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

Private GIT Repository
a3fb2092f1426f674c1981f2d9b5e82f8f969212
[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{Ad Hoc Networks}
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 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
79 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
80 %\thanks{}% <-this % stops a space
81  
82 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
83 e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
84 $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
85
86 \begin{abstract}
87 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
88 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
89 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
90 %region) of  interest. 
91 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
92 (WSNs). In this paper, a method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
93 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
94 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
95 divided  into subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
96 sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works into periods
97 during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of
98 rounds  during the  sensing phase,  to  ensure coverage  so as  to maximize  the
99 lifetime of  WSN.  The decision process is  carried out by a  leader node, which
100 solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
101 during the rounds  of the sensing phase. Compared  with some existing protocols,
102 simulation  results based  on  multiple criteria  (energy consumption,  coverage
103 ratio, and  so on) show that  the proposed protocol can  prolong efficiently the
104 network lifetime and improve the coverage performance.
105
106 \end{abstract}
107
108 \begin{keyword}
109 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
110 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
111
112 \end{keyword}
113
114 \end{frontmatter}
115
116 \section{Introduction}
117  
118 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
119 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
120 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
121 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
122 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
123 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
124 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
125 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
126 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
127
128 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
129 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
130 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
131 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
132 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
133 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
134 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
135 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
136 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
137 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
138
139 % One of the major scientific research challenges in WSNs, which are addressed by a large number of literature during the last few years is to design energy efficient approaches for coverage and connectivity in WSNs~\cite{conti2014mobile}. The coverage problem is one  of the
140 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
141 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
142 %design~\cite{Sudip03}, where it is difficult to replace and/or recharge their batteries because the the area of interest nature (such as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN
143 %deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be exploited to increase  the lifetime of the network. However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time
144 %leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
145 %some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. 
146
147 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
148 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
149 %The area of interest is divided into subregions.
150
151 % Each period includes four phases starts with a discovery phase to exchange information among the sensors of the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a sensor node as leader to carry out a coverage strategy.  This coverage strategy involves the solving of an integer program by the leader,  to optimize the coverage and the lifetime in the subregion by producing a sets of sensor nodes in order to take the mission of coverage preservation during several rounds in the sensing phase. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due to too many node failures.  
152
153 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
154 % Section~\ref{rw}
155 reviews  the related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
156 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} shows the simulation results
157 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
158 demonstrate  the  usefulness  of   the  proposed  approach.   Finally,  we  give
159 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
160 Section~\ref{sec:conclusion}.
161
162
163 %%RC : Related works good for a phd thesis but too long for a paper. Ali you  need to learn to .... summarize :-)
164 \section{Related works} % Trop proche de l'etat de l'art de l'article de Zorbas ?
165 \label{rw}
166
167 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
168 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
169 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
170 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
171 algorithms in WSNs according to several design choices:
172 \begin{itemize}
173 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
174   distributed/localized algorithms.
175 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
176   to minimize the number of sensors during a sensing round.
177 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
178   or communication capabilities.
179 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
180 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
181 \end{itemize}
182
183 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
184 many cover sets) can be added to the above list.
185 % The independency in the cover set (i.e. whether the cover sets are disjoint or non-disjoint) \cite{zorbas2010solving} is another design choice that can be added to the above list.
186
187 \subsection{Centralized approaches}
188
189 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
190 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
191 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
192 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
193 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
194 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
195 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
196 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
197 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
198 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
199 size increases.
200
201 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
202 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
203 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.     In
204 the   case  of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
205 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
206 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
207 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
208 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
209 scheduling  policies are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
210 involved in more than one cover sets.
211 %For instance, the proposed work in ~\cite{cardei2005energy, berman04}    
212
213 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors have  considered  a linear  programming
214 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
215 preserve  a  maximum coverage  and  extend lifetime  of  the  network. Cheng  et
216 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
217 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
218 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
219 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
220 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
221 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
222 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
223 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
224
225 \subsection{Distributed approaches}
226 %{\bf Distributed approaches}
227 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
228 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
229 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
230 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
231 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
232 covers.
