]> AND Private Git Repository - JournalMultiRounds.git/blob - elsarticle-template-num.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Abstract + Introduction
[JournalMultiRounds.git] / elsarticle-template-num.tex
1 %% 
2 %% Copyright 2007, 2008, 2009 Elsevier Ltd
3 %% 
4 %% This file is part of the 'Elsarticle Bundle'.
5 %% ---------------------------------------------
6 %% 
7 %% It may be distributed under the conditions of the LaTeX Project Public
8 %% License, either version 1.2 of this license or (at your option) any
9 %% later version.  The latest version of this license is in
10 %%    http://www.latex-project.org/lppl.txt
11 %% and version 1.2 or later is part of all distributions of LaTeX
12 %% version 1999/12/01 or later.
13 %% 
14 %% The list of all files belonging to the 'Elsarticle Bundle' is
15 %% given in the file `manifest.txt'.
16 %% 
17
18 %% Template article for Elsevier's document class `elsarticle'
19 %% with numbered style bibliographic references
20 %% SP 2008/03/01
21
22 \documentclass[preprint,12pt]{elsarticle}
23
24
25 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
26 \usepackage{multicol}
27 \usepackage{mathtools}  
28
29
30 \usepackage{colortbl}
31 \usepackage{multirow}
32 %% Use the option review to obtain double line spacing
33 %% \documentclass[authoryear,preprint,review,12pt]{elsarticle}
34
35 %% Use the options 1p,twocolumn; 3p; 3p,twocolumn; 5p; or 5p,twocolumn
36 %% for a journal layout:
37 %% \documentclass[final,1p,times]{elsarticle}
38 %% \documentclass[final,1p,times,twocolumn]{elsarticle}
39 %% \documentclass[final,3p,times]{elsarticle}
40 %% \documentclass[final,3p,times,twocolumn]{elsarticle}
41 %% \documentclass[final,5p,times]{elsarticle}
42 %% \documentclass[final,5p,times,twocolumn]{elsarticle}
43
44 %% For including figures, graphicx.sty has been loaded in
45 %% elsarticle.cls. If you prefer to use the old commands
46 %% please give \usepackage{epsfig}
47
48 %% The amssymb package provides various useful mathematical symbols
49 \usepackage{amssymb}
50 %% The amsthm package provides extended theorem environments
51 %% \usepackage{amsthm}
52
53 %% The lineno packages adds line numbers. Start line numbering with
54 %% \begin{linenumbers}, end it with \end{linenumbers}. Or switch it on
55 %% for the whole article with \linenumbers.
56 %% \usepackage{lineno}
57
58 \journal{Ad Hoc Networks}
59
60 \begin{document}
61
62 \begin{frontmatter}
63
64 %% Title, authors and addresses
65
66 %% use the tnoteref command within \title for footnotes;
67 %% use the tnotetext command for theassociated footnote;
68 %% use the fnref command within \author or \address for footnotes;
69 %% use the fntext command for theassociated footnote;
70 %% use the corref command within \author for corresponding author footnotes;
71 %% use the cortext command for theassociated footnote;
72 %% use the ead command for the email address,
73 %% and the form \ead[url] for the home page:
74 %% \title{Title\tnoteref{label1}}
75 %% \tnotetext[label1]{}
76 %% \author{Name\corref{cor1}\fnref{label2}}
77 %% \ead{email address}
78 %% \ead[url]{home page}
79 %% \fntext[label2]{}
80 %% \cortext[cor1]{}
81 %% \address{Address\fnref{label3}}
82 %% \fntext[label3]{}
83
84 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\
85 in Wireless Sensor Networks}
86
87 %% use optional labels to link authors explicitly to addresses:
88 %% \author[label1,label2]{}
89 %% \address[label1]{}
90 %% \address[label2]{}
91 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, \\
92 Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
93 %\thanks{are members in the AND team - DISC department - FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France.
94 % e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}% <-this % stops a space
95 %\thanks{}% <-this % stops a space
96
97 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France. \\ 
98 e-mail: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, \\
99 $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr.}
100
101 \begin{abstract}
102 One  of the fundamental  challenges in  Wireless Sensor  Networks (WSNs)  is the
103 coverage preservation and the extension of the network lifetime continuously and
104 effectively when  monitoring a  certain area (or  region) of interest.   In this
105 paper, a Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol (DiLCO) to maintain
106 the  coverage  and  to improve  the  lifetime  in  wireless sensor  networks  is
107 proposed.   The  area of  interest  is first  divided  into  subregions using  a
108 divide-and-conquer  method and  then the  DiLCO protocol  is distributed  on the
109 sensor nodes  in each  subregion. The DiLCO  combines two  efficient techniques:
110 leader election  for each subregion, followed by  an optimization-based planning
111 of activity  scheduling decisions for  each subregion. The proposed  DiLCO works
112 into rounds during which a small  number of nodes, remaining active for sensing,
113 is selected to ensure coverage so as to maximize the lifetime of wireless sensor
114 network.   Each  round  consists   of  four  phases:  (i)~Information  Exchange,
115 (ii)~Leader Election, (iii)~Decision, and (iv)~Sensing.  The decision process is
116 carried out  by a leader node,  which solves an integer  program.  Compared with
117 some existing protocols, simulation results  show that the proposed protocol can
118 prolong the network lifetime and improve the coverage performance effectively.
