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[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
1
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6 \usepackage{mathtools}  
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9
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43
44 \journal{Ad Hoc Networks}
45
46 \begin{document}
47
48 \begin{frontmatter}
49
50 %% Title, authors and addresses
51
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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 a
121 wireless  communication. They  communicate with  each other  by  using multi-hop
122 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
123 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
124 for  further analysis~\cite{Sudip03}.  There are  several fields  of application
125 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
126 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
127
128 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
129 often  costly  or simply  impossible to replace and/or recharge  batteries,
130 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
131 of the network  it is important to conserve  battery power. Therefore, lifetime
132 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
133 the other hand we must guarantee coverage over the area of interest. To fulfill
134 these two objectives, the main idea is to take advantage of overlapping sensing
135 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
136 we concentrate  on the area coverage problem, with the  objective of maximizing
137 the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
138
139 % One of the major scientific research challenges in WSNs, which are addressed by a large number of literature during the last few years is to design energy efficient approaches for coverage and connectivity in WSNs~\cite{conti2014mobile}. The coverage problem is one  of the
140 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
141 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
142 %design~\cite{Sudip03}, where it is difficult to replace and/or recharge their batteries because the the area of interest nature (such as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN
143 %deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be exploited to increase  the lifetime of the network. However, turn on all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time
144 %leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
145 %some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. 
146
147 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
148 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
149 %The area of interest is divided into subregions.
150
151 % Each period includes four phases starts with a discovery phase to exchange information among the sensors of the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a sensor node as leader to carry out a coverage strategy.  This coverage strategy involves the solving of an integer program by the leader,  to optimize the coverage and the lifetime in the subregion by producing a sets of sensor nodes in order to take the mission of coverage preservation during several rounds in the sensing phase. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due to too many node failures.  
152
153 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
154 % Section~\ref{rw}
155 reviews  the related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
156 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} shows the simulation results
157 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
158 demonstrate  the  usefulness  of   the  proposed  approach.   Finally,  we  give
159 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
160 Section~\ref{sec:conclusion}.
161
162
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 the sensing period.
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  coverage  and  connected
181   coverage.
182 \end{itemize}
183
184 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
185 many cover sets) can be added to the above list.
186 % 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.
187
188 \subsection{Centralized Approaches}
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 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.
203
204
205 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
206 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
207 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
208 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
209 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
210 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
211 involved   in   more  than   one   cover   sets. For instance, the proposed work in ~\cite{cardei2005energy, berman04}    
212
213
214
215
216 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
217 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
218 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
219 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
220 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
221 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
222 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
223 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
224 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
225 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
226 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
227
228
229
230
231
232 \subsection{Distributed approaches}
233 %{\bf Distributed approaches}
234 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
235 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
236 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
237 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
238 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
239 covers.
240
241 Some        distributed       algorithms        have        been       developed
242 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02, yardibi2010distributed, prasad2007distributed,Misra}
243 to perform  the scheduling so  as to preserve coverage.   Distributed algorithms
244 typically operate  in rounds for a  predetermined duration. At  the beginning of
245 each  round, a  sensor  exchanges information  with  its neighbors  and makes  a
246 decision  to either  remain turned  on or  to go  to sleep  for the  round. This
247 decision is basically made on  simple greedy criteria like the largest uncovered
248 area    \cite{Berman05efficientenergy}     or    maximum    uncovered    targets
249 \cite{lu2003coverage}. The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
250 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
251 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
252 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
253 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
254 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
255 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
256 information.   In  \cite{ChinhVu},  the  author have proposed  a  novel  distributed
257 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
258 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
259 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
260 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
261 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
262 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
263
264 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
265 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
266 %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. 
267
268 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
269 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
270 which aims  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
271 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
272 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
273 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
274 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
275 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
276 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
277 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
278 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
279 communication.
280
281 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
282 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
283 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
284 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
285
286 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
287 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
288 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
289 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
290 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
291 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
292 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
293 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
294 approach.
