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1
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43
44 \journal{Journal of Supercomputing}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
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51
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69
70 \title{Multiround 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
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{black}{ 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{black}{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{black}{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{black}{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{black}{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{black}{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
594 \section{Experimental framework}
595 \label{exp}
596
597 \subsection{Simulation setup}
598
599 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
600 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
601 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
602 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
603 results presented  hereafter are  the average  of these  25 runs.   We performed
604 simulations for five  different densities varying from 50  to 250~nodes deployed
605 over a  $50 \times 25~m^2  $ sensing field.   More precisely, the  deployment is
606 controlled at  a coarse  scale in order  to ensure that  the deployed  nodes can
607 cover the sensing field with the given sensing range.
608
609 \begin{table}[ht]
610 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
611 \centering
612 \begin{tabular}{c|c}
613   \hline
614 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
615 \hline
616 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
617 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
618 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
619 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
620 $E_{R}$ & 36 Joules\\
621 $R_s$ & 5~m   \\     
622 $W_{\theta}$ & 1   \\
623 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
624 \end{tabular}
625 \label{table3}
626 \end{table}
627
628 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
629 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the number  of
630 rounds in one sensing period). Since the time resolution may be prohibitive when
631 the size of  the problem increases, a  time limit threshold has  been fixed when
632 solving large  instances. In these cases,  the solver returns the  best solution
633 found, which  is not necessary  the optimal one. In  practice, we only  set time
634 limit values for  $T=5$ and $T=7$.  In  fact, for $T=5$ we limited  the time for
635 250~nodes,  whereas for  $T=7$  it  was for  the  three  largest network  sizes.
636 Therefore we  used the  following values  (in second):  0.03 for  250~nodes when
637 $T=5$, while for $T=7$ we chose 0.03,  0.06, and 0.08 for respectively 150, 200,
638 and 250~nodes.  These time limit thresholds have been set empirically. The basic
639 idea is to consider the average execution  time to solve the integer programs to
640 optimality for 100 nodes  and then to adjust the time  linearly according to the
641 increasing  network size.   After that,  this  threshold value  is increased  if
642 necessary so that the  solver is able to deliver a  feasible solution within the
643 time limit. In  fact, selecting the optimal  values for the time  limits will be
644 investigated in the future.
645
646  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
647  method,  called DESK  and proposed  by \cite{ChinhVu},  is a  fully distributed
648  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
649  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
650  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
651  phase time.
652
653 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
654 subregions  which subdivides  the sensing  field, considering  different network
655 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
656 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
657 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too many  subdivisions
658 reduce the advantage  of the optimization.  In fact, there  is a balance between
659 the benefit from the optimization and the  execution time needed to solve it. In
660 the following  we have  set the number  of subregions  to~16 \textcolor{black}{as
661   recommended in~\cite{idrees2015distributed}}.
662
663 \subsection{Energy model}
664 \textcolor{black}{The      energy     consumption      model     is      detailed
665   in~\cite{raghunathan2002energy}.   It  is   based   on   the  model   proposed
666   by~\cite{ChinhVu}. We refer to the sensor  node Medusa~II which uses an Atmels
667   AVR ATmega103L  microcontroller~\cite{raghunathan2002energy} to  use numerical
668   values.}  
669
670 \subsection{Metrics}
671
672 \textcolor{black}{To evaluate  our approach  we consider the  performance metrics
673   detailed in~\cite{idrees2015distributed},  which are: Coverage  Ratio, Network
674   Lifetime  and  Energy  Consumption.   Compared to  the  previous  definitions,
675   formulations of  Coverage Ratio and  Energy Consumption are enriched  with the
676   index of round $t$.}
677
678 \begin{enumerate}[i]
679   
680 \item {{\bf Coverage  Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures  how much of the
681   area  of  a sensor  field  is  covered. In  our  case,  the sensing  field  is
682   represented as  a connected grid  of points  and we use  each grid point  as a
683   sample point to compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
684 \begin{equation*}
685 \scriptsize
686 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
687 \end{equation*}
688 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
689 subregions during round  $t$ in the current  sensing phase and $N$  is the total
690 number of grid points in the sensing field of the network. In our simulations $N
691 = 51 \times 26 = 1326$ grid points.
