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update figure of primary points model by Ali
[JournalMultiPeriods.git] / article.tex
1
2 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
3
4 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
5 \usepackage{multicol}
6 \usepackage{mathtools}  
7 \usepackage{colortbl}
8 \usepackage{multirow}
9
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11 \SetAlCapFnt{\large}
12 \SetAlCapNameFnt{\large}
13 \usepackage{algorithmic}
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15
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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
79 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
80 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
81 %\thanks{}% <-this % stops a space
82  
83 %\address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
84 %e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
85 %$\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
86
87 \author{Ali   Kadhum   Idrees$^{a,b}$,   Karine  Deschinkel$^{a}$,   \\   Michel
88   Salomon$^{a}$,   and  Rapha\"el   Couturier   $^{a}$  \\   $^{a}${\em{FEMTO-ST
89       Institute,  UMR  6174  CNRS,   \\  University  Bourgogne  Franche-Comt\'e,
90       Belfort, France}} \\ $^{b}${\em{Department of Computer Science, University
91       of Babylon, Babylon, Iraq}} }
92
93 \begin{abstract}
94 %One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
95 %is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
96 %continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
97 %region) of  interest. 
98 Coverage and  lifetime are  two paramount problems  in Wireless  Sensor Networks
99 (WSNs). In this paper, a  method called Multiround Distributed Lifetime Coverage
100 Optimization  protocol (MuDiLCO)  is proposed  to maintain  the coverage  and to
101 improve the lifetime in wireless sensor  networks. The area of interest is first
102 divided into  subregions and  then the  MuDiLCO protocol  is distributed  on the
103 sensor nodes in  each subregion. The proposed MuDiLCO protocol  works in periods
104 during which sets of sensor nodes are  scheduled, with one set for each round of
105 a period, to remain active during the  sensing phase and thus ensure coverage so
106 as  to maximize  the  WSN lifetime.   \textcolor{blue}{The  decision process  is
107   carried out by a leader node,  which solves an optimization problem to produce
108   the  best representative  sets to  be used  during the  rounds of  the sensing
109   phase. The optimization problem formulated as  an integer program is solved to
110   optimality through a Branch-and-Bound method  for small instances.  For larger
111   instances, the best  feasible solution found by the solver  after a given time
112   limit threshold is considered.}
113 %The decision process is  carried out by a  leader node, which
114 %solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
115 %during the rounds  of the sensing phase. 
116 %\textcolor{red}{The integer program is solved by either GLPK solver or Genetic Algorithm (GA)}. 
117 Compared  with some  existing protocols,  simulation results  based on  multiple
118 criteria (energy consumption, coverage ratio, and  so on) show that the proposed
119 protocol can prolong  efficiently the network lifetime and  improve the coverage
120 performance.
121 \end{abstract}
122
123 \begin{keyword}
124 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   Lifetime,
125 Optimization, Scheduling, Distributed Computation.
126 \end{keyword}
127
128 \end{frontmatter}
129
130 \section{Introduction}
131  
132 \indent  The   fast  developments  of  low-cost  sensor   devices  and  wireless
133 communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number
134 of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over
135 a wireless  communication. They communicate  with each other by  using multi-hop
136 wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest,
137 so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink
138 for further  analysis~\cite{Sudip03}.  There  are several fields  of application
139 covering  a wide  spectrum for  a  WSN, including  health, home,  environmental,
140 military, and industrial applications~\cite{Akyildiz02}.
141
142 On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is
143 often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries,
144 especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life
145 of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime
146 optimization is one of the most  critical issues in wireless sensor networks. On
147 the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill
148 these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing
149 regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper,
150 we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing
151 the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
152
153 % 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
154 %fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
155 %the area of interest. The limited energy of sensors represents the main challenge in the WSNs
156 %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
157 %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
158 %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
159 %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}. 
160
161 %In this paper,  we concentrate on the area coverage  problem, with the objective
162 %of maximizing the network lifetime by using an optimized multirounds scheduling.
163 %The area of interest is divided into subregions.
164
165 % 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.  
166
167 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
168 % Section~\ref{rw}
169 reviews the  related works  in the  field.  Section~\ref{pd}  is devoted  to the
170 description of MuDiLCO protocol.  Section~\ref{exp} shows the simulation results
171 obtained using  the discrete event  simulator OMNeT++ \cite{varga}.   They fully
172 demonstrate  the  usefulness  of  the   proposed  approach.   Finally,  we  give
173 concluding    remarks   and    some    suggestions   for    future   works    in
174 Section~\ref{sec:conclusion}.
175
176
177 %%RC : Related works good for a phd thesis but too long for a paper. Ali you  need to learn to .... summarize :-)
178 \section{Related works} % Trop proche de l'etat de l'art de l'article de Zorbas ?
179 \label{rw}
180
181 \indent  This section is  dedicated to  the various  approaches proposed  in the
182 literature for  the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
183 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
184 in WSNs. Cardei  and Wu \cite{cardei2006energy} provide a  taxonomy for coverage
185 algorithms in WSNs according to several design choices:
186 \begin{itemize}
187 \item  Sensors   scheduling  algorithm  implementation,   i.e.   centralized  or
188   distributed/localized algorithms.
189 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
190   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
191 \item The homogeneous or heterogeneous nature  of the nodes, in terms of sensing
192   or communication capabilities.
193 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
194 \item  Additional  requirements  for  energy-efficient and  connected coverage.
195 \end{itemize}
196
197 The choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in
198 many cover sets) can be added to the above list.
199 % 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.
200
201 \subsection{Centralized approaches}
202
203 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
204 cover sets where  each set completely covers an interest  region and to activate
205 these cover sets successively.  The centralized algorithms always provide nearly
206 or close to  optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
207 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
208 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
209 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach is  its
210 higher cost in communications, since the  node that will make the decision needs
211 information from  all the sensor  nodes.  \textcolor{blue} {Exact  or heuristics
212   approaches are designed to provide cover sets.
213 %(Moreover, centralized approaches usually
214 %suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
215 %size increases.) 
216 Contrary to exact methods, heuristic ones  can handle very large and centralized
217 problems.  They are  proposed to  reduce computational  overhead such  as energy
218 consumption, delay, and generally allow to increase the network lifetime.}
219
220 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
221 disjoint:  a  sensor  node  appears  in  exactly  one  of  the  generated  cover
222 sets~\cite{abrams2004set,cardei2005improving,Slijepcevic01powerefficient}.    In
223 the  case   of  non-disjoint   algorithms  \cite{pujari2011high},   sensors  may
224 participate in  more than one  cover set.  In some  cases, this may  prolong the
225 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
226 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces a  higher
227 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
228 scheduling policies  are less  resilient and  reliable because  a sensor  may be
229 involved in more than one cover sets.
230 %For instance, the proposed work in ~\cite{cardei2005energy, berman04}    
231
232 In~\cite{yang2014maximum},  the authors  have  considered  a linear  programming
233 approach  to select  the minimum  number of  working sensor  nodes, in  order to
234 preserve a  maximum coverage and  to extend lifetime  of the network.   Cheng et
235 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
236 Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data
237 coverage range, residual  energy).  Then, they have introduced  a new Correlated
238 Node Set Computing (CNSC) algorithm to find  the correlated node set for a given
239 node.   After that,  they  proposed a  High Residual  Energy  First (HREF)  node
240 selection algorithm to minimize the number of  active nodes so as to prolong the
241 network  lifetime.   Various  centralized  methods based  on  column  generation
242 approaches                   have                    also                   been
243 proposed~\cite{gentili2013,castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
244 \textcolor{blue}{In~\cite{gentili2013}, authors highlight  the trade-off between
245   the  network lifetime  and the  coverage  percentage. They  show that  network
246   lifetime can be hugely improved by decreasing the coverage ratio.}
247
248 \subsection{Distributed approaches}
249 %{\bf Distributed approaches}
250 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
251 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
252 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
253 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
254 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
255 covers.
256
257 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
258 to          preserve         coverage,          see          for         example
259 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,       yardibi2010distributed,
260   prasad2007distributed,Misra}.   Distributed  algorithms  typically operate  in
261 rounds for  a predetermined duration. At  the beginning of each  round, a sensor
262 exchanges information with  its neighbors and makes a  decision to either remain
263 turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on
264 simple     greedy     criteria    like     the     largest    uncovered     area
265 \cite{Berman05efficientenergy}      or       maximum      uncovered      targets
266 \cite{lu2003coverage}.   The  Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm
267 (DASSA) \cite{yardibi2010distributed}  does not require  location information of
268 sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user  defined coverage
269 target.  In  DASSA, nodes use the  residual energy levels and  feedback from the
270 sink for  scheduling the activity  of their neighbors.  This  feedback mechanism
271 reduces  the randomness  in scheduling  that would  otherwise occur  due  to the
272 absence of location information.  In  \cite{ChinhVu}, the author have designed a
273 novel distributed heuristic,  called Distributed Energy-efficient Scheduling for
274 k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors
275 is  balanced  and the  lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is
276 maintained.   This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor
277 information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the
278 perimeter coverage model from~\cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
279
280 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
281 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
282 %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. 