233
234 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
235 to          preserve         coverage,          see          for         example
236 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,       yardibi2010distributed,
237   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms  typically operate  in
238 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
239 exchanges information with  its neighbors and makes a  decision to either remain
240 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
241 simple     greedy     criteria    like     the     largest    uncovered     area
242 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
243 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
244 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require  location information of
245 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
246 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
247 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
248 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due  to the
249 absence of location information.  In  \cite{ChinhVu}, the author have designed a
250 novel distributed heuristic,  called Distributed Energy-efficient Scheduling for
251 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
252 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
253 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor
254 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
255 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
256
257 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
258 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
259 %In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We consider only distributing the coverage protocol over two subregions. 
260
261 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
262 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
263 which aims to extend the network  lifetime, while the coverage is ensured.  More
264 recently, Shibo  et al.  \cite{Shibo} have  expressed the coverage  problem as a
265 minimum weight submodular set cover problem and proposed a Distributed Truncated
266 Greedy Algorithm (DTGA) to solve it.  They take advantage from both temporal and
267 spatial  correlations between  data sensed  by different  sensors,  and leverage
268 prediction, to improve the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et al.  have
269 described an algorithm, called  Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses
270 geographic location information to divide the area of interest into fixed square
271 grids.   Within each grid,  it keeps  only one  node staying  awake to  take the
272 responsibility of sensing and communication.
273
274 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
275 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
276 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
277 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
278
279 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
280 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
281 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
282 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
283 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
284 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
285 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
286 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
287 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
288 a single round optimization in our previous work.
289
290 \iffalse
291    
292 \subsection{Centralized Approaches}
293 %{\bf Centralized approaches}
294 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
295 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
296 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
297 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
298 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
299 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
300 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
301 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
302 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
303 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
304 size increases.
305
306 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
307 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
308 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
309 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
310 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
311 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
312 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
313 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
314 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
315 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
316 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
317 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
318 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
319 provide complete coverage of the monitoring zone.
320
321 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
322 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
323 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
324 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
325 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
326 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
327 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
328 complexity of the mixed integer programming resolution.
329
330 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
331 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
332 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
333 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
334 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
335 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
336 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
337 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
338 Also, they require  a smaller number of node participations  in order to achieve
339 these results.
340
341 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
342 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
343 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
344 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
345 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
346 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
347 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
348 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
349 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
350 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
351 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
352 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
353 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
354 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
355 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
356 optimal solution, is also proposed.
357
358 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
359 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
360 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
361 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
362 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
363 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
364 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
365 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
366 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
367 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
368 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
369
370 \subsection{Distributed approaches}
371 %{\bf Distributed approaches}
372 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
373 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
374 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
375 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
376 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
377 covers.
378
379 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
380 to          preserve         coverage,          see          for         example
381 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,yardibi2010distributed}.
382 Distributed  algorithms   typically  operate  in  rounds   for  a  predetermined
383 duration. At  the beginning of each  round, a sensor  exchanges information with
384 its neighbors and makes a decision to  either remain turned on or to go to sleep
385 for the  round. This decision is  basically made on simple  greedy criteria like
386 the largest  uncovered area \cite{Berman05efficientenergy}  or maximum uncovered
387 targets  \cite{lu2003coverage}.   In  \cite{Tian02},  the scheduling  scheme  is
388 divided into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by a
389 sensing phase.  Each sensor broadcasts  a message containing the node~ID and the
390 node  location to  its  neighbors at  the  beginning of  each  round.  A  sensor
391 determines its status by a rule named off-duty eligible rule, which tells him to
392 turn off if its  sensing area is covered by its neighbors.  A back-off scheme is
393 introduced to let each sensor delay the decision process with a random period of
394 time, in  order to  avoid simultaneous conflicting  decisions between  nodes and
395 lack  of coverage  on any  area.   In \cite{prasad2007distributed}  a model  for
396 capturing  the dependencies  between  different  cover sets  is  defined and  it
397 proposes localized heuristic based on this dependency. The algorithm consists of
398 two  phases,  an initial  setup  phase during  which  each  sensor computes  and
399 prioritizes  the covers  and  a sensing  phase  during which  each sensor  first
400 decides  its on/off  status, and  then remains  on or  off for  the rest  of the
401 duration. 
402
403 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
404 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
405 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
406 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
407 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
408 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
409 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
410 information.  In  \cite{ChinhVu}, the author  have proposed a  novel distributed
411 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
412 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
413 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
414 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
415 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
416 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
417
418 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
419 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
420 %In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We consider only distributing the coverage protocol over two subregions. 
