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48 \journal{Ad Hoc Networks}
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50 \begin{document}
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52 \begin{frontmatter}
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74 \title{ Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
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80 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
81 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
82 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
83 %\thanks{}% <-this % stops a space
84  
85
86 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
87
88 \begin{abstract}
89 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
90 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
91 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
92 %region) of  interest. 
93 Coverage and lifetime are two paramount problems in  Wireless Sensor Networks (WSNs). In this paper, a method called Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol (MuDiLCO), is proposed to maintain the coverage and to improve the lifetime in wireless sensor networks. The area  of interest is first divided into subregions and then the MuDiLCO protocol is distributed on the sensor nodes in each subregion. The proposed MuDiLCO protocol works into periods during which a sets of sensor nodes are scheduled to remaining active for a number of rounds during the sensing phase, to ensure coverage so as to maximize the lifetime of WSN. The  decision process is carried  out  by a leader node,  which  solves an integer program to produce the best representative sets to be used during the rounds of the sensing phase. Compared with some existing protocols, simulation results based on multiple criteria (energy consumption,coverage ratio, ...) show that the proposed protocol can prolong efficiently the network lifetime and improve the coverage performance.
94
95 \end{abstract}
96
97 \begin{keyword}
98 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
99 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
100
101 \end{keyword}
102
103 \end{frontmatter}
104
105 \section{Introduction}
106  
107 \indent  The fast developments  in the  low-cost sensor  devices and
108 wireless  communications  have allowed  the  emergence  of the WSNs.  WSN
109 includes  a large  number of  small, limited-power sensors that can
110 sense, process and transmit data over a wireless communication. They
111 communicate with each other by using multi-hop wireless communications, cooperate together to monitor the area of interest, 
112 and the measured data can be reported to a monitoring center called sink  
113 for analysis it~\cite{Sudip03}. There are several applications used the
114 WSN including health, home, environmental, military, and industrial
115 applications~\cite{Akyildiz02}. Sensor nodes run on batteries with
116 limited capacities, and it is often costly or simply impossible to replace and/or recharge batteries, especially in
117 remote and hostile environments. To achieve a long life of the network, it is important to conserve battery power.
118 Therefore, lifetime optimisation is one of the most critical issues in wireless sensor networks.
119
120 % 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
121 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
122 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
123 %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
124 %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
125 %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
126 %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}. 
127
128 In this paper, we concentrate on the area coverage problem, with the objective of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling. 
129 %The area of interest is divided into subregions.
130
131 % 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.  
132
133 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
134 % Section~\ref{rw}
135 reviews the related work in the field. Section~\ref{pd} is devoted to
136 the description of MuDiLCO Protocol. Section~\ref{cp} gives  the coverage model formulation,  which is used
137 to schedule the activation of sensors.  Section~\ref{exp}  shows the
138 simulation results obtained using the discrete event simulator OMNeT++
139 \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness of  the proposed
140 approach.  Finally,  we give  concluding remarks and  some suggestions
141 for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
142
143
144 \section{Related works}
145 \label{rw}
146
147 \indent This section is dedicated to the various approaches proposed
148 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
149 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
150 order to  extend network lifetime  in WSNs. Cardei and Wu \cite{cardei2006energy} provide a taxonomy for coverage algorithms in WSNs according to several design choices:
151 \begin{itemize}
152 \item Sensors scheduling Algorithms, i.e. centralized or distributed/localized algorithms.
153 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime
154 or to minimize the number of sensors during the sensing period.
155 \item The homogeneous or heterogeneous nature of the
156 nodes, in terms of sensing or communication capabilities.
157 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
158 \item Additional requirements for energy-efficient
159 coverage and connected coverage.
160 \end{itemize}
161
162 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in many cover sets) can be added to the above list.
163 % 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.
164    
165 \subsection{Centralized Approaches}
166 %{\bf Centralized approaches}
167 The major approach is
168 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
169 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
170 these set covers successively. The centralized algorithms always provide nearly or close to optimal solution since the algorithm has global view of the whole network. Note that centralized algorithms have the advantage of requiring very low processing power from the sensor nodes, which usually have
171 limited processing capabilities. 