295
296
297
298
299
300 \iffalse
301    
302 \subsection{Centralized Approaches}
303 %{\bf Centralized approaches}
304 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
305 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
306 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
307 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
308 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
309 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
310 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
311 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
312 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
313 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
314 size increases.
315
316 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
317 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
318 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
319 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
320 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
321 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
322 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
323 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
324 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
325 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
326 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
327 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
328 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
329 provide complete coverage of the monitoring zone.
330
331 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
332 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
333 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
334 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
335 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
336 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
337 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
338 complexity of the mixed integer programming resolution.
339
340 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
341 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
342 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
343 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
344 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
345 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
346 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
347 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
348 Also, they require  a smaller number of node participations  in order to achieve
349 these results.
350
351 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
352 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
353 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
354 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
355 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
356 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
357 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
358 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
359 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
360 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
361 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
362 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
363 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
364 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
365 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
366 optimal solution, is also proposed.
367
368 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
369 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
370 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
371 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
372 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
373 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
374 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
375 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
376 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
377 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
378 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
379
380
381
382 \subsection{Distributed approaches}
383 %{\bf Distributed approaches}
384 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
385 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
386 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
387 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
388 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
389 covers.
390
391 Some        distributed       algorithms        have        been       developed
392 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,    yardibi2010distributed}
393 to perform  the scheduling so  as to preserve coverage.   Distributed algorithms
394 typically operate  in rounds for a  predetermined duration. At  the beginning of
395 each  round, a  sensor  exchanges information  with  its neighbors  and makes  a
396 decision  to either  remain turned  on or  to go  to sleep  for the  round. This
397 decision is basically made on  simple greedy criteria like the largest uncovered
398 area    \cite{Berman05efficientenergy}     or    maximum    uncovered    targets
399 \cite{lu2003coverage}.  In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme is divided into
400 rounds,  where each  round has  a self-scheduling  phase followed  by  a sensing
401 phase.  Each  sensor broadcasts  a message containing  the node~ID and  the node
402 location to its  neighbors at the beginning of each  round.  A sensor determines
403 its status by a  rule named off-duty eligible rule, which tells  him to turn off
404 if its sensing area is covered by its neighbors. A back-off scheme is introduced
405 to let each sensor  delay the decision process with a random  period of time, in
406 order  to avoid  simultaneous conflicting  decisions between  nodes and  lack of
407 coverage on any area.  In \cite{prasad2007distributed} a model for capturing the
408 dependencies between different  cover sets is defined and  it proposes localized
409 heuristic based  on this  dependency. The algorithm  consists of two  phases, an
410 initial setup phase during which each sensor computes and prioritizes the covers
411 and a  sensing phase during which  each sensor first decides  its on/off status,
412 and then remains on or off for the rest of the duration.
413
414 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
415 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
416 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
417 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
418 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
419 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
420 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
421 information.   In  \cite{ChinhVu},  the  author have proposed  a  novel  distributed
422 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
423 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
424 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
425 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
426 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
427 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
428
429 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
430 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
431 %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. 
432
433 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focuses  on coverage-aware,
434 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
435 which aims  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
436 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
437 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
438 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
439 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
440 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
441 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
442 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
443 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
444 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
445 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
446 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
447 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
448 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
449 communication.
450
451 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
452 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
453 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
454 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
455
456 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
457 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
458 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
459 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
460 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
461 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
462 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
463 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
464 approach.
465
466
467
468
469 \fi
470 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
471 %(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.
472 %\section{Preliminaries}
473 %\label{Pr}
474
475 %Network Lifetime
476
477 %\subsection{Network Lifetime}
478 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
479 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
480 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
481 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
482 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
483 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
484 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
485 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
486 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
487 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
488 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
489 %transmit information on an event in the area that it monitors.
490
491 \section{MuDiLCO protocol description}
492 \label{pd}
493
494 %Our work will concentrate on the area coverage by design
495 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
496 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
497 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
498 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
499 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
500 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
501 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
502 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
503 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
504 %simultaneously).
