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58 \journal{Ad Hoc Networks}
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60 \begin{document}
61
62 \begin{frontmatter}
63
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83
84 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
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90 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
91 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
92 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
93 %\thanks{}% <-this % stops a space
94  
95
96 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
97
98 \begin{abstract}
99 One of  the fundamental challenges in Wireless Sensor Networks (WSNs)
100 is the coverage preservation and the extension of the network lifetime
101 continuously  and  effectively  when  monitoring a  certain  area  (or
102 region) of  interest. In this paper, a Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol (DiLCO)
103 to maintain the coverage and to improve the lifetime in wireless sensor networks is proposed. The area  of interest is first divided into subregions using  a divide-and-conquer method and then the  DiLCO protocol is distributed on the sensor nodes in each subregion. The DiLCO combines two efficient techniques: Leader election for each subregion after that activity scheduling based optimization is planned for each subregion. The proposed
104 DiLCO  works into rounds during which a small number  of nodes,
105 remaining active for sensing, is  selected to ensure coverage so as to maximize the lifetime of wireless sensor network. Each round consists of four phases: (i)~Information Exchange, (ii)~Leader
106 Election, (iii)~Decision,  and (iv)~Sensing.  The  decision process is
107 carried  out  by a  leader  node,  which  solves an  integer  program. Compared with some existing
108 protocols, simulation  results show that the proposed protocol can  prolong the
109 network lifetime and improve the coverage performance effectively.
110
111 \end{abstract}
112
113 \begin{keyword}
114 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
115 Optimization, Scheduling.
116
117 \end{keyword}
118
119 \end{frontmatter}
120
121 \section{Introduction}
122
123 \indent  The fast developments  in the  low-cost sensor  devices and
124 wireless  communications  have allowed  the  emergence  the WSNs.  WSN
125 includes  a large  number of  small, limited-power sensors that can
126 sense, process and transmit data over a wireless communication. They
127 communicate with each other by using multi-hop wireless communications, cooperate together to monitor the area of interest, 
128 and the measured data can be reported to a monitoring center called sink  
129 for analysis it~\cite{Sudip03}. There are several applications used the
130 WSN including health, home, environmental, military, and industrial
131 applications~\cite{Akyildiz02}. 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 approches for coverage and connectivity in WSNs~\cite{conti2014mobile}. The coverage problem is one  of the
132 fundamental challenges in WSNs~\cite{Nayak04} that consists in monitoring efficiently and continuously
133 the area of interest. Thelimited energy  of sensors represents  the main challenge in  the WSNs
134 design~\cite{Sudip03}, where it is difficult to replace and/or recharge their batteries because the the area of interest nature (such
135 as hostile environments) and the cost. So, it is necessary that a WSN
136 deployed  with high  density because  spatial redundancy  can  then be
137 exploited to increase  the lifetime of the network. However, turn on
138 all the sensor nodes, which monitor the same region at the same time
139 leads to decrease the lifetime of the network. To extend the lifetime
140 of the network, the main idea is to take advantage of the overlapping
141 sensing regions  of some  sensor nodes to  save energy by  turning off
142 some  of them  during the  sensing phase~\cite{Misra05}. WSNs require
143 energy-efficient solutions to improve the network lifetime that is
144 constrained by the limited power of each sensor node ~\cite{Akyildiz02}. In this paper, we concentrate on the area
145 coverage  problem, with the objective of maximizing the network
146 lifetime by using  an adaptive  scheduling. The area of interest is
147 divided into subregions and an activity scheduling for sensor nodes is
148 planned for each subregion. In fact, the nodes in a subregion can be
149 seen as a cluster where each node sends sensing data to the cluster head or the sink node. Furthermore, the activities in a
150 subregion/cluster can continue even if another cluster stops  due to
151 too many node failures.  Our scheduling scheme considers rounds, where
152 a round starts with a  discovery phase to exchange information between
153 sensors of  the subregion, in order  to choose in a  suitable manner a
154 sensor node to  carry out a coverage strategy.  This coverage strategy
155 involves  the  solving  of  an  integer program,  which  provides  the
156 activation of the sensors for the sensing phase of the current round.
157
158 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
159 % Section~\ref{rw}
160 reviews the related work in the field. In section~\ref{Pr}, the problem definition and some background are described. Section~\ref{pd} is devoted to
161 the DiLCO Protocol Description. Section~\ref{cp} gives  the coverage model formulation,  which is used
162 to schedule the activation of sensors.  Section~\ref{exp}  shows the
163 simulation results obtained using the discrete event simulator OMNeT++
164 \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness of  the proposed
165 approach.  Finally,  we give  concluding remarks and  some suggestions
166 for future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
167
168
169 \section{Related works}
170 \label{rw}
171
172 \indent This section is dedicated to the various approaches proposed
173 in  the literature  for  the coverage  lifetime maximization  problem,
174 where the  objective is to  optimally schedule sensors'  activities in
175 order to  extend network lifetime  in WSNs. Cardei and Wu \cite{cardei2006energy} provide a taxonomy for coverage algorithms in WSNs according to several design choices:
176 \begin{itemize}
177 \item Sensors scheduling Algorithms, i.e. centralized or distributed/localized algorithms.
178 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime
179 or to minimize the number of sensors during the sensing period.
180 \item The homogeneous or heterogeneous nature of the
181 nodes, in terms of sensing or communication capabilities.
182 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
183 \item Additional requirements for energy-efficient
184 coverage and connected coverage.
185 \end{itemize}
186
187  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
188 list.
189    
190 \subsection{Centralized Approaches}
191 %{\bf Centralized approaches}
192 The major approach is
193 to divide/organize  the sensors into  a suitable number of  set covers
194 where each  set completely covers  an interest region and  to activate
195 these set covers successively. The centralized algorithms always provide nearly or close to optimal solution since the algorithm has global view of the whole network. However, its advantage of
196 this type of algorithms is that it requires very low processing power from the sensor nodes, which usually have
197 limited processing capabilities where the schdule of selected sensor nodes will be computed on the base stations and then sent it to the sensor nodes to apply it to monitor the area of interest.
198
199 The first algorithms  proposed in the  literature consider that  the cover
200 sets  are  disjoint: a  sensor  node appears  in  exactly  one of  the
201 generated  cover  sets.    For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak
202 \cite{Slijepcevic01powerefficient}   propose    an   algorithm, which
203 allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area
204 divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by
205 including in  priority the sensor  nodes, which cover  critical fields,
206 that  is to  say fields  that are  covered by  the smallest  number of
207 sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$
208 is the number of  sensors. Abrams et al.~\cite{abrams2004set}  design  three  approximation
209 algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the
210 objective is to partition the sensors into covers such that the number
211 of covers that  includes an area, summed over  all areas, is maximized.
212 Their        work        builds        upon       previous        work
213 in~\cite{Slijepcevic01powerefficient} and the  generated cover sets do
214 not provide complete coverage of the monitoring zone.
215 \cite{cardei2005improving} propose a method to efficiently
216 compute the maximum  number of disjoint set covers  such that each set
217 can  monitor all  targets. They  first  transform the  problem into  a
218 maximum  flow   problem, which  is  formulated  as   a  mixed  integer
219 programming (MIP). Then their heuristic  uses the output of the MIP to
220 compute  disjoint  set  covers.  Results  show  that  this  heuristic
221 provides  a   number  of  set  covers  slightly   larger  compared  to
222 \cite{Slijepcevic01powerefficient}  but with  a larger  execution time
223 due  to the complexity  of the  mixed integer  programming resolution.
