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

Private GIT Repository
english corrections
[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
1
2 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
3
4 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
5 \usepackage{multicol}
6 \usepackage{mathtools}  
7 \usepackage{colortbl}
8 \usepackage{multirow}
9
10 \SetAlFnt{\small}
11 \SetAlCapFnt{\large}
12 \SetAlCapNameFnt{\large}
13 \usepackage{algorithmic}
14 \algsetup{linenosize=\tiny}
15
16 \DeclarePairedDelimiter\ceil{\lceil}{\rceil}
17 \DeclarePairedDelimiter\floor{\lfloor}{\rfloor}
18 %% Use the option review to obtain double line spacing
19 %% \documentclass[authoryear,preprint,review,12pt]{elsarticle}
20
21 %% Use the options 1p,twocolumn; 3p; 3p,twocolumn; 5p; or 5p,twocolumn
22 %% for a journal layout:
23 %% \documentclass[final,1p,times]{elsarticle}
24 %% \documentclass[final,1p,times,twocolumn]{elsarticle}
25 %% \documentclass[final,3p,times]{elsarticle}
26 %% \documentclass[final,3p,times,twocolumn]{elsarticle}
27 %% \documentclass[final,5p,times]{elsarticle}
28 %% \documentclass[final,5p,times,twocolumn]{elsarticle}
29
30 %% For including figures, graphicx.sty has been loaded in
31 %% elsarticle.cls. If you prefer to use the old commands
32 %% please give \usepackage{epsfig}
33
34 %% The amssymb package provides various useful mathematical symbols
35 \usepackage{amssymb}
36 %% The amsthm package provides extended theorem environments
37 %% \usepackage{amsthm}
38
39 %% The lineno packages adds line numbers. Start line numbering with
40 %% \begin{linenumbers}, end it with \end{linenumbers}. Or switch it on
41 %% for the whole article with \linenumbers.
42 %% \usepackage{lineno}
43
44 \journal{Journal of Supercomputing}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
50 %% Title, authors and addresses
51
52 %% use the tnoteref command within \title for footnotes;
53 %% use the tnotetext command for theassociated footnote;
54 %% use the fnref command within \author or \address for footnotes;
55 %% use the fntext command for theassociated footnote;
56 %% use the corref command within \author for corresponding author footnotes;
57 %% use the cortext command for theassociated footnote;
58 %% use the ead command for the email address,
59 %% and the form \ead[url] for the home page:
60 %% \title{Title\tnoteref{label1}}
61 %% \tnotetext[label1]{}
62 %% \author{Name\corref{cor1}\fnref{label2}}
63 %% \ead{email address}
64 %% \ead[url]{home page}
65 %% \fntext[label2]{}
66 %% \cortext[cor1]{}
67 %% \address{Address\fnref{label3}}
68 %% \fntext[label3]{}
69
70 \title{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
71
72 %% use optional labels to link authors explicitly to addresses:
73 %% \author[label1,label2]{}
74 %% \address[label1]{}
75 %% \address[label2]{}
76 %\author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, \\
77 %Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
78
79 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
80 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
81 %\thanks{}% <-this % stops a space
82  
83 %\address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
84 %e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
85 %$\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
86
87 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$, \\
88   Michel Salomon$^{a}$, and Rapha\"el Couturier $^{a}$ \\
89   $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, DISC department, UMR 6174 CNRS, \\
90       Univ.  Bourgogne  Franche-Comt\'e (UBFC), Belfort, France}} \\
91   $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}}
92
93 \begin{abstract}
94 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
95 (WSNs). In this paper, a  method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
96 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
97 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
98 divided into  subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
99 sensor nodes in  each subregion. The proposed MuDiLCO protocol  works in periods
100 during which sets of sensor nodes are  scheduled, with one set for each round of
101 a period, to remain active during the  sensing phase and thus ensure coverage so
102 as to  maximize the  WSN lifetime.   The decision  process is  carried out  by a
103 leader  node,  which  solves  an   optimization  problem  to  produce  the  best
104 representative  sets to  be used  during the  rounds of  the sensing  phase. The
105 optimization problem  formulated as an  integer program is solved  to optimality
106 through a  Branch-and-Bound method for  small instances.  For  larger instances,
107 the  best  feasible solution  found  by  the solver  after  a  given time  limit
108 threshold  is considered.   Compared  with some  existing protocols,  simulation
109 results based on  multiple criteria (energy consumption, coverage  ratio, and so
110 on) show that the proposed protocol can prolong efficiently the network lifetime
111 and improve the coverage performance.
112 \end{abstract}
113
114 \begin{keyword}
115 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
116 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
117 \end{keyword}
118
119 \end{frontmatter}
120
121 \section{Introduction}
122  
123 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
124 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
125 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
126 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
127 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
128 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
129 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
130 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
131 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
132
133 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
134 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
135 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
136 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
137 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
138 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
139 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
140 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
141 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
142 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
143
144 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
145 protocol) presented  in this paper  is an  extension of the  approach introduced
146 in~\cite{idrees2015distributed}.  