283
284 The  works presented  in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang}  focus on  coverage-aware,
285 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
286 which  aim at extending  the network  lifetime, while  the coverage  is ensured.
287 More recently, Shibo et al.  \cite{Shibo} have expressed the coverage problem as
288 a  minimum  weight submodular  set  cover  problem  and proposed  a  Distributed
289 Truncated Greedy  Algorithm (DTGA) to solve  it.  They take  advantage from both
290 temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and
291 leverage prediction, to improve  the lifetime.  In \cite{xu2001geography}, Xu et
292 al.  have  described an algorithm, called Geographical  Adaptive Fidelity (GAF),
293 which uses geographic  location information to divide the  area of interest into
294 fixed square grids.   Within each grid, it keeps only one  node staying awake to
295 take the responsibility of sensing and communication.
296
297 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
298 synchronized and  predetermined time-slot where  the sensors are active  or not.
299 Indeed, each sensor  maintains its own timer and its  wake-up time is randomized
300 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
301
302 The MuDiLCO protocol (for  Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
303 protocol) presented  in this paper  is an  extension of the  approach introduced
304 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
305 deployed over  only two subregions.  Simulation results  have shown that  it was
306 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
307 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
308 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
309 an  improved  model of  energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
310 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
311 a single round  optimization in our previous work.  \textcolor{blue}{The idea is
312   to take advantage  of the pre-sensing phase to plan  the sensor's activity for
313   several  rounds instead  of one,  thus saving  energy. In  addition, when  the
314   optimization problem becomes  more complex, its resolution is  stopped after a
315   given time threshold}.
316
317 \iffalse
318    
319 \subsection{Centralized Approaches}
320 %{\bf Centralized approaches}
321 The major approach  is to divide/organize the sensors into  a suitable number of
322 set covers where  each set completely covers an interest  region and to activate
323 these set covers successively.  The centralized algorithms always provide nearly
324 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
325 network. Note that  centralized algorithms have the advantage  of requiring very
326 low  processing  power  from  the  sensor  nodes,  which  usually  have  limited
327 processing  capabilities. The  main drawback  of this  kind of  approach  is its
328 higher cost in communications, since the  node that will take the decision needs
329 information from all the  sensor nodes. Moreover, centralized approaches usually
330 suffer from the scalability problem, making them less competitive as the network
331 size increases.
332
333 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are
334 disjoint: a sensor node appears in exactly one of the generated cover sets.  For
335 instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak  \cite{Slijepcevic01powerefficient}  have
336 proposed an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets
337 to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds a cover
338 set by including in priority the  sensor nodes which cover critical fields, that
339 is to say fields  that are covered by the smallest number  of sensors.  The time
340 complexity of  their heuristic is $O(n^2)$  where $n$ is the  number of sensors.
341 Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  have designed three approximation algorithms
342 for a variation of the set  k-cover problem, where the objective is to partition
343 the sensors  into covers such  that the number  of covers that include  an area,
344 summed  over all  areas, is  maximized.  Their  work builds  upon  previous work
345 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient}  and  the  generated  cover  sets  do  not
346 provide complete coverage of the monitoring zone.
347
348 In \cite{cardei2005improving}, the authors have proposed a method to efficiently
349 compute the maximum number of disjoint set covers such that each set can monitor
350 all targets. They first transform the problem into a maximum flow problem, which
351 is formulated  as a mixed integer  programming (MIP). Then  their heuristic uses
352 the output  of the MIP to compute  disjoint set covers.  Results  show that this
353 heuristic  provides  a  number  of   set  covers  slightly  larger  compared  to
354 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, but with a  larger execution time due to the
355 complexity of the mixed integer programming resolution.
356
357 Zorbas et al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralized greedy algorithm
358 for the efficient production of  both node disjoint and non-disjoint cover sets.
359 Compared    to    algorithm's    results    of   Slijepcevic    and    Potkonjak
360 \cite{Slijepcevic01powerefficient}, their heuristic produces more disjoint cover
361 sets with a  slight growth rate in execution  time.  When producing non-disjoint
362 cover sets,  both Static-CCF  and Dynamic-CCF algorithms,  where CCF  means that
363 they  use a cost  function called  Critical Control  Factor, provide  cover sets
364 offering longer network lifetime than those produced by \cite{cardei2005energy}.
365 Also, they require  a smaller number of participating nodes  in order to achieve
366 these results.
367
368 In  the  case  of  non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high},  sensors  may
369 participate in  more than one  cover set.  In  some cases, this may  prolong the
370 lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but
371 designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher
372 order  of complexity.   Moreover, in  case of  a sensor's  failure, non-disjoint
373 scheduling policies are less resilient and less reliable because a sensor may be
374 involved   in   more  than   one   cover   sets.    For  instance,   Cardei   et
375 al.~\cite{cardei2005energy}  present a  linear programming  (LP) solution  and a
376 greedy approach to extend the  sensor network lifetime by organizing the sensors
377 into a maximal number of  non-disjoint cover sets.  Simulation results show that
378 by  allowing sensors  to  participate  in multiple  sets,  the network  lifetime
379 increases     compared     with     related     work~\cite{cardei2005improving}.
380 In~\cite{berman04},  the  authors  have  formulated  the  lifetime  problem  and
381 suggested another (LP) technique to  solve this problem.  A centralized solution
382 based  on  the  Garg-K\"{o}nemann  algorithm~\cite{garg98},  provably  near  the
383 optimal solution, is also proposed.
384
385 In~\cite{yang2014maximum},  the  authors  have  proposed  a  linear  programming
386 approach for selecting  the minimum number of working sensor  nodes, in order to
387 as to preserve  a maximum coverage and extend lifetime of  the network. Cheng et
388 al.~\cite{cheng2014energy} have defined a  heuristic algorithm called Cover Sets
389 Balance (CSB), which choose a set of active nodes using the tuple (data coverage
390 range, residual energy).   Then, they have introduced a  new Correlated Node Set
391 Computing (CNSC)  algorithm to find  the correlated node  set for a  given node.
392 After that,  they proposed  a High Residual  Energy First (HREF)  node selection
393 algorithm to  minimize the number of active  nodes so as to  prolong the network
394 lifetime. Various centralized methods based on column generation approaches have
395 also been proposed~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
396
397 \subsection{Distributed approaches}
398 %{\bf Distributed approaches}
399 In distributed  and localized coverage  algorithms, the required  computation to
400 schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among
401 neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the
402 processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large
403 WSNs.  Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set
404 covers.
405
406 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as
407 to          preserve         coverage,          see          for         example
408 \cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02,yardibi2010distributed}.
409 Distributed  algorithms   typically  operate  in  rounds   for  a  predetermined
410 duration. At  the beginning of each  round, a sensor  exchanges information with
411 its neighbors and makes a decision to  either remain turned on or to go to sleep
412 for the  round. This decision is  basically made on simple  greedy criteria like
413 the largest  uncovered area \cite{Berman05efficientenergy}  or maximum uncovered
414 targets  \cite{lu2003coverage}.   In  \cite{Tian02},  the scheduling  scheme  is
415 divided into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by a
416 sensing phase.  Each sensor broadcasts  a message containing the node~ID and the
417 node  location to  its  neighbors at  the  beginning of  each  round.  A  sensor
418 determines its status by a rule named off-duty eligible rule, which tells him to
419 turn off if its  sensing area is covered by its neighbors.  A back-off scheme is
420 introduced to let each sensor delay the decision process with a random period of
421 time, in  order to  avoid simultaneous conflicting  decisions between  nodes and
422 lack  of coverage  on any  area.   In \cite{prasad2007distributed}  a model  for
423 capturing  the dependencies  between  different  cover sets  is  defined and  it
424 proposes localized heuristic based on this dependency. The algorithm consists of
425 two  phases,  an initial  setup  phase during  which  each  sensor computes  and
426 prioritizes  the covers  and  a sensing  phase  during which  each sensor  first
427 decides  its on/off  status, and  then remains  on or  off for  the rest  of the
428 duration. 
429
430 The  authors  in  \cite{yardibi2010distributed}  have  developed  a  Distributed
431 Adaptive  Sleep Scheduling  Algorithm (DASSA)  for WSNs  with  partial coverage.
432 DASSA  does  not  require  location  information of  sensors  while  maintaining
433 connectivity and satisfying a user defined coverage target.  In DASSA, nodes use
434 the  residual  energy levels  and  feedback from  the  sink  for scheduling  the
435 activity of their neighbors.  This  feedback mechanism reduces the randomness in
436 scheduling  that  would   otherwise  occur  due  to  the   absence  of  location
437 information.  In  \cite{ChinhVu}, the author  have proposed a  novel distributed
438 heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK),
439 which ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and the
440 lifetime maximized while the coverage requirement is maintained.  This heuristic
441 works in  rounds, requires  only one-hop neighbor  information, and  each sensor
442 decides  its status  (active or  sleep) based  on the  perimeter  coverage model
443 proposed in \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
444
445 %Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
446 %heterogeneous energy wireless sensor networks. 