224
225 Zorbas  et  al.  \cite{zorbas2010solving}  presented a centralised greedy
226 algorithm for the efficient production of both node disjoint
227 and non-disjoint cover sets. Compared to algorithm's results  of  Slijepcevic and Potkonjak
228 \cite{Slijepcevic01powerefficient},  their   heuristic  produces  more
229 disjoint cover sets with a slight growth rate in execution time. When producing non-disjoint cover sets, both Static-CCF and Dynamic-CCF provide cover sets offering longer network lifetime than those produced by
230 \cite{cardei2005energy}. Also, they require a smaller number of node participations in order to
231 achieve these results.
232
233 In the  case of non-disjoint algorithms  \cite{pujari2011high}, sensors may
234 participate  in more  than  one cover  set.   In some  cases, this  may
235 prolong  the lifetime  of the  network in  comparison to  the disjoint
236 cover set algorithms, but  designing algorithms for non-disjoint cover
237 sets  generally induces a  higher order  of complexity.   Moreover, in
238 case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling policies are less
239 resilient and less  reliable because a sensor may  be involved in more
240 than one  cover sets.  For instance,  Cardei et al.~\cite{cardei2005energy}
241 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
242 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
243 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
244 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
245 lifetime         increases        compared         with        related
246 work~\cite{cardei2005improving}.   In~\cite{berman04}, the
247 authors  have formulated  the lifetime  problem and  suggested another
248 (LP)  technique to  solve this  problem. A  centralized  solution  based      on      the     Garg-K\"{o}nemann
249 algorithm~\cite{garg98}, provably near
250 the optimal solution,    is also proposed.
251
252 \subsection{Distributed approaches}
253 %{\bf Distributed approaches}
254 In distributed $\&$ localized coverage algorithms, the required computation to schedule the activity of sensor nodes will be done by the cooperation among the neighbours nodes. These algorithms may require more computation power  for the processing by the cooperated sensor nodes but they are more scaleable for large WSNs. Normally, the localized and distributed algorithms result in non-disjoint set covers. 
255
256 Some      distributed     algorithms      have      been     developed
257 in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02, yardibi2010distributed}  to perform the
258 scheduling so as to coverage preservation.   Distributed algorithms typically  operate in  rounds for
259 a predetermined  duration. At  the  beginning of  each  round, a  sensor
260 exchanges information with its neighbors and makes a decision to either
261 remain turned  on or to  go to sleep  for the round. This  decision is
262 basically made on simple greedy criteria like  the largest uncovered
263 area   \cite{Berman05efficientenergy},   maximum   uncovered   targets
264 \cite{lu2003coverage}.   In \cite{Tian02}, the  scheduling scheme  is divided
265 into rounds, where each round  has a self-scheduling phase followed by
266 a sensing phase.  Each sensor  broadcasts a message containing the node ID
267 and the node location  to its neighbors at the beginning  of each round. A
268 sensor determines  its status by  a rule named off-duty  eligible rule,
269 which tells  him to  turn off if  its sensing  area is covered  by its
270 neighbors. A  back-off scheme is  introduced to let each  sensor delay
271 the decision process  with a random period of time,  in order to avoid
272 simultaneous conflicting decisions between nodes and  lack of coverage on any area.
273 \cite{prasad2007distributed}  defines a model  for capturing
274 the dependencies between different cover sets and proposes localized
275 heuristic based on this dependency. The algorithm consists of two
276 phases, an initial  setup phase during which each  sensor computes and
277 prioritizes the  covers and  a sensing phase  during which  each sensor
278 first decides  its on/off status, and  then remains on or off for the
279 rest  of the  duration. 
280
281 The authors in \cite{yardibi2010distributed}, are developed a distributed adaptive sleep scheduling algorithm (DASSA) for WSNs with partial coverage. DASSA does not require location information of sensors while maintaining connectivity and satisfying a user defined coverage target. In DASSA, nodes use the residual energy levels and feedback from the sink for scheduling the activity of their neighbors. This feedback mechanism reduces the randomness in scheduling that would otherwise occur due to the absence of location information. 
282
283 In \cite{ChinhVu},  the author proposed a novel  distributed heuristic, called
284 Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage  (DESK), which
285 ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and
286 the lifetime  maximized while the coverage  requirement is maintained.
287 This  heuristic   works  in  rounds,  requires   only  1-hop  neighbor
288 information,  and each  sensor decides  its status  (active  or sleep)
289 based    on    the    perimeter    coverage    model    proposed    in
290 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}.
291 Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in
292 heterogeneous energy wireless sensor networks. 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. 
293
294 The works presented in \cite{Bang, Zhixin, Zhang}  focuses on a Coverage-Aware, Distributed  Energy- Efficient and distributed clustering methods respectively, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
295 S.  Misra  et al.  \cite{Misra}  proposed  a  localized algorithm  for
296 coverage in  sensor networks. The algorithm conserve  the energy while
297 ensuring  the network coverage  by activating  the subset  of sensors,
298 with  the  minimum  overlap  area.The proposed  method  preserves  the
299 network connectivity by formation of the network backbone. 
300 More    recently,   Shibo   et
301 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
302 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
303 Greedy Algorithm  (DTGA) to  solve it. They  take advantage  from both
304 temporal  and spatial  correlations between  data sensed  by different
305 sensors,  and   leverage  prediction,  to  improve   the  lifetime. 
306
307 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed an algorithm, called Geographical Adaptive Fidelity (GAF), which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
308
309 Some other approaches do  not consider a synchronized and predetermined
310 period  of time  where the  sensors are  active or  not.  Indeed, each
311 sensor  maintains its  own timer  and its  wake-up time is randomized
312 \cite{Ye03} or regulated \cite{cardei2005maximum} over time.
313
314 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
315 (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  to take the mission of the coverage in each subregion, (7) The very low energy consumption, (8) The higher network lifetime.
316 \section{Preliminaries}
317 \label{Pr}
318
319 \subsection{Coverage Problem}
320 The most discussed coverage problems in literature can be classified
321 into three types \cite{ghosh2008coverage}\cite{wang2011coverage}: area coverage \cite{mulligan2010coverage}(also called full or blanket
322 coverage), target coverage \cite{yang2014novel}, and barrier coverage \cite{HeShibo}.  An  area coverage problem is to find a minimum number of sensors to work, such that each physical point in the area is within the sensing range  of at least one working sensor node.
323 Target coverage problem is to cover only a finite number of discrete
324 points  called targets. This type  of coverage  has  mainly military
325 applications. The problem of preventing an intruder from entering a region of interest is referred to as the barrier coverage . Our work will concentrate on the area coverage by design
326 and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
327 nodes   that  must   maintain  both   sensing  coverage   and  network
328 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
329 sensor  network.   But,  requiring  that  all physical  points  of  the
330 considered region are covered may  be too strict, especially where the
331 sensor network is not dense.   Our approach represents an area covered
332 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
333 number  of  primary points  that  are  covered  in each  round,  while
334 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
335 simultaneously).