147 % In~\cite{idrees2015distributed},  the  protocol  is
148 %deployed over  only two subregions.  Simulation results  have shown that  it was
149 %more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
150 %computation complexity.
151
152 \textcolor{blue}{ Compared  to our  previous work~\cite{idrees2015distributed},
153   in  this paper  we study  the  possibility of  dividing the  sensing phase  into
154   multiple rounds.   We make a  multiround optimization,
155   while previously it was a single round optimization.  The idea is to
156   take advantage  of the  pre-sensing phase  to plan  the sensor's  activity for
157   several  rounds instead  of one,  thus saving  energy. In  addition, when  the
158   optimization problem becomes  more complex, its resolution is  stopped after a
159   given time  threshold. In this  paper we also  analyze the performance  of our
160   protocol according to the number of  primary points used (the area coverage is
161   replaced by the coverage of a  set of particular points called primary points,
162   see Section~\ref{pp}).}
163
164 The remainder of the paper is organized as follows. The next section reviews the
165 related works in  the field.  Section~\ref{pd} is devoted to  the description of
166 MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} introduces  the experimental  framework, it
167 describes the  simulation setup  and the  different metrics  used to  assess the
168 performances.   Section~\ref{analysis}  shows  the simulation  results  obtained
169 using the discrete event simulator OMNeT++ \cite{varga}.  They fully demonstrate
170 the usefulness  of the proposed  approach.  Finally, we give  concluding remarks
171 and some suggestions for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
172
173 \section{Related works} 
174 \label{rw}
175
176 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
177 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
178 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
179 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
180 algorithms in WSNs according to several design choices:
181 \begin{itemize}
182 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
183   distributed/localized algorithms.
184 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
185   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
186 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
187   or communication capabilities.
188 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
189 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
190 \end{itemize}
191
192 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
193 many cover sets) can be added to the above list.
194
195 \subsection{Centralized approaches}
196
197 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
198 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
199 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
200 or close to  optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
201 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
202 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
203 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach is  its
204 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
205 information  from all  the  sensor nodes.   Exact or  heuristic
206   approaches  are designed  to provide  cover sets.  Contrary to  exact methods,
207   heuristic  ones can  handle very  large  and centralized  problems.  They  are
208   proposed to reduce  computational overhead such as  energy consumption, delay,
209   and generally allow to increase the network lifetime.
210
211 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
212 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
213 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.    In
214 the  case   of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
215 participate in  more than one  cover set.  In some  cases, this may  prolong the
216 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
217 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces a  higher
218 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
219 scheduling policies  are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
220 involved in more than one cover sets.
221
222 In~\cite{yang2014maximum},  the authors  have  considered  a linear  programming
223 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
224 preserve a  maximum coverage and  to extend lifetime  of the network.   Cheng et
225 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
226 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
227 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
228 Node Set Computing (CNSC) algorithm to find  the correlated node set for a given
229 node.   After that,  they  proposed a  High Residual  Energy  First (HREF)  node
230 selection algorithm to minimize the number of  active nodes so as to prolong the
231 network  lifetime.   Various  centralized  methods based  on  column  generation
232 approaches                   have                    also                   been
233 proposed~\cite{gentili2013,castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
234 In~\cite{gentili2013}, authors highlight  the trade-off between
235   the  network lifetime  and the  coverage  percentage. They  show that  network
236   lifetime can be hugely improved by decreasing the coverage ratio.
237
238 \subsection{Distributed approaches}
239
240 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
241 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
242 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
243 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
244 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
245 covers.
246
247 Many distributed algorithms have been developed  to perform the scheduling so as
248 to          preserve         coverage,          see         for          example
249 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,      yardibi2010distributed,
250   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms typically  operate  in
251 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
252 exchanges information with  its neighbors and makes a decision  to either remain
253 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
254 simple     greedy    criteria     like     the     largest    uncovered     area
255 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
256 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
257 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require location  information of
258 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
259 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
260 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
261 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due to  the
262 absence of location information.  In \cite{ChinhVu}, the authors have designed a
263 novel distributed heuristic, called  Distributed Energy-efficient Scheduling for
264 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
265 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
266 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only one-hop  neighbor
267 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
268 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
269
270 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
271 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
272 which aim  at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
273 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
274 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
275 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take advantage  from both
276 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
277 leverage prediction, to improve the  lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
278 al.  have described  an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
279 which uses geographic  location information to divide the area  of interest into
280 fixed square grids.  Within  each grid, it keeps only one  node staying awake to
281 take the responsibility of sensing and communication.