447 %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. 
448
449 The  works presented in  \cite{Bang, Zhixin,  Zhang} focus  on coverage-aware,
450 distributed energy-efficient,  and distributed clustering  methods respectively,
451 which aim  to extend the network  lifetime, while the coverage  is ensured.  S.
452 Misra et al.   \cite{Misra} have proposed a localized  algorithm for coverage in
453 sensor networks.  The  algorithm conserve the energy while  ensuring the network
454 coverage by activating the subset of  sensors with the minimum overlap area. The
455 proposed method preserves  the network connectivity by formation  of the network
456 backbone.  More recently, Shibo et  al. \cite{Shibo} have expressed the coverage
457 problem  as  a  minimum weight  submodular  set  cover  problem and  proposed  a
458 Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA)  to solve it.  They take advantage
459 from both  temporal and  spatial correlations between  data sensed  by different
460 sensors,   and    leverage   prediction,   to   improve    the   lifetime.    In
461 \cite{xu2001geography},   Xu  et   al.  have   proposed  an   algorithm,  called
462 Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information
463 to divide  the area of  interest into fixed  square grids. Within each  grid, it
464 keeps only  one node  staying awake  to take the  responsibility of  sensing and
465 communication.
466
467 Some  other  approaches (outside  the  scope  of our  work)  do  not consider  a
468 synchronized and  predetermined period of time  where the sensors  are active or
469 not.   Indeed, each  sensor maintains  its  own timer  and its  wake-up time  is
470 randomized \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
471
472 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization
473 protocol) presented  in this  paper is an  extension of the  approach introduced
474 in~\cite{idrees2014coverage}.   In~\cite{idrees2014coverage},  the  protocol  is
475 deployed over  only two  subregions. Simulation results  have shown that  it was
476 more  interesting  to  divide  the  area  into  several  subregions,  given  the
477 computation complexity. Compared to our previous paper, in this one we study the
478 possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
479 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
480 approach.
481
482
483
484
485 \fi
486 %The main contributions of our MuDiLCO Protocol can be summarized as follows:
487 %(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.
488 %\section{Preliminaries}
489 %\label{Pr}
490
491 %Network Lifetime
492
493 %\subsection{Network Lifetime}
494 %Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
495 %network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
496 %related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
497 %The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
498 %of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
499 %amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
500 %area or targets of interest). In this work, we assume that the network
501 %is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
502 %sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
503 %during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
504 %active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
505 %transmit information on an event in the area that it monitors.
506
507 \section{MuDiLCO protocol description}
508 \label{pd}
509
510 %Our work will concentrate on the area coverage by design
511 %and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
512 %nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
513 %connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
514 %sensor  network. But,  requiring  that  all physical  points  of  the
515 %considered region are covered may  be too strict, especially where the
516 %sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
517 %by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
518 %number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
519 %minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
520 %simultaneously).
521
522 %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
523 %leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
524 %The main features of our MuDiLCO protocol:
525 %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.
526
527 \subsection{Assumptions}
528
529 We  consider a  randomly and  uniformly  deployed network  consisting of  static
530 wireless sensors.  The sensors are  deployed in high density to ensure initially
531 a high  coverage ratio  of the interested  area.  We  assume that all  nodes are
532 homogeneous  in   terms  of  communication  and   processing  capabilities,  and
533 heterogeneous  from the  point  of view  of  energy provision.   Each sensor  is
534 supposed  to get information  on its  location either  through hardware  such as
535 embedded GPS or through location discovery algorithms.
536    
537 To model  a sensor node's coverage  area, we consider the  boolean disk coverage
538 model   which  is  the   most  widely   used  sensor   coverage  model   in  the
539 literature. Thus, each  sensor has a constant sensing range  $R_s$ and all space
540 points within  the disk centered  at the sensor  with the radius of  the sensing
541 range  is  said  to  be  covered  by  this sensor.   We  also  assume  that  the
542 communication   range  satisfies   $R_c  \geq   2R_s$.   In   fact,   Zhang  and
543 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
544 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
545 active nodes.
546
547 %Instead  of working  with a  continuous coverage  area, we  make it  discrete by considering for each sensor a set of points called primary points. Consequently, we assume  that the sensing disk  defined by a sensor  is covered if  all of its primary points are covered. The choice of number and locations of primary points is the subject of another study not presented here.
548
549 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a
550 set of  points called  primary points~\cite{idrees2014coverage}. We  assume that
551 the sensing  disk defined by a  sensor is covered  if all the primary  points of
552 this  sensor are  covered.   By knowing  the position  of  wireless sensor  node
553 (centered at  the the  position $\left(p_x,p_y\right)$)  and it's  sensing range
554 $R_s$,  we define  up to  25 primary  points $X_1$  to $X_{25}$  as decribed  on
555 Figure~\ref{fig1}. The optimal number of primary points is investigated in
556 section~\ref{ch4:sec:04:06}.
557
558 The coordinates of the primary points are defined as follows:\\
559 %$(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
560 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
561 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
562 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
563 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
564 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
565 $X_6=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
566 $X_7=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
567 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
568 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
569 $X_{10}= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
570 $X_{11}=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
571 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
572 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
573 $X_{14}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
574 $X_{15}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
575 $X_{16}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
576 $X_{17}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (\frac{- 1}{2})) $\\
577 $X_{18}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
578 $X_{19}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
579 $X_{20}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{1}{2})) $\\
580 $X_{21}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-\frac{1}{2})) $\\
581 $X_{22}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
582 $X_{23}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{3}}{2})) $\\
583 $X_{24}=( p_x + R_s * (\frac{- 1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $\\
584 $X_{25}=( p_x + R_s * (\frac{1}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{3}}{2})) $.
585
586
587 %\begin{figure} %[h!]
588 %\centering
589 % \begin{multicols}{2}
590 %\centering
591 %\includegraphics[scale=0.28]{fig21.pdf}\\~ (a)
592 %\includegraphics[scale=0.28]{principles13.pdf}\\~(c) 
593 %\hfill \hfill
594 %\includegraphics[scale=0.28]{fig25.pdf}\\~(e)
595 %\includegraphics[scale=0.28]{fig22.pdf}\\~(b)
596 %\hfill \hfill
597 %\includegraphics[scale=0.28]{fig24.pdf}\\~(d)
598 %\includegraphics[scale=0.28]{fig26.pdf}\\~(f)
599 %\end{multicols} 
600 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a) 5, (b) 9, (c) 13, (d) 17, (e) 21 and (f) 25 primary points respectively}
601 %\label{fig1}
602 %\end{figure}
603     
604 \begin{figure}[h]
605   \centering
606   \includegraphics[scale=0.375]{fig26.pdf}
607   \label{fig1}
608   \caption{Wireless sensor node represented by up to 25~primary points}
609 \end{figure}
610
611 %By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
612 %sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
613 %based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
614 %increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
615 %monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
616 %sensors, instead of using all the points in the area.
617
618 %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
619 %LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
620 %sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The MuDiLCO protocol algorithm works as follow: 
621 %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 $L$.
622 %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.
623
624 \subsection{Background idea}
625 %%RC : we need to clarify the difference between round and period. Currently it seems to be the same (for me at least).
626 %The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
627 %smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
628 %implemented in each subregion in a distributed way.
629
630 \textcolor{blue}{The WSN  area of  interest is,  in a  first step,  divided into
631   regular  homogeneous subregions  using  a divide-and-conquer  algorithm. In  a
632   second  step our  protocol  will be  executed  in a  distributed  way in  each
633   subregion  simultaneously  to  schedule  nodes'  activities  for  one  sensing
634   period. Sensor nodes are assumed to be deployed almost uniformly and with high
635   density over the region. The regular  subdivision is made such that the number
636   of hops between any pairs of sensors  inside a subregion is less than or equal
637   to 3.}
638
639 As can  be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
640 where   each   period   is    divided   into   4~phases:   Information~Exchange,
641 Leader~Election,  Decision,  and Sensing.   Each  sensing  phase may  be  itself
642 divided into $T$ rounds \textcolor{blue} {of  equal duration} and for each round
643 a set of sensors (a cover set) is  responsible for the sensing task. In this way
644 a  multiround  optimization  process  is  performed  during  each  period  after
645 Information~Exchange and Leader~Election  phases, in order to  produce $T$ cover
646 sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
647 \begin{figure}[t!]
648 \centering \includegraphics[width=125mm]{Modelgeneral.pdf} % 70mm
649 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
650 \label{fig2}
651 \end{figure} 
652
653 %Each period is divided into 4 phases: Information  Exchange,
654 %Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  Each sensing phase may be itself divided into $T$ rounds.