336
337
338 \subsection{Network Lifetime}
339 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
340 network~\cite{die09}.  The main definitions proposed in the literature are
341 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
342 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
343 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
344 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
345 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
346 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
347 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
348 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
349 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
350 transmit information on an event in the area that it monitors.
351
352 \subsection{Activity Scheduling }
353 Activity scheduling is to schedule the activation and deac-
354 tivation of sensor nodes. The basic objective is to decide which
355 sensors are in what states (active or sleeping mode) and for
356 how long, so that the application coverage requirement can be
357 guaranteed and the network lifetime can be prolonged. Various
358 approaches, including centralized, distributed, and localized
359 algorithms, have been proposed for activity scheduling. In
360 distributed algorithms, each node in the network autonomously
361 makes decisions on whether to turn on or turn off itself only
362 using local neighbor information. In centralized algorithms, a
363 central controller (a node or base station) informs every sensors
364 of the time intervals to be activated. There are many sensor node scheduling methods are proposed in \cite{wang2010clique}, where they are grouped into two main categories:round-based sensor node scheduling in which, sensor nodes will execute the scheduling
365 algorithm during the initialization of each round and group-based sensor node scheduling in which, each node will performs the scheduling algorithm only once after its deployment and after
366 the execution of scheduling algorithm, all nodes will be allocated into different groups.
367
368
369
370 \section{ The DiLCO Protocol Description}
371 \label{pd}
372
373 In this section, we introduce a Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol, which is called DiLCO. It is  distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two efficient techniques: network
374 leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
375 The main features of our DiLCO protocol:
376 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 rounds, 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 set 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.
377
378
379 \subsection{ Assumptions and Models}
380 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
381 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
382 density to ensure initially a high coverage ratio of the interested area. We
383 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
384 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
385 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
386 through hardware such as embedded GPS or through location discovery
387 algorithms.   
388 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
389 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
390 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
391 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
392 covered by this sensor. We also assume that the communication range $R_c \geq 2R_s$.
393 In  fact,   Zhang  and Zhou~\cite{Zhang05} proved that if the transmission range fulfills the
394 previous hypothesis, a complete coverage of a convex area implies
395 connectivity among the working nodes in the active mode.
396
397
398
399 %\begin{figure}[h!]
400 %\centering
401 %\begin{tabular}{cc}
402 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
403 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
404 %\end{tabular}
405 %\caption{Unit Circle in radians. }
406 %\label{fig:cluster1}
407 %\end{figure}
408
409 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
410 %We choose to representEach wireless sensor node will be represented into a selected number of primary points by which we can know if the sensor node is covered or not.
411 % Figure ~\ref{fig:cluster2} shows the selected primary points that represents the area of the sensor node and according to the sensing range of the wireless sensor node.
412
413 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
414 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
415 sensing disk defined  by a sensor is covered if all the primary points of
416 this sensor are covered.
417 %\begin{figure}[h!]
418 %\centering
419 %\begin{tabular}{cc}
420 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
421 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
422 %\end{tabular}
423 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
424 %\label{fig:cluster2}
425 %\end{figure}
426 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
427 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
428 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
429 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
430 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
431 sensors, instead of using all the points in the area.
432
433 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
434 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
435 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
436 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
437 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
438 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
439 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
440 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
441 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
442 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
443 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
444 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
445 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
446 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
447 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
448 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
449 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
450
451  \begin{figure}[h!]
452 \centering
453  \begin{multicols}{3}
454 \centering
455 \includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
456 \includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
457 \includegraphics[scale=0.20]{principles13.eps}\\~ ~ ~ ~ ~(c)
458 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
459 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
460 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
461 \end{multicols} 
462 \caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
463 \label{fig1}
464 \end{figure}
465
466 \subsection{The Main Idea}
467 The   area  of  interest   can  be  divided using the
468 divide-and-conquer strategy into smaller areas  called subregions and
469 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
470 simultaneously. Our DiLCO protocol works in rounds fashion as shown in figure~\ref{fig2}.
471 \begin{figure}[ht!]
472 \centering
473 \includegraphics[width=95mm]{FirstModel.eps} % 70mm
474 \caption{DiLCO protocol}
475 \label{fig2}
476 \end{figure} 
477
478 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
479 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
480 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
481 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
482 in rounds. On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
483 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
484 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
485 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
486 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
487 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
488 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
489 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
490 information (including their residual energy) at the beginning of each
491 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
492 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
493 they do not  join the network to monitor the  area. 
494 We define two types of packets to be used by our DiLCO protocol.
495 \begin{enumerate}[(a)] 
496 \item INFO packet: sent by each sensor node to all the nodes of it's subregion for information exchange.
497 \item ActiveSleep packet: sent by the leader to all the nodes in the same of it's subregion to inform them to be Active or Sleep during the sensing phase.
498 \end{enumerate}
499
500 There are four status for each sensor node in the network
501 \begin{enumerate}[(a)] 
502 \item LISTENING: Sensor has not yet decided.
503 \item ACTIVE: Sensor is active.
504 \item SLEEP: Sensor decides to turn off.
505 \item COMMUNICATION: Sensor is Transmitting or Receiving packet.
506 \end{enumerate}
507
508 Below, we describe each phase in more details.
509
510 \subsubsection{Information Exchange Phase}
511
512 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
513 the number of neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
514 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
515 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
516 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
517 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
518 active mode.
519
520 %\subsection{\textbf Working Phase:}
521
522 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
523
524 \subsubsection{Leader Election Phase}
525 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
526 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
527 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
528 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
529 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
530 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
531 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
532 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
533 equality, larger index. The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
534 \begin{algorithm}                
535   \KwIn{all the parameters related to information exchange}
536   \KwOut{$node-id$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
537   \BlankLine
538   \emph{Select the node(s) with higher $NBR_j$ and $ RE_j \geqslant E_{th}$} \; 
539   
540   \If{ there are more than two nodes with the same maximum $NBR_j$ }{
541          \If{ there are more than two nodes with the same maximum $NBR_j$ and the same $RE_j$}{
542                 \emph{ Select the node with higher id} \;
543          }       
544          \Else{
545              \emph{Select the node with maximum $RE_j$} \;
546          }
547    }
548    \Else{
549             \emph{ Select the node with higher $NBR_j$ } \;
550     }
551   
552   \emph{return node-id} \;
553 \caption{LEADER ELECTION}
554 \label{alg:LEADER}
555
556 \end{algorithm}
557
558 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.  
559
560
561 \subsubsection{Decision phase}
562 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
563 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
564 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
565 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
566
567
568 \subsubsection{Sensing phase}
569 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
570 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
571 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
572 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
573 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
574 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
575 starting a new round.
576
577 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
578 we first show the pseudo-code of DiLCO protocol, which is executed by each sensor in the subregion and then describe it in more detail. 