172
173 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
174 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
175 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
176 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm, which
177 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
178 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
179 including in  priority the sensor  nodes, which cover  critical fields,
180 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
181 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
182 is the number of  sensors. Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  design  three  approximation
183 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
184 objective is to partition the sensors into covers such that the number
185 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
186 Their        work        builds        upon       previous        work
187 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
188 not provide complete coverage of the monitoring zone.
189 \cite{cardei2005improving} propose a method to efficiently
190 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
191 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
192 maximum  flow   problem, which  is  formulated  as   a  mixed  integer
193 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
194 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
195 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
196 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
197 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
198
199 Zorbas  et  al.  \cite{zorbas2010solving}  presented a centralised greedy
200 algorithm for the efficient production of both node disjoint
201 and non-disjoint cover sets. Compared to algorithm's results  of  Slijepcevic and Potkonjak
202 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
203 disjoint cover sets with a slight growth rate in execution time. When producing non-disjoint cover sets, both Static-CCF and Dynamic-CCF provide cover sets offering longer network lifetime than those produced by
204 \cite{cardei2005energy}. Also, they require a smaller number of node participations in order to
205 achieve these results.
206
207 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high}, sensors may
208 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases, this  may
209 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
210 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
211 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
212 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
213 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
214 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei2005energy}
215 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
216 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
217 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
218 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
219 lifetime         increases        compared         with        related
220 work~\cite{cardei2005improving}.   In~\cite{berman04}, the
221 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
222 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
223 algorithm~\cite{garg98}, provably near
224 the optimal solution,    is also proposed.
225
226 \subsection{Distributed approaches}
227 %{\bf Distributed approaches}
228 In distributed $\&$ localized coverage algorithms, the required computation to schedule the activity of sensor nodes will be done by the cooperation among the neighbours nodes. These algorithms may require more computation power  for the processing by the cooperated sensor nodes but they are more scaleable for large WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set covers. 
229
230 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
231 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02, yardibi2010distributed}  to perform the
232 scheduling so as to coverage preservation.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
233 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
234 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
235 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
236 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
237 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
238 \cite{lu2003coverage}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
239 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
240 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
241 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
242 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule,
243 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
244 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
245 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
246 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
247 \cite{prasad2007distributed}  defines a model  for capturing
248 the dependencies between different cover sets and proposes localized
249 heuristic based on this dependency. The algorithm consists of two
250 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
251 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
252 first decides  its on/off status, and  then remains on or off for the
253 rest  of the  duration. 
254
255 The authors in \cite{yardibi2010distributed}  developed a distributed adaptive sleep scheduling algorithm (DASSA) for WSNs with partial coverage. DASSA does not require location information of sensors while maintaining connectivity and satisfying a user defined coverage target. In DASSA, nodes use the residual energy levels and feedback from the sink for scheduling the activity of their neighbors. This feedback mechanism reduces the randomness in scheduling that would otherwise occur due to the absence of location information. 
256
257 In \cite{ChinhVu},  the author proposed a novel  distributed heuristic, called
258 Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage  (DESK), which
259 ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and
260 the lifetime  maximized while the coverage  requirement is maintained.
261 This  heuristic   works  in  rounds,  requires   only  1-hop  neighbor
262 information,  and each  sensor decides  its status  (active  or sleep)
263 based    on    the    perimeter    coverage    model    proposed    in
264 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
265
266
267 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
268 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
269 %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. 
270
271 The works presented in \cite{Bang, Zhixin, Zhang}  focuses on a Coverage-Aware, Distributed  Energy- Efficient and distributed clustering methods respectively, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
272 S.  Misra  et al.  \cite{Misra}  proposed  a  localized algorithm  for
273 coverage in  sensor networks. The algorithm conserve  the energy while
274 ensuring  the network coverage  by activating  the subset  of sensors,
275 with  the  minimum  overlap  area. The proposed  method  preserves  the
276 network connectivity by formation of the network backbone. 
277 More    recently,   Shibo   et
278 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
279 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
280 Greedy Algorithm  (DTGA) to  solve it. They  take advantage  from both
281 temporal  and spatial  correlations between  data sensed  by different
282 sensors,  and   leverage  prediction,  to  improve   the  lifetime. 