655 % set cover responsible for the sensing task.  
656 %For each round a set of sensors (said a cover set) is responsible for the sensing task.
657
658 This  protocol minimizes  the  impact of  unexpected node  failure  (not due  to
659 batteries running out of energy), because it works in periods.
660 %This protocol is reliable against an unexpected node failure, because it works in periods. 
661 %%RC : why? I am not convinced
662  On the one hand, if a node  failure is detected before making the decision, the
663  node will not  participate to this phase,  and, on the other hand,  if the node
664  failure occurs  after the  decision, the  sensing task of  the network  will be
665  temporarily affected:  only during  the period  of sensing  until a  new period
666  starts.   \textcolor{blue}{The   duration   of  the   rounds   are   predefined
667    parameters. Round duration  should be long enough to hide  the system control
668    overhead and  short enough to minimize  the negative effects in  case of node
669    failure.}
670
671 %%RC so if there are at least one failure per period, the coverage is bad...
672 %%MS if we want to be reliable against many node failures we need to have an
673 %% overcoverage...  
674
675 The  energy consumption  and some  other constraints  can easily  be  taken into
676 account,  since the  sensors  can  update and  then  exchange their  information
677 (including their residual energy) at the beginning of each period.  However, the
678 pre-sensing  phases (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are
679 energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to
680 monitor the area.
681
682 %%%%%%%%%%%%%%%%%parler optimisation%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
683
684 We define two types of packets that will be used by the proposed protocol:
685 \begin{enumerate}[(a)] 
686 \item INFO  packet: such a  packet  will be sent by  each sensor node  to all the
687   nodes inside a subregion for information exchange.
688 \item  Active-Sleep  packet: sent  by  the  leader to  all  the  nodes inside  a
689   subregion to  inform them to remain Active  or to go Sleep  during the sensing
690   phase.
691 \end{enumerate}
692
693 There are five status for each sensor node in the network:
694 \begin{enumerate}[(a)] 
695 \item LISTENING: sensor node is waiting for a decision (to be active or not);
696 \item  COMPUTATION: sensor  node  has been  elected  as leader  and applies  the
697   optimization process;
698 \item ACTIVE: sensor node is taking part in the monitoring of the area;
699 \item SLEEP: sensor node is turned off to save energy;
700 \item COMMUNICATION: sensor node is transmitting or receiving packet.
701 \end{enumerate}
702
703 Below, we describe each phase in more details.
704
705 \subsection{Information Exchange Phase}
706
707 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and the number
708 of neighbors $NBR_j$  to all wireless sensor nodes in its  subregion by using an
709 INFO packet  (containing information on position  coordinates, current remaining
710 energy, sensor node ID, number of its one-hop live neighbors) and then waits for
711 packets sent by other nodes.  After  that, each node will have information about
712 all  the sensor  nodes in  the subregion.   In our  model, the  remaining energy
713 corresponds to the time that a sensor can live in the active mode.
714
715 %\subsection{\textbf Working Phase:}
716
717 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
718
719 \subsection{Leader Election phase}
720
721 This step  consists in choosing  the Wireless  Sensor Node Leader  (WSNL), which
722 will be responsible for executing the coverage algorithm.  Each subregion in the
723 area of  interest will select its  own WSNL independently for  each period.  All
724 the sensor  nodes cooperate to  elect a WSNL.  The  nodes in the  same subregion
725 will select the leader based on the received information from all other nodes in
726 the same subregion.  The selection criteria  are, in order of importance: larger
727 number of  neighbors, larger  remaining energy,  and then  in case  of equality,
728 larger index. Observations on previous simulations  suggest to use the number of
729 one-hop neighbors as  the primary criterion to reduce energy  consumption due to
730 the communications.
731
732 %the more priority selection factor is the number of $1-hop$ neighbors, $NBR j$, which can  minimize the energy consumption during the communication Significantly.  
733 %The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
734
735 %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.  
736
737 \subsection{Decision phase}
738
739 Each WSNL will  \textcolor{blue}{solve an integer program to  select which cover
740   sets will be  activated in the following sensing phase  to cover the subregion
741   to which it belongs.  $T$ cover sets will be produced, one for each round. The
742   WSNL will send an Active-Sleep packet to each sensor in the subregion based on
743   the algorithm's results,  indicating if the sensor should be  active or not in
744   each round of the sensing phase.}
745 %Each  WSNL will \textcolor{red}{ execute an optimization algorithm (see section \ref{oa})} to  select which  cover sets  will be
746 %activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
747 %belongs.  The \textcolor{red}{optimization algorithm} will produce $T$ cover sets,  one for each round. The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if  the sensor should be active or not in
748 %each round  of the  sensing phase.  
749
750
751 %solve  an integer  program
752
753
754
755
756
757
758
759 %\section{\textcolor{red}{ Optimization Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
760 %\label{oa}
761 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the leader will execute an optimization
762 algorithm based on an integer program. The integer program is based on the model
763 proposed by \cite{pedraza2006}  with some modifications, where  the objective is
764 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.  To  fulfill this  goal, the
765 authors proposed an integer program  which forces undercoverage and overcoverage
766 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
767 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$.   In our model, we
768 consider binary variables  $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
769 sensor $j$ during round $t$ of a  given sensing phase.  We also consider primary
770 points as targets.  The  set of primary points is denoted by $P$  and the set of
771 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
772 involved in the integer program.
773
774 %parler de la limite en energie Et pour un round
775
776 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
777 whether the point $p$ is covered, that is:
778 \begin{equation}
779 \alpha_{j,p} = \left \{ 
780 \begin{array}{l l}
781   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
782  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
783   0 & \mbox{otherwise.}\\
784 \end{array} \right.
785 %\label{eq12} 
786 \end{equation}
787 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
788 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where:
789 \begin{equation}
790 X_{t,j} = \left \{ 
791 \begin{array}{l l}
792   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
793   0 &  \mbox{otherwise.}\\
794 \end{array} \right.
795 %\label{eq11} 
796 \end{equation}
797 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as:
798 \begin{equation}
799  \Theta_{t,p} = \left \{ 
800 \begin{array}{l l}
801   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
802     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
803   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
804 \end{array} \right.
805 \label{eq13} 
806 \end{equation}
807 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
808 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
809 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
810 defined by:
811 \begin{equation}
812 U_{t,p} = \left \{ 
813 \begin{array}{l l}
814   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
815   0 & \mbox{otherwise.}\\
816 \end{array} \right.
817 \label{eq14} 
818 \end{equation}
819
820 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
821 \begin{equation}
822  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{|P|} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
823 \end{equation}
824
825 Subject to
826 \begin{equation}
827   \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
828 \end{equation}
829
830 \begin{equation}
831   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \floor*{RE_{j}/E_{R}} \hspace{10 mm}\forall j \in J\hspace{6 mm} 
832   \label{eq144} 
833 \end{equation}
834
835 \begin{equation}
836 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
837 \end{equation}
838
839 \begin{equation}
840 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
841 \end{equation}
842
843 \begin{equation}
844  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
845 \end{equation}
846
847 %\begin{equation}
848 %(W_{\theta}+W_{\psi} = P)    \label{eq19} 
849 %\end{equation}
850
851 %%RC why W_{\theta} is not defined (only one sentence)? How to define in practice Wtheta and Wu?
852
853 \begin{itemize}
854 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
855   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
856 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
857   are covering the primary point $p$ during round $t$;
858 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
859   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
860   covered).
861 \end{itemize}
862
863 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
864 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
865 and undercoverage variables  help balancing the restriction  equations by taking
866 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
867 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
868 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{R}$ is the  amount of energy
869 required to be alive during one round.
870
871 There are  two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
872 points in order to activate a minimum  number of sensors.  Second we prevent the
873 absence  of  monitoring  on  some  parts of  the  subregion  by  minimizing  the
874 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be properly  chosen so as
875 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round.
876 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
877 In our simulations,  priority is given to the coverage  by choosing $W_{U}$ very
878 large compared to $W_{\theta}$.
879
880 \textcolor{blue}{The size of the problem depends  on the number of variables and
881   constraints. The number of variables is  linked to the number of alive sensors
882   $A \subseteq J$,  the number of rounds  $T$, and the number  of primary points
883   $P$.  Thus  the integer  program contains $A*T$  variables of  type $X_{t,j}$,
884   $P*T$ overcoverage variables and $P*T$  undercoverage variables. The number of
885   constraints  is equal  to $P*T$  (for constraints  (\ref{eq16})) $+$  $A$ (for
886   constraints (\ref{eq144})).}
887 %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
888
889 \subsection{Sensing phase}
890
891 The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
892 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
893 sleep for each  round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
894 will  be executed  by  each sensor  node~$s_j$  at the  beginning  of a  period,
895 explains how the Active-Sleep packet is obtained.
896
897 % 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. 
898
899 \begin{algorithm}[h!]                