579
580 \begin{algorithm}                
581  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
582 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
583   \BlankLine
584   \emph{Initialize the sensor node and determine it's position and it's subregion} \; 
585   
586   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
587      \emph{ Send and Receive INFO Packet to and from other nodes in the subregion}\;
588       \emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
589       \emph{ $s_j.status$ = LISTENING}\;
590        \If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
591          \emph{ LeaderID $\leftarrow$ \bf Algorithm~\ref{alg:LEADER}}\;
592          \If{ $ s_j.ID = LeaderID $}{ 
593                 \emph{Execute Integer Program Algorithm (Gbest) }\;
594                 \For{$k\leftarrow 1$ \KwTo No. of nodes in subregion}{
595                     \If{$ s_j.ID \neq L_k$ }{
596                          \If{$ Gbest_k = 1$ }{
597                                    \emph{ Send ActiveSleep() Packet with status = ACTIVE  }\;
598                           }
599                           \Else{\emph{Send ActiveSleep() Packet with status = SLEEP}\;}
600                 }
601                 \Else{
602                         \If{$ Gbest_k = 1$ }{
603                             \emph{ $s_j.status$ = ACTIVE}\; 
604                             \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
605                         }
606                         \Else{ 
607                               \emph{ $s_j.status$ = SLEEP}\;
608                               \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
609                                  }
610                   }
611                           
612             }     
613            
614          }
615          \Else{ 
616                 \emph{Wait ActiveSleep() Packet from the Leader}\;
617                  \If{received ActiveSleep().status = ACTIVE  }{ 
618                   \emph{ $s_j.status$ = ACTIVE}\; 
619                   \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
620                  }
621                  \Else{
622                   \emph{ $s_j.status$ = SLEEP}\;
623                   \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
624                  }
625          }  
626        }
627
628    }
629    \Else { Exclude me from entering in the current round}
630    
631  %   \emph{return X} \;
632 \caption{DiLCO($s_j$)}
633 \label{alg:DMRCLOP}
634
635 \end{algorithm}
636
637 The DiLCO protocol work in rounds and executed at each sensor node in the network , each sensor node can still sense data while being in
638 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
639 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
640 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.
641 The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader to take the decision. 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 select the set of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's status during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next round. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep 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, all the sensor nodes in the same subregion will start new round by executing the DiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
642
643 \section{Coverage problem formulation}
644 \label{cp}
645
646 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
647 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
648 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
649 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
650 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
651 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
652 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
653 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
654 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
655 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
656
657 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
658 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
659 \begin{equation}
660 \alpha_{jp} = \left \{ 
661 \begin{array}{l l}
662   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
663  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
664   0 & \mbox{otherwise.}\\
665 \end{array} \right.
666 %\label{eq12} 
667 \end{equation}
668 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
669 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
670 \begin{equation}
671 X_{j} = \left \{ 
672 \begin{array}{l l}
673   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
674   0 &  \mbox{otherwise.}\\
675 \end{array} \right.
676 %\label{eq11} 
677 \end{equation}
678 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
679 \begin{equation}
680  \Theta_{p} = \left \{ 
681 \begin{array}{l l}
682   0 & \mbox{if the primary point}\\
683     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
684   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
685 \end{array} \right.
686 \label{eq13} 
687 \end{equation}
688 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
689 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
690 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
691 by:
692 \begin{equation}
693 U_{p} = \left \{ 
694 \begin{array}{l l}
695   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
696   0 & \mbox{otherwise.}\\
697 \end{array} \right.
698 \label{eq14} 
699 \end{equation}
700
701 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
702 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
703 \left \{
704 \begin{array}{ll}
705 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
706 \textrm{subject to :}&\\
707 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
708 %\label{c1} 
709 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
710 %\label{c2}
711 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
712 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
713 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
714 \end{array}
715 \right.
716 \end{equation}
717
718
719
720 \begin{itemize}
721 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
722   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
723 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
724   one that are covering the primary point $p$;
725 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
726   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
727 \end{itemize}
728
729 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
730 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
731 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
732 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
733 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
734 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
735  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
736 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
737 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
738 round.
739  
740
741 \section{Simulation Results and Analysis}
742 \label{exp}
743 In this section, we conducted  a series of simulations to evaluate the
744 efficiency and the relevance of our approach,  using the  discrete event
745 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. The simulation parameters are summarized in
746 Table~\ref{table3}
747
748 \begin{table}[ht]
749 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
750 % title of Table
751 \centering
752 % used for centering table
753 \begin{tabular}{c|c}
754 % centered columns (4 columns)
755       \hline
756 %inserts double horizontal lines
757 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
758    
759 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
760 % inserts table
761 %heading
762 \hline
763 % inserts single horizontal line
764 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
765 % inserting body of the table
766 %\hline
767 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
768 %\hline
769 Initial Energy  & 50-75~joules  \\  
770 %\hline
771 Sensing Period & 20 Minutes \\
772 $E_{thr}$ & 12.2472 Joules\\
773 $R_s$ & 5~m   \\     
774 %\hline
775 $w_{\Theta}$ & 1   \\
776 % [1ex] adds vertical space
777 %\hline
778 $w_{U}$ & $|P^2|$
779 %inserts single line
780 \end{tabular}
781 \label{table3}
782 % is used to refer this table in the text
783 \end{table}
784
785 A simulation
786 ends  when  all the  nodes  are dead  or  the  sensor network  becomes
787 disconnected (some nodes may not be able to send, to a base station, an
788 event they sense).
789 Our proposed coverage protocol uses a simple energy model defined by~\cite{ChinhVu} that based on ~\cite{raghunathan2002energy} with some modification as energy consumption model for each wireless sensor node in the network and for all the simulations.
790
791 The modification is to add the energy consumption for receiving the packets as well as we ignore the part that related to the sensing range because we used fixed sensing range. The new energy consumption model will take inro account the energy consumption for communication (packet transmission/reception), data sensing and computational energy. 
792
793 There are four subsystems in each sensor node that consume energy: the micro-controller
794 unit (MCU) subsystem which is capable of computation, communication subsystem which is responsible for
795 transmitting/receiving messages, sensing subsystem that collects data, and the powe suply which supplies power to the complete sensor node ~\cite{raghunathan2002energy}. In our model, we will concentrate on first three main subsystems and each subsystem can be turned on or off depending on the current status of the sensor which is summarized in Table~\ref{table4}.
796
797 \begin{table}[ht]
798 \caption{The Energy Consumption Model}
799 % title of Table
800 \centering
801 % used for centering table
802 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
803 % centered columns (4 columns)
804       \hline
805 %inserts double horizontal lines
806 Sensor mode & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
807 \hline
808 % inserts single horizontal line
809 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
810 % inserting body of the table
811 \hline
812 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
813 \hline
814 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
815 \hline
816  \multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
817  \hline
818 \end{tabular}
819
820 \label{table4}
821 % is used to refer this table in the text
822 \end{table}
823
824 For the simplicity, we ignore the energy needed to turn on the
825 radio, to start up the sensor node, the transition from mode to another, etc. We also do not consider the need of collecting sensing data. Thus, when a sensor becomes active (i.e., it already decides it status), it can turn its radio off to save battery. Since our couverage optimization protocol uses two types of the packets, the size of the INFO-Packet and Status-Packet are 112 bits and 16 bits respectively. The value of energy spent to send a message shown in Table~\ref{table4} is obtained by using the equation in ~\cite{raghunathan2002energy} to calculate the energy cost for transmitting messages and we propose the same value for receiving the packets.
826
827
828 We  performed  simulations for  five different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results
829 were  obtained from  randomly generated  networks in  which  nodes are
830 deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing  field. More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in   order to ensure that the  deployed nodes can fully cover the sensing
831   field with the given sensing range.
832 The energy of  each node in a  network is initialized  randomly within the
833 range 50-75~joules.  Each  sensor  node will  not participate in the next round if its remaining energy is less than $E_{thr}$, the minimum energy needed for the node to stay alive during one round. 