283
284 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed an algorithm, called Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
285
286 Some other approaches (outside the scope of our work) do  not consider a synchronized and predetermined
287 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
288 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
289 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time. 
290
291 The MuDiLCO protocol (for Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol) presented in this paper is an extension of the approach explained in~\cite{idrees2014coverage}. In~\cite{idrees2014coverage}, the protocol is deployed over only two subregions. Simulation results have shown that it was more interesting to divide the area into several subregions, given the computation complexity. Compared to our previous paper, we study here the possibility of dividing the sensing phase into multiple rounds and we also add a model of energy consumption to assess the efficiency of our approach.
292 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
293 %(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.
294 %\section{Preliminaries}
295 %\label{Pr}
296
297
298
299
300 %Network Lifetime
301
302 %\subsection{Network Lifetime}
303 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
304 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
305 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
306 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
307 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
308 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
309 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
310 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
311 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
312 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
313 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
314 %transmit information on an event in the area that it monitors.
315
316
317
318
319 \section{ The MuDiLCO Protocol Description}
320 \label{pd}
321
322 %Our work will concentrate on the area coverage by design
323 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
324 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
325 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
326 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
327 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
328 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
329 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
330 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
331 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
332 %simultaneously).
333
334
335
336 %In this section, we introduce a Multiperiod Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol, which is called MuDiLCO. It is  distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two efficient techniques: network
337 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
338 %The main features of our MuDiLCO protocol:
339 %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.
340
341
342 \subsection{ Assumptions and Models}
343 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
344 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
345 density to ensure initially a high coverage ratio of the interested area. We
346 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
347 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
348 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
349 through hardware such as embedded GPS or through location discovery
350 algorithms.   
351 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
352 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
353 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
354 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
355 covered by this sensor. We also assume that the communication range $R_c \geq 2R_s$.
356 In  fact,   Zhang  and Zhou~\cite{Zhang05} proved that if the transmission range fulfills the
357 previous hypothesis, a complete coverage of a convex area implies
358 connectivity among the working nodes in the active mode.
359
360 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
361 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
362 sensing disk defined  by a sensor is covered if all the primary points of
363 this sensor are covered. The choice of number and locations of primary points is the subject of another study not presented here.
364
365 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
366 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
367 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
368 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
369 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
370 %sensors, instead of using all the points in the area.
371
372 %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
373 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
374 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
375 %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 $L$.
376 %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.
377
378 \subsection{The Main Idea}
379 The   area  of  interest   can  be  divided using the
380 divide-and-conquer strategy into smaller areas,  called subregions and
381 then  our MuDiLCO protocol  will be implemented  in each  subregion
382 simultaneously. \\
383
384 \noindent Our MuDiLCO protocol works in periods fashion as shown in figure~\ref{fig2}.
385 \begin{figure}[ht!]
386 \centering
387 \includegraphics[width=95mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
388 \caption{MuDiLCO protocol}
389 \label{fig2}
390 \end{figure} 
391
392 Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
393 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
394 % set cover responsible for the sensing task.  
395 For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
396 This protocol is reliable  against an unexpected node failure  because it works
397 in periods. On the one hand,  if a node  failure is  detected before
398 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
399 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
400 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
401 the period of sensing until a new period starts.  
402 The energy
403 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
404 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
405 information (including their residual energy) at the beginning of each
406 period.  However,   the  pre-sensing  phases   (Information Exchange,  Leader
407 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
408 they do not  join the network to monitor the  area. 
409
410 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
411
412 We define two types of packets used by MuDiLCO protocol :
413 \begin{enumerate}[(a)] 
414 \item INFO packet: sent by each sensor node to all the nodes inside a subregion for information exchange.
415 \item ActiveSleep packet: sent by the leader to all the nodes inside a subregion to inform them to be Active or Sleep during the sensing phase.