421
422 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
423 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
424 which aims  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
425 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
426 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
427 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
428 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
429 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
430 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
431 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
432 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
433 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
434 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
435 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
436 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
437 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
438 communication.
439
440 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
441 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
442 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
443 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
444
445 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
446 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
447 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
448 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
449 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
450 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
451 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
452 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
453 approach.
454
455
456
457
458 \fi
459 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
460 %(1) The high coverage ratio, (2) The reduced number of active nodes, (3) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, (4) The distributed dynamic leader election at each round based on some priority factors that led to energy consumption balancing among the nodes in the same subregion, (5) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, (6) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes for a multirounds to take the mission of the coverage in each subregion, (7) The very low energy consumption, (8) The higher network lifetime.
461 %\section{Preliminaries}
462 %\label{Pr}
463
464 %Network Lifetime
465
466 %\subsection{Network Lifetime}
467 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
468 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
469 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
470 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
471 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
472 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
473 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
474 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
475 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
476 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
477 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
478 %transmit information on an event in the area that it monitors.
479
480 \section{MuDiLCO protocol description}
481 \label{pd}
482
483 %Our work will concentrate on the area coverage by design
484 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
485 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
486 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
487 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
488 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
489 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
490 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
491 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
492 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
493 %simultaneously).
494
495 %In this section, we introduce a Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol, which is called MuDiLCO. It is  distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two efficient techniques: network
496 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
497 %The main features of our MuDiLCO protocol:
498 %i)It divides the area of interest into subregions by using divide-and-conquer concept, ii)It requires only the information of the nodes within the subregion, iii) it divides the network lifetime into periods, which consists in round(s), iv)It based on the autonomous distributed decision by the nodes in the subregion to elect the Leader, v)It apply the activity scheduling based optimization on the subregion, vi)  it achieves an energy consumption balancing among the nodes in the subregion by selecting different nodes as a leader during the network lifetime, vii) It uses the optimization to select the best representative non-disjoint sets of sensors in the subregion by optimize the coverage and the lifetime over the area of interest, viii)It uses our proposed primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a simple energy model that takes communication, sensing and computation energy consumptions into account to evaluate the performance of our Protocol.
499
500 \subsection{Assumptions}
501
502 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
503 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
504 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
505 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
506 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
507 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
508 embedded GPS or through location discovery algorithms.
509    
510 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
511 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
512 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
513 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
514 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
515 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
516 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
517 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
518 active nodes.
519
520 Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by
521 considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently,
522 we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its
523 primary points are covered. The choice of number and locations of primary points
524 is the subject of another study not presented here.
525
526 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
527 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
528 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
529 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
530 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
531 %sensors, instead of using all the points in the area.
532
533 %The MuDiLCO protocol works in periods and executed at each sensor node in the network, each sensor node can still sense data while being in
534 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
535 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
536 %Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list $L$.
537 %The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader after the decision to apply multi-round activity scheduling during the sensing phase. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will produce the cover sets of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase for $T$ rounds. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's schedule for $T$ rounds during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next period. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep based on it's schedule for $T$ rounds during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, which are includes $T$ rounds, all the sensor nodes in the same subregion will start new period by executing the MuDiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
538
539 \subsection{Background idea}
540 %%RC : we need to clarify the difference between round and period. Currently it seems to be the same (for me at least).
541 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
542 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
543 implemented in each subregion in a distributed way.
544
545 As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
546 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
547 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
548 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
549 task. In  this way  a multiround optimization  process is performed  during each
550 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
551 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
552 \begin{figure}[ht!]
553 \centering \includegraphics[width=100mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
554 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
555 \label{fig2}
556 \end{figure} 
557
558 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
559 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
560 % set cover responsible for the sensing task.  
561 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
562
563 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries
564 running out of energy), because it works in periods. 
565 %This protocol is reliable against an unexpected node failure, because it works in periods. 
566 %%RC : why? I am not convinced
567  On the one hand, if a node failure is detected before  making the
568 decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand,
569 if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
570 will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new
571 period starts.
572 %%RC so if there are at least one failure per period, the coverage is bad...
573 %%MS if we want to be reliable against many node failures we need to have an
574 %% overcoverage...  
575
576 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
577 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
578 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
579 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
580 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
581 monitor the area.
582
583 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
584
585 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
586 \begin{enumerate}[(a)] 
587 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
588   nodes inside a subregion for information exchange.