834
835 In the simulations, we introduce the following performance metrics to
836 evaluate the  efficiency of our approach: 
837
838 \begin{enumerate}[i)]
839   
840 \item {Coverage Ratio (CR):} the coverage ratio measures how much the area of a sensor field is  covered. In our case, we treated the sensing fields as a grid, and used each grid point as a sample point
841 for calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
842 \begin{equation*}
843 \scriptsize
844 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
845 \end{equation*}
846 Where: $n$ is the Number of Covered Grid points by the Active Sensors of the all subregions of the network during the current sensing phase and $N$ is total number of grid points in the sensing field of the network.
847 The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
848 simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
849 there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total. Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
850
851 \item{ Number of Active Sensors Ratio(ASR):} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
852 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
853 network lifetime.The Active Sensors Ratio is defined as follows:
854 \begin{equation*}
855 \scriptsize
856 \mbox{ASR}(\%) = \sum\limits_{r=1}^R \left( \frac{\mbox{$A_r$}}{\mbox{$S$}} \times 100 \right) .
857 \end{equation*}
858 Where: $A_r$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
859
860 \item {Energy Saving  Ratio(ESR):} is defined by:
861 \begin{equation*}
862 \scriptsize
863 \mbox{ESR}(\%) = \sum\limits_{r=1}^R \left( \frac{\mbox{${ES}_r$}}{\mbox{$S$}} \times 100 \right) .
864 \end{equation*}
865 Where: ${ES}_r$ is the number of alive sensors in subregion $r$ during this round. The  longer the ratio  is,  the more  redundant sensor  nodes are switched off, and consequently  the longer the  network may  live.
866
867 \item {Energy Consumption:}
868
869  Energy Consumption (EC) can be seen as the total energy consumed by the sensors during the lifetime of the network divided by the total number of rounds. The EC can be computed as follow: \\
870  \begin{equation*}
871 \scriptsize
872 \mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D \left( E^c_d + E^l_d + E^a_d + E^s_d \right)$ }}{\mbox{$D$}}   .
873 \end{equation*}
874 %\begin{equation*}
875 %\scriptsize
876 %\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{$D$}}.
877 %\end{equation*}
878
879 Where: D is the total number of rounds. 
880 The total energy consumed by the sensors (EC) comes through taking into consideration four main energy factors, which are $E^c_d$, $E^l_d$, $E^a_d$, and $E^s_d$.
881 The factor $E^c_d$ represents the  energy consumption  resulting  from  wireless  communications  is  calculated by taking into account the  energy spent by  all the nodes when  transmitting and
882 receiving  packets during round $d$. The $E^l_d$ represents the energy consumed by all the sensors during the listening mode before taking the decision to go Active or Sleep in round $d$. The $E^a_d$ and $E^s_d$  are refered to enegy consumed by the turned on and turned off sensors in the period of sensing during the round $d$. 
883
884 \item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
885 nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
886
887
888 \item {Execution Time:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
889 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
890 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
891 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
892   
893 \item {The number of stopped simulation runs:} we  will study the percentage of simulations, which are stopped due to network disconnections per round.
894
895 \end{enumerate}
896
897 \subsection{Performance Comparison for differnet subregions}
898 \label{sub1}
899 In this subsection, we will study the performance of our approach for a different number of subregions (Leaders).
900 10~simulation runs are performed  with different network topologies for each node  density. The results presented hereafter are the average of these 10 runs.  
901 Our approach are called strategy 1 ( With 1 Leader), strategy 2 ( With 2 Leaders), strategy 3 ( With 4 Leaders), and strategy 4 ( With 8 Leaders), strategy 5 ( With 16 Leaders) and strategy 6 ( With 32 Leaders). The strategy 1 ( With 1 Leader) is a centralized approach on all the area of the interest, while  strategy 2 ( With 2 Leaders), strategy 3 ( With 4 Leaders), strategy 4 ( With 8 Leaders), strategy 5 ( With 16 Leaders) and strategy 6 ( With 32 Leaders) are distributed on two, four, eight, sixteen, and thirty-two subregions respectively.  
902 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
903 In this experiment, Figure~\ref{fig3} shows  the impact  of the
904 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
905 for the  four strategies.  
906 \parskip 0pt    
907 \begin{figure}[h!]
908 \centering
909  \includegraphics[scale=0.43] {R1/CR.eps} 
910 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
911 \label{fig3}
912 \end{figure} 
913
914 It can be  seen that the six strategies
915 give  nearly similar  coverage  ratios  during  the first  three rounds.  
916 As shown in  the figure ~\ref{fig3}, when we increase the number of sub-regions, It will leads to cover the area of interest for a larger number of rounds. Coverage ratio decreases when the number of rounds increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
917 thanks to  strategy~5 and strategy~6,  other nodes are  preserved to  ensure the
918 coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to
919 maintain the full coverage for a larger number of rounds. Strategy~5 and strategy~6 are
920 slightly more efficient than other strategies, because they subdivides
921 the area of interest into 16~subregions and 32~subregions if one of the subregions becomes
922 disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.
923
924 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
925  Figure~\ref{fig4} shows the average active nodes ratio versus the number of rounds
926 for 150 deployed nodes.
927 \begin{figure}[h!]
928 \centering
929 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.eps}  
930 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
931 \label{fig4}
932 \end{figure} 
933
934 The  results presented  in figure~\ref{fig4}  show the superiority of
935 the proposed  strategy~5 and strategy~6, in comparison with the other strategies. The
936 strategy with less number of leaders uses less active nodes than the other strategies, which uses a more number of leaders until the last rounds, because it uses central control on
937 the larger area of the sensing field. The  advantage of the strategy~5 and strategy~6 are
938 that even if a network is disconnected in one subregion, the other ones
939 usually  continues the optimization process,  and  this extends the lifetime of the network.
940
941 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
942 In this experiment, we consider a performance metric linked to energy. Figure~\ref{fig5} shows the average energy saving ratio versus number of rounds for all six strategies and for 150 deployed nodes.
943 \begin{figure}[h!]
944 \centering
945 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ESR.eps}  
946 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
947 \label{fig5}
948 \end{figure} 
949
950 The simulation results show that our strategies allow to efficiently
951 save energy by turning off some sensors during the sensing phase. As
952 expected, the strategy~5 and strategy~6 are usually slightly better than
953 the other strategies, because the distributed optimization on larger number of subregions permits to minimize the energy needed for communication and It led to save more energy obviously. Indeed,  when there are more than one subregion more nodes remain awake near the border shared by them but the energy consumed by these nodes have no effect in comparison with the energy consumed by the communication. Note that again as the number of rounds increases the strategy~5 and strategy~6 becomes the most performing one, since it takes longer to have the Sixteen or Thirty-two subregion networks simultaneously disconnected.
954
955 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
956 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation
957 runs per round for 150 deployed nodes. 
958 \begin{figure}[h!]
959 \centering
960 \includegraphics[scale=0.43]{R1/SR.eps} 
961 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
962 \label{fig6}
963 \end{figure} 
964 It can be observed that the strategy~1 is the approach which stops first because it apply the centralized  control on all the area of interest that is why it is first exhibits network disconnections. Thus, as explained previously, in case of the strategy~5 and strategy~6 with several subregions the optimization effectively  continues as long as a network in a subregion is still connected. This longer partial coverage optimization participates in extending the network lifetime.