692
693 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
694   few  active  nodes  as possible  in  each  round,  in  order to  minimize  the
695   communication overhead and maximize the  network lifetime.  The Active Sensors
696   Ratio is defined as follows:
697 \begin{equation*}
698 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
699   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
700 \end{equation*}
701 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
702 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
703 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
704
705 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
706   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
707   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
708   the network  can satisfy  an area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
709   $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have been drained
710   of  their  energy   or  the  sensor  network   becomes  disconnected.  Network
711   connectivity is important  because an active sensor  node without connectivity
712   towards a  base station cannot  transmit information on  an event in  the area
713   that it monitors.
714
715 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
716   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
717   $Lifetime_{50}$  divided by  the  number of  rounds.  EC  can  be computed  as
718   follows:
719
720   \begin{equation*}
721     \scriptsize
722     \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},
723   \end{equation*}
724
725 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
726 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
727 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
728 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
729 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
730 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
731 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
732 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
733 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
734 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
735 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
736
737 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
738 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
739 \end{enumerate}
740
741
742
743 \section{Experimental results and analysis}
744 \label{analysis}
745
746 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
747 \label{ch4:sec:04:06}
748
749 In this section,  we study the performance of MuDiLCO-1  approach (with only one
750 round  as  in~\cite{idrees2015distributed})  for different  numbers  of  primary
751 points. The  objective of this  comparison is to  select the suitable  number of
752 primary points to be used by  a MuDiLCO protocol.  In this comparison, MuDiLCO-1
753 protocol is used  with five primary point models, each  model corresponding to a
754 number of primary  points, which are called Model-5 (it  uses 5 primary points),
755 Model-9, Model-13,  Model-17, and  Model-21. \textcolor{black}{Note
756   that the results
757   presented in~\cite{idrees2015distributed}  correspond to Model-13  (13 primary
758   points)}.
759
760 \subsubsection{Coverage ratio} 
761
762 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
763 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
764 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
765 worst.   Moreover, when  the number  of  periods increases,  the coverage  ratio
766 produced by all models decrease due to  dead nodes.  However, Model-5 is the one
767 with the slowest decrease due to lower  numbers of active sensors in the earlier
768 periods.  Overall  this model is  slightly more  efficient than the  other ones,
769 because it offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
770
771 \begin{figure}[t!]
772 \centering
773  \includegraphics[scale=0.5] {R2CR.pdf} 
774 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
775 \label{Figures/ch4/R2/CR}
776 \end{figure} 
777
778 \subsubsection{Network lifetime}
779
780 Finally, we study the  effect of increasing the number of  primary points on the
781 lifetime of  the network.  As highlighted  by Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)
782 and \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b),  the network  lifetime obviously  increases when
783 the  size of  the network  increases, with  Model-5 which  leads to  the largest
784 lifetime improvement.
785
786 \begin{figure}[h!]
787 \centering
788 \centering
789 \includegraphics[scale=0.5]{R2LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
790
791 \includegraphics[scale=0.5]{R2LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
792
793 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
794   \label{Figures/ch4/R2/LT}
795 \end{figure}
796
797 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
798 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
799 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
800 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
801 experiments presented thereafter.
802
803 \subsection{Coverage ratio} 
804
805 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
806 can notice  that for the  first 30~rounds both DESK  and GAF provide  a coverage
807 which is a little  bit better than the one of MuDiLCO.  This  is due to the fact
808 that, in comparison with MuDiLCO which  uses optimization to put in SLEEP status
809 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
810 consequence,  when the  number  of rounds  increases, a  larger  number of  node
811 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
812 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
813 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the proposed  sensor activity
814 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
815 the area of interest  for a larger number of rounds. It  also means that MuDiLCO
816 saves more energy,  with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
817 should extend  the network lifetime.  MuDiLCO-7  seems to have most  of the time
818 the best coverage ratio up to round~80, after that MuDiLCO-5 is slightly better.