119 \end{abstract}
120
121 \begin{keyword}
122 Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
123 Optimization, Scheduling.
124
125 \end{keyword}
126
127 \end{frontmatter}
128
129 \section{Introduction}
130 \indent In the last years, there  has been an increasing development in wireless
131 networking,  Micro-Electro-Mechanical  Systems  (MEMS), and  embedded  computing
132 technologies, which  have led to construct low-cost,  small-sized, and low-power
133 sensor nodes that can perform  detection, computation, and data communication of
134 surrounding environment. A  WSN includes a large number  of small, limited-power
135 sensors  that   can  sense,   process,  and  transmit   data  over   a  wireless
136 communication.   They communicate with  each other  by using  multi-hop wireless
137 communications and cooperate  together to monitor the area  of interest, so that
138 each  measured data  can be  reported  to a  monitoring center  called sink  for
139 further analysis~\cite{Sudip03}.
140
141 There are  several fields  of application  covering a wide  spectrum for  a WSN,
142 including    health,    home,    environmental,   military,    and    industrial
143 applications~\cite{Akyildiz02}. One of  the major scientific research challenges
144 in WSNs,  which has been  addressed by a  large amount of literature  during the
145 last few  years, is the design  of energy efficient approaches  for coverage and
146 connectivity~\cite{conti2014mobile}.     On   the    one    hand   an    optimal
147 coverage~\cite{Nayak04} is required to  monitor efficiently and continuously the
148 area of interest and on the other  hand the energy consumption must be as low as
149 possible,  due   to  the  limited  energy  of   sensors~\cite{Sudip03}  and  the
150 impossibility or  difficulty to replace and/or recharge  their batteries because
151 of  the  area  of interest  nature  (such  as  remote, hostile,  or  unpractical
152 environments)  and the  cost. So,  it is  of  great relevance  for a  WSN to  be
153 deployed with high density, because  spatial redundancy can then be exploited to
154 increase the lifetime  of the network. However, turning on  all the sensor nodes
155 which monitor the same  region at the same time reduces the  the lifetime of the
156 network. Therefore, to  extend the lifetime of the network, the  main idea is to
157 take advantage of  the overlapping sensing regions of some  sensor nodes to save
158 energy by turning off some of them during the sensing phase~\cite{Misra05}.
159
160 In this paper we concentrate on  the area coverage problem with the objective of
161 maximizing the  network lifetime  by using an  adaptive scheduling. The  area of
162 interest is divided into subregions  and an activity scheduling for sensor nodes
163 is planned for each subregion. In fact,  the nodes in a subregion can be seen as
164 a cluster  where each node sends  sensing data to  the cluster head or  the sink
165 node.  Furthermore, the  activities in a subregion/cluster can  continue even if
166 another  cluster stops due  to too  many node  failures.  Our  scheduling scheme
167 considers  rounds, where  a  round starts  with  a discovery  phase to  exchange
168 information between sensors  of the subregion, in order to  choose in a suitable
169 manner a sensor  node to carry out a coverage  strategy.  This coverage strategy
170 involves the solving of an integer program, which provides the activation of the
171 sensors for the sensing phase of the current round.
172
173 The remainder of the paper is organized as follows. The next section
174 % Section~\ref{rw}
175 reviews  the related  work  in  the field.  In  section~\ref{prel}, the  problem
176 definition and some background are described. Section~\ref{pd} is devoted to the
177 DiLCO   protocol  Description.   Section~\ref{cp}  gives   the   coverage  model
178 formulation   which   is  used   to   schedule   the   activation  of   sensors.
179 Section~\ref{exp} shows the simulation results obtained using the discrete event
180 simulator  OMNeT++ \cite{varga}. They  fully demonstrate  the usefulness  of the
181 proposed approach.  Finally, we give concluding remarks and some suggestions for
182 future works in Section~\ref{sec:conclusion}.
183
184 % MICHEL - OK up to here
185
186 \section{Related works}
187 \label{rw}
188
189 In this section, we summarize the related works regarding coverage lifetime maximization and scheduling, and distinguish our DiLCO protocol from the works presented in the literature. Many centralized algorithms ~\cite{Slijepcevic01powerefficient, abrams2004set, cardei2005improving, zorbas2010solving, pujari2011high, cardei2005energy, berman04} and distributed algorithms ~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03, Zhang05,HeinzelmanCB02, yardibi2010distributed, ChinhVu} for activity scheduling have been proposed in the literature, and based on different assumptions and objectives.