965
966 \subsubsection{The Energy Consumption}
967 In this experiment, we study the effect of the energy consumed by the sensors during the communication, listening, active, and sleep modes for different network densities. Figure~\ref{fig7} illustrates the energy consumption for the different
968 network  sizes and for the four proposed stratgies. 
969 \begin{figure}[h!]
970 \centering
971 \includegraphics[scale=0.5]{R1/EC.eps} 
972 \caption{The Energy Consumption}
973 \label{fig7}
974 \end{figure} 
975
976 The results show that the strategy  with  eight  leaders  is  the  most  competitive  from  the energy
977 consumption point of view.  The other strategies have a  high energy  consumption  due  to  many
978 communications as well as the energy consumed during the listening before taking the decision. In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number  of communications and the time of listening so thanks to the  partitioning of the initial
979 network in several independent subnetworks. 
980
981
982 \subsubsection{The impact of the number of sensors on execution time}
983 In this experiment, we study the the impact of the size of the network on the excution time of the our distributed optimization approach. Table~\ref{table1} gives the average execution times in seconds for the decision phase (solving of the optimization problem) during one round. They are given for the different  approaches and various numbers of sensors. We can see from Table~\ref{table1}, that the strategy~6 has very low execution times in comparison with other strategies, because it distributed on larger number of small subregions.  Conversely, the strategy~1 which requires to solve an optimization problem considering all the nodes presents  high execution times.
984 %Moreover, increasing the network size by 50~nodes multiplies the time by  almost a factor of 10. 
985 The strategy~6 has more suitable times.  We think that in distributed fashion the solving of the  optimization problem 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.
986 \begin{table}[ht]
987 \caption{The Execution Time(s) vs The Number of Sensors}
988 % title of Table
989 \centering
990 % used for centering table
991 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
992 %\begin{tcolorbox}[tab2,tabularx={X|Y|Y|Y|Y|Y|Y}]
993 % centered columns (4 columns)
994       \hline
995 %inserts double horizontal lines
996 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy &  \multicolumn{5}{|c|}{\cellcolor[gray]{0.8} The Number of Sensors } \\
997  \cellcolor[gray]{0.8} Name &\cellcolor[gray]{0.8} 50 & \cellcolor[gray]{0.8} 100  & \cellcolor[gray]{0.8} 150  & \cellcolor[gray]{0.8} 200 & \cellcolor[gray]{0.8} 250 \\ [0.5ex]
998 \hline\hline
999 % inserts single horizontal line
1000 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~1 &      0.1848 &        1.8957 &        12.2119 &       152.2581 &      1542.5396 \\
1001 \hline
1002 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~2        & 0.0466 &      0.2190 &        0.6323  & 2.2853 &      5.6561 \\
1003 \hline
1004
1005 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~3 &      0.0118 &        0.0445 &        0.0952 &        0.1849 &        0.3148  \\
1006 \hline
1007
1008 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~4 &      0.0041 &        0.0127 &        0.0271 &        0.0484 &        0.0723 \\
1009 \hline
1010
1011 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~5 &      0.0025 &        0.0037  & 0.0061 &      0.0083 &        0.0126   \\
1012 \hline
1013
1014 \cellcolor[gray]{0.8} Strategy~6 &      0.0008  & 0.0022 &      0.0022 &        0.0032 &        0.0035  \\
1015 \hline
1016 %inserts single line
1017 \end{tabular}
1018 %\end{tcolorbox}
1019 \label{table1}
1020 % is used to refer this table in the text
1021 \end{table}
1022
1023
1024 \subsubsection{The Network Lifetime}
1025 Finally, in  figure~\ref{fig8}, the
1026 network  lifetime for different  network sizes  and for the four strategies is illustrated. 
1027 \begin{figure}[h!]
1028 \centering
1029 \includegraphics[scale=0.5]{R1/LT.eps}  
1030 \caption{The Network Lifetime }
1031 \label{fig8}
1032 \end{figure} 
1033 We see that the strategy 1 results in execution times that quickly become unsuitable for a sensor network as well as the energy consumed during the communication seems to be huge because it used a centralised control on the all the area of interest.
1034
1035 As  highlighted by figure~\ref{fig8},  the network  lifetime obviously
1036 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach strategy~6
1037 that leads to the larger lifetime improvement. By choosing the best 
1038 suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
1039 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
1040 our strategy~6 efficiently prolonges the network lifetime. Comparison shows that
1041 the Strategy~6, which uses 32 leaders, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime. It also  means that distributing the protocol in each node and
1042 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.
1043
1044
1045 \subsection{Performance Comparison for Different Primary Point Models}
1046 \label{sub2}
1047 Based on the results, which are conducted in subsection~\ref{sub1}, we will study the performance of the Strategy~4 approach for a different primary point models. The objective of this comparison is to select the suitable primary point  model to be used by our DiLCO protocol. 
1048 50~simulation runs are performed  with different  network  topologies for each node density. The  results presented hereafter are the average of these 50 runs.  
1049 In this comparisons, our approaches are called Model~1( With 5 Primary Points), Model~2 ( With 9 Primary Points), Model~3 ( With 13 Primary Points), Model~4 ( With 17 Primary Points), and Model~5 ( With 21 Primary Points). The simulation will applied with strategy~4 by subdividing the area of interest into eight subregions and distribute our strategy~4 approach on the all subregions. 
1050
1051 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
1052 In this experiment, we Figure~\ref{fig33} shows  the impact  of the
1053 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
1054 for the  four strategies.  
1055 \parskip 0pt    
1056 \begin{figure}[h!]
1057 \centering
1058  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.eps} 
1059 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
1060 \label{fig33}
1061 \end{figure} 
1062 It is shown that all models provides a very near coverage ratios during the first twelve rounds, with very small superiority for the models with higher number of primary points.
1063 Moreover, when the number of rounds increases, coverage
1064 ratio produced by Model~3, Model~4 and Model~5 decreases in comparison with Model~1 and Model~2 due to the high energy consumption during the listening to take the decision after finishing optimization process for larger number of primary points. As shown in figure ~\ref{fig33}, Coverage ratio decreases when the number of rounds increases  due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
1065 thanks to  Model~2, which is slightly more efficient than other Models, because Model~2 balances between the number of rounds and the better coverage ratio in comparison with other Models.
1066
1067 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
1068  Figure~\ref{fig44} shows the average active nodes ratio versus the number of rounds
1069 for 150 deployed nodes.
1070 \begin{figure}[h!]
1071 \centering
1072 \includegraphics[scale=0.5]{R2/ASR.eps}  
1073 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
1074 \label{fig44}
1075 \end{figure} 
1076
1077 The  results presented  in figure~\ref{fig44}  show the  superiority of
1078 the proposed  Model 1, in comparison with the other Models. The
1079 model with less number of primary points uses less active nodes than the other models, which uses a more number of primary points to represent the area of the sensor. According to the results that presented in figure~\ref{fig33}, we observe that although the Model~1 continue to a larger number of rounds, but it has less coverage ratio compared with other models.The advantage of the Model~2 approach is to use less number of active nodes for each round compared with Model~3,  Model~4 and Model~5, and this led to continue for a larger number of rounds with extending the network lifetime. Model~2 has a better coverage ratio compared to Model~1 and acceptable number of rounds.