416 \end{enumerate}
417
418 There are five status for each sensor node in the network :
419 \begin{enumerate}[(a)] 
420 \item LISTENING: Sensor is waiting for a decision (to be active or not)
421 \item COMPUTATION: Sensor applies the optimization process as leader
422 \item ACTIVE: Sensor is active
423 \item SLEEP: Sensor is turned off
424 \item COMMUNICATION: Sensor is transmitting or receiving packet
425 \end{enumerate}
426
427 Below, we describe each phase in more details.
428
429 \subsection{Information Exchange Phase}
430
431 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
432 the number of neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
433 its subregion by using an INFO packet (containing information on position coordinates, current remaining energy, sensor node id, number of its one-hop live neighbors)  and then listens to the packets
434 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
435 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
436 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
437 active mode.
438
439 %\subsection{\textbf Working Phase:}
440
441 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
442
443 \subsection{Leader Election Phase}
444 This step includes choosing the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
445 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
446 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
447 independently  for each  period.  All the  sensor  nodes cooperate  to
448 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
449 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
450 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
451 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
452 equality, larger index. Observations on previous simulations suggest to use the number of $1-hop$ neighbours as the primary criterion to reduce energy consumption due to the communication.
453
454 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbours, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
455 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
456
457 %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.  
458
459
460 \subsection{Decision phase}
461 The  WSNL will  solve an  integer  program to
462 select which cover sets will be activated in the following sensing phase
463 to cover  the subregion. The integer program will produce $T$ cover sets (for $T$ rounds). WSNL will send  Active-Sleep packet to each
464 sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if the sensor should be active or not in each round of the sensing phase.
465 \indent  The integer  program   is   based   on  the   model   proposed   by
466 \cite{pedraza2006} with some modification, where the objective is  to find a maximum number of
467 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
468 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
469 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
470 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
471 model, we  consider  binary  variables $X_{t,j}$,  which  determine the possiblity of activation of sensor $j$ during the round $t$ of a given sensing phase. We also consider primary points  as targets.   The set  of primary  points is
472 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$. Only sensors able to be alive during at least one round are involved in the integer program.
473
474 %parler de la limite en energie Et pour un round
475
476 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{j,p}$ denote  the
477 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
478 \begin{equation}
479 \alpha_{j,p} = \left \{ 
480 \begin{array}{l l}
481   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
482  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
483   0 & \mbox{otherwise.}\\
484 \end{array} \right.
485 %\label{eq12} 
486 \end{equation}
487 The number of active sensors that cover the primary point $p$ during round $t$ is equal
488 to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
489 \begin{equation}
490 X_{t,j} = \left \{ 
491 \begin{array}{l l}
492   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
493   0 &  \mbox{otherwise.}\\
494 \end{array} \right.
495 %\label{eq11} 
496 \end{equation}
497 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
498 \begin{equation}
499  \Theta_{t,p} = \left \{ 
500 \begin{array}{l l}
501   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
502     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
503   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
504 \end{array} \right.
505 \label{eq13} 
506 \end{equation}
507 \noindent More precisely, $\Theta_{t,p}$ represents the number of active
508 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$ during the round $t$.\\
509 The Undercoverage variable $U_{t,p}$ of the primary point $p$ during round $t$ is defined
510 by:
511 \begin{equation}
512 U_{t,p} = \left \{ 
513 \begin{array}{l l}
514   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
515   0 & \mbox{otherwise.}\\
516 \end{array} \right.
517 \label{eq14} 
518 \end{equation}
519
520 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
521
522
523 \begin{equation}
524  Minimize   \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
525 \end{equation}
526
527 \hspace{30 mm} Subject to\\
528 \begin{equation}
529   \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..T
530 \end{equation}
531
532 \begin{equation}
533   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{th}} \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1..T
534   \label{eq144} 
535 \end{equation}
536
537 \begin{equation}
538 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1..T \label{eq17} 
539 \end{equation}
540
541 \begin{equation}
542 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1..T  \label{eq18} 
543 \end{equation}
544
545 \begin{equation}
546  \Theta_{t,p} \geq 0  \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1..T  \label{eq178} 
547 \end{equation}
548
549 %\begin{equation}
550 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
551 %\end{equation}
552
553
554 \begin{itemize}
555 \item $X_{t,j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
556   sensing during the round $t$ (1 if yes and 0 if not);
557 \item $\Theta_{t,p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
558   one that are covering the primary point $p$ during the round $t$;
559 \item $U_{t,p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
560   $p$ is being covered during the round $t$(1 if not covered and 0 if covered).