282
283 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
284 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
285 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
286 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
287
288 \section{MuDiLCO protocol description}
289 \label{pd}
290
291 \subsection{Assumptions and primary points}
292 \label{pp}
293
294 \textcolor{blue}{The assumptions and the coverage model are identical to those presented
295   in~\cite{idrees2015distributed}. We  consider a  scenario in which  sensors are  deployed in  high
296   density to  initially ensure a high coverage ratio of the interested area. Each
297   sensor  has  a  predefined  sensing  range $R_s$,  an  initial  energy  supply
298   (eventually different  from each other)  and is  supposed to be  equipped with
299   a module to  locate its geographical  positions. All space points  within the
300   disk centered at the sensor with the radius of the sensing range are said to be
301   covered by this sensor.}
302
303 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a
304 set of  points called  primary points~\cite{idrees2014coverage}. We  assume that
305 the sensing  disk defined by a  sensor is covered  if all the primary  points of
306 this  sensor are  covered.   By knowing  the position  of  wireless sensor  node
307 (centered  at the  the position  $\left(p_x,p_y\right)$) and  its sensing  range
308 $R_s$,  we define  up to  25 primary  points $X_1$  to $X_{25}$  as described  on
309 Figure~\ref{fig1}.  The optimal  number  of primary  points  is investigated  in
310 section~\ref{ch4:sec:04:06}.
311
312 The coordinates of the primary points are defined as follows:\\
313 %$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
314 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
315 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
316 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
317 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
318 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
319 $X_6=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
320 $X_7=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
321 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
322 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
323 $X_{10}= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
324 $X_{11}=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
325 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
326 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
327 $X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
328 $X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
329 $X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
330 $X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
331 $X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
332 $X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
333 $X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
334 $X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
335 $X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
336 $X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
337 $X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
338 $X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
339
340 \begin{figure}[h]
341   \centering
342   \includegraphics[scale=0.375]{fig26.pdf}
343   \label{fig1}
344   \caption{Wireless sensor node represented by up to 25~primary points}
345 \end{figure}
346
347 \subsection{Background idea}
348
349 The  WSN  area of  interest  is,  at  first,  divided into  regular  homogeneous
350 subregions  using a  divide-and-conquer algorithm.  Then, our  protocol will  be
351 executed  in a  distributed way  in  each subregion  simultaneously to  schedule
352 nodes'  activities for  one  sensing  period. Sensor  nodes  are  assumed to  be
353 deployed almost  uniformly and with  high density  over the region.  The regular
354 subdivision is  made so  that the number  of hops between  any pairs  of sensors
355 inside a subregion is less than or equal to 3.
356
357 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
358 where   each   period   is    divided   into   4~phases:   Information~Exchange,
359 Leader~Election,  Decision, and  Sensing. \textcolor{blue}{Compared  to 
360  the DiLCO protocol described in~\cite{idrees2015distributed},} each sensing phase is itself
361 divided into $T$ rounds of equal duration and for each round a set of sensors (a
362 cover  set) is  responsible  for the  sensing  task. In  this  way a  multiround
363 optimization process is performed  during each period after Information~Exchange
364 and Leader~Election  phases, in order to  produce $T$ cover sets  that will take
365 the           mission           of           sensing           for           $T$
366 rounds. \textcolor{blue}{Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO} is  executed by each sensor
367   node~$s_j$ (with enough remaining energy) at the beginning of a period.}
368 \begin{figure}[t!]
369 \centering \includegraphics[width=125mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
370 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
371 \label{fig2}
372 \end{figure}
373
374 \begin{algorithm}[h!]                
375   \BlankLine  
376   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
377       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
378       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
379       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
380       
381       \emph{LeaderID = Leader election}\;
382       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
383         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
384         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
385           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
386         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
387         \emph{Send $ActiveSleep()$ packet to each node $k$ in subregion: a packet \\
388           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
389         \emph{Update $RE_j $}\;
390       }   
391       \Else{
392         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
393         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
394         \emph{Update $RE_j $}\;
395       }  
396   }
397   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
398   
399 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
400 \label{alg:MuDiLCO}
401 \end{algorithm}
402
403 \textcolor{blue}{As  already   described  in~\cite{idrees2015distributed}},  two
404 types of packets are used by the proposed protocol:
405 \begin{enumerate}[(a)] 
406 \item INFO  packet: such a packet  will be sent by  each sensor node to  all the
407   nodes inside a subregion for information exchange.
408 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
409   subregion to inform  them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
410   phase.
411 \end{enumerate}
412
413 There are five status for each sensor node in the network:
414 \begin{enumerate}[(a)] 
415 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
416 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected as  leader  and applies  the
417   optimization process;
418 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
419 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
420 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
421 \end{enumerate}
422
423 This  protocol minimizes  the  impact of  unexpected node  failure  (not due  to
424 batteries running out of energy), because it works in periods.  On the one hand,
425 if a  node failure  is detected before  making the decision,  the node  will not
426 participate to this  phase, and, on the  other hand, if the  node failure occurs
427 after  the  decision, the  sensing  task  of  the  network will  be  temporarily
428 affected: only  during the  period of  sensing until a  new period  starts.  The
429 duration of the rounds is a  predefined parameter. Round duration should be long
430 enough to  hide the  system control  overhead and short  enough to  minimize the
431 negative effects in case of node failures.