1080
1081 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
1082 In this experiment, we study the effect of increasing primary points on the energy conservation in the wireless sensor network. Figure~\ref{fig55} shows the average Energy Saving Ratio versus number of rounds for all four Models and for 150 deployed nodes.
1083 \begin{figure}[h!]
1084 \centering
1085 \includegraphics[scale=0.5]{R2/ESR.eps}  
1086 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
1087 \label{fig55}
1088 \end{figure} 
1089 The simulation results show that our Models allow to efficiently
1090 save energy by turning off the redundant  sensors during the sensing phase.
1091  As expected, the Model 1 is usually slightly better than the other Models, because it turn on a less number of nodes during the sensing phase in comparison with other models and according to the results, which are observed in figure ~\ref{fig33}, and It led to save more energy obviously.
1092  Indeed,  when there are more primary points to represent the area of the sensor leads to activate more nodes to cover them and in the same time ensuring more coverage ratio. From the previous presented results, we see it is preferable to choose the model that balance between the coverage ratio and the number of rounds. The Model~2 becomes the most performing one, since it could apply this requirement where, It can cover the area of interest with a good coverage ratio and for a larger number of rounds prolonging the lifetime of the wireless sensor network.
1093
1094 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
1095 In this study, we want to show the effect of increasing the primary points on the number of stopped simulation runs for each round. Figure~\ref{fig66} illustrates the percentage of stopped simulation
1096 runs per round for 150 deployed nodes. 
1097 \begin{figure}[h!]
1098 \centering
1099 \includegraphics[scale=0.5]{R2/SR.eps} 
1100 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
1101 \label{fig66}
1102 \end{figure} 
1103 As shown in Figure~\ref{fig66}, when the number of primary points increase leads to increase the percentage of the stopped simulation runs per rounds and starting from round 19 until the the network is died. The reason behind the increase is the increase in the sensors dead when the primary points increases. We can observe that the Model~1 is a better than other models because it conserve more energy by turn on less number of sensors during the sensing phase, but in the same time it preserve the coverage with a less coverage ratio in comparison with other models. Model~2 seems to be more suitable to be used in wireless sensor networks.
1104
1105
1106 \subsubsection{The Energy Consumption}
1107 In this experiment, we study the effect of increasing the primary points to represent the area of the sensor on the energy consumed by the wireless sensor network for different network densities. Figure~\ref{fig77} illustrates the energy consumption for the different network sizes and for the five proposed Models. 
1108 \begin{figure}[h!]
1109 \centering
1110 \includegraphics[scale=0.5]{R2/EC.eps} 
1111 \caption{The Energy Consumption}
1112 \label{fig77}
1113 \end{figure} 
1114
1115 We see from the results presented in Figure~\ref{fig77}, The energy consumed by the network for each round increases when the primary points increases, because the decision for optimization process will takes more time leads to consume more energy during the listening mode. The  results show  that the Model~1 is  the  most  competitive  from  the energy consumption point of view but the worst one from coverage ratio point of view. The other Models  have a  high energy  consumption  due  to  the increase in the primary points, which are led to increase the energy consumption during the listening mode before taking the optimization decision. In fact, we see that the Model~2 is a good candidate to be used the wireless sensor network because I have a good coverage ratio and a suitable energy consumption in comparison with other models. 
1116
1117
1118 \subsubsection{The impact of the number of sensors on execution time}
1119 In this experiment, we study the the impact of the increase in primary points on the excution time of the our distributed optimization approach. Figure~\ref{figt} gives the average execution times in seconds for the decision phase (solving of the optimization problem) during one round.  
1120
1121 \begin{figure}[h!]
1122 \centering
1123 \includegraphics[scale=0.5]{R2/T.eps}  
1124 \caption{The Execution Time(s) vs The Number of Sensors }
1125 \label{figt}
1126 \end{figure} 
1127
1128 They  are given for  the different primary point models and
1129 various numbers of sensors. We can see from Figure~\ref{figt}, that the Model~1 has  lower execution time in comparison with other Models, because it used smaller number of primary points to represent the area of the sensor.  Conversely, the other primary point models  presents  higher  execution  times.
1130 Moreover, the Model~2 has more suitable times, coverage ratio, and saving energy ratio leads to continue for a larger number of rounds extending the network lifetime. We  think that a good primary point model, this one that balances between the coverage ratio and the number of rounds during the lifetime of the network.
1131
1132 \subsubsection{The Network Lifetime}
1133 Finally, we will study the effect of increasing the primary points on the lifetime of the network. In figure~\ref{fig88}, the network  lifetime for different network sizes and for the five proposed models is illustrated. 
1134 \begin{figure}[h!]
1135 \centering
1136 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT.eps}  
1137 \caption{The Network Lifetime }
1138 \label{fig88}
1139 \end{figure} 
1140 As  highlighted by figure~\ref{fig88},  the network  lifetime obviously
1141 increases when  the size  of the network  increases, with  our approach Model~1
1142 that leads to  the larger lifetime improvement.
1143 Comparison shows that the Model~1, which uses less number of primary points , is the best one because it is less energy consumption during the network lifetime. It is also  the worst one from the point of view of coverage ratio. Our proposed Model~2 efficiently prolongs the network lifetime with a good coverage ratio in comparison with other models.
1144  
1145 \subsection{Performance Comparison for Different Approaches}
1146 Based on the results, which are conducted from previous two subsections, ~\ref{sub1} and \ref{sub2}, we found that Our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 with Model~2 are the best candidate to be compared with other two approches. The first approach, called DESK that proposed by ~\cite{ChinhVu}, which is a full distributed coverage algorithm. The second approach, called GAF ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region into fixed squares.   During the  decision phase,  in  each square,  one sensor  is
1147 chosen to remain on during the sensing phase time. In this subsection, 50 simulation runs are
1148 performed with different network topologies. The results
1149 presented hereafter are the average of these 50 runs.
1150
1151 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the coverage ratio} 
1152 In this experiment, Figure~\ref{fig333} shows  the impact  of the
1153 number of rounds on the  average coverage ratio for 150 deployed nodes
1154 for the  three approaches.  
1155 \parskip 0pt    
1156 \begin{figure}[h!]
1157 \centering
1158  \includegraphics[scale=0.45] {R3/CR.eps} 
1159 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
1160 \label{fig333}
1161 \end{figure} 
1162
1163 It is shown that DESK and GAF provides a
1164 a little better coverage ratio with 99.99\% and 99.92\% against 99.26\% and 99.0\% produced by
1165 our approaches Strategy~5 and Strategy~6 for the lowest number of rounds.
1166 This is due to the fact that our DiLCO protocol with Strategy~5  and Strategy~6 put in sleep mode
1167 redundant sensors using optimization (which lightly decreases the coverage ratio) while there are more nodes are active in the case of DESK and GAF.
1168 Moreover, when the number of rounds increases, coverage ratio produced by DESK and GAF protocols decreases. This is due to dead nodes. However, Our DiLCO protocol with Strategy~5  and Strategy~6 maintains almost full coverage. This is because it optimize the coverage and the lifetime in wireless sensor network by selecting the best representative sensor nodes to take the reponsibilty of coverage during the sensing phase and this will leads to continue for a larger number of rounds and prolonging the network lifetime; although some nodes are dead, sensor activity scheduling of our protocol chooses other nodes to ensure the coverage of the area of interest. 
