate  in rounds for a  predetermined duration. At  the beginning of
265 each  round, a  sensor  exchanges information  with  its neighbors  and makes  a
266 decision  to either  remain turned  on or  to go  to sleep  for the  round. This
267 decision is basically made on  simple greedy criteria like the largest uncovered
268 area    \cite{Berman05efficientenergy}     or    maximum    uncovered    targets
269 \cite{lu2003coverage}.  In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme is divided into
270 rounds,  where each  round has  a self-scheduling  phase followed  by  a sensing
271 phase.  Each  sensor broadcasts  a message containing  the node~ID and  the node
272 location to  its neighbors at the  beginning of each round.  A sensor determines
273 its status by a  rule named off-duty eligible rule, which tells  him to turn off
274 if its sensing area is covered by its neighbors. A back-off scheme is introduced
275 to let each sensor  delay the decision process with a random  period of time, in
276 order  to avoid  simultaneous conflicting  decisions between  nodes and  lack of
277 coverage  on  any  area.    \cite{prasad2007distributed}  defines  a  model  for
278 capturing the  dependencies between different cover sets  and proposes localized
279 heuristic based  on this  dependency. The algorithm  consists of two  phases, an
280 initial setup phase during which each sensor computes and prioritizes the covers
281 and a  sensing phase during which  each sensor first decides  its on/off status,
282 and then remains on or off for the rest of the duration.
283
284 The  authors in \cite{yardibi2010distributed}  developed a  Distributed Adaptive
285 Sleep Scheduling Algorithm  (DASSA) for WSNs with partial  coverage.  DASSA does
286 not require  location information of sensors while  maintaining connectivity and
287 satisfying a  user defined  coverage target.  In  DASSA, nodes use  the residual
288 energy levels  and feedback from the  sink for scheduling the  activity of their
289 neighbors.  This  feedback mechanism reduces  the randomness in  scheduling that
290 would  otherwise  occur   due  to  the  absence  of   location  information.  In
291 \cite{ChinhVu},  the  author  proposed  a novel  distributed  heuristic,  called
292 Distributed  Energy-efficient Scheduling  for k-coverage  (DESK),  which ensures
293 that  the energy  consumption among  the sensors  is balanced  and  the lifetime
294 maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic works in
295 rounds, requires only one-hop neighbor  information, and each sensor decides its
296 status  (active or  sleep) based  on the  perimeter coverage  model  proposed in
297 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
298
299 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
300 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
301 %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. 
302
303 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
304 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
305 which aims  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
306 Misra et al.  \cite{Misra} proposed a localized algorithm for coverage in sensor
307 networks. The algorithm conserve the  energy while ensuring the network coverage
308 by activating the subset of sensors  with the minimum overlap area. The proposed
309 method preserves the network connectivity  by formation of the network backbone.
310 More recently,  Shibo et  al. \cite{Shibo} expressed  the coverage problem  as a
311 minimum weight submodular set cover problem and proposed a Distributed Truncated
312 Greedy Algorithm (DTGA) to solve it.  They take advantage from both temporal and
313 spatial  correlations between  data sensed  by different  sensors,  and leverage
314 prediction,  to   improve  the   lifetime.  In  \cite{xu2001geography},   Xu  et
315 al. proposed  an algorithm, called  Geographical Adaptive Fidelity  (GAF), which
316 uses geographic location  information to divide the area  of interest into fixed
317 square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the
318 responsibility of sensing and communication.
319
320 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
321 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
322 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
323 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
324
325 The MuDiLCO protocol (for Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization
326 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
327 in~\cite{idrees2014coverage}.  In~\cite{idrees2014coverage},   the  protocol  is
328 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
329 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
330 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
331 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
332 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
333 approach.
334
335 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
336 %(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.
337 %\section{Preliminaries}
338 %\label{Pr}
339
340 %Network Lifetime
341
342 %\subsection{Network Lifetime}
343 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
344 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
345 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
346 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
347 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
348 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
349 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
350 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
351 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
352 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
353 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
354 %transmit information on an event in the area that it monitors.