432
433 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
434 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
435 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
436 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
437 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
438 monitor the area.
439
440 At the beginning  of each period, each sensor which  has enough remaining energy
441 ($RE_j$) to be alive during at least  one round ($E_{R}$ is the amount of energy
442 required    to   be    alive   during    one   round)    sends   (line    3   of
443 Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO})  its position,  remaining  energy  $RE_j$, and  the
444 number of  neighbors $NBR_j$ to  all wireless sensor  nodes in its  subregion by
445 using an  INFO packet (containing  information on position  coordinates, current
446 remaining energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then
447 waits for packets sent by other nodes (line 4).
448
449 After that, each  node will have information  about all the sensor  nodes in the
450 subregion.  The  nodes in  the same  subregion will select  (line 5)  a Wireless
451 Sensor Node Leader (WSNL) based on the received information from all other nodes
452 in the  same subregion.   The selection  criteria are,  in order  of importance:
453 larger  number of  neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of
454 equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the
455 number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy
456 consumption due to the communications.
457
458 %Each WSNL will solve an integer program to  select which cover
459 %  sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
460 %  to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
461 %  WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
462 %  the algorithm's results,  indicating if the sensor should be  active or not in
463 %  each round of the sensing phase.
464 \subsection{Multiround Optimization model}
465 \label{mom}
466
467 As  shown in  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}  at  line 8,  the  leader (WNSL)  will
468 execute an  optimization algorithm  based on  an integer  program to  select the
469 cover sets to be activated in the following sensing phase to cover the subregion
470 to which it belongs.   $T$ cover sets will be produced, one  for each round. The
471 WSNL will send an  Active-Sleep packet to each sensor in  the subregion based on
472 the algorithm's results (line 10), indicating  if the sensor should be active or
473 not in each round of the sensing phase.
474
475 The integer  program is based on  the model proposed by  \cite{pedraza2006} with
476 some modifications, where the objective is  to find a maximum number of disjoint
477 cover sets.  To fulfill this goal, the authors proposed an integer program which
478 forces undercoverage and  overcoverage of targets to become minimal  at the same
479 time.  They use  binary variables $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to
480 cover  set  $l$.  In  our  model,  we  consider  binary variables  $X_{t,j}$  to
481 determine the possibility  of activating sensor $j$ during round  $t$ of a given
482 sensing phase.  We also consider primary  points as targets.  The set of primary
483 points is denoted by $P$ and the set  of sensors by $J$. Only sensors able to be
484 alive  during  at  least  one  round   are  involved  in  the  integer  program.
485 \textcolor{blue}{Note that the proposed integer  program is an
486   extension of the one   formulated  in~\cite{idrees2015distributed},  variables  are  now  indexed  in
487   addition with the number of round $t$.}
488
489 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
490 whether the point $p$ is covered, that is:
491 \begin{equation}
492 \alpha_{j,p} = \left \{ 
493 \begin{array}{l l}
494   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
495  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
496   0 & \mbox{otherwise.}\\
497 \end{array} \right.
498 %\label{eq12} 
499 \end{equation}
500 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
501 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
502 \begin{equation}
503 X_{t,j} = \left \{ 
504 \begin{array}{l l}
505   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
506   0 &  \mbox{otherwise.}\\
507 \end{array} \right.
508 %\label{eq11} 
509 \end{equation}
510 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
511 \begin{equation}
512  \Theta_{t,p} = \left \{ 
513 \begin{array}{l l}
514   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
515     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
516   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{t,j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
517 \end{array} \right.
518 \label{eq13} 
519 \end{equation}
520 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
521 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
522 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
523 defined by:
524 \begin{equation}
525 U_{t,p} = \left \{ 
526 \begin{array}{l l}
527   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
528   0 & \mbox{otherwise.}\\
529 \end{array} \right.
530 \label{eq14} 
531 \end{equation}
532
533 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
534 \begin{equation}
535  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{|P|} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
536 \end{equation}
537
538 Subject to
539 \begin{equation}
540   \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
541 \end{equation}
542
543 \begin{equation}
544   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{10 mm}\forall j \in J\hspace{6 mm} 
545   \label{eq144} 
546 \end{equation}
547
548 \begin{equation}
549 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
550 \end{equation}
551
552 \begin{equation}
553 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
554 \end{equation}
555
556 \begin{equation}
557  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
558 \end{equation}
559
560 \begin{itemize}
561 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
562   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
563 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
564   are covering the primary point $p$ during round $t$;
565 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
566   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
567   covered).
568 \end{itemize}
569
570 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
571 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
572 and undercoverage variables  help balancing the restriction  equations by taking
573 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
574 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
575 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
576 required to be alive during one round.