505
506 %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
507 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
508 %The main features of our MuDiLCO protocol:
509 %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.
510
511 \subsection{Assumptions}
512
513 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
514 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
515 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
516 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
517 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
518 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
519 embedded GPS or through location discovery algorithms.
520    
521 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
522 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
523 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
524 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
525 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
526 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
527 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
528 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
529 working nodes in the active mode.
530
531 Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by
532 considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently,
533 we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its
534 primary points are covered. The choice of number and locations of primary points
535 is the subject of another study not presented here.
536
537 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
538 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
539 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
540 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
541 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
542 %sensors, instead of using all the points in the area.
543
544 %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
545 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
546 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
547 %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 $L$.
548 %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.
549
550 \subsection{Background idea}
551 %%RC : we need to clarify the difference between round and period. Currently it seems to be the same (for me at least).
552 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
553 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
554 implemented in each subregion in a distributed way.
555
556 As  can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
557 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
558 Decision, and Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds
559 and for each round a set of sensors  (said a cover set) is  responsible for the
560 sensing task. A multiround optimization process executed in each period after information exchange and leader election in order to produce a $T$ cover sets of sensors to take the mission of sensing for $T$ rounds.
561 \begin{figure}[ht!]
562 \centering \includegraphics[width=100mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
563 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
564 \label{fig2}
565 \end{figure} 
566
567 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
568 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
569 % set cover responsible for the sensing task.  
570 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
571
572 This protocol is reliable against an unexpected node failure, because it works
573 in periods. 
574 %%RC : why? I am not convinced
575  On the one hand, if a node failure is detected before  making the
576 decision, the node will not participate to this phase, and, on the other hand,
577 if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network
578 will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new
579 period starts.
580 %%RC so if there are at least one failure per period, the coverage is bad...
581
582 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
583 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
584 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
585 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
586 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
587 monitor the area.
588
589 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
590
591 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
592 \begin{enumerate}[(a)] 
593 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
594   nodes inside a subregion for information exchange.
595 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
596   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
597   phase.
598 \end{enumerate}
599
600 There are five status for each sensor node in the network:
601 \begin{enumerate}[(a)] 
602 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
603 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
604   optimization process;
605 \item ACTIVE: sensor node participate to the monitoring of the area;
606 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
607 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
608 \end{enumerate}
609
610 Below, we describe each phase in more details.
611
612 \subsection{Information Exchange Phase}
613
614 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
615 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
616 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
617 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
618 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
619 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
620 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
621
622 %\subsection{\textbf Working Phase:}
623
624 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
625
626 \subsection{Leader Election phase}
627
628 This step  consists in  choosing the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
629 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
630 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
631 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.   The nodes in the  same subregion
632 will select the  leader based on the received informations  from all other nodes
633 in  the same subregion.   The selection  criteria are,  in order  of importance:
634 larger  number  of neighbors,  larger  remaining energy,  and  then  in case  of
635 equality, larger index. Observations on  previous simulations suggest to use the
636 number  of  one-hop  neighbors  as   the  primary  criterion  to  reduce  energy
637 consumption due to the communications.
638
639 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
640 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
641
642 %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.  
643
644 \subsection{Decision phase}
645
646 Each  WSNL will solve  an integer  program to  select which  cover sets  will be
647 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
648 belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round.
649 The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based
650 on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
651 each round  of the  sensing phase.  The  integer program  is based on  the model
652 proposed by  \cite{pedraza2006} with some modifications, where  the objective is
653 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
654 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
655 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
656 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
657 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activation
658 of sensor $j$ during  the round $t$ of a given sensing  phase.  We also consider
659 primary points as targets.  The set of  primary points is denoted by $P$ and the
660 set of sensors by  $J$. Only sensors able to be alive  during at least one round
661 are involved in the integer program.