561 \end{itemize}
562
563 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
564 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
565 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
566 restriction  equations by taking  positive values. Constraint \ref{eq144} guarantees that the sensor has enough energy ($RE_j$ its remaining energy) to be alive during the selected rounds knowing that $E_{th}$ is the requiring energy to be alive during one round. 
567 There are  two main         
568 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
569 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
570  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
571 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
572 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
573 round. In our simulations priority is given to the coverage by choosing $W_{\theta}$ very large compared to $W_U$. 
574 %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.
575
576
577 \subsection{Sensing phase}
578 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it to stay awake or to go to sleep  for each round of the sensing phase. 
579 % 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. 
580
581
582
583 \begin{algorithm}                
584  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
585 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
586   \BlankLine
587   \emph{Initialize the sensor node and determine it's position and it's subregion} \; 
588   
589   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
590       \emph{ $s_j.status$ = LISTENING}\;
591       \emph{ Send and Receive INFO Packet to and from other nodes in the subregion}\;
592       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
593       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
594       
595       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
596            \emph{Selection of LeaderID}\;
597            \If{ $ s_j.ID = LeaderID $}{ 
598                 \emph{Execute Integer Program Algorithm $(Schedule_{T,J})$ }\;
599                 \emph{ Send $ActiveSleep()$ Packet with $Schedule_{1..T,k}$  }\;
600                  \emph{UPDATE $RE_j $}\;
601                           }       
602            \Else{ 
603                  \emph{Wait $ActiveSleep()$ Packet from the Leader}\;
604                 % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
605                  \emph{UPDATE $RE_j $}\;
606            }  
607     %  }
608
609   }
610   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
611    
612  %   \emph{return X} \;
613 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
614 \label{alg:MuDiLCO}
615
616 \end{algorithm}
617
618
619
620
621 \section{Simulations}
622 \label{exp}
623 \subsection{Simulation Framework}
624 We conducted  a series of simulations to evaluate the
625 efficiency and the relevance of our approach,  using the  discrete event
626 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. The simulation parameters are summarized in
627 Table~\ref{table3}. \\
628
629 \begin{table}[ht]
630 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
631 % title of Table
632 \centering
633 % used for centering table
634 \begin{tabular}{c|c}
635 % centered columns (4 columns)
636       \hline
637 %inserts double horizontal lines
638 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
639    
640 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
641 % inserts table
642 %heading
643 \hline
644 % inserts single horizontal line
645 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
646 % inserting body of the table
647 %\hline
648 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
649 %\hline
650 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
651 %\hline
652 Sensing Time for One Round & 60 Minutes \\
653 $E_{th}$ & 36 Joules\\
654 $R_s$ & 5~m   \\     
655 %\hline
656 $w_{\Theta}$ & 1   \\
657 % [1ex] adds vertical space
658 %\hline
659 $w_{U}$ & $|P^2|$
660 %inserts single line
661 \end{tabular}
662 \label{table3}
663 % is used to refer this table in the text
664 \end{table}
665
666 25 simulation runs are performed with different network topologies. The results presented hereafter are the average of these 25 runs. 
667 %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. 
668 We  performed  simulations for five different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results are obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
669 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in   order to ensure that the  deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.\\
670
671   
672 Our MuDiLCO protocol is declined into four versions: MuDiLCO-1, MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and MuDiLCO-7, corresponding  to $T=1$, $T=3$, $T=5$ or $T=7$ ($T$ the number of rounds in one sensing period).  We call the method MuDiLCO-T for the general case. We compare MuDiLCO-T with two other methods. The first method, called DESK and proposed by ~\cite{ChinhVu} is a full distributed coverage algorithm. The second method, called GAF ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region into fixed squares.   During the  decision phase,  in  each square,  one sensor  is chosen to remain on during the sensing phase time.\\
673
674
675
676
677 \subsection{Energy Model}
678
679 We use an energy consumption model proposed by~\cite{ChinhVu} and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications.
680 The energy consumption for sending/receiving the packets is added whereas the part related to the sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
681 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
682 %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. 