577
578 There are  two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
579 points in order to activate a minimum  number of sensors.  Second we prevent the
580 absence  of  monitoring  on  some  parts of  the  subregion  by  minimizing  the
581 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be properly  chosen so as
582 to guarantee  that the maximum number  of points are covered  during each round.
583 In our simulations,  priority is given to the coverage  by choosing $W_{U}$ very
584 large compared to $W_{\theta}$.
585
586 The size of the problem depends on  the number of variables and constraints. The
587 number of variables  is linked to the  number of alive sensors  $A \subseteq J$,
588 the  number of  rounds $T$,  and the  number of  primary points  $P$.  Thus  the
589 integer program contains  $A*T$ variables of type  $X_{t,j}$, $P*T$ overcoverage
590 variables and $P*T$ undercoverage variables.  The number of constraints is equal
591 to $P*T$ (for constraints (\ref{eq16})) $+$ $A$ (for constraints (\ref{eq144})).
592
593 \iffalse
594 \subsection{Sensing phase}
595
596 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
597 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
598 sleep for each  round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
599 will  be executed  by  each sensor  node~$s_j$  at the  beginning  of a  period,
600 explains how the Active-Sleep packet is obtained.
601 \fi
602
603 \section{Experimental framework}
604 \label{exp}
605
606 \subsection{Simulation setup}
607
608 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
609 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
610 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
611 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
612 results presented  hereafter are  the average  of these  25 runs.   We performed
613 simulations for five  different densities varying from 50  to 250~nodes deployed
614 over a  $50 \times 25~m^2  $ sensing field.   More precisely, the  deployment is
615 controlled at  a coarse  scale in order  to ensure that  the deployed  nodes can
616 cover the sensing field with the given sensing range.
617
618 \begin{table}[ht]
619 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
620 \centering
621 \begin{tabular}{c|c}
622   \hline
623 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
624 \hline
625 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
626 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
627 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
628 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
629 $E_{R}$ & 36 Joules\\
630 $R_s$ & 5~m   \\     
631 $W_{\theta}$ & 1   \\
632 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
633 \end{tabular}
634 \label{table3}
635 \end{table}
636
637 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
638 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the number  of
639 rounds in one sensing period). Since the time resolution may be prohibitive when
640 the size of  the problem increases, a  time limit threshold has  been fixed when
641 solving large  instances. In these cases,  the solver returns the  best solution
642 found, which  is not necessary  the optimal one. In  practice, we only  set time
643 limit values for  $T=5$ and $T=7$.  In  fact, for $T=5$ we limited  the time for
644 250~nodes,  whereas for  $T=7$  it  was for  the  three  largest network  sizes.
645 Therefore we  used the  following values  (in second):  0.03 for  250~nodes when
646 $T=5$, while for $T=7$ we chose 0.03,  0.06, and 0.08 for respectively 150, 200,
647 and 250~nodes.  These time limit thresholds have been set empirically. The basic
648 idea is to consider the average execution  time to solve the integer programs to
649 optimality for 100 nodes  and then to adjust the time  linearly according to the
650 increasing  network size.   After that,  this  threshold value  is increased  if
651 necessary so that the  solver is able to deliver a  feasible solution within the
652 time limit. In  fact, selecting the optimal  values for the time  limits will be
653 investigated in the future.
654
655  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
656  method,  called DESK  and proposed  by \cite{ChinhVu},  is a  fully distributed
657  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
658  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
659  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
660  phase time.
661
662 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
663 subregions  which subdivides  the sensing  field, considering  different network
664 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
665 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
666 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too many  subdivisions
667 reduce the advantage  of the optimization.  In fact, there  is a balance between
668 the benefit from the optimization and the  execution time needed to solve it. In
669 the following  we have  set the number  of subregions  to~16 \textcolor{blue}{as
670   recommended in~\cite{idrees2015distributed}}.
671
672 \subsection{Energy model}
673 \textcolor{blue}{The      energy     consumption      model     is      detailed
674   in~\cite{raghunathan2002energy}.   It  is   based   on   the  model   proposed
675   by~\cite{ChinhVu}. We refer to the sensor  node Medusa~II which uses an Atmels
676   AVR ATmega103L  microcontroller~\cite{raghunathan2002energy} to  use numerical
677   values.}  
678
679 \iffalse
680 \subsection{Energy model}
681
682 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
683 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
684 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
685 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
686
687 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
688 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
689 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
690 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
691 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
692 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
693 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
694 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
695 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
696 summarized in Table~\ref{table4}.