662
663 %parler de la limite en energie Et pour un round
664
665 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
666 whether the point $p$ is covered, that is:
667 \begin{equation}
668 \alpha_{j,p} = \left \{ 
669 \begin{array}{l l}
670   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
671  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
672   0 & \mbox{otherwise.}\\
673 \end{array} \right.
674 %\label{eq12} 
675 \end{equation}
676 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
677 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
678 \begin{equation}
679 X_{t,j} = \left \{ 
680 \begin{array}{l l}
681   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
682   0 &  \mbox{otherwise.}\\
683 \end{array} \right.
684 %\label{eq11} 
685 \end{equation}
686 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
687 \begin{equation}
688  \Theta_{t,p} = \left \{ 
689 \begin{array}{l l}
690   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
691     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
692   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
693 \end{array} \right.
694 \label{eq13} 
695 \end{equation}
696 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
697 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  the  round  $t$.   The
698 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
699 defined by:
700 \begin{equation}
701 U_{t,p} = \left \{ 
702 \begin{array}{l l}
703   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
704   0 & \mbox{otherwise.}\\
705 \end{array} \right.
706 \label{eq14} 
707 \end{equation}
708
709 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
710 \begin{equation}
711  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
712 \end{equation}
713
714 Subject to
715 \begin{equation}
716   \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
717 \end{equation}
718
719 \begin{equation}
720   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
721   \label{eq144} 
722 \end{equation}
723
724 \begin{equation}
725 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
726 \end{equation}
727
728 \begin{equation}
729 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
730 \end{equation}
731
732 \begin{equation}
733  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
734 \end{equation}
735
736 %\begin{equation}
737 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
738 %\end{equation}
739
740 %%RC why W_{\theta} is not defined (only one sentence)? How to define in practice Wtheta and Wu?
741
742
743 \begin{itemize}
744 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
745   during the round $t$ (1 if yes and 0 if not);
746 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
747   are covering the primary point $p$ during the round $t$;
748 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
749   point $p$  is being covered during  the round $t$ (1  if not covered  and 0 if
750   covered).
751 \end{itemize}
752
753 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
754 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
755 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
756 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
757 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
758 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
759 required to be alive during one round.
760
761 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
762 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
763 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
764 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
765 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. In
766 our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{\theta}$ very
767 large compared to $W_U$.
768 %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.
769
770 \subsection{Sensing phase}
771
772 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
773 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
774 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
775 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
776 Active-Sleep packet is obtained.
777
778 % 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. 
779
780 \begin{algorithm}[h!]                
781  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
782 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
783   \BlankLine
784   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
785   
786   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
787       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
788       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
789       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
790       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
791       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
792       
793       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
794       \emph{LeaderID = Leader election}\;
795       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
796         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
797         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
798           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
799         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
800         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
801           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
802         \emph{Update $RE_j $}\;
803       }   
804       \Else{
805         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
806         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
807         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
808         \emph{Update $RE_j $}\;
809       }  
810       %  }
811   }
812   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
813   
814  %   \emph{return X} \;
815 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
816 \label{alg:MuDiLCO}
817
818 \end{algorithm}
819
820 \section{Experimental study}
821 \label{exp}
822 \subsection{Simulation setup}
823
824 We  conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
825 relevance  of   our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
826 \cite{varga}.     The     simulation     parameters    are     summarized     in
827 Table~\ref{table3}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different
828 random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these
829 25 runs.
830 %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. 
831 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
832 250~nodes. Experimental results are obtained from randomly generated networks in
833 which  nodes  are deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
834 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
835 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
836 range.
837
838 %%RC these parameters are realistic?