683 %revoir la phrase
684
685 For our energy consumption model, we refer to the sensor node (Medusa II) which uses Atmels AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The typical architecture of a sensor is composed of four subsystems : the MCU subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which is responsible for
686 transmitting/receiving messages, sensing subsystem that collects data, and the power supply which  powers the complete sensor node ~\cite{raghunathan2002energy}. Each of the first three subsystems can be turned on or off depending on the current status of the sensor. Energy consumption (expressed in milliWatt per second)  for the different status of the sensor is summarized in Table~\ref{table4}. The energy needed to send or receive a 1-bit is equal to $0.2575 mW$.
687
688 \begin{table}[ht]
689 \caption{The Energy Consumption Model}
690 % title of Table
691 \centering
692 % used for centering table
693 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
694 % centered columns (4 columns)
695       \hline
696 %inserts double horizontal lines
697 Sensor mode & MCU   & Radio & Sensing & Power (mWs) \\ [0.5ex]
698 \hline
699 % inserts single horizontal line
700 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
701 % inserting body of the table
702 \hline
703 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
704 \hline
705 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
706 \hline
707 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
708 %\hline
709 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
710  \hline
711 \end{tabular}
712
713 \label{table4}
714 % is used to refer this table in the text
715 \end{table}
716
717 For sake of  simplicity we ignore the energy needed to turn on the
718 radio, to start up the sensor node, the transition from mode to another, etc. 
719 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
720 Thus, when a sensor becomes active (i.e., it already decides it's status), it can turn its radio off to save battery. MuDiLCO uses two types of packets for communication. The size of the INFO-Packet and Status-Packet are 112 bits and 24 bits respectively. 
721 The value of energy spent to send a 1-bit-content message is obtained by using the equation in ~\cite{raghunathan2002energy} to calculate the energy cost for transmitting messages and we propose the same value for receiving the packets.
722
723
724 The initial energy of  each node is  randomly set in the interval $[500-700]$.  Each  sensor  node will  not participate in the next round if its remaining energy is less than $E_{th}=36 Joules$, the minimum energy needed for the node to stay alive during one round. This value has been computed by multiplying the energy consumed in active state (9.72 mWs) by the time in second for one round (3600 seconds). According to the interval of initial energy, a sensor may be alive during at most 20 rounds.\\
725
726
727
728
729  
730 \subsection{Metrics}
731
732 We introduce the following performance metrics for evaluating our approach: 
733
734 \begin{enumerate}[i)]
735   
736 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area of a sensor field is  covered. In our case, we treated the sensing fields as a grid, and used each grid point as a sample point
737 for calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
738 \begin{equation*}
739 \scriptsize
740 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
741 \end{equation*}
742 Where: $n^t$ is the number of covered grid points by the active sensors of all subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number of grid points in the sensing field of the network.
743 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
744 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
745 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
746 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
747
748 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
749 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
750 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
751 \begin{equation*}
752 \scriptsize
753 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
754 \end{equation*}
755 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
756
757 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until the coverage ratio drops below a predefined threshold. We denoted by $Lifetime95$ (respectively  $Lifetime50$) as the amount of  time during which  the network  can  satisfy an area  coverage greater than $95\%$ (repectively $50\%$). We assume that the network
758 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
759 sensor network becomes disconnected. Network connectivity is important because an
760 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
761 transmit information on an event in the area that it monitors.
762  
763
764 \item {{\bf Energy Consumption}:}
765
766  Energy Consumption (EC) can be seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime95$ or $Lifetime50$ divided by the number of rounds. The EC can be computed as follow: \\
767  \begin{equation*}
768 \scriptsize
769 \mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D \left( E^c_d + E^l_d + E^a_d + E^s_d + E^p_d \right)$ }}{\mbox{$D$}}   .
770 \end{equation*}
771
772 %\begin{equation*}
773 %\scriptsize
774 %\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{$D$}}.
775 %\end{equation*}
776
777 Where: D is the number of rounds during $Lifetime95$ or $Lifetime50$. 
778 The total energy consumed by the sensors (EC) comes through taking into consideration four main energy factors, which are $E^c_d$, $E^l_d$, $E^a_d$, $E^s_d$ and $E^p_d$.