697
698 \begin{table}[ht]
699 \caption{The Energy Consumption Model}
700 \centering
701 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
702   \hline
703 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
704 \hline
705 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
706 \hline
707 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
708 \hline
709 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
710 \hline
711 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
712 \hline
713 \end{tabular}
714
715 \label{table4}
716 \end{table}
717
718 For the sake of simplicity we ignore the  energy needed to turn on the radio, to
719 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
720 Thus, when a sensor becomes active (i.e.,  it has already chosen its status), it
721 can turn its radio  off to save battery.  MuDiLCO uses two  types of packets for
722 communication. The size of the INFO  packet and Active-Sleep packet are 112~bits
723 and 24~bits  respectively.  The value  of energy  spent to send  a 1-bit-content
724 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
725 calculate the  energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
726 value for receiving  the packets. The energy  needed to send or  receive a 1-bit
727 packet is equal to 0.2575~mW.
728
729 The initial energy of each node is  randomly set in the interval $[500;700]$.  A
730 sensor node will  not participate in the  next round if its  remaining energy is
731 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
732 stay alive  during one round.  This  value has been computed  by multiplying the
733 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
734 (3600 seconds).   According to the interval  of initial energy, a  sensor may be
735 alive during at most 20 rounds.
736 \fi
737
738 \subsection{Metrics}
739
740 \textcolor{blue}{To evaluate  our approach  we consider the  performance metrics
741   detailed in~\cite{idrees2015distributed},  which are: Coverage  Ratio, Network
742   Lifetime  and  Energy  Consumption.   Compared to  the  previous  definitions,
743   formulations of  Coverage Ratio and  Energy Consumption are enriched  with the
744   index of round $t$.}
745
746 \begin{enumerate}[i]
747   
748 \item {{\bf Coverage  Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures  how much of the
749   area  of  a sensor  field  is  covered. In  our  case,  the sensing  field  is
750   represented as  a connected grid  of points  and we use  each grid point  as a
751   sample point to compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
752 \begin{equation*}
753 \scriptsize
754 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
755 \end{equation*}
756 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
757 subregions during round  $t$ in the current  sensing phase and $N$  is the total
758 number of grid points in the sensing field of the network. In our simulations $N
759 = 51 \times 26 = 1326$ grid points.
760
761 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
762   few  active  nodes  as possible  in  each  round,  in  order to  minimize  the
763   communication overhead and maximize the  network lifetime.  The Active Sensors
764   Ratio is defined as follows:
765 \begin{equation*}
766 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
767   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
768 \end{equation*}
769 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
770 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
771 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
772
773 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
774   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
775   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
776   the network  can satisfy  an area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
777   $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have been drained
778   of  their  energy   or  the  sensor  network   becomes  disconnected.  Network
779   connectivity is important  because an active sensor  node without connectivity
780   towards a  base station cannot  transmit information on  an event in  the area
781   that it monitors.
782
783 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
784   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
785   $Lifetime_{50}$  divided by  the  number of  rounds.  EC  can  be computed  as
786   follows:
787
788   \begin{equation*}
789     \scriptsize
790     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_m} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M} T_m},
791   \end{equation*}
792
793 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
794 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
795 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
796 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
797 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
798 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
799 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
800 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
801 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
802 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
803 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
804
805 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
806 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
807 \end{enumerate}
808
809 \iffalse
810 \begin{enumerate}
811  \setcounter{5}
812 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
813   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
814   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
815   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
816   
817 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
818   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
819   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
820   to network disconnections and for which round it occurs.
821
822 \end{enumerate}
823 \fi
824
825 \section{Experimental results and analysis}
826 \label{analysis}
827
828 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
829 \label{ch4:sec:04:06}
830
831 In this section,  we study the performance of MuDiLCO-1  approach (with only one
832 round  as  in~\cite{idrees2015distributed})  for different  numbers  of  primary
833 points. The  objective of this  comparison is to  select the suitable  number of
834 primary points to be used by  a MuDiLCO protocol.  In this comparison, MuDiLCO-1
835 protocol is used  with five primary point models, each  model corresponding to a
836 number of primary  points, which are called Model-5 (it  uses 5 primary points),
837 Model-9, Model-13,  Model-17, and  Model-21. \textcolor{blue}{Note
838   that the results
839   presented in~\cite{idrees2015distributed}  correspond to Model-13  (13 primary
840   points)}.
841
842 \subsubsection{Coverage ratio} 
843
844 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
845 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
846 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
847 worst.   Moreover, when  the number  of  periods increases,  the coverage  ratio
848 produced by all models decrease due to  dead nodes.  However, Model-5 is the one
849 with the slowest decrease due to lower  numbers of active sensors in the earlier
850 periods.  Overall  this model is  slightly more  efficient than the  other ones,
851 because it offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
852
853 \begin{figure}[t!]
854 \centering
855  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
856 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
857 \label{Figures/ch4/R2/CR}
858 \end{figure} 
859
860 \subsubsection{Network lifetime}
861
862 Finally, we study the  effect of increasing the number of  primary points on the
863 lifetime of  the network.  As highlighted  by Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)
864 and \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b),  the network  lifetime obviously  increases when
865 the  size of  the network  increases, with  Model-5 which  leads to  the largest
866 lifetime improvement.