839 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
840
841 \begin{table}[ht]
842 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
843 % title of Table
844 \centering
845 % used for centering table
846 \begin{tabular}{c|c}
847 % centered columns (4 columns)
848       \hline
849 %inserts double horizontal lines
850 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
851    
852 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
853 % inserts table
854 %heading
855 \hline
856 % inserts single horizontal line
857 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
858 % inserting body of the table
859 %\hline
860 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
861 %\hline
862 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
863 %\hline
864 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
865 $E_{R}$ & 36 Joules\\
866 $R_s$ & 5~m   \\     
867 %\hline
868 $w_{\Theta}$ & 1   \\
869 % [1ex] adds vertical space
870 %\hline
871 $w_{U}$ & $|P^2|$
872 %inserts single line
873 \end{tabular}
874 \label{table3}
875 % is used to refer this table in the text
876 \end{table}
877   
878 Our protocol  is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
879 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
880 rounds  in one  sensing period).   In the  following, the  general case  will be
881 denoted by  MuDiLCO-T and we will  make comparisons with two  other methods. The
882 first method, called DESK and  proposed by \cite{ChinhVu}, is a full distributed
883 coverage  algorithm.   The  second  method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
884 consists in dividing the region  into fixed squares.  During the decision phase,
885 in each  square, one sensor is then  chosen to remain active  during the sensing
886 phase time.
887
888 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
889 subregions  which subdivide  the  sensing field,  considering different  network
890 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
891 lifetime. Moreover, it  makes the MuDiLCO-T protocol more  robust against random
892 network  disconnection due  to  node failures.  However,  too much  subdivisions
893 reduces the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
894 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
895 it. Therefore, we  have set the number  of subregions to 16 rather  than 32. 
896
897 \subsection{Energy Model}
898
899 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
900 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
901 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
902 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
903
904 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
905 %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. 
906 %revoir la phrase
907
908 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
909 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
910 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
911 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
912 is  responsible  for  transmitting/receiving  messages, sensing  subsystem  that
913 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
914 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
915 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
916 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
917 summarized in Table~\ref{table4}.  The energy  needed to send or receive a 1-bit
918 packet is equal to $0.2575~mW$.
919
920 \begin{table}[ht]
921 \caption{The Energy Consumption Model}
922 % title of Table
923 \centering
924 % used for centering table
925 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
926 % centered columns (4 columns)
927       \hline
928 %inserts double horizontal lines
929 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
930 \hline
931 % inserts single horizontal line
932 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
933 % inserting body of the table
934 \hline
935 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
936 \hline
937 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
938 \hline
939 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
940 %\hline
941 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
942  \hline
943 \end{tabular}
944
945 \label{table4}
946 % is used to refer this table in the text
947 \end{table}
948
949 For the sake of simplicity we ignore  the energy needed to turn on the radio, to
950 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
951 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
952 Thus, when a sensor becomes active (i.e., it already decides its status), it can
953 turn  its radio  off to  save battery.  MuDiLCO uses  two types  of  packets for
954 communication. The size of the  INFO packet and Active-Sleep packet are 112~bits
955 and 24~bits  respectively.  The  value of energy  spent to send  a 1-bit-content
956 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
957 calculate  the energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
958 value for receiving the packets.
959
960 The initial energy of each node  is randomly set in the interval $[500;700]$.  A
961 sensor node  will not participate in the  next round if its  remaining energy is
962 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
963 stay alive  during one round.  This value has  been computed by  multiplying the
964 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
965 (3600 seconds).  According to the  interval of initial  energy, a sensor  may be
966 alive during at most 20 rounds.
967
968 \subsection{Metrics}
969
970 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
971
972 \begin{enumerate}[i]
973   
974 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area
975   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
976   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point for
977   calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
978 \begin{equation*}
979 \scriptsize
980 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
981 \end{equation*}
982 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
983 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number
984 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
985 \times 26 = 1326$ grid points.
986 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
987 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
988 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
989 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
990
991 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
992   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
993   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
994   Ratio is defined as follows:
995 \begin{equation*}
996 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
997   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
998 \end{equation*}
999 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
1000 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
1001 network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
1002
1003 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
1004   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
1005   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) as  the amount of  time during
1006   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
1007   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
1008   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
1009   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
1010   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
1011   event in the area that it monitors.