900  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
901 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
902   \BlankLine
903   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
904   
905   \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
906       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
907       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
908       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
909       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
910       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
911       
912       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
913       \emph{LeaderID = Leader election}\;
914       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
915         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
916         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
917           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
918         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
919         \emph{Send $ActiveSleep()$ packet to each node $k$ in subregion: a packet \\
920           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
921         \emph{Update $RE_j $}\;
922       }   
923       \Else{
924         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
925         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
926         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
927         \emph{Update $RE_j $}\;
928       }  
929       %  }
930   }
931   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
932   
933  %   \emph{return X} \;
934 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
935 \label{alg:MuDiLCO}
936
937 \end{algorithm}
938
939 \iffalse
940 \textcolor{red}{This integer program can be solved using two approaches:}
941
942 \subsection{\textcolor{red}{Optimization solver for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
943 \label{glpk}
944 \textcolor{red}{The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. We named the protocol which is based on GLPK solver in the decision phase as MuDiLCO.}
945 \fi
946
947 \iffalse
948
949 \subsection{\textcolor{red}{Genetic Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
950 \label{GA}
951 \textcolor{red}{Metaheuristics  are a generic search strategies for exploring search spaces for solving the complex problems. These strategies have to dynamically balance between the exploitation of the accumulated search experience and the exploration of the search space. On one hand, this balance can find regions in the search space with high-quality solutions. On the other hand, it prevents waste too much time in regions of the search space which are either already explored or don’t provide high-quality solutions. Therefore,  metaheuristic provides an enough good solution to an optimization problem, especially with incomplete  information or limited computation capacity \cite{bianchi2009survey}. Genetic Algorithm (GA) is one of the population-based metaheuristic methods that simulates the process of natural selection \cite{hassanien2015applications}.  GA starts with a population of random candidate solutions (called individuals or phenotypes) . GA uses genetic operators inspired by natural evolution, such as selection, mutation, evaluation, crossover, and replacement so as to improve the initial population of candidate solutions. This process repeated until a stopping criterion is satisfied. In comparison with GLPK optimization solver, GA provides a near optimal solution with acceptable execution time, as well as it requires a less amount of memory especially for large size problems. GLPK provides optimal solution, but it requires higher execution time and amount of memory for large problem.}
952
953 \textcolor{red}{In this section, we present a metaheuristic based GA to solve our multiround lifetime coverage optimization problem. The proposed GA provides a near optimal sechedule for multiround sensing per period. The proposed GA is based on the mathematical model which is presented in Section \ref{oa}. Algorithm \ref{alg:GA} shows the proposed GA to solve the coverage lifetime optimization problem. We named the new protocol which is based on GA in the decision phase as GA-MuDiLCO. The proposed GA can be explained in more details as follow:}
954
955 \begin{algorithm}[h!]    
956        
957  \small
958  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
959  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
960  \Input{ \textcolor{red}{$ P, J, T, S_{pop}, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}$}}
961  \Output{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}
962
963   \BlankLine
964   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
965   \ForEach {\textcolor{red}{Individual $ind$ $\in$ $S_{pop}$}} {
966      \emph{\textcolor{red}{Generate Randomly Chromosome $\left\{\left(X_{1,1},\dots, X_{t,j}, \dots, X_{T,J}\right)\right\}_{t \in T, j \in J}$}}\;
967      
968      \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $\left\{(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})\right\}_{p \in P}$}}\;
969      
970   
971      \emph{\textcolor{red}{Evaluate Individual $(P, J, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind})$}}\;  
972   }
973   
974   \While{\textcolor{red}{ Stopping criteria is not satisfied} }{
975   
976   \emph{\textcolor{red}{Selection $(ind_1, ind_2)$}}\;
977     \emph{\textcolor{red}{Crossover $(P_c, X_{t,j}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind_2}, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
978     \emph{\textcolor{red}{Mutation $(P_m, Child_{t,j}^{ind_1}, Child_{t,j}^{ind_2})$}}\;
979    
980    
981    \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;
982   \emph{\textcolor{red}{Update O-U-Coverage $(P, J, \alpha_{j,p}^{ind}, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
983  
984 \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1})$}}\;  
985  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_1}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_1}, Ch.U_{t,p}^{ind_1}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
986  
987  \emph{\textcolor{red}{Evaluate New Individual$(P, J, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2})$}}\;  
988   
989  \emph{\textcolor{red}{Replacement $(P, J, T, Child_{t,j}^{ind_2}, Ch.\Theta_{t,p}^{ind_2}, Ch.U_{t,p}^{ind_2}, X_{t,j}^{ind}, \Theta_{t,p}^{ind}, U_{t,p}^{ind}  )$ }}\;
990   
991       
992   }
993   \emph{\textcolor{red}{$\left\{\left(X_{1,1},\dots,X_{t,j},\dots,X_{T,J}\right)\right\}$ =
994             Select Best Solution ($S_{pop}$)}}\;
995  \emph{\textcolor{red}{return X}} \;
996 \caption{\textcolor{red}{GA($T, J$)}}
997 \label{alg:GA}
998
999 \end{algorithm}
1000
1001
1002 \begin{enumerate} [I)]
1003
1004 \item \textcolor{red}{\textbf{Representation:} Since the proposed GA's goal is to find the optimal schedule of the sensor nodes which take the responsibility of monitoring the subregion for $T$ rounds in the sensing phase, the chromosome is defined as a schedule for alive  sensors and each chromosome contains $T$ rounds. The proposed GA uses binary representation, where each round in the schedule includes J genes, the total alive sensors in the subregion. Therefore, the gene of such a chromosome is a schedule of a sensor. In other words, The genes corresponding to active nodes have the value of one, the others are zero. Figure \ref{chromo} shows solution representation in the proposed GA.}
1005 %[scale=0.3]
1006 \begin{figure}[h!]
1007 \centering
1008  \includegraphics [scale=0.35] {rep.pdf} 
1009 \caption{Candidate Solution representation by the proposed GA. }
1010 \label{chromo}
1011 \end{figure} 
1012
1013
1014
1015 \item \textcolor{red}{\textbf{Initialize Population:} The initial population is randomly generated and each chromosome  in the GA population represents a possible sensors schedule solution to cover the entire subregion for $T$ rounds during current period. Each sensor in the chromosome is given a random value (0 or  1) for all rounds. If the random value is 1, the remaining  energy of this sensor should be adequate to activate this sensor during the current round. Otherwise, the value is set to 0. The energy constraint is applied for each sensor during all rounds. }
1016
1017
1018 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage:} 
1019 After creating the initial population, The overcoverage $\Theta_{t,p}$ and undercoverage $U_{t,p}$ for each candidate solution are computed (see Algorithm \ref{OU}) so as to use them in the next step.}
1020
1021 \begin{algorithm}[h!]                
1022   
1023  \SetKwInput{Input}{\textcolor{red}{Input}}
1024  \SetKwInput{Output}{\textcolor{red}{Output}}
1025  \Input{ \textcolor{red}{parameters $P, J, ind, \alpha_{j,p}^{ind}, X_{t,j}^{ind}$}}
1026  \Output{\textcolor{red}{$U^{ind} = \left\lbrace U_{1,1}^{ind}, \dots, U_{t,p}^{ind}, \dots, U_{T,P}^{ind} \right\rbrace$ and $\Theta^{ind} = \left\lbrace \Theta_{1,1}^{ind}, \dots, \Theta_{t,p}^{ind}, \dots, \Theta_{T,P}^{ind} \right\rbrace$}}
1027
1028   \BlankLine
1029
1030   \For{\textcolor{red}{$t\leftarrow 1$ \KwTo $T$}}{
1031   \For{\textcolor{red}{$p\leftarrow 1$ \KwTo $P$}}{
1032      
1033  %    \For{$i\leftarrow 0$ \KwTo $I_j$}{
1034         \emph{\textcolor{red}{$SUM\leftarrow 0$}}\;
1035          \For{\textcolor{red}{$j\leftarrow 1$ \KwTo $J$}}{
1036               \emph{\textcolor{red}{$SUM \leftarrow SUM + (\alpha_{j,p}^{ind} \times X_{t,j}^{ind})$ }}\;
1037          }
1038          
1039          \If { \textcolor{red}{SUM = 0}} {
1040          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
1041          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 1$}}\;
1042          }
1043          \Else{
1044          \emph{\textcolor{red}{$U_{t,p}^{ind} \leftarrow SUM -1$}}\;
1045          \emph{\textcolor{red}{$\Theta_{t,p}^{ind} \leftarrow 0$}}\;
1046          }
1047      
1048      }
1049      
1050   }
1051 \emph{\textcolor{red}{return $U^{ind}, \Theta^{ind}$ }} \;
1052 \caption{O-U-Coverage}
1053 \label{OU}
1054
1055 \end{algorithm}
1056
1057
1058
1059 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate Population:}
1060 After creating the initial population, each individual is evaluated and assigned a fitness value according to the fitness function is illustrated in Eq. \eqref{eqf}. In the proposed GA, the optimal (or near optimal) candidate solution, is the one with the minimum value for the fitness function. The lower the fitness values been assigned to an individual, the better opportunity it gets survived.  In our works, the function rewards  the decrease in the sensor nodes which cover the same primary point and penalizes the decrease to zero in the sensor nodes which cover the primary point. }
1061
1062 \begin{equation}
1063  F^{ind} \leftarrow  \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)    \label{eqf} 
1064 \end{equation}
1065
1066
1067 \item \textcolor{red}{\textbf{Selection:} In order to generate a new generation, a portion of the existing population is elected based on a fitness function that ranks the fitness of each candidate solution and preferentially select the best solutions. Two parents should be selected to the mating pool.  In the proposed GA-MuDiLCO algorithm, the first parent is selected by using binary tournament selection to select one of the parents \cite{goldberg1991comparative}. In this method,  two individuals are chosen at random from the population and the better of the two
1068 individuals is selected. If they have similar fitness values, one of them will be selected randomly. The best individual in the population is selected as a second parent.}
1069
1070
1071
1072 \item \textcolor{red}{\textbf{Crossover:} Crossover is a genetic operator used to take more than one parent solutions and produce a child solution from them. If crossover probability $P_c$ is 100$\%$, then the crossover operation takes place between two individuals. If it is 0$\%$, the  two selected individuals in the mating pool will be the new chromosomes without crossover. In the proposed GA, a two-point crossover is used. Figure \ref{cross} gives an example for a two-point crossover for 8 sensors in the subregion and the schedule for 3 rounds.}
1073
1074
1075 \begin{figure}[h!]