867
868 \begin{figure}[h!]
869 \centering
870 \centering
871 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
872
873 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
874
875 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
876   \label{Figures/ch4/R2/LT}
877 \end{figure}
878
879 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
880 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
881 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
882 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
883 experiments presented thereafter.
884
885 \subsection{Coverage ratio} 
886
887 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
888 can notice  that for the  first 30~rounds both DESK  and GAF provide  a coverage
889 which is a little  bit better than the one of MuDiLCO.  This  is due to the fact
890 that, in comparison with MuDiLCO which  uses optimization to put in SLEEP status
891 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
892 consequence,  when the  number  of rounds  increases, a  larger  number of  node
893 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
894 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
895 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the proposed  sensor activity
896 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
897 the area of interest  for a larger number of rounds. It  also means that MuDiLCO
898 saves more energy,  with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
899 should extend  the network lifetime.  MuDiLCO-7  seems to have most  of the time
900 the best coverage ratio up to round~80, after that MuDiLCO-5 is slightly better.
901
902 \begin{figure}[ht!]
903 \centering
904  \includegraphics[scale=0.5] {F/CR.pdf} 
905 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
906 \label{fig3}
907 \end{figure} 
908
909 \subsection{Active sensors ratio} 
910
911 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
912 minimize    the    communication    overhead   and    maximize    the    network
913 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
914 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
915 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
916 MuDiLCO clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes.  Obviously,
917 in that case DESK and GAF have less active nodes, since they have activated many
918 nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more
919 efficient manner.
920
921 \begin{figure}[ht!]
922 \centering
923 \includegraphics[scale=0.5]{F/ASR.pdf}  
924 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
925 \label{fig4}
926 \end{figure} 
927
928 \subsection{Stopped simulation runs}
929
930 A simulation ends  when the sensor network becomes disconnected  (some nodes are
931 dead and are not  able to send information to the base  station).  We report the
932 number of  simulations that are  stopped due  to network disconnections  and for
933 which round it  occurs.  Figure~\ref{fig6} reports the  cumulative percentage of
934 stopped simulations  runs per round for  150 deployed nodes.  This  figure gives
935 the  break  point  for  each  method.  DESK  stops  first,  after  approximately
936 45~rounds, because it consumes  the more energy by turning on  a large number of
937 redundant nodes during the sensing phase. GAF stops secondly for the same reason
938 than DESK.  Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network
939 in a subregion is still connected.
940
941 \begin{figure}[ht!]
942 \centering
943 \includegraphics[scale=0.5]{F/SR.pdf} 
944 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes}
945 \label{fig6}
946 \end{figure} 
947
948 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
949
950 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
951 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
952 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
953 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
954 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
955
956 \begin{figure}[h!]
957   \centering
958   \begin{tabular}{cl}
959     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC95.pdf}} & (a) \\
960     \verb+ + \\
961     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC50.pdf}} & (b)
962   \end{tabular}
963   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
964     (b) $Lifetime_{50}$}
965   \label{fig7}
966 \end{figure} 
967
968 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
969 consumption point of view.  The other  approaches have a high energy consumption
970 due to  activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
971 consumed during the different status of the sensor node.
972
973 Energy consumption  increases with the  size of the  networks and the  number of
974 rounds.  The curve Unlimited-MuDiLCO-7 shows  that energy consumption due to the
975 time spent to optimally solve the integer program increases drastically with the
976 size  of the  network. When  the resolution  time is  limited for  large network
977 sizes, the  energy consumption remains  of the  same order whatever  the MuDiLCO
978 version. As can be seen with MuDiLCO-7.
979
980 \subsection{Execution time}
981 \label{et}
982
983 We observe  the impact of the  network size and of  the number of rounds  on the
984 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
985 seconds  (needed to  solve the  optimization  problem) for  different values  of
986 $T$. The  modeling language  for Mathematical Programming  (AMPL)~\cite{AMPL} is
987 employed to  generate the Mixed  Integer Linear  Program instance in  a standard
988 format,  which is  then read  and solved  by the  optimization solver  GLPK (GNU
989 linear Programming  Kit available  in the public  domain) \cite{glpk}  through a
990 Branch-and-Bound method.  The original  execution time is  computed on  a laptop
991 DELL  with Intel  Core~i3~2370~M  (2.4 GHz)  processor (2  cores)  and the  MIPS
992 (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the
993 use of a  sensor node with Atmels  AVR ATmega103L microcontroller (6  MHz) and a
994 MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied
995 by 2944.2  $\left( \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on
996 Figure~\ref{fig77} for different network sizes.
997
998 \begin{figure}[ht!]
