]> AND Private Git Repository - JournalMultiPeriods.git/commitdiff
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
ok
authorKarine Deschinkel <kdeschin@grappa.iut-bm.univ-fcomte.fr>
Thu, 27 Aug 2015 09:55:51 +0000 (11:55 +0200)
committerKarine Deschinkel <kdeschin@grappa.iut-bm.univ-fcomte.fr>
Thu, 27 Aug 2015 09:55:51 +0000 (11:55 +0200)
article.tex

index 777d52e22f0bc06cb8ece824c9ebd3e182fced18..29e8cb96ab615ef20fe3933fdd716dcaa132fe3f 100644 (file)
@@ -108,7 +108,7 @@ during which sets of sensor nodes are scheduled to remain active for a number of
 rounds  during the  sensing phase,  to  ensure coverage  so as  to maximize  the
 lifetime of  WSN. \textcolor{green}{The decision process is  carried out by a  leader node, which
 solves an optimization problem to  produce the best  representative sets to  be used
-during the rounds  of the sensing phase. The optimization problem formulated as an integer program is solved either to optimality through a branch-and-Bound method or to near-optimality using a genetic algorithm-based heuristic. }
+during the rounds  of the sensing phase. The optimization problem formulated as an integer program is solved to optimality through a branch-and-Bound method for small instances. For larger instances, the best feasible solution found by the solver after a given time limit threshold is considered. }
 %The decision process is  carried out by a  leader node, which
 %solves an  integer program to  produce the best  representative sets to  be used
 %during the rounds  of the sensing phase. 
@@ -306,7 +306,7 @@ possibility of dividing  the sensing phase into multiple rounds  and we also add
 an  improved  model  of energy  consumption  to  assess  the efficiency  of  our
 approach. In fact, in this paper we make a multiround optimization, while it was
 a single round optimization in our previous work. \textcolor{green}{The idea is to take advantage of the pre-sensing phase
- to plan the sensor's activity for several rounds instead of one, thus saving energy. In addition, as the optimization problem has become more complex, a GA-based heuristic is proposed to solve it}.
+ to plan the sensor's activity for several rounds instead of one, thus saving energy. In addition, when the optimization problem becomes more complex, its resolution is stopped after a given time threshold}.
 
 \iffalse
    
@@ -658,70 +658,26 @@ consumption due to the communications.
 
 \subsection{Decision phase}
 
-Each  WSNL will \textcolor{red}{ execute an optimization algorithm (see section \ref{oa})} to  select which  cover sets  will be
+Each  WSNL will \textcolor{green}{ solve an integer program to  select which  cover sets  will be
 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
-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
-each round  of the  sensing phase.  
+belongs.  $T$ cover sets will be produced,  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
+each round  of the  sensing phase.  }
+%Each  WSNL will \textcolor{red}{ execute an optimization algorithm (see section \ref{oa})} to  select which  cover sets  will be
+%activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it
+%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
+%each round  of the  sensing phase.  
 
-%solve  an integer  program
-
-\subsection{Sensing phase}
-
-The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
-receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
-sleep for each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
-will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
-Active-Sleep packet is obtained.
-
-% 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. 
 
-\begin{algorithm}[h!]                
- % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
-%  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
-  \BlankLine
-  %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
-  
-  \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
-      \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
-      \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
-      \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
-      %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
-      %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
-      
-      %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
-      \emph{LeaderID = Leader election}\;
-      \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
-        \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
-        \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
-          Execute \textcolor{red}{Optimization Algorithm}($T,J$)}\;
-        \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
-        \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
-          with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
-        \emph{Update $RE_j $}\;
-      }          
-      \Else{
-        \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
-        \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
-        % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
-        \emph{Update $RE_j $}\;
-      }  
-      %  }
-  }
-  \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
-  
- %   \emph{return X} \;
-\caption{MuDiLCO($s_j$)}
-\label{alg:MuDiLCO}
+%solve  an integer  program
 
-\end{algorithm}
 
 
 
 
 
 
-\section{\textcolor{red}{ Optimization Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
-\label{oa}
+%\section{\textcolor{red}{ Optimization Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
+%\label{oa}
 As shown in Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the leader will execute an optimization algorithm based on an integer program. The  integer program  is based on  the model
 proposed by  \cite{pedraza2006} with some modifications, where  the objective is
 to find  a maximum  number of disjoint  cover sets.   To fulfill this  goal, the
@@ -841,14 +797,66 @@ In our simulations priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
 large compared to $W_{\theta}$.
 %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.
 