355
356 \section{MuDiLCO protocol description}
357 \label{pd}
358
359 %Our work will concentrate on the area coverage by design
360 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
361 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
362 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
363 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
364 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
365 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
366 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
367 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
368 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
369 %simultaneously).
370
371 %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
372 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
373 %The main features of our MuDiLCO protocol:
374 %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.
375
376 \subsection{Assumptions}
377
378 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
379 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
380 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
381 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
382 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
383 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
384 embedded GPS or through location discovery algorithms.
385    
386 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
387 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
388 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
389 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
390 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
391 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
392 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
393 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
394 working nodes in the active mode.
395
396 Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by
397 considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently,
398 we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its
399 primary points are covered. The choice of number and locations of primary points
400 is the subject of another study not presented here.
401
402 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
403 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
404 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
405 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
406 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
407 %sensors, instead of using all the points in the area.
408
409 %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
410 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
411 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
412 %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 $L$.
413 %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.
414
415 \subsection{Background idea}
416
417 The  area of  interest  can be  divided  using the  divide-and-conquer
418 strategy into  smaller areas, called subregions, and  then our MuDiLCO
419 protocol will be implemented in each subregion in a distributed way.
420
421 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2}, our  protocol works  in periods
422 fashion, where  each is  divided into 4  phases: Information~Exchange,
423 Leader~Election,  Decision, and  Sensing.  Each  sensing phase  may be
424 itself divided  into $T$ rounds  and for each  round a set  of sensors
425 (said a cover set) is responsible for the sensing task.
426 \begin{figure}[ht!]
427 \centering
428 \includegraphics[width=95mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
429 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
430 \label{fig2}
431 \end{figure} 
432
433 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
434 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
435 % set cover responsible for the sensing task.  
436 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
437
438 This protocol is reliable  against an unexpected node failure, because
439 it works  in periods. On the one  hand, if a node  failure is detected
440 before  making the  decision, the  node will  not participate  to this
441 phase, and,  on the other hand,  if the node failure  occurs after the
442 decision,  the  sensing  task  of  the  network  will  be  temporarily
443 affected: only during the period of sensing until a new period starts.
444
445 The energy consumption and some  other constraints can easily be taken
446 into account,  since the  sensors can update  and then  exchange their
447 information (including their residual energy) at the beginning of each
448 period.  However, the pre-sensing phases (Information Exchange, Leader
449 Election, and Decision) are energy consuming for some nodes, even when
450 they do not join the network to monitor the area.
451
452 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
453
454 We  define two  types of  packets that  will be  used by  the proposed
455 protocol:
456 \begin{enumerate}[(a)] 
457 \item INFO packet:  a such packet will be sent by  each sensor node to
458   all the nodes inside a subregion for information exchange.
459 \item Active-Sleep packet: sent by the leader to all the nodes inside a
460   subregion to inform them to remain  Active or to go Sleep during the
461   sensing phase.
462 \end{enumerate}
463
464 There are five status for each sensor node in the network:
465 \begin{enumerate}[(a)] 
466 \item LISTENING: sensor  node is waiting for a  decision (to be active
467   or not);
468 \item COMPUTATION: sensor node has  been elected as leader and applies
469   the optimization process;
470 \item ACTIVE: sensor node participate to the monitoring of the area;
471 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
472 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
473 \end{enumerate}
474
475 Below, we describe each phase in more details.
476
477 \subsection{Information Exchange Phase}
478
479 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
480 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
481 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
482 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
483 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
484 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
485 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
486
487 %\subsection{\textbf Working Phase:}
488
489 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
490
491 \subsection{Leader Election phase}
492
493 This step consists in choosing the Wireless Sensor Node Leader (WSNL),
494 which will be responsible  for executing the coverage algorithm.  Each
495 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
496 independently  for each  period.  All  the sensor  nodes  cooperate to
497 elect a WSNL.  The nodes in  the same subregion will select the leader
498 based on  the received informations from  all other nodes  in the same
499 subregion.  The selection criteria are, in order of importance: larger
500 number of  neighbors, larger  remaining energy, and  then in  case of
501 equality, larger  index. Observations on  previous simulations suggest
502 to use  the number of one-hop  neighbors as the  primary criterion to
503 reduce energy consumption due to the communications.