589 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
590   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
591   phase.
592 \end{enumerate}
593
594 There are five status for each sensor node in the network:
595 \begin{enumerate}[(a)] 
596 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
597 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
598   optimization process;
599 \item ACTIVE: sensor node participate to the monitoring of the area;
600 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
601 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
602 \end{enumerate}
603
604 Below, we describe each phase in more details.
605
606 \subsection{Information Exchange Phase}
607
608 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
609 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
610 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
611 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
612 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
613 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
614 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
615
616 %\subsection{\textbf Working Phase:}
617
618 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
619
620 \subsection{Leader Election phase}
621
622 This step  consists in  choosing the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
623 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
624 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
625 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.   The nodes in the  same subregion
626 will select the  leader based on the received informations  from all other nodes
627 in  the same subregion.   The selection  criteria are,  in order  of importance:
628 larger  number  of neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of
629 equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the
630 number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy
631 consumption due to the communications.
632
633 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
634 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
635
636 %Where $E_{th}$ is the minimum energy needed to stay active during the sensing phase. As shown in Algorithm~1, the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbours, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
637
638 \subsection{Decision phase}
639
640 Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
641 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
642 belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
643 The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
644 on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
645 each round  of the  sensing phase.  The  integer program  is based on  the model
646 proposed by  \cite{pedraza2006} with some modifications, where  the objective is
647 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
648 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
649 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
650 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
651 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activation
652 of sensor $j$ during  the round $t$ of a given sensing  phase.  We also consider
653 primary points as targets.  The set of  primary points is denoted by $P$ and the
654 set of sensors by  $J$. Only sensors able to be alive  during at least one round
655 are involved in the integer program.
656
657 %parler de la limite en energie Et pour un round
658
659 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
660 whether the point $p$ is covered, that is:
661 \begin{equation}
662 \alpha_{j,p} = \left \{ 
663 \begin{array}{l l}
664   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
665  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
666   0 & \mbox{otherwise.}\\
667 \end{array} \right.
668 %\label{eq12} 
669 \end{equation}
670 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
671 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
672 \begin{equation}
673 X_{t,j} = \left \{ 
674 \begin{array}{l l}
675   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
676   0 &  \mbox{otherwise.}\\
677 \end{array} \right.
678 %\label{eq11} 
679 \end{equation}
680 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
681 \begin{equation}
682  \Theta_{t,p} = \left \{ 
683 \begin{array}{l l}
684   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
685     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
686   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
687 \end{array} \right.
688 \label{eq13} 
689 \end{equation}
690 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
691 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  the  round  $t$.   The
692 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
693 defined by:
694 \begin{equation}
695 U_{t,p} = \left \{ 
696 \begin{array}{l l}
697   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
698   0 & \mbox{otherwise.}\\
699 \end{array} \right.
700 \label{eq14} 
701 \end{equation}
702
703 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
704 \begin{equation}
705  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
706 \end{equation}
707
708 Subject to
709 \begin{equation}
710   \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
711 \end{equation}
712
713 \begin{equation}
714   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
715   \label{eq144} 
716 \end{equation}
717
718 \begin{equation}
719 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
720 \end{equation}
721
722 \begin{equation}
723 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
724 \end{equation}
725
726 \begin{equation}
727  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
728 \end{equation}
729
730 %\begin{equation}
731 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
732 %\end{equation}
733
734 %%RC why W_{\theta} is not defined (only one sentence)? How to define in practice Wtheta and Wu?
735
736 \begin{itemize}
737 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
738   during the round $t$ (1 if yes and 0 if not);
739 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
740   are covering the primary point $p$ during the round $t$;
741 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
742   point $p$  is being covered during  the round $t$ (1  if not covered  and 0 if
743   covered).
744 \end{itemize}
745
746 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
747 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
748 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
749 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
750 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
751 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
752 required to be alive during one round.
753
754 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
755 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
756 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
757 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
758 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
759 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
760 In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{\theta}$ very
761 large compared to $W_U$.
762 %The Active-Sleep packet includes the schedule vector with the number of rounds that should be applied by the receiving sensor node during the sensing phase.