1076 \centering
1077  \includegraphics [scale = 0.3] {crossover.pdf} 
1078 \caption{Two-point crossover. }
1079 \label{cross}
1080 \end{figure} 
1081
1082
1083 \item \textcolor{red}{\textbf{Mutation:}
1084 Mutation is a divergence operation which introduces random modifications.  The purpose of the mutation is to maintain diversity within the population and prevent premature convergence. Mutation is used to add new genetic information (divergence) in order to achieve a global search over the solution search space and avoid to fall in local optima. The mutation operator in the proposed GA-MuDiLCO works as follow: If mutation probability $P_m$ is 100$\%$, then the mutation operation takes place on the new individual. The round number is selected randomly within (1..T) in the schedule solution. After that one sensor within this round is selected randomly within (1..J). If the sensor is scheduled as active "1", it should be rescheduled to sleep "0". If the sensor is scheduled as sleep, it rescheduled to active only if it has adequate remaining energy.}
1085
1086
1087 \item \textcolor{red}{\textbf{Update O-U-Coverage for children:}
1088 Before evaluating each new individual, Algorithm \ref{OU} is called for each new individual to compute the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters. }
1089  
1090 \item \textcolor{red}{\textbf{Evaluate New Individuals:}
1091 Each new individual is evaluated using Eq. \ref{eqf} but with using the new undercoverage $Ch.U$ and overcoverage $Ch.\Theta$ parameters of the new children.}
1092
1093 \item \textcolor{red}{\textbf{Replacement:}
1094 After evaluation of new children, Triple Tournament Replacement (TTR) will be applied for each new individual. In TTR strategy, three individuals are selected
1095 randomly from the population. Find the worst from them and then check its fitness with the new individual fitness. If the fitness of the new individual is better than the fitness of  the worst individual, replace the new individual with the worst individual. Otherwise, the replacement is not done. }
1096
1097  
1098 \item \textcolor{red}{\textbf{Stopping criteria:}
1099 The proposed GA-MuDiLCO stops when the stopping criteria is met. It stops after running for an amount of time in seconds equal to \textbf{Time limit}. The \textbf{Time limit} is the execution time obtained by the optimization solver GLPK for solving the same size of problem. The best solution will be selected as a schedule of sensors for $T$ rounds during the sensing phase in the current period.}
1100
1101
1102
1103 \end{enumerate} 
1104
1105 \fi
1106
1107 %% EXPERIMENTAL STUDY
1108
1109 \section{Experimental study}
1110 \label{exp}
1111 \subsection{Simulation setup}
1112
1113 We  conducted  a series  of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
1114 relevance  of  our   approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
1115 \cite{varga}.  The  simulation parameters are summarized  in Table~\ref{table3}.
1116 Each experiment for a network is run over 25~different random topologies and the
1117 results presented hereafter are the average of these 25 runs.
1118 %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. 
1119 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
1120 250~nodes deployed  over a $50 \times  25~m^2 $ sensing field.   More precisely,
1121 the deployment  is controlled  at a  coarse scale  in order  to ensure  that the
1122 deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.
1123
1124 %%RC these parameters are realistic?
1125 %% maybe we can increase the field and sensing range. 5mfor Rs it seems very small... what do the other good papers consider ?
1126
1127 \begin{table}[ht]
1128 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
1129 % title of Table
1130 \centering
1131 % used for centering table
1132 \begin{tabular}{c|c}
1133 % centered columns (4 columns)
1134       \hline
1135 %inserts double horizontal lines
1136 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
1137    
1138 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
1139 % inserts table
1140 %heading
1141 \hline
1142 % inserts single horizontal line
1143 Sensing field size & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
1144 % inserting body of the table
1145 %\hline
1146 Network size &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
1147 %\hline
1148 Initial energy  & 500-700~joules  \\  
1149 %\hline
1150 Sensing time for one round & 60 Minutes \\
1151 $E_{R}$ & 36 Joules\\
1152 $R_s$ & 5~m   \\     
1153 %\hline
1154 $W_{\theta}$ & 1   \\
1155 % [1ex] adds vertical space
1156 %\hline
1157 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
1158 %$P_c$ & 0.95   \\ 
1159 %$P_m$ & 0.6 \\
1160 %$S_{pop}$ & 50
1161 %inserts single line
1162 \end{tabular}
1163 \label{table3}
1164 % is used to refer this table in the text
1165 \end{table}
1166
1167 \textcolor{blue}{Our  protocol  is  declined   into  four  versions:  MuDiLCO-1,
1168   MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and MuDiLCO-7, corresponding respectively to $T=1,3,5,7$
1169   ($T$ the  number of rounds in  one sensing period). Since  the time resolution
1170   may  be prohibitive  when the  size  of the  problem increases,  a time  limit
1171   threshold has  been fixed when  solving large  instances. In these  cases, the
1172   solver returns  the best solution  found, which  is not necessary  the optimal
1173   one. In practice, we only set time  limit values for the three largest network
1174   sizes when $T=7$, using the following  respective values (in second): 0.03 for
1175   150~nodes, 0.06 for 200~nodes, and 0.08 for 250~nodes.
1176 % Table \ref{tl} shows time limit values.
1177   These time limit threshold have been  set empirically. The basic idea consists
1178   in considering  the average execution  time to  solve the integer  programs to
1179   optimality, then by  dividing this average time by three  to set the threshold
1180   value.  After that,  this threshold value is increased if  necessary such that
1181   the solver is able  to deliver a feasible solution within  the time limit.  In
1182   fact, selecting the optimal values for the time limits will be investigated in
1183   future.}
1184 %In Table \ref{tl},  "NO" indicates  that  the  problem has  been  solved to  optimality without time limit.}
1185
1186 %\begin{table}[ht]
1187 %\caption{Time limit values for MuDiLCO protocol versions }
1188 %\centering
1189 %\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1190 % \hline
1191 % WSN size & MuDiLCO-1 & MuDiLCO-3 & MuDiLCO-5 & MuDiLCO-7 \\ [0.5ex]
1192 %\hline
1193 % 50 & NO & NO & NO & NO \\
1194 % \hline
1195 %100 & NO & NO & NO & NO \\
1196 %\hline
1197 %150 & NO & NO & NO & 0.03 \\
1198 %\hline
1199 %200 & NO & NO & NO & 0.06 \\
1200 % \hline
1201 % 250 & NO & NO & NO & 0.08 \\
1202 % \hline
1203 %\end{tabular}
1204
1205 %\label{tl}
1206
1207 %\end{table}
1208
1209  In the  following, we will make  comparisons with two other  methods. The first
1210  method,  called DESK  and proposed  by  \cite{ChinhVu}, is  a full  distributed
1211  coverage  algorithm.   The  second method,  called  GAF~\cite{xu2001geography},
1212  consists in dividing the region into fixed squares.  During the decision phase,
1213  in each square, one  sensor is then chosen to remain  active during the sensing
1214  phase time.
1215
1216 Some preliminary experiments were performed to study the choice of the number of
1217 subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network
1218 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
1219 lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random
1220 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions
1221 reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
1222 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
1223 it. Therefore, we have set the number of subregions to 16 rather than 32.
1224
1225 \subsection{Energy model}
1226
1227 We  use an  energy consumption  model  proposed by~\cite{ChinhVu}  and based  on
1228 \cite{raghunathan2002energy} with slight  modifications.  The energy consumption
1229 for  sending/receiving the packets  is added,  whereas the  part related  to the
1230 sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
1231
1232 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
1233 %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. 