504
505 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
506 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
507
508 %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.  
509
510 \subsection{Decision phase}
511
512 Each WSNL  will solve  an integer program  to select which  cover sets
513 will  be  activated  in  the  following sensing  phase  to  cover  the
514 subregion to which  it belongs.  The integer program  will produce $T$
515 cover sets,  one for each round.   The WSNL will  send an Active-Sleep
516 packet  to each  sensor  in  the subregion  based  on the  algorithm's
517 results,  indicating if the  sensor should  be active  or not  in each
518 round of the sensing phase. The  integer program is based on the model
519 proposed  by  \cite{pedraza2006}  with  some modification,  where  the
520 objective  is to find  a maximum  number of  disjoint cover  sets.  To
521 fulfill  this goal,  the  authors proposed  an  integer program  which
522 forces undercoverage and overcoverage  of targets to become minimal at
523 the  same time.   They use  binary variables  $x_{jl}$ to  indicate if
524 sensor $j$ belongs to cover set $l$.  In our model, we consider binary
525 variables  $X_{t,j}$  to determine  the  possibility  of activation  of
526 sensor $j$  during the  round $t$  of a given  sensing phase.  We also
527 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
528 denoted by $P$ and the set of  sensors by $J$. Only sensors able to be
529 alive during at least one round are involved in the integer program.
530
531 %parler de la limite en energie Et pour un round
532
533 For  a primary  point  $p$, let  $\alpha_{j,p}$  denote the  indicator
534 function of whether the point $p$ is covered, that is:
535 \begin{equation}
536 \alpha_{j,p} = \left \{ 
537 \begin{array}{l l}
538   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
539  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
540   0 & \mbox{otherwise.}\\
541 \end{array} \right.
542 %\label{eq12} 
543 \end{equation}
544 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
545 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
546 \begin{equation}
547 X_{t,j} = \left \{ 
548 \begin{array}{l l}
549   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
550   0 &  \mbox{otherwise.}\\
551 \end{array} \right.
552 %\label{eq11} 
553 \end{equation}
554 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
555 \begin{equation}
556  \Theta_{t,p} = \left \{ 
557 \begin{array}{l l}
558   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
559     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
560   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
561 \end{array} \right.
562 \label{eq13} 
563 \end{equation}
564 More precisely, $\Theta_{t,p}$ represents  the number of active sensor
565 nodes  minus one that  cover the  primary point  $p$ during  the round
566 $t$.  The Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of  the primary  point $p$
567 during round $t$ is defined by:
568 \begin{equation}
569 U_{t,p} = \left \{ 
570 \begin{array}{l l}
571   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
572   0 & \mbox{otherwise.}\\
573 \end{array} \right.
574 \label{eq14} 
575 \end{equation}
576
577 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
578 \begin{equation}
579  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
580 \end{equation}
581
582 Subject to
583 \begin{equation}
584   \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
585 \end{equation}
586
587 \begin{equation}
588   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
589   \label{eq144} 
590 \end{equation}
591
592 \begin{equation}
593 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
594 \end{equation}
595
596 \begin{equation}
597 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
598 \end{equation}
599
600 \begin{equation}
601  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
602 \end{equation}
603
604 %\begin{equation}
605 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
606 %\end{equation}
607
608
609 \begin{itemize}
610 \item $X_{t,j}$: indicates  whether or not the sensor  $j$ is actively
611   sensing during the round $t$ (1 if yes and 0 if not);
612 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}: the number of sensors minus
613   one that are covering the primary point $p$ during the round $t$;
614 \item $U_{t,p}$  - {\it undercoverage}:  indicates whether or  not the
615   primary point  $p$ is being covered  during the round $t$  (1 if not
616   covered and 0 if covered).