763
764 \subsection{Sensing phase}
765
766 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
767 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
768 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
769 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
770 Active-Sleep packet is obtained.
771
772 % In each round during the sensing phase, there is a cover set of sensor nodes,  in which  the active  sensors will  execute  their sensing  task  to preserve maximal  coverage and lifetime in the subregion and this will continue until finishing the round $T$ and starting new period. 
773
774 \begin{algorithm}[h!]                
775  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
776 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
777   \BlankLine
778   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
779   
780   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
781       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
782       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
783       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
784       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
785       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
786       
787       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
788       \emph{LeaderID = Leader election}\;
789       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
790         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
791         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
792           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
793         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
794         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
795           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
796         \emph{Update $RE_j $}\;
797       }   
798       \Else{
799         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
800         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
801         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
802         \emph{Update $RE_j $}\;
803       }  
804       %  }
805   }
806   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
807   
808  %   \emph{return X} \;
809 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
810 \label{alg:MuDiLCO}
811
812 \end{algorithm}
813
814 \section{Experimental study}
815 \label{exp}
816 \subsection{Simulation setup}
817
818 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
819 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
820 \cite{varga}.     The     simulation     parameters    are     summarized     in
821 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
822 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
823 25 runs.
824 %Based on the results of our proposed work in~\cite{idrees2014coverage}, we found as the region of interest are divided into larger subregions as the network lifetime increased. In this simulation, the network are divided into 16 subregions. 
825 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
826 250~nodes. Experimental results are obtained from randomly generated networks in
827 which  nodes  are deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
828 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
829 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
830 range.
831
832 %%RC these parameters are realistic?
833 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
834
835 \begin{table}[ht]
836 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
837 % title of Table
838 \centering
839 % used for centering table
840 \begin{tabular}{c|c}
841 % centered columns (4 columns)
842       \hline
843 %inserts double horizontal lines
844 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
845    
846 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
847 % inserts table
848 %heading
849 \hline
850 % inserts single horizontal line
851 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
852 % inserting body of the table
853 %\hline
854 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
855 %\hline
856 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
857 %\hline
858 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
859 $E_{R}$ & 36 Joules\\
860 $R_s$ & 5~m   \\     
861 %\hline
862 $W_{\Theta}$ & 1   \\
863 % [1ex] adds vertical space
864 %\hline
865 $W_{U}$ & $|P|^2$
866 %inserts single line
867 \end{tabular}
868 \label{table3}
869 % is used to refer this table in the text
870 \end{table}
871   
872 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
873 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
874 rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with
875 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{ChinhVu},
876 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
877 GAF~\cite{xu2001geography}, consists in dividing  the region into fixed squares.
878 During the decision  phase, in each square, one sensor is  then chosen to remain
879 active during the sensing phase time.
880
881 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
882 subregions  which subdivide  the  sensing field,  considering different  network
883 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
884 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
885 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  much subdivisions
886 reduces the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
887 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
888 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
889
890 \subsection{Energy model}
891
892 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
893 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
894 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
895 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
896
897 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
898 %The new energy consumption model will take into account the energy consumption for communication (packet transmission/reception), the radio of the sensor node, data sensing, computational energy of Micro-Controller Unit (MCU) and high computation energy of MCU. 
899 %revoir la phrase
900
901 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
902 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
903 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
904 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
905 is  responsible  for  transmitting/receiving  messages, sensing  subsystem  that
906 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
907 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
908 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
909 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
910 summarized in Table~\ref{table4}.  The energy  needed to send or receive a 1-bit
911 packet is equal to $0.2575~mW$.
912
913 \begin{table}[ht]
914 \caption{The Energy Consumption Model}
915 % title of Table
916 \centering
917 % used for centering table
918 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
919 % centered columns (4 columns)
920       \hline
921 %inserts double horizontal lines
922 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
923 \hline
924 % inserts single horizontal line
925 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
926 % inserting body of the table
927 \hline
928 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
929 \hline
930 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
931 \hline
932 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
933 %\hline
934 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
935  \hline
936 \end{tabular}
937
938 \label{table4}
939 % is used to refer this table in the text
940 \end{table}
941
942 For the sake of simplicity we ignore  the energy needed to turn on the radio, to
943 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
944 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
945 Thus, when a sensor becomes active (i.e., it already decides its status), it can
946 turn  its radio  off to  save battery.  MuDiLCO uses  two types  of  packets for
947 communication. The size of the  INFO packet and Active-Sleep packet are 112~bits
948 and 24~bits  respectively.  The  value of energy  spent to send  a 1-bit-content
949 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
950 calculate  the energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
951 value for receiving the packets.