1234 %revoir la phrase
1235
1236 For our  energy consumption model, we  refer to the sensor  node Medusa~II which
1237 uses an Atmels  AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The
1238 typical  architecture  of a  sensor  is composed  of  four  subsystems: the  MCU
1239 subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which
1240 is responsible  for transmitting/receiving messages, the  sensing subsystem that
1241 collects  data, and  the  power supply  which  powers the  complete sensor  node
1242 \cite{raghunathan2002energy}. Each  of the first three subsystems  can be turned
1243 on or  off depending on  the current status  of the sensor.   Energy consumption
1244 (expressed in  milliWatt per second) for  the different status of  the sensor is
1245 summarized in Table~\ref{table4}.
1246
1247 \begin{table}[ht]
1248 \caption{The Energy Consumption Model}
1249 % title of Table
1250 \centering
1251 % used for centering table
1252 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
1253 % centered columns (4 columns)
1254       \hline
1255 %inserts double horizontal lines
1256 Sensor status & MCU & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
1257 \hline
1258 % inserts single horizontal line
1259 LISTENING & on & on & on & 20.05 \\
1260 % inserting body of the table
1261 \hline
1262 ACTIVE & on & off & on & 9.72 \\
1263 \hline
1264 SLEEP & off & off & off & 0.02 \\
1265 \hline
1266 COMPUTATION & on & on & on & 26.83 \\
1267 %\hline
1268 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
1269  \hline
1270 \end{tabular}
1271
1272 \label{table4}
1273 % is used to refer this table in the text
1274 \end{table}
1275
1276 For the sake of simplicity we ignore the  energy needed to turn on the radio, to
1277 start up the sensor node, to move from one status to another, etc.
1278 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
1279 Thus, when a sensor becomes active (i.e.,  it has already chosen its status), it
1280 can turn its radio  off to save battery.  MuDiLCO uses two  types of packets for
1281 communication. The size of the INFO  packet and Active-Sleep packet are 112~bits
1282 and 24~bits  respectively.  The value  of energy  spent to send  a 1-bit-content
1283 message is  obtained by using  the equation in  ~\cite{raghunathan2002energy} to
1284 calculate the  energy cost  for transmitting  messages and  we propose  the same
1285 value for receiving  the packets. The energy  needed to send or  receive a 1-bit
1286 packet is equal to 0.2575~mW.
1287
1288 The initial energy of each node is  randomly set in the interval $[500;700]$.  A
1289 sensor node will  not participate in the  next round if its  remaining energy is
1290 less than  $E_{R}=36~\mbox{Joules}$, the minimum  energy needed for the  node to
1291 stay alive  during one round.  This  value has been computed  by multiplying the
1292 energy consumed in  active state (9.72 mW)  by the time in second  for one round
1293 (3600 seconds).   According to the interval  of initial energy, a  sensor may be
1294 alive during at most 20 rounds.
1295
1296 \subsection{Metrics}
1297
1298 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
1299
1300 \begin{enumerate}[i]
1301   
1302 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much of the area
1303   of a sensor field is covered. In our case, the sensing field is represented as
1304   a connected grid  of points and we use  each grid point as a  sample point to
1305   compute the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
1306 \begin{equation*}
1307 \scriptsize
1308 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
1309 \end{equation*}
1310 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
1311 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
1312 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
1313 \times 26 = 1326$ grid points.
1314 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
1315 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
1316 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
1317 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
1318
1319 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:} it is important  to have as
1320   few  active  nodes  as  possible  in  each  round, in  order  to  minimize  the
1321   communication overhead  and maximize the network lifetime.  The Active Sensors
1322   Ratio is defined as follows:
1323 \begin{equation*}
1324 \scriptsize  \mbox{ASR}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
1325   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
1326 \end{equation*}
1327 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
1328 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
1329 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
1330
1331 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
1332   the  coverage  ratio  drops  below   a  predefined  threshold.  We  denote  by
1333   $Lifetime_{95}$ (respectively  $Lifetime_{50}$) the amount of  time during
1334   which  the  network   can  satisfy  an  area  coverage   greater  than  $95\%$
1335   (respectively $50\%$). We assume that the network is alive until all nodes have
1336   been   drained    of   their   energy   or   the    sensor   network   becomes
1337   disconnected. Network connectivity is  important because an active sensor node
1338   without connectivity towards a base  station cannot transmit information on an
1339   event in the area that it monitors.
1340
1341 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average  energy consumption  can be
1342   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
1343   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
1344   follows:
1345
1346   % New version with global loops on period
1347   \begin{equation*}
1348     \scriptsize
1349     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_m} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M} T_m},
1350   \end{equation*}
1351
1352
1353 % Old version with loop on round outside the loop on period
1354 %  \begin{equation*}
1355 %    \scriptsize
1356 %    \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M_L} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T_L} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right)}{T_L},
1357 %  \end{equation*}
1358
1359 % Ali version 
1360 %\begin{equation*}
1361 %\scriptsize
1362 %\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{$D$}}.
1363 %\end{equation*}
1364
1365 % Old version -> where $M_L$ and  $T_L$ are respectively the number of  periods and rounds during
1366 %$Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$. 
1367 % New version
1368 where  $M$ is  the  number  of periods  and  $T_m$ the  number  of  rounds in  a
1369 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$.  The  total energy
1370 consumed by the  sensors (EC) comes through taking into  consideration four main
1371 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
1372 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
1373 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$, the  next
1374 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors in  LISTENING status
1375 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep  in   period  $m$.
1376 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
1377 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
1378 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
1379
1380 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
1381 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
1382
1383 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
1384   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
1385   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
1386   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
1387   
1388 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} a simulation ends when the sensor network
1389   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
1390   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
1391   to network disconnections and for which round it occurs.
1392
1393 \end{enumerate}
1394
1395 \subsection{Performance analysis for different number of primary points}
1396 \label{ch4:sec:04:06}
1397
1398 In this  section, we study the  performance of MuDiLCO-1 approach  for different
1399 numbers of  primary points. The  objective of this  comparison is to  select the
1400 suitable number  of primary points  to be used by  a MuDiLCO protocol.   In this
1401 comparison,  MuDiLCO-1 protocol  is used  with five  primary point  models, each
1402 model corresponding to a number of  primary points, which are called Model-5 (it
1403 uses 5 primary points), Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21.
1404
1405 %\begin{enumerate}[i)]
1406
1407 %\item {{\bf Coverage Ratio}}
1408 \subsubsection{Coverage ratio} 
1409
1410 Figure~\ref{Figures/ch4/R2/CR} shows the average coverage ratio for 150 deployed
1411 nodes.  As can be seen, at the beginning the models which use a larger number of
1412 primary points provide slightly better coverage  ratios, but latter they are the
1413 worst.
1414 %Moreover, when the number of periods increases, coverage ratio produced by Model-9, Model-13, Model-17, and Model-21 decreases in comparison with Model-5 due to a larger time computation for the decision process for larger number of primary points.
1415 Moreover, when the  number of periods increases, the coverage  ratio produced by
1416 all models  decrease due  to dead nodes.  However, Model-5 is  the one  with the
1417 slowest decrease due to lower numbers of active sensors in the earlier periods.
1418 % smaller time computation of decision process for a smaller number of primary points.
1419 Overall this  model is slightly more  efficient than the other  ones, because it
1420 offers a good coverage ratio for a larger number of periods.
1421 %\parskip 0pt
1422 \begin{figure}[t!]
1423 \centering
1424  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
1425 \caption{Coverage ratio for 150 deployed nodes}
1426 \label{Figures/ch4/R2/CR}
1427 \end{figure} 
1428
1429
1430 %\item {{\bf Network Lifetime}}
1431 \subsubsection{Network lifetime}
1432
1433 Finally, we study the effect of increasing the number of primary points on the lifetime of the network. 
1434 %In Figure~\ref{Figures/ch4/R2/LT95} and in Figure~\ref{Figures/ch4/R2/LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes. 
1435 As       highlighted       by       Figures~\ref{Figures/ch4/R2/LT}(a)       and
1436 \ref{Figures/ch4/R2/LT}(b), the  network lifetime  obviously increases  when the
1437 size of the network increases, with  Model-5 which leads to the largest lifetime
1438 improvement.
1439
1440 \begin{figure}[h!]
1441 \centering
1442 \centering
1443 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
1444
1445 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
1446
1447 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
1448   \label{Figures/ch4/R2/LT}
1449 \end{figure}
1450
1451 Comparison shows that Model-5, which uses  less number of primary points, is the
1452 best one because it is less energy  consuming during the network lifetime. It is
1453 also  the better  one  from the  point  of  view of  coverage  ratio, as  stated
1454 before. Therefore, we have chosen the model with five primary points for all the
1455 experiments presented thereafter.