1012
1013 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
1014   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
1015   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
1016   follows:
1017  \begin{equation*}
1018 \scriptsize
1019 \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +
1020   \sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
1021 \end{equation*}
1022
1023 %\begin{equation*}
1024 %\scriptsize
1025 %\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{$D$}}.
1026 %\end{equation*}
1027
1028 where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
1029 $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$.  The total  energy consumed by  the sensors
1030 (EC) comes through taking into consideration four main energy factors. The first
1031 one ,  denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_m$, represent  the energy consumption
1032 spent  by  all  the  nodes   for  wireless  communications  during  period  $m$.
1033 $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next  factor, corresponds  to the  energy
1034 consumed by the sensors in LISTENING  status before receiving the decision to go
1035 active or  sleep in  period $m$. $E^{\scriptsize  \mbox{comp}}_m$ refers  to the
1036 energy needed  by all  the leader nodes  to solve  the integer program  during a
1037 period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$  indicate the energy consummed by the whole
1038 network in round $t$.
1039
1040 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
1041 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
1042
1043 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
1044   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
1045   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
1046   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
1047   
1048 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
1049   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
1050   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
1051   to network disconnections and for which round it occurs.
1052
1053 \end{enumerate}
1054
1055
1056 \section{Results and analysis}
1057
1058 \subsection{Coverage ratio} 
1059
1060 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
1061 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
1062 which is a little bit better than the one of MuDiLCO-T.  
1063 %%RC : need to uniformize MuDiLCO or MuDiLCO-T?
1064
1065 %%RC maybe increase the size of the figure for the reviewers, no?
1066
1067 This is due to the fact
1068 that in comparison with MuDiLCO-T that  uses optimization to put in SLEEP status
1069 redundant sensors,  more sensor  nodes remain  active with DESK  and GAF.   As a
1070 consequence,  when the  number  of rounds  increases,  a larger  number of  node
1071 failures can be observed in DESK and  GAF, resulting in a faster decrease of the
1072 coverage ratio.  Furthermore,  our protocol allows to maintain  a coverage ratio
1073 greater than  50\% for far more  rounds.  Overall, the  proposed sensor activity
1074 scheduling based on optimization in  MuDiLCO maintains higher coverage ratios of
1075 the area of interest for a larger number of rounds. It also means that MuDiLCO-T
1076 saves more  energy, with less dead nodes,  at most for several  rounds, and thus
1077 should extend the network lifetime.
1078
1079 \begin{figure}[t!]
1080 \centering
1081  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
1082 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
1083 \label{fig3}
1084 \end{figure} 
1085
1086 \subsection{Active sensors ratio} 
1087
1088 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
1089 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
1090 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
1091 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
1092 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
1093 MuDiLCO-T clearly outperforms  them with only 24.8\% of  active nodes. After the
1094 thirty  fifth round,  MuDiLCO-T exhibits  larger number  of active  nodes, which
1095 agrees with  the dual observation of  higher level of  coverage made previously.
1096 Obviously, in  that case DESK  and GAF have  less active nodes, since  they have
1097 activated many nodes at the beginning. Anyway, MuDiLCO-T activates the available
1098 nodes in a more efficient manner.
1099
1100 \begin{figure}[t!]
1101 \centering
1102 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
1103 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
1104 \label{fig4}
1105 \end{figure} 
1106
1107 \subsection{Stopped simulation runs}
1108 %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
1109 %runs per round for 150 deployed nodes. 
1110
1111 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
1112 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each of
1113 the methods.  DESK stops first,  after around 45~rounds, because it consumes the
1114 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
1115 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO-T overcomes
1116 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
1117 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
1118 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
1119 still connected.
1120
1121 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1122
1123 \begin{figure}[t!]
1124 \centering
1125 \includegraphics[scale=0.5]{R1/SR.pdf} 
1126 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
1127 \label{fig6}
1128 \end{figure} 
1129
1130 \subsection{Energy Consumption} \label{subsec:EC}
1131
1132 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
1133 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
1134 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1135 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1136 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1137
1138 \begin{figure}[h!]