819
820 \begin{figure}[ht!]
821 \centering
822  \includegraphics[scale=0.5] {FCR.pdf} 
823 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
824 \label{fig3}
825 \end{figure} 
826
827 \subsection{Active sensors ratio} 
828
829 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
830 minimize    the    communication    overhead   and    maximize    the    network
831 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
832 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
833 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
834 MuDiLCO clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes.  Obviously,
835 in that case DESK and GAF have less active nodes, since they have activated many
836 nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more
837 efficient manner.
838
839 \begin{figure}[ht!]
840 \centering
841 \includegraphics[scale=0.5]{FASR.pdf}  
842 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
843 \label{fig4}
844 \end{figure} 
845
846 \subsection{Stopped simulation runs}
847
848 A simulation ends  when the sensor network becomes disconnected  (some nodes are
849 dead and are not  able to send information to the base  station).  We report the
850 number of  simulations that are  stopped due  to network disconnections  and for
851 which round it  occurs.  Figure~\ref{fig6} reports the  cumulative percentage of
852 stopped simulations  runs per round for  150 deployed nodes.  This  figure gives
853 the  break  point  for  each  method.  DESK  stops  first,  after  approximately
854 45~rounds, because it consumes  the more energy by turning on  a large number of
855 redundant nodes during the sensing phase. GAF stops secondly for the same reason
856 than DESK.  Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network
857 in a subregion is still connected.
858
859 \begin{figure}[ht!]
860 \centering
861 \includegraphics[scale=0.5]{FSR.pdf} 
862 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes}
863 \label{fig6}
864 \end{figure} 
865
866 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
867
868 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
869 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
870 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
871 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
872 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
873
874 \begin{figure}[h!]
875   \centering
876   \begin{tabular}{cl}
877     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{FEC95.pdf}} & (a) \\
878     \verb+ + \\
879     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{FEC50.pdf}} & (b)
880   \end{tabular}
881   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
882     (b) $Lifetime_{50}$}
883   \label{fig7}
884 \end{figure} 
885
886 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
887 consumption point of view.  The other  approaches have a high energy consumption
888 due to  activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
889 consumed during the different status of the sensor node.
890
891 Energy consumption  increases with the  size of the  networks and the  number of
892 rounds.  The curve Unlimited-MuDiLCO-7 shows  that energy consumption due to the
893 time spent to optimally solve the integer program increases drastically with the
894 size  of the  network. When  the resolution  time is  limited for  large network
895 sizes, the  energy consumption remains  of the  same order whatever  the MuDiLCO
896 version. As can be seen with MuDiLCO-7.
897
898 \subsection{Execution time}
899 \label{et}
900
901 We observe  the impact of the  network size and of  the number of rounds  on the
902 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
903 seconds  (needed to  solve the  optimization  problem) for  different values  of
904 $T$. The  modeling language  for Mathematical Programming  (AMPL)~\cite{AMPL} is
905 employed to  generate the Mixed  Integer Linear  Program instance in  a standard
906 format,  which is  then read  and solved  by the  optimization solver  GLPK (GNU
907 linear Programming  Kit available  in the public  domain) \cite{glpk}  through a
908 Branch-and-Bound method.  The original  execution time is  computed on  a laptop
909 DELL  with Intel  Core~i3~2370~M  (2.4 GHz)  processor (2  cores)  and the  MIPS
910 (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the
911 use of a  sensor node with Atmels  AVR ATmega103L microcontroller (6  MHz) and a
912 MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied
913 by 2944.2  $\left( \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on
914 Figure~\ref{fig77} for different network sizes.
915
916 \begin{figure}[ht!]