1169
1170 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio} 
1171 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
1172 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
1173 network lifetime. Figure~\ref{fig444} shows the average active nodes ratio versus the number of rounds for 150 deployed nodes. 
1174 \begin{figure}[h!]
1175 \centering
1176 \includegraphics[scale=0.5]{R3/ASR.eps}  
1177 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
1178 \label{fig444}
1179 \end{figure} 
1180
1181 The  results presented  in figure~\ref{fig444}  show the  superiority of
1182 the proposed DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6, in comparison with the other approaches.  We can observe that DESK and GAF have 37.5 \% and 44.5 \% active nodes and our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 competes perfectly with only 24.8 \% and 26.8 \%  active nodes for the first four rounds. Then as the number of rounds increases our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 have larger number of active nodes in comparison with DESK and GAF, especially from tenth round because DiLCO gives a better coverage ratio after tenth round than other approaches. We see that the DESK and GAF have less number of active nodes because there are many nodes are died due to the high energy consumption by the redundant nodes during the sensing phase. 
1183
1184 \subsubsection{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio} 
1185 In this experiment, we will perform a comparison study for the performance of our protocol with Strategy~4 with two other approaches from the point of view of energy conservation. Figure~\ref{fig555} shows the average Energy Saving Ratio versus number of rounds for all three approaches and for 150 deployed nodes.
1186 \begin{figure}[h!]
1187 \centering
1188 \includegraphics[scale=0.5]{R3/ESR.eps}  
1189 \caption{The impact of the number of rounds on the energy saving ratio for 150 deployed nodes}
1190 \label{fig555}
1191 \end{figure} 
1192 The simulation results show that DESK protocol has
1193 energy saving ratio 100 \% during the first three rounds. After that, the energy saving ratio of DESK decreased obviously during the next rounds due to the died nodes until the died of the network in the $15^{th}$ round.  
1194
1195 On the other side, our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 have the same energy saving ratio 100 \% during the first four rounds. From the $5^{th}$ round to $12^{th}$ round, GAF provides a beter energy saving ratio because it employs a load balancing for energy usage so that all the nodes remain up and running together as long as possible by selecting the node with higher lifetime in each square and at each round, so it success to prolong the lifetime without taking the coverage ratio into account but it postpond the the increase in the dead nodes until the  $13^{th}$ round. After that, our DiLCO protocol  with Strategy~5 and Strategy~6 allow to efficiently
1196 save energy by turning off the redundant sensors during the sensing phase. As
1197 expected, our DiLCO protocol with  with Strategy~5 and Strategy~6 is usually slightly better than the other approaches, because the distributed optimization on the subregions permits to minimize the energy needed for communication as well as turn off all the redundant sensor nodes, which are led to save more energy obviously and increase the lifetime of the network. Note that again as the number of rounds increases, our DiLCO protocol becomes the most performing one, since it is distributed the optimization process on the 16  or 32 subregion networks simultaneously so as to optimize the coverage and the lifetime in the network.
1198
1199 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
1200 The results presented in this experiment, is to show the comparison of our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 with other two approaches from the point of view the stopped simulation runs per round.
1201 Figure~\ref{fig666} illustrates the percentage of stopped simulation
1202 runs per round for 150 deployed nodes. 
1203 \begin{figure}[h!]
1204 \centering
1205 \includegraphics[scale=0.4]{R3/SR.eps} 
1206 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
1207 \label{fig666}
1208 \end{figure} 
1209 It can be  observed that the DESK is the approach, which stops first because it consumes more energy for communication as well as it turn on a large number of redundant nodes during the sensing phase. Our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 have less stopped simulation runs in comparison with DESK and GAFbecause it distributed the optimization on several subregions in order to optimize the coverage and the lifetime of the network by activating a less number of nodes during the sensing phase leading to extend the network lifetime and coverage preservation.The optimization effectively continues as long as a network in a subregion is still connected.
1210
1211 \subsubsection{The Energy Consumption}
1212 In this experiment, we study the effect of the energy consumed by the wireless sensor network during the communication, listening, active, and sleep modes for different network densities and compare it with other approaches. Figure~\ref{fig777} illustrates the energy consumption for the different
1213 network sizes and for the four approaches. 
1214 \begin{figure}[h!]
1215 \centering
1216 \includegraphics[scale=0.5]{R3/EC.eps} 
1217 \caption{The Energy Consumption}
1218 \label{fig777}
1219 \end{figure} 
1220 The  results show  that our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 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 as well as the energy consumed for communication, active and listening modes. In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number  of communications and the time of listening so thanks to the  partitioning of the initial network into several independent subnetworks. 
1221
1222 \subsubsection{The Network Lifetime}
1223 Finally, In this experiment, we will show the superiority of our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 against other two approaches in prolonging the network lifetime. In Figure~\ref{fig888}, the
1224 network  lifetime for different  network sizes and for the four approaches. 
1225 \begin{figure}[h!]
1226 \centering
1227 \includegraphics[scale=0.5]{R3/LT.eps}  
1228 \caption{The Network Lifetime }
1229 \label{fig888}
1230 \end{figure} 
1231
1232 As highlighted by figure~\ref{fig888}, the network lifetime obviously
1233 increases when the size of the network increases, with our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6
1234 that leads to maximize the lifetime of the network compared with other approaches. 
1235 By choosing the best suited nodes, for each round, by optimizing the coverage and lifetime of the network to cover the area of interest and by
1236 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds, our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6 efficiently prolonges the network lifetime. 
1237 Comparison shows that our DiLCO protocol with Strategy~5 and Strategy~6, which uses distributed optimization on the subregions, is the best
1238 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 algorithm in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
1239 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1240
1241 \section{Conclusion and Future Works}
1242 \label{sec:conclusion}
1243
1244 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1245 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1246 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1247 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1248 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a multi-rounds coverage protocol will optimize  coverage and  lifetime performances in each subregion.
1249 The  proposed  protocol  combines  two efficient  techniques:  network
1250 leader election  and sensor activity scheduling,  where the challenges
1251 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1252 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1253 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1254 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1255 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1256 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1257 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1258 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1259 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio,
1260 energy saving,  energy consumption, execution time, and the number of
1261 stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
1262 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1263 approach like the one we propose allows to reduce the difficulty of a
1264 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1265 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1266
1267 In  future work, we plan  to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1268 computes  all active sensor schedules in one time, using
1269 optimization  methods. The round  will still consist of 4 phases, but the
1270   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1271   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1272 The computation of all cover sets in one time is far more
1273 difficult, but will reduce the communication overhead.
1274 % use section* for acknowledgement
1275 %\section*{Acknowledgment}
1276
1277
1278
1279
1280
1281
1282
1283
1284
1285 %% \linenumbers
1286
1287 %% main text
1288 %\section{}
1289 %\label{}
1290
1291 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1292 %% appendix sections are then done as normal sections
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1295 %% \section{}
1296 %% \label{}
1297
1298 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1299 %% bibitems, please use
1300 %%
1301 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1302 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1303
1304 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1305 %% TeX file.
1306   \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1307   \bibliography{elsarticle-template-num}
1308   
1309 \end{document}
1310
1311
1312 %%\bibitem{}
1313
1314 %\end{thebibliography}
1315 %\end{document}
1316 \endinput
1317 %%
1318 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.