999 \centering
1000 \includegraphics[scale=0.5]{F/T.pdf}  
1001 \caption{Execution Time (in seconds)}
1002 \label{fig77}
1003 \end{figure} 
1004
1005 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1006 into account to  schedule the sensing phase. Obviously, the  number of variables
1007 and  constraints of  the integer  program increases  with $T$,  as explained  in
1008 section~\ref{mom}, the times obtained for $T=1,3$  or $5$ seem bearable. But for
1009 $T=7$, without any limitation of the  time, they become quickly unsuitable for a
1010 sensor node, especially  when the sensor network size  increases as demonstrated
1011 by  Unlimited-MuDiLCO-7.   Notice  that  for  250 nodes,  we  also  limited  the
1012 execution   time  for   $T=5$,  otherwise   the  execution   time,  denoted   by
1013 Unlimited-MuDiLCO-5, is  also above MuDiLCO-7.  On  the one hand, a  large value
1014 for  $T$ permits  to reduce  the energy-overhead  due to  the three  pre-sensing
1015 phases, on  the other  hand a  leader node  may waste  a considerable  amount of
1016 energy to solve the optimization problem. Thus, limiting the time resolution for
1017 large instances  allows to reduce the  energy consumption without any  impact on
1018 the coverage quality.
1019
1020 \subsection{Network lifetime}
1021
1022 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1023 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1024 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network lifetime  increases
1025 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1026 node  density  which results  in  more  and more  redundant  nodes  that can  be
1027 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1028 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the gain  in
1029 lifetime for a coverage  over 95\%, and a network of  250~nodes, is greater than
1030 43\% when switching from GAF to MuDiLCO-5.
1031 %The lower performance that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1032 %of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1033 %difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1034 %This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1035 %energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1036 %linked.
1037 Overall, it  clearly appears that computing  a scheduling for several  rounds is
1038 possible  and  relevant,  providing  that   the  execution  time  to  solve  the
1039 optimization problem  for large instances  is limited.  Notice that  rather than
1040 limiting the execution time, similar results  might be obtained by replacing the
1041 computation of the exact  solution with the finding of a  suboptimal one using a
1042 heuristic  approach. For  our  simulation setup  and  considering the  different
1043 metrics, MuDiLCO-5 seems to be the best suited method compared to MuDiLCO-7.
1044
1045 \begin{figure}[t!]
1046   \centering
1047   \begin{tabular}{cl}
1048     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT95.pdf}} & (a) \\
1049     \verb+ + \\
1050     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{F/LT50.pdf}} & (b)
1051   \end{tabular}
1052   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1053     (b) $Lifetime_{50}$}
1054   \label{fig8}
1055 \end{figure} 
1056
1057 \section{Conclusion and future works}
1058 \label{sec:conclusion}
1059
1060 We have addressed  the problem of the coverage and  of the lifetime optimization
1061 in wireless sensor networks.   This is a key issue as  sensor nodes have limited
1062 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1063 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions using  the
1064 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1065 optimizes coverage and  lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1066 called MuDiLCO (Multiround Distributed  Lifetime Coverage Optimization) combines
1067 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1068 scheduling. The  activity scheduling in  each subregion works in  periods, where
1069 each  period consists  of four  phases:  (i) Information  Exchange, (ii)  Leader
1070 Election, (iii)  Decision Phase  to plan  the activity of  the sensors  over $T$
1071 rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into $T$ rounds.
1072
1073 Simulations results  show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1074 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1075 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1076 approach, like the one  we propose, allows to reduce the  difficulty of a single
1077 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1078 subregion, that can  be solved more easily. Furthermore, results  also show that
1079 to plan the activity of sensors for large network sizes, an approach to obtain a
1080 near optimal solution  is needed.  Indeed, an exact resolution  of the resulting
1081 optimization  problem leads  to prohibitive  computation  times and  thus to  an
1082 excessive energy consumption.
1083
1084 %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
1085 %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.
1086 % use section* for acknowledgement
1087
1088 \section*{Acknowledgment}
1089 This  work   is  partially  funded   by  the  Labex  ACTION   program  (contract
1090 ANR-11-LABX-01-01). Ali Kadhum  IDREES would like to  gratefully acknowledge the
1091 University of  Babylon - Iraq for  the financial support and  Campus France (The
1092 French  national agency  for the  promotion of  higher education,  international
1093 student services, and  international mobility) for the support  received when he
1094 was Ph.D. student in France.
1095 %, and the University ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France.
1096
1097
1098
1099
1100 %% \linenumbers
1101
1102 %% main text
1103 %\section{}
1104 %\label{}
1105
1106 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1107 %% appendix sections are then done as normal sections
1108 %% \appendix
1109
1110 %% \section{}
1111 %% \label{}
1112
1113 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1114 %% bibitems, please use
1115 %%
1116 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1117 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1118 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1119 %% TeX file.
1120
1121 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1122 \bibliography{article}
1123   
1124 \end{document}
1125
1126 %%\bibitem{}
1127
1128 %\end{thebibliography}
1129 %\end{document}
1130 \endinput
1131 %%
1132 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.