617 \end{itemize}
618
619 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
620 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
621 case,  overcoverage  and undercoverage  variables  help balancing  the
622 restriction equations by taking  positive values. The constraint given
623 by equation~(\ref{eq144}) guarantees that the sensor has enough energy
624 ($RE_j$ corresponds  to its remaining  energy) to be alive  during the
625 selected rounds knowing that $E_{R}$  is the amount of energy required
626 to be alive during one round.
627
628 There are  two main objectives.   First, we limit the  overcoverage of
629 primary  points in  order to  activate  a minimum  number of  sensors.
630 Second  we prevent  the absence  of monitoring  on some  parts  of the
631 subregion by minimizing the undercoverage.  The weights $W_\theta$ and
632 $W_U$  must be properly  chosen so  as to  guarantee that  the maximum
633 number of  points are  covered during each  round. In  our simulations
634 priority is given to the  coverage by choosing $W_{\theta}$ very large
635 compared to $W_U$.
636 %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.
637
638 \subsection{Sensing phase}
639
640 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
641 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
642 sleep for  each round of  the sensing phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
643 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
644 Active-Sleep packet is obtained.
645
646 % 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. 
647
648 \begin{algorithm}[h!]                
649  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
650 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
651   \BlankLine
652   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
653   
654   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
655       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
656       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
657       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
658       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
659       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
660       
661       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
662       \emph{LeaderID = Leader election}\;
663       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
664         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
665         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
666           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
667         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
668         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
669           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
670         \emph{Update $RE_j $}\;
671       }   
672       \Else{
673         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
674         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
675         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
676         \emph{Update $RE_j $}\;
677       }  
678       %  }
679   }
680   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
681   
682  %   \emph{return X} \;
683 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
684 \label{alg:MuDiLCO}
685
686 \end{algorithm}
687
688 \section{Experimental study}
689 \label{exp}
690 \subsection{Simulation setup}
691
692 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
693 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
694 \cite{varga}.     The     simulation     parameters    are     summarized     in
695 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
696 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
697 25 runs.
698 %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. 
699 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
700 250~nodes. Experimental results are obtained from randomly generated networks in
701 which  nodes  are deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
702 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
703 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
704 range.
705
706 \begin{table}[ht]
707 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
708 % title of Table
709 \centering
710 % used for centering table
711 \begin{tabular}{c|c}
712 % centered columns (4 columns)
713       \hline
714 %inserts double horizontal lines
715 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
716    
717 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
718 % inserts table
719 %heading
720 \hline
721 % inserts single horizontal line
722 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
723 % inserting body of the table
724 %\hline
725 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
726 %\hline
727 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
728 %\hline
729 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
730 $E_{R}$ & 36 Joules\\
731 $R_s$ & 5~m   \\     
732 %\hline
733 $w_{\Theta}$ & 1   \\
734 % [1ex] adds vertical space
735 %\hline
736 $w_{U}$ & $|P^2|$
737 %inserts single line
738 \end{tabular}
739 \label{table3}
740 % is used to refer this table in the text
741 \end{table}
742   
743 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
744 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
745 rounds  in one  sensing period).  In  the following,  the general  case will  be
746 denoted by MuDiLCO-T.   We compare MuDiLCO-T with two  other methods.  The first
747 method,  called  DESK and  proposed  by  \cite{ChinhVu}  is a  full  distributed
748 coverage  algorithm.   The  second  method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
749 consists in dividing the region  into fixed squares.  During the decision phase,
750 in each  square, one sensor is then  chosen to remain active  during the sensing
751 phase time.
752
753 \subsection{Energy Model}
754
755 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
756 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
757 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
758 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
759
760 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
761 %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. 