952
953 The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A
954 sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is
955 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
956 stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the
957 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
958 (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be
959 alive during at most 20 rounds.
960
961 \subsection{Metrics}
962
963 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
964
965 \begin{enumerate}[i]
966   
967 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area
968   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
969   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point for
970   calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
971 \begin{equation*}
972 \scriptsize
973 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
974 \end{equation*}
975 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
976 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number
977 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
978 \times 26 = 1326$ grid points.
979 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
980 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
981 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
982 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
983
984 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
985   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
986   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
987   Ratio is defined as follows:
988 \begin{equation*}
989 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
990   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
991 \end{equation*}
992 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
993 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
994 network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
995
996 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
997   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
998   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) as  the amount of  time during
999   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
1000   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
1001   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
1002   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
1003   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
1004   event in the area that it monitors.
1005
1006 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
1007   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
1008   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
1009   follows:
1010
1011   % New version with global loops on period
1012   \begin{equation*}
1013     \scriptsize
1014     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \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_L} T_m},
1015   \end{equation*}
1016
1017
1018 % Old version with loop on round outside the loop on period
1019 %  \begin{equation*}
1020 %    \scriptsize
1021 %    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
1022 %  \end{equation*}
1023
1024 % Ali version 
1025 %\begin{equation*}
1026 %\scriptsize
1027 %\mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^c_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D %E^l_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^a_d$}}{\mbox{$D$}} + %\frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^s_d$}}{\mbox{$D$}}.
1028 %\end{equation*}
1029
1030 % Old version -> where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
1031 %$Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$. 
1032 % New version
1033 where  $M_L$ is  the number  of periods  and  $T_m$ the  number of  rounds in  a
1034 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
1035 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
1036 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
1037 represent  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
1038 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
1039 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
1040 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
1041 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
1042 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
1043 indicate the energy consummed by the whole network in round $t$.
1044
1045 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
1046 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
1047
1048 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
1049   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
1050   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
1051   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
1052   
1053 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
1054   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
1055   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
1056   to network disconnections and for which round it occurs.
1057
1058 \end{enumerate}
1059
1060 \section{Results and analysis}
1061
1062 \subsection{Coverage ratio} 
1063
1064 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
1065 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
1066 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
1067 %%RC : need to uniformize MuDiLCO or MuDiLCO-T? 
1068 %%MS : MuDiLCO everywhere
1069 %%RC maybe increase the size of the figure for the reviewers, no?
1070 This is due  to the fact that in comparison with  MuDiLCO that uses optimization
1071 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
1072 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
1073 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
1074 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
1075 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
1076 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
1077 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
1078 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
1079 rounds, and thus should extend the network lifetime.
1080
1081 \begin{figure}[ht!]
1082 \centering
1083  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
1084 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
1085 \label{fig3}
1086 \end{figure} 
1087
1088 \subsection{Active sensors ratio} 
1089
1090 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
1091 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
1092 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
1093 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
1094 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
1095 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
1096 thirty fifth round, MuDiLCO exhibits larger number of active nodes, which agrees
1097 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
1098 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
1099 activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available
1100 nodes in a more efficient manner.
1101
1102 \begin{figure}[ht!]
1103 \centering
1104 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
1105 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
1106 \label{fig4}
1107 \end{figure} 
1108
1109 \subsection{Stopped simulation runs}
1110 %The results presented in this experiment, is to show the comparison of our MuDiLCO protocol with other two approaches from the point of view the stopped simulation runs per round. Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
1111 %runs per round for 150 deployed nodes. 
1112
1113 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
1114 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each of
1115 the methods.  DESK stops first,  after around 45~rounds, because it consumes the
1116 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
1117 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
1118 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
1119 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
1120 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
1121 still connected.
1122
1123 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1124
1125 \begin{figure}[ht!]
1126 \centering
1127 \includegraphics[scale=0.5]{R1/SR.pdf} 
1128 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
1129 \label{fig6}
1130 \end{figure} 
1131
1132 \subsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
1133
1134 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
1135 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
1136 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1137 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1138 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1139
1140 \begin{figure}[h!]