190 In centralized algorithms, a central controller makes all decisions and distributes the results to sensor nodes. In the distributed algorithms, the decision process is localized in each individual sensor node, and only information from neighboring nodes are used for the activity decision. 
191
192 Zorbas  et  al.  \cite{zorbas2010solving} presented a centralised greedy
193 algorithm for the efficient production of both node disjoint
194 and non-disjoint cover sets. The algorithm  produces  more
195 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 and they require a smaller number of node participations in order to achieve these results.
196
197 Cardei et al.~\cite{cardei2005energy} presented a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
198 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
199 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
200 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
201 lifetime increases.
202
203 In \cite{he2012leveraging}, the authors proposed efficient centralized and distributed truncated greedy to improve the coverage and lifetime in WSNs by exploiting temporal-spatial correlations among sensory data. The basic idea lies in that a sensor node can be turned off safely when its sensory information can be inferred through some prediction methods, like Bayesian inference.
204    
205 Zhou et al. \cite{zhou2009variable} have presented a centralized and distributed algorithms to conserve energy by exploiting redundancy in the network. In particular, they are addressed the problem of constructing a connected sensor cover in a sensor network model wherein each sensor can adjust its sensing and transmission range.
206  Wang et al. \cite{wang2009parallel} are  focused on the energy-efficient coverage optimization problem of WSNs. Based on the models of coverage and energy, stationary nodes are partitioned into clusters by entropy clustering  and then  a parallel particle swarm optimization  is implemented by the cluster heads to maximize the coverage area and minimize the communication energy in each cluster. They are combined the maximum entropy clustering and parallel optimization, in which the stationary and mobile nodes can be organized to achieve energy efficiency of WSNs.
207 In \cite{yan2008design}, the authors  have proposed a monitoring service for sensor networks based on a distributed energy-efficient sensing coverage protocol. Each node  is able to dynamically decide it's schedule to guarantee a certain degree of coverage with average energy consumption inversely proportional to the node density.
208
209 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.
210 S.  Misra  et al.  \cite{Misra}  proposed  a  localized algorithm  for
211 coverage in  sensor networks. The algorithm conserve  the energy while
212 ensuring  the network coverage  by activating  the subset  of sensors,
213 with  the  minimum  overlap  area.The proposed  method  preserves  the
214 network connectivity by formation of the network backbone. 
215 More    recently,   Shibo   et
216 al. \cite{Shibo}  expressed the coverage  problem as a  minimum weight
217 submodular  set cover  problem  and proposed  a Distributed  Truncated
218 Greedy Algorithm  (DTGA) to  solve it. They  take advantage  from both
219 temporal  and spatial  correlations between  data sensed  by different
220 sensors,  and   leverage  prediction,  to  improve   the  lifetime. 
221
222 In \cite{ChinhVu},  the authors proposed a novel  distributed heuristic, called
223 Distributed Energy-efficient  Scheduling for k-coverage  (DESK), which
224 ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced and
225 the lifetime  maximized while the coverage  requirement is maintained.
226 This  heuristic   works  in  rounds,  requires   only  1-hop  neighbor
227 information,  and each  sensor decides  its status  (active  or sleep)
228 based    on    the    perimeter    coverage    model    proposed    in
229 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}. Our Work, which is presented in~\cite{idrees2014coverage} proposed a coverage optimization protocol to improve the lifetime in 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.   
230  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.
231  
232  The work in~\cite{esnaashari2010learning} proposed SALA, a scheduling algorithm based on learning automata, to deal with the problem of dynamic point coverage. In SALA each node in the network is equipped with a set of learning automata. The learning automata residing in each node try to learn the maximum sleep duration for the node in such a way that the detection rate of target points by the node does not degrade dramatically. 
233  
234  In~\cite{misra2011connectivity}, They are addressed the problem of network coverage and connectivity and proposed an efficient solution to maintain coverage, while preserving the connectivity of the network. The proposed solution aims to cover the area of interest, while minimizing the number of the active nodes. The overlap region between two nodes varies according to the distance between them. If the distance between two nodes
235 is maximized, the total coverage area of these nodes will also be maximized. Also, to preserve the connectivity of the network, each node should be in the communication range of at least one other node. 
236
237 Rizvi et al.~\cite{rizvi2012a1} have investigated the problem of constructing a Connected Dominating Set (CDS) 
238 , which provides better sensing coverage in an energy efficient manner. The have presented a CDS based topology control algorithm, A1, which forms an energy
239 efficient virtual backbone. They are proven that a single phase topology construction with fewer number of messages lead towards an efficient algorithm