762 %revoir la phrase
763
764 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
765 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
766 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
767 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
768 is  responsible  for  transmitting/receiving  messages, sensing  subsystem  that
769 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
770 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
771 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
772 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
773 summarized in Table~\ref{table4}.  The energy  needed to send or receive a 1-bit
774 packet is equal to $0.2575~mW$.
775
776 \begin{table}[ht]
777 \caption{The Energy Consumption Model}
778 % title of Table
779 \centering
780 % used for centering table
781 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
782 % centered columns (4 columns)
783       \hline
784 %inserts double horizontal lines
785 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
786 \hline
787 % inserts single horizontal line
788 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
789 % inserting body of the table
790 \hline
791 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
792 \hline
793 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
794 \hline
795 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
796 %\hline
797 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
798  \hline
799 \end{tabular}
800
801 \label{table4}
802 % is used to refer this table in the text
803 \end{table}
804
805 For sake  of simplicity we  ignore the  energy needed to  turn on the  radio, to
806 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
807 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
808 Thus, when  a sensor becomes active  (i.e., it already decides  it's status), it
809 can turn its  radio off to save  battery. MuDiLCO uses two types  of packets for
810 communication. The size of the  INFO packet and Active-Sleep packet are 112~bits
811 and 24~bits  respectively.  The  value of energy  spent to send  a 1-bit-content
812 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
813 calculate  the energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
814 value for receiving the packets.
815
816 The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A
817 sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is
818 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
819 stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the
820 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
821 (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be
822 alive during at most 20 rounds.
823
824
825 \subsection{Metrics}
826
827 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
828
829 \begin{enumerate}[i]
830   
831 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area
832   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
833   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point for
834   calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
835 \begin{equation*}
836 \scriptsize
837 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
838 \end{equation*}
839 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
840 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number
841 of grid points in the sensing field of the network.
842 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
843 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
844 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
845 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
846
847 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
848   few  active  nodes  as  possible  in  each  round,in  order  to  minimize  the
849   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
850   Ratio is defined as follows:
851 \begin{equation*}
852 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
853   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
854 \end{equation*}
855 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
856 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
857 network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
858
859 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
860   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
861   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) as  the amount of  time during
862   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
863   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
864   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
865   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
866   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
867   event in the area that it monitors.
868
869 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
870   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
871   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
872   follows:
873  \begin{equation*}
874 \scriptsize
875 \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +
876   \sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
877 \end{equation*}
878
879 %\begin{equation*}
880 %\scriptsize
881 %\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{$D$}}.
882 %\end{equation*}
883
884 where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
885 $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$.  The total  energy consumed by  the sensors
886 (EC) comes through taking into consideration four main energy factors. The first
887 one ,  denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_m$, represent  the energy consumption
888 spent  by  all  the  nodes   for  wireless  communications  during  period  $m$.
889 $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next  factor, corresponds  to the  energy
890 consumed by the sensors in LISTENING  status before receiving the decision to go
891 active or  sleep in  period $m$. $E^{\scriptsize  \mbox{comp}}_m$ refers  to the
892 energy needed  by all  the leader nodes  to solve  the integer program  during a
893 period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$  indicate the energy consummed by the whole
894 network in round $t$.
895
896 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
897 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
898
899 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
900   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
901   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
902   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
903   
904 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
905   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
906   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
907   to network disconnections and for which round it occurs.
908
909 \end{enumerate}
910
911 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%VU JUSQU ICI**************************************************
912
913 \section{Results and analysis}
914
915 \subsection{Coverage ratio} 
916
917 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
918 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
919 which is a little bit better than the  one of MuDiLCO-T. This is due to the fact
920 that in  comparison with MuDiLCO that  uses optimization to put  in SLEEP status
921 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
922 consequence,  when the  number of  rounds increases,  a larger  number  of nodes
923 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
924 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
925 greater than  50\% for  far more rounds.  Overall, the proposed  sensor activity
926 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
927 the area of interest for a larger number of rounds. It also means that MuDiLCO-T
928 save more  energy, with less  dead nodes, at  most for several rounds,  and thus
929 should extend the network lifetime.