779 The energy consumption $E^c_d$ for wireless  communications  is  calculated by taking into account the  energy spent by  all the nodes while  transmitting and
780 receiving  packets during round $d$. The $E^l_d$ represents the energy consumed by all the sensors during the listening mode before taking the decision to go Active or Sleep in round $d$. $E^a_d$ and $E^s_d$  refer to energy consumed in the active mode or in the sleeping mode. The $E^p_d$ refers to energy consumed by the computation (processing) to solve the integer program.
781
782 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
783 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
784
785
786
787 \item {{\bf Execution Time}:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
788 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
789 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
790 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
791   
792 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation
793 ends  when the  sensor network  becomes
794 disconnected (some nodes are dead and are not able to send information to the base station). We report the number of simulations that are stopped due to network disconnections and for which round it occurs.
795
796 \end{enumerate}
797
798
799 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%VU JUSQU ICI**************************************************
800
801
802
803 \section{Results and analysis}
804 \subsection{Coverage ratio} 
805 Figure~\ref{fig3} shows the average coverage ratio for 150 deployed nodes.  
806 \parskip 0pt    
807 \begin{figure}[h!]
808 \centering
809  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
810 \caption{The coverage ratio for 150 deployed nodes}
811 \label{fig3}
812 \end{figure} 
813
814 DESK and GAF provide a very little better coverage ratio than MuDiLCO-T (in the first thirty rounds. This is due to the fact that MuDiLCO  put in sleep mode redundant sensors using optimization (which slightly decreases the coverage ratio) while there are more active nodes in the case of DESK and GAF. When the number of rounds increases, coverage ratio produced by DESK and GAF decreases. This is due to dead nodes. However,  MuDiLCO-T maintains the coverage ratio greater than 50$\%$ for a larger number of rounds in comparison with DESK and GAF. Although some nodes are dead, sensor activity scheduling based on optimization in MuDiLCO allows to prolong the coverage of the area of interest. The simulation results shows the superiority of our method, that  keeps high coverage for a larger number of rounds, so the network lifetime is extended.
815
816
817 \subsection{Active sensors ratio} 
818  It is important to have as few active nodes as possible in each round,
819 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
820 network lifetime. Figure~\ref{fig4} presents the active sensor ratio for 150 deployed nodes all along the network lifetime. 
821 \begin{figure}[h!]
822 \centering
823 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
824 \caption{The active sensors ratio for 150 deployed nodes }
825 \label{fig4}
826 \end{figure} 
827
828
829 We can observe that DESK and GAF have 37.6 $\%$ and 44.8 $\%$ of active nodes and MuDiLCO-T competes perfectly with only 24.8$\%$  of active nodes for the first thirteen rounds.
830 From the thirty fifth round, MuDiLCO-T has a larger number of active nodes in comparison with DESK and GAF but it maintains a higher level of coverage compared to the two other methods. DESK and GAF have less number of active nodes because many nodes are died.
831
832
833 \subsection{Stopped simulation runs}
834 %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
835 %runs per round for 150 deployed nodes. 
836 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative percentage of stopped simulations runs per round for 150 deployed nodes. This figure gives the breakpoint for each of the methods.
837 \begin{figure}[h!]
838 \centering
839 \includegraphics[scale=0.5]{R1/SR.pdf} 
840 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
841 \label{fig6}
842 \end{figure} 
843 DESK stops first (around 45 rounds) because it consumes more energy for turning on a large number of redundant nodes during the sensing phase. GAF stops secondly for the same reason of DESK. MuDiLCO-T overcomes DESK and GAF because the optimization process distributed on several subregions  leads to coverage preservation and so extends the network lifetime.
844 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
845
846
847 \subsection{Energy Consumption}
848 We measure the energy consumed by the sensors during the communication, listening, computation, active, and sleep modes for different network densities and compare it with the two other methods. Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig7} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
849
850 \begin{figure}[h!]