1139   \centering
1140   \begin{tabular}{cl}
1141     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf}} & (a) \\
1142     \verb+ + \\
1143     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf}} & (b)
1144   \end{tabular}
1145   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1146     (b) $Lifetime_{50}$}
1147   \label{fig7}
1148 \end{figure} 
1149
1150 The  results  show  that MuDiLCO-T  is  the  most  competitive from  the  energy
1151 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1152 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy
1153 consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different
1154 versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1155 versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
1156 the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time
1157 computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of
1158 MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less
1159 sensors to consider in the integer program.
1160
1161 %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. 
1162
1163
1164 \subsection{Execution time}
1165
1166 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1167 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1168 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$.  The
1169 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1170 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1171 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1172 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1173 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1174 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1175 for different network sizes.
1176
1177 \begin{figure}[t!]
1178 \centering
1179 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
1180 \caption{Execution Time (in seconds)}
1181 \label{fig77}
1182 \end{figure} 
1183
1184 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1185 into account for scheduling of the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1186 or $5$ seems bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1187 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1188 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1189 we need to choose a relevant number of subregion in order to avoid a complicated
1190 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1191 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1192 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1193 optimization problem.
1194
1195 %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.
1196
1197 \subsection{Network Lifetime}
1198
1199 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1200 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1201 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1202 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1203 node  density  which  result in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1204 deactivated  and  thus save  energy.   Compared  to  the other  approaches,  our
1205 MuDiLCO-T protocol  maximizes the  lifetime of the  network.  In  particular the
1206 gain in  lifetime for a coverage over  95\% is greater than  38\% when switching
1207 from GAF to MuDiLCO-3.  The slight  decrease that can bee observed for MuDiLCO-7
1208 in case of  $Lifetime_{95}$ with large wireless sensor  networks result from the
1209 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1210 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1211 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1212 linked.
1213
1214 \begin{figure}[t!]
1215   \centering
1216   \begin{tabular}{cl}
1217     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}} & (a) \\
1218     \verb+ + \\
1219     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}} & (b)
1220   \end{tabular}
1221   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1222     (b) $Lifetime_{50}$}
1223   \label{fig8}
1224 \end{figure} 
1225
1226 % By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest with a maximum number rounds and by letting the other nodes sleep in order to be used later in next rounds, our MuDiLCO-T protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1227
1228 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO-T protocol, which are used distributed optimization on the subregions with the ability of producing T rounds, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each sensor node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1229
1230
1231 %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.
1232
1233
1234 \section{Conclusion and Future Works}
1235 \label{sec:conclusion}
1236
1237 In this  paper, we have addressed the  problem of the coverage  and the lifetime
1238 optimization in  wireless sensor networks. This  is a key issue  as sensor nodes
1239 have limited resources  in terms of memory, energy,  and computational power. To
1240 cope with this problem, the field  of sensing is divided into smaller subregions
1241 using the concept  of divide-and-conquer method, and then  we propose a protocol
1242 which  optimizes  coverage and  lifetime  performances  in  each subregion.  Our
1243 protocol,   called   MuDiLCO    (Multiround  Distributed   Lifetime   Coverage
1244 Optimization)  combines two  efficient techniques:  network leader  election and
1245 sensor activity scheduling.
1246 %,  where the challenges
1247 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1248 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1249 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1250 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1251 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1252 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1253 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds (iv) Sensing
1254 Phase itself divided into T rounds.
1255
1256 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1257 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1258 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1259 approach like  the one we  propose allows to  reduce the difficulty of  a single
1260 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1261 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1262 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1263 the resulting optimization problem leads to too high resolution time and thus to
1264 an excessive energy consumption.
1265
1266 %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
1267 %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.
1268 % use section* for acknowledgement
1269
1270 \section*{Acknowledgment}
1271 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1272 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1273 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1274 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1275 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1276
1277
1278
1279
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