930
931 \begin{figure}[h!]
932 \centering
933  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
934 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
935 \label{fig3}
936 \end{figure} 
937
938 \subsection{Active sensors ratio} 
939
940 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
941 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
942 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
943 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
944 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
945 MuDiLCO-T clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes. After the
946 thirty  fifth round,  MuDiLCO-T exhibits  larger number  of active  nodes, which
947 agrees with  the dual observation of  higher level of  coverage made previously.
948 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
949 activated many nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO-T activates the available
950 nodes in a more efficient manner.
951
952 \begin{figure}[h!]
953 \centering
954 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
955 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
956 \label{fig4}
957 \end{figure} 
958
959 \subsection{Stopped simulation runs}
960 %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
961 %runs per round for 150 deployed nodes. 
962
963 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
964 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each of
965 the methods.  DESK stops first,  after around 45~rounds, because it consumes the
966 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
967 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO-T overcomes
968 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
969 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
970 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
971 still connected.
972
973 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
974
975 \begin{figure}[h!]
976 \centering
977 \includegraphics[scale=0.5]{R1/SR.pdf} 
978 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
979 \label{fig6}
980 \end{figure} 
981
982 \subsection{Energy Consumption} \label{subsec:EC}
983
984 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
985 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
986 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
987 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
988 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
989
990 \begin{figure}[h!]
991   \centering
992   \begin{tabular}{cl}
993     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf}} & (a) \\
994     \verb+ + \\
995     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf}} & (b)
996   \end{tabular}
997   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
998     (b) $Lifetime_{50}$}
999   \label{fig7}
1000 \end{figure} 
1001
1002 The  results  show  that MuDiLCO-T  is  the  most  competitive from  the  energy
1003 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1004 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
1005 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
1006 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1007 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
1008 the  number of  sensors involved  in the  integer program,  the larger  the time
1009 computation to  solve the optimization  problem. To improve the  performances of
1010 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
1011 sensors to consider in the integer program.
1012
1013 %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. 
1014
1015
1016 \subsection{Execution time}
1017
1018 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1019 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1020 seconds (times  needed to  solve optimization problem)  for different  values of
1021 $T$.   The original  execution time  is  computed on  a laptop  DELL with  Intel
1022 Core~i3~2370~M (2.4 GHz) processor (2  cores) and the MIPS (Million Instructions
1023 Per Second) rate equal to 35330. To  be consistent with the use of a sensor node
1024 with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to
1025 run  the optimization  resolution, this  time  is multiplied  by 2944.2  $\left(
1026 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1027 for different network sizes. 
1028
1029 \begin{figure}[h!]
1030 \centering
1031 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
1032 \caption{Execution Time (in seconds)}
1033 \label{fig77}
1034 \end{figure} 
1035
1036 As expected,  the execution time  increases with the number  of rounds
1037 $T$ taken into account for  scheduling of the sensing phase. The times
1038 obtained for $T=1,3$ or $5$  seems bearable, but for $T=7$ they become
1039 quickly  unsuitable for  a  sensor node,  especially  when the  sensor
1040 network  size increases.  Again,  we can  notice  that if  we want  to
1041 schedule the nodes activities for a large number of rounds, we need to
1042 choose a relevant number of  subregion in order to avoid a complicated
1043 and cumbersome  optimization. On the one  hand, a large  value for $T$
1044 permits  to reduce the  energy-overhead due  to the  three pre-sensing
1045 phases,  on the  other hand  a leader  node may  waste  a considerable
1046 amount of energy to solve the optimization problem.
1047
1048 %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.