1141   \centering
1142   \begin{tabular}{cl}
1143     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf}} & (a) \\
1144     \verb+ + \\
1145     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf}} & (b)
1146   \end{tabular}
1147   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1148     (b) $Lifetime_{50}$}
1149   \label{fig7}
1150 \end{figure} 
1151
1152 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
1153 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1154 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
1155 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
1156 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1157 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
1158 the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
1159 computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
1160 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
1161 sensors to consider in the integer program.
1162
1163 %In fact,  a distributed optimization decision, which produces T rounds, on the subregions is  greatly reduced the cost of communications and the time of listening as well as the energy needed for sensing phase and computation so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks and producing T rounds for each subregion periodically. 
1164
1165
1166 \subsection{Execution time}
1167
1168 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1169 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1170 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$.  The
1171 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1172 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1173 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1174 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1175 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1176 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1177 for different network sizes.
1178
1179 \begin{figure}[ht!]
1180 \centering
1181 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
1182 \caption{Execution Time (in seconds)}
1183 \label{fig77}
1184 \end{figure} 
1185
1186 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1187 into account for scheduling of the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1188 or $5$ seems bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1189 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1190 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1191 we need to choose a relevant number of subregion in order to avoid a complicated
1192 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1193 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1194 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1195 optimization problem.
1196
1197 %While MuDiLCO-1, 3, and 5 solves the optimization process with suitable execution times to be used on wireless sensor network because it distributed on larger number of small subregions as well as it is used acceptable number of round(s) T.  We think that in distributed fashion the solving of the optimization problem to produce T rounds in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal with very large networks, a distributed method is clearly required.
1198
1199 \subsection{Network lifetime}
1200
1201 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1202 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1203 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1204 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1205 node  density  which  result in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1206 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1207 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
1208 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
1209 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can bee observed  for MuDiLCO-7 in case
1210 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1211 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1212 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1213 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1214 linked.
1215
1216 \begin{figure}[t!]
1217   \centering
1218   \begin{tabular}{cl}
1219     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}} & (a) \\
1220     \verb+ + \\
1221     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}} & (b)
1222   \end{tabular}
1223   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1224     (b) $Lifetime_{50}$}
1225   \label{fig8}
1226 \end{figure} 
1227
1228 % By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest with a maximum number rounds and by letting the other nodes sleep in order to be used later in next rounds, our MuDiLCO protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1229
1230 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO protocol, which are used distributed optimization on the subregions with the ability of producing T rounds, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each sensor node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1231
1232
1233 %We see that our MuDiLCO-7 protocol results in execution times that quickly become unsuitable for a sensor network as well as the energy consumption seems to be huge because it used a larger number of rounds T during performing the optimization decision in the subregions, which is led to decrease the network lifetime. On the other side, our MuDiLCO-1, 3, and 5 protocol seems to be more efficient in comparison with other approaches because they are prolonged the lifetime of the network more than DESK and GAF.
1234
1235
1236 \section{Conclusion and future works}
1237 \label{sec:conclusion}
1238
1239 We have addressed  the problem of the coverage and  the lifetime optimization in
1240 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
1241 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1242 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
1243 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1244 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1245 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
1246 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1247 scheduling.
1248 %,  where the challenges
1249 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1250 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1251 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1252 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1253 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1254 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1255 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds (iv) Sensing
1256 Phase itself divided into T rounds.
1257
1258 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1259 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1260 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1261 approach like  the one we  propose allows to  reduce the difficulty of  a single
1262 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1263 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1264 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1265 the resulting optimization problem leads to too high resolution time and thus to
1266 an excessive energy consumption.
1267
1268 %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
1269 %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.
1270 % use section* for acknowledgement
1271
1272 \section*{Acknowledgment}
1273 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1274 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1275 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1276 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1277 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1278
1279
1280
1281
1282 %% \linenumbers
1283
1284 %% main text
1285 %\section{}
1286 %\label{}
1287
1288 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1289 %% appendix sections are then done as normal sections
1290 %% \appendix
1291
1292 %% \section{}
1293 %% \label{}
1294
1295 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1296 %% bibitems, please use
1297 %%
1298 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1299 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1300 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1301 %% TeX file.
1302
1303 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1304 \bibliography{article}
1305   
1306 \end{document}
1307
1308 %%\bibitem{}
1309
1310 %\end{thebibliography}
1311 %\end{document}
1312 \endinput
1313 %%
1314 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.