1456
1457 %\end{enumerate}
1458
1459 % MICHEL => TO BE CONTINUED
1460
1461 \subsection{Experimental results and analysis}
1462
1463 \subsubsection{Coverage ratio} 
1464
1465 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
1466 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
1467 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
1468 %%RC : need to uniformize MuDiLCO or MuDiLCO-T? 
1469 %%MS : MuDiLCO everywhere
1470 %%RC maybe increase the size of the figure for the reviewers, no?
1471 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
1472 to put in  SLEEP status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
1473 DESK and GAF.   As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
1474 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
1475 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
1476 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
1477 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
1478 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
1479 means that MuDiLCO saves more energy,  with less dead nodes, at most for several
1480 rounds, and thus should extend the network lifetime.
1481
1482 \begin{figure}[ht!]
1483 \centering
1484  \includegraphics[scale=0.5] {F/CR.pdf} 
1485 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
1486 \label{fig3}
1487 \end{figure} 
1488
1489 \iffalse
1490 \textcolor{red}{ We
1491 can see that for the first thirty nine rounds GA-MuDiLCO provides a little bit better coverage ratio  than MuDiLCO. Both DESK and GAF provide a coverage
1492 which is a little bit better than the one of MuDiLCO and GA-MuDiLCO for the first thirty rounds because they activate a larger number of nodes during sensing phase. After that GA-MuDiLCO provides a coverage ratio near to the  MuDiLCO and better than DESK and GAF. GA-MuDiLCO gives approximate solution with activation a larger number of nodes than MuDiLCO during sensing phase while it activates a less number of nodes in comparison with both DESK and GAF. MuDiLCO and GA-MuDiLCO clearly outperform DESK and GAF for
1493 a number of periods between 31 and 103. This is because they optimize the coverage and the lifetime in a wireless sensor network by selecting the best representative sensor nodes to take the responsibility of coverage during the sensing phase.}
1494 \fi
1495
1496
1497 \subsubsection{Active sensors ratio} 
1498
1499 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
1500 minimize the communication overhead and maximize    the network lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
1501 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
1502 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
1503 MuDiLCO clearly outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes. 
1504 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a number of sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF. GA-MuDiLCO-1, GA-MuDiLCO-3, and GA-MuDiLCO-5 continue in providing a larger number of active sensors until the forty-sixth round after that it provides less number of active nodes due to the died nodes. GA-MuDiLCO-7 provides a larger number of sensor nodes and maintains a better coverage ratio compared to MuDiLCO-7 until the fifty-seventh round.  After the thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes compared with DESK  and GAF, which agrees with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously}.
1505 Obviously, in that case DESK  and GAF have less active nodes, since  they have activated many nodes  at the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner. 
1506 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates near optimal number of sensor nodes also in efficient manner compared with both DESK  and GAF}.
1507
1508 \begin{figure}[ht!]
1509 \centering
1510 \includegraphics[scale=0.5]{F/ASR.pdf}  
1511 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
1512 \label{fig4}
1513 \end{figure} 
1514
1515 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates a sensor nodes larger than MuDiLCO but lower than both DESK and GAF }
1516
1517
1518 \subsubsection{Stopped simulation runs}
1519 %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
1520 %runs per round for 150 deployed nodes. 
1521
1522 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
1523 per round for  150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each method.  DESK stops first,  after approximately 45~rounds, because it consumes the
1524 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
1525 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK. 
1526 %\textcolor{red}{GA-MuDiLCO  stops thirdly for the  same reason than  DESK and GAF.} \textcolor{red}{MuDiLCO and GA-MuDiLCO overcome}
1527 %DESK and GAF because \textcolor{red}{they activate less number of sensor nodes, as well as }the optimization process distributed on several subregions leads to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  
1528 Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is still connected. 
1529
1530 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
1531
1532 \begin{figure}[ht!]
1533 \centering
1534 \includegraphics[scale=0.5]{F/SR.pdf} 
1535 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
1536 \label{fig6}
1537 \end{figure} 
1538
1539 \subsubsection{Energy consumption} \label{subsec:EC}
1540
1541 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
1542 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
1543 and   compare   it   with   the  two   other   methods.    Figures~\ref{fig7}(a)
1544 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
1545 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
1546
1547 \begin{figure}[h!]
1548   \centering
1549   \begin{tabular}{cl}
1550     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC95.pdf}} & (a) \\
1551     \verb+ + \\
1552     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/EC50.pdf}} & (b)
1553   \end{tabular}
1554   \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1555     (b) $Lifetime_{50}$}
1556   \label{fig7}
1557 \end{figure} 
1558
1559 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
1560 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
1561 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node.
1562 % Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
1563 %versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and the number of  sensors involved in the integer program are,  the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have less sensors to consider in the integer program.
1564 %\textcolor{red}{As shown in Figure~\ref{fig7}, GA-MuDiLCO consumes less energy than both DESK and GAF, but a little bit higher than MuDiLCO  because it provides a near optimal solution by activating a larger number of nodes during the sensing phase.  GA-MuDiLCO consumes less energy in comparison with MuDiLCO-7 version, especially for the dense networks. However, MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol are the most competitive from the energy
1565 %consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption
1566 %due to activating a larger number of redundant nodes.}
1567 %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. 
1568
1569
1570 \subsubsection{Execution time}
1571 \label{et}
1572 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
1573 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
1574 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The modeling language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the Mixed Integer Linear Program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method. The
1575 original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M
1576 (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second)
1577 rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels
1578 AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the
1579 optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left(
1580 \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77}
1581 for different network sizes.
1582
1583 \begin{figure}[ht!]
1584 \centering
1585 \includegraphics[scale=0.5]{F/T.pdf}  
1586 \caption{Execution Time (in seconds)}
1587 \label{fig77}
1588 \end{figure} 
1589
1590 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken
1591 into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$
1592 or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor
1593 node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice
1594 that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
1595 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated
1596 and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to
1597 reduce the  energy-overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other
1598 hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the
1599 optimization problem.
1600
1601 %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.
1602
1603 \subsubsection{Network lifetime}
1604
1605 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the
1606 network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$
1607 and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases
1608 together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the
1609 node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be
1610 deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
1611 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular  the  gain in
1612 lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF
1613 to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case
1614 of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
1615 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
1616 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
1617 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
1618 linked. 
1619 %\textcolor{red}{As can be seen in these figures, the lifetime increases with the size of the network, and it is clearly largest for the MuDiLCO
1620 %and the GA-MuDiLCO protocols. GA-MuDiLCO prolongs the network lifetime obviously in comparison with both DESK and GAF, as well as the MuDiLCO-7 version for $lifetime_{95}$.  However, comparison shows that MuDiLCO protocol and GA-MuDiLCO protocol, which use distributed optimization over the subregions are the best ones because they are robust to network disconnection during the network lifetime as well as they consume less energy in comparison with other approaches.}
1621 \begin{figure}[t!]
1622   \centering
1623   \begin{tabular}{cl}
1624     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/LT95.pdf}} & (a) \\
1625     \verb+ + \\
1626     \parbox{9.5cm}{\includegraphics[scale=0.5]{F/LT50.pdf}} & (b)
1627   \end{tabular}
1628   \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and 
1629     (b) $Lifetime_{50}$}
1630   \label{fig8}
1631 \end{figure} 
1632
1633 % By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest with a maximum number rounds and by letting the other nodes sleep in order to be used later in next rounds, our MuDiLCO protocol efficiently prolonges the network lifetime. 
1634
1635 %In Figure~\ref{fig8}, Comparison shows that our MuDiLCO protocol, which are used distributed optimization on the subregions with the ability of producing T rounds, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each sensor node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1636
1637
1638 %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.
1639
1640
1641 \section{Conclusion and future works}
1642 \label{sec:conclusion}
1643
1644 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in
1645 wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited
1646 resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this
1647 problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the
1648 concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which
1649 optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
1650 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines
1651 two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity
1652 scheduling.
1653 %,  where the challenges
1654 %include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1655 %the best cover sets %of active nodes that will optimize the network lifetime
1656 %while taking the responsibility of covering the corresponding
1657 %subregion using more than one cover set during the sensing phase. 
1658 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period
1659 consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii)
1660 Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing
1661 Phase itself divided into $T$ rounds.
1662
1663 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of
1664 lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution
1665 time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed
1666 approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single
1667 global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per
1668 subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that
1669 it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds, because
1670 the resulting optimization problem leads to too high resolution times and thus to
1671 an excessive energy consumption.
1672
1673 %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
1674 %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.
1675 % use section* for acknowledgement
1676
1677 \section*{Acknowledgment}
1678 This work is  partially funded by the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1679 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the
1680 University  of Babylon  - Iraq  for the  financial support,  Campus  France (The
1681 French  national agency  for the  promotion of  higher  education, international
1682 student   services,  and   international  mobility).%,   and  the   University  ofFranche-Comt\'e - France for all the support in France. 
1683
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