851 \centering
852 \includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf} 
853 \caption{The Energy Consumption with $95\%-Lifetime$}
854 \label{fig95}
855 \end{figure} 
856
857 The results show that MuDiLCO-T is the most competitive from the energy consumption point of view.  The other approaches have a  high energy  consumption  due  to  activating a larger number of redundant nodes as well as the energy consumed during the different modes of the sensor node.\\
858  
859 As shown in Figures~\ref{fig95}\ref{fig7} and \ref{fig7}, MuDiLCO-7 consumes more energy than the other versions of MuDiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of rounds and the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem.  
860 \begin{figure}[h!]
861 \centering
862 \includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf} 
863 \caption{The Energy Consumption with $Lifetime50$}
864 \label{fig7}
865 \end{figure} 
866
867
868
869 %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. 
870
871
872 \subsection{Execution time}
873 We observe the impact of the network size and of the number of rounds $T$ on the computation time. Figure~\ref{fig77} gives the average execution times in seconds  (times to solve optimization problem) for different values of $T$. The original execution time is computed on a laptop DELL with intel Core i3 2370 M (2.4 GHz) processor (2 cores) and the MIPS (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied by 2944.2 $\left( \frac{35330}{2} \times 6\right)$ and reported on Figure~\ref{fig77} for different network sizes.
874
875 Figure~\ref{fig77} shows that the execution time increases with the number of rounds $T$ taken into account for the scheduling of the sensing phase. MuDiLCO-7 results in execution time that quickly becomes unsuitable for a sensor network, especially when the sensor network size increases. 
876 %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.
877
878 \begin{figure}[h!]
879 \centering
880 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
881 \caption{Execution Time (in seconds)}
882 \label{fig77}
883 \end{figure} 
884
885
886 \subsection{Network Lifetime}
887 In Figure~\ref{fig9} and in Figure~\ref{fig8}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different  network sizes. 
888
889 \begin{figure}[h!]
890 \centering
891 \includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}  
892 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime95$}
893 \label{fig9}
894 \end{figure} 
895
896
897 As highlighted by Figure~\ref{fig9}, network lifetime obviously
898 increases when the size of the network increases. MuDiLCO-T (whatever values of $T$) maximizes the lifetime of the network compared with other approaches. The gain in lifetime for a coverage over $95\%$ is greater than $38\%$ between GAF and MuDiLCO-3.
899
900 % 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. 
901
902 %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.
903
904
905 %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.
906  
907
908
909 \begin{figure}[h!]
910 \centering
911 \includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}  
912 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime50$}
913 \label{fig8}
914 \end{figure} 
915
916 \section{Conclusion and Future Works}
917 \label{sec:conclusion}
918
919 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
920 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
921 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
922 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
923 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a MuDiLCO protocol optimizes  coverage and  lifetime performances in each subregion.
924 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
925 leader election  and sensor activity scheduling.
926 %,  where the challenges
927 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
928 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
929 %while taking the responsibility of covering the corresponding
930 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
931 The activity scheduling in each subregion works in periods, each period consists  of four phases: (i) Information Exchange,
932 (ii) Leader Election, (iii) Decision Phase
933 to plan the activity of the sensors over $T$ rounds  (iv) Sensing Phase itself divided into T rounds. 
934
935 Simulations results show the relevance  of the proposed MuDiLCO
936 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time. Indeed, when
937 dealing with large wireless sensor networks, a distributed
938 approach like the one we propose allows to reduce the difficulty of a
939 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
940 problems, one per subregion, that can be solved more easily. Nevertheless, results also show that it is not possible to plan the activity of sensors  over too many rounds because the resulting optimization problem leads to too high resolution time and thus to an excessive energy consumption.
941
942 %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
943 %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.
944 % use section* for acknowledgement
945 %\section*{Acknowledgment}
946
947 %% \linenumbers
948
949 %% main text
950 %\section{}
951 %\label{}
952
953 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
954 %% appendix sections are then done as normal sections
955 %% \appendix
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957 %% \section{}
958 %% \label{}
959
960 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
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963 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
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965 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
966 %% TeX file.
967
968 \bibliographystyle{elsarticle-num} 
969 \bibliography{biblio}
970   
971 \end{document}
972
973
974 %%\bibitem{}
975
976 %\end{thebibliography}
977 %\end{document}
978 \endinput
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980 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.