917 \centering
918 \includegraphics[scale=0.5]{FT.pdf}  
919 \caption{Execution Time (in seconds)}
920 \label{fig77}
921 \end{figure} 
922
923 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
924 into account to  schedule the sensing phase. Obviously, the  number of variables
925 and  constraints of  the integer  program increases  with $T$,  as explained  in
926 section~\ref{mom}, the times obtained for $T=1,3$  or $5$ seem bearable. But for
927 $T=7$, without any limitation of the  time, they become quickly unsuitable for a
928 sensor node, especially  when the sensor network size  increases as demonstrated
929 by  Unlimited-MuDiLCO-7.   Notice  that  for  250 nodes,  we  also  limited  the
930 execution   time  for   $T=5$,  otherwise   the  execution   time,  denoted   by
931 Unlimited-MuDiLCO-5, is  also above MuDiLCO-7.  On  the one hand, a  large value
932 for  $T$ permits  to reduce  the energy-overhead  due to  the three  pre-sensing
933 phases, on  the other  hand a  leader node  may waste  a considerable  amount of
934 energy to solve the optimization problem. Thus, limiting the time resolution for
935 large instances  allows to reduce the  energy consumption without any  impact on
936 the coverage quality.
937
938 \subsection{Network lifetime}
939
940 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
941 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
942 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network lifetime  increases
943 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
944 node  density  which results  in  more  and more  redundant  nodes  that can  be
945 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
946 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the gain  in
947 lifetime for a coverage  over 95\%, and a network of  250~nodes, is greater than
948 43\% when switching from GAF to MuDiLCO-5.
949 %The lower performance that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
950 %of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
951 %difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
952 %This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
953 %energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
954 %linked.
955 Overall, it  clearly appears that computing  a scheduling for several  rounds is
956 possible  and  relevant,  providing  that   the  execution  time  to  solve  the
957 optimization problem  for large instances  is limited.  Notice that  rather than
958 limiting the execution time, similar results  might be obtained by replacing the
959 computation of the exact  solution with the finding of a  suboptimal one using a
960 heuristic  approach. For  our  simulation setup  and  considering the  different
961 metrics, MuDiLCO-5 seems to be the best suited method compared to MuDiLCO-7.
962
963 \begin{figure}[t!]
964   \centering
965   \begin{tabular}{cl}
966     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{FLT95.pdf}} & (a) \\
967     \verb+ + \\
968     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5125]{FLT50.pdf}} & (b)
969   \end{tabular}
970   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
971     (b) $Lifetime_{50}$}
972   \label{fig8}
973 \end{figure} 
974
975 \section{Conclusion and future works}
976 \label{sec:conclusion}
977
978 We have addressed  the problem of the coverage and  of the lifetime optimization
979 in wireless sensor networks.   This is a key issue as  sensor nodes have limited
980 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
981 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions using  the
982 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
983 optimizes coverage and  lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
984 called MuDiLCO (Multiround Distributed  Lifetime Coverage Optimization) combines
985 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
986 scheduling. The  activity scheduling in  each subregion works in  periods, where
987 each  period consists  of four  phases:  (i) Information  Exchange, (ii)  Leader
988 Election, (iii)  Decision Phase  to plan  the activity of  the sensors  over $T$
989 rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into $T$ rounds.
990
991 Simulations results  show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
992 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
993 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
994 approach, like the one  we propose, allows to reduce the  difficulty of a single
995 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
996 subregion, that can  be solved more easily. Furthermore, results  also show that
997 to plan the activity of sensors for large network sizes, an approach to obtain a
998 near optimal solution  is needed.  Indeed, an exact resolution  of the resulting
999 optimization  problem leads  to prohibitive  computation  times and  thus to  an
1000 excessive energy consumption.
1001
1002 %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
1003 %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.
1004 % use section* for acknowledgement
1005
1006 \section*{Acknowledgment}
1007 This  work   is  partially  funded   by  the  Labex  ACTION   program  (contract
1008 ANR-11-LABX-01-01). Ali Kadhum  IDREES would like to  gratefully acknowledge the
1009 University of  Babylon - Iraq for  the financial support and  Campus France (The
1010 French  national agency  for the  promotion of  higher education,  international
1011 student services, and  international mobility) for the support  received when he
1012 was Ph.D. student in France.
1013 %, and the University ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France.
1014
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