1049
1050 \subsection{Network Lifetime}
1051
1052 The  next   two  figures,  Figures~\ref{fig8}(a)   and  \ref{fig8}(b),
1053 illustrate   the  network  lifetime   for  different   network  sizes,
1054 respectively  for $Lifetime_{95}$  and $Lifetime_{50}$.   Both figures
1055 show that the  network lifetime increases together with  the number of
1056 sensor nodes, whatever the protocol,  thanks to the node density which
1057 result in  more and more redundant  nodes that can  be deactivated and
1058 thus  save energy.  Compared  to the  other approaches,  our MuDiLCO-T
1059 protocol  maximizes the lifetime  of the  network.  In  particular the
1060 gain in  lifetime for a coverage  over 95\% is greater  than 38\% when
1061 switching from  GAF to  MuDiLCO-3.  The slight  decrease that  can bee
1062 observed for MuDiLCO-7 in  case of $Lifetime_{95}$ with large wireless
1063 sensor networks result from the difficulty of the optimization problem
1064 to be solved  by the integer program.  This  point was already noticed
1065 in subsection \ref{subsec:EC} devoted to the energy consumption, since
1066 network lifetime and energy consumption are directly linked.
1067
1068 \begin{figure}[h!]
1069   \centering
1070   \begin{tabular}{cl}
1071     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}} & (a) \\
1072     \verb+ + \\
1073     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}} & (b)
1074   \end{tabular}
1075   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1076     (b) $Lifetime_{50}$}
1077   \label{fig8}
1078 \end{figure} 
1079
1080 % 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. 
1081
1082 %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.
1083
1084
1085 %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.
1086
1087
1088 \section{Conclusion and Future Works}
1089 \label{sec:conclusion}
1090
1091 In this paper,  we have addressed the problem of  the coverage and the
1092 lifetime optimization in wireless sensor networks. This is a key issue
1093 as sensor nodes have limited resources in terms of memory, energy, and
1094 computational power. To  cope with this problem, the  field of sensing
1095 is   divided   into   smaller   subregions  using   the   concept   of
1096 divide-and-conquer  method,  and  then  we propose  a  protocol  which
1097 optimizes coverage  and lifetime  performances in each  subregion. Our
1098 protocol,  called MuDiLCO  (Multiperiod Distributed  Lifetime Coverage
1099 Optimization)  combines  two   efficient  techniques:  network  leader
1100 election and sensor activity scheduling.
1101 %,  where the challenges
1102 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1103 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1104 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1105 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1106 The activity scheduling in each subregion works in periods, where each
1107 period consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii) Leader
1108 Election, (iii)  Decision Phase  to plan the  activity of  the sensors
1109 over $T$ rounds (iv) Sensing Phase itself divided into T rounds.
1110
1111 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in
1112 terms  of  lifetime,  coverage  ratio, active  sensors  ratio,  energy
1113 consumption, execution time. Indeed,  when dealing with large wireless
1114 sensor networks, a distributed approach like the one we propose allows
1115 to reduce  the difficulty of  a single global optimization  problem by
1116 partitioning it in many smaller  problems, one per subregion, that can
1117 be solved more easily. Nevertheless,  results also show that it is not
1118 possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1119 the resulting  optimization problem leads to too  high resolution time
1120 and thus to an excessive energy consumption.
1121
1122 %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
1123 %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.
1124 % use section* for acknowledgement
1125 %\section*{Acknowledgment}
1126
1127 %% \linenumbers
1128
1129 %% main text
1130 %\section{}
1131 %\label{}
1132
1133 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1134 %% appendix sections are then done as normal sections
1135 %% \appendix
1136
1137 %% \section{}
1138 %% \label{}
1139
1140 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1141 %% bibitems, please use
1142 %%
1143 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1144 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1145 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1146 %% TeX file.
1147
1148 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1149 \bibliography{biblio}
1150   
1151 \end{document}
1152
1153 %%\bibitem{}
1154
1155 %\end{thebibliography}
1156 %\end{document}
1157 \endinput
1158 %%
1159 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.