+
+\subsection{Sensing phase}
+
+The sensing phase consists of $T$ rounds. Each sensor node in the subregion will
+receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
+sleep for each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
+will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
+Active-Sleep packet is obtained.
+
+% 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. 
+
+\begin{algorithm}[h!]                
+ % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
+%  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
+  \BlankLine
+  %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
+  
+  \If{ $RE_j \geq E_{R}$ }{
+      \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+      \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
+      \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
+      %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
+      %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
+      
+      %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
+      \emph{LeaderID = Leader election}\;
+      \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
+        \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
+        \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
+          Execute \textcolor{red}{Optimization Algorithm}($T,J$)}\;
+        \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
+        \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
+          with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }          
+      \Else{
+        \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
+        \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
+        % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
+        \emph{Update $RE_j $}\;
+      }  
+      %  }
+  }
+  \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
+  
+ %   \emph{return X} \;
+\caption{MuDiLCO($s_j$)}
+\label{alg:MuDiLCO}
+
+\end{algorithm}
+
+\iffalse
 \textcolor{red}{This integer program can be solved using two approaches:}
 
 \subsection{\textcolor{red}{Optimization solver for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
 \label{glpk}
 \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.}
+\fi
 
-
-
+\iffalse
 
 \subsection{\textcolor{red}{Genetic Algorithm for Multiround Lifetime Coverage Optimization}}
 \label{GA}
@@ -1006,7 +1014,7 @@ The proposed GA-MuDiLCO stops when the stopping criteria is met. It stops after
 
 \end{enumerate} 
 
-
+\fi
 
 \section{Experimental study}
 \label{exp}
@@ -1059,9 +1067,9 @@ $W_{\theta}$ & 1   \\
 % [1ex] adds vertical space
 %\hline
 $W_{U}$ & $|P|^2$ \\
-$P_c$ & 0.95   \\ 
-$P_m$ & 0.6 \\
-$S_{pop}$ & 50
+%$P_c$ & 0.95   \\ 
+%$P_m$ & 0.6 \\
+%$S_{pop}$ & 50
 %inserts single line
 \end{tabular}
 \label{table3}
@@ -1070,8 +1078,10 @@ $S_{pop}$ & 50
   
 \textcolor{red}{Our first protocol based GLPK optimization solver is declined into  four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5,
 and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of
-rounds in one sensing period). The second protocol based GA is declined into  four versions: GA-MuDiLCO-1,  GA-MuDiLCO-3, GA-MuDiLCO-5,
-and  GA-MuDiLCO-7 for the same reason of the first protocol. After extensive experiments, we chose the dedicated values for the parameters $P_c$, $P_m$, and $S_{pop}$ because they gave the best results}.  In  the following, we will make comparisons with
+rounds in one sensing period). }
+%The second protocol based GA is declined into  four versions: GA-MuDiLCO-1,  GA-MuDiLCO-3, GA-MuDiLCO-5,
+%and  GA-MuDiLCO-7 for the same reason of the first protocol. After extensive experiments, we chose the dedicated values for the parameters $P_c$, $P_m$, and $S_{pop}$ because they gave the best results}. 
+ In  the following, we will make comparisons with
 two other methods. The first method, called DESK and proposed by \cite{ChinhVu},
 is  a   full  distributed  coverage   algorithm.   The  second   method,  called
 GAF~\cite{xu2001geography}, consists in dividing  the region into fixed squares.
@@ -1285,11 +1295,12 @@ rounds, and thus should extend the network lifetime.
 \label{fig3}
 \end{figure} 
 
+\iffalse
 \textcolor{red}{ We
 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
 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
 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.}
-
+\fi
 
 
 \subsubsection{Active sensors ratio} 
@@ -1298,8 +1309,10 @@ It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to
 minimize the communication overhead and maximize    the network lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in ACTIVE status, whereas
-MuDiLCO clearly outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes. \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}.
-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. \textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates near optimal number of sensor nodes also in efficient manner compared with both DESK  and GAF}.
+MuDiLCO clearly outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes. 
+%\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}.
+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. 
+%\textcolor{red}{GA-MuDiLCO activates near optimal number of sensor nodes also in efficient manner compared with both DESK  and GAF}.
 
 \begin{figure}[ht!]
 \centering
@@ -1318,8 +1331,9 @@ Obviously, in that case DESK  and GAF have less active nodes, since  they have a
 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
 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
 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
-phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK. \textcolor{red}{GA-MuDiLCO  stops thirdly for the  same reason than  DESK and GAF.} \textcolor{red}{MuDiLCO and GA-MuDiLCO overcome}
-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.  
+phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK. 
+%\textcolor{red}{GA-MuDiLCO  stops thirdly for the  same reason than  DESK and GAF.} \textcolor{red}{MuDiLCO and GA-MuDiLCO overcome}
+%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.  
 Let us emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is still connected. 
 
 %%% The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected. A VOIR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
@@ -1355,9 +1369,9 @@ The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy
 consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption
 due  to activating a  larger number  of redundant  nodes as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other
 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.
-\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
-consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption
-due to activating a larger number of redundant nodes.}
+%\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
+%consumption point of view. The other approaches have a high energy consumption
+%due to activating a larger number of redundant nodes.}
 %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. 
 
 
@@ -1409,8 +1423,9 @@ of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the
 difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
 This  point was  already noticed  in subsection  \ref{subsec:EC} devoted  to the
 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly
-linked. \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
-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.}
+linked. 
+%\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
+%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.}
 \begin{figure}[t!]
   \centering
   \begin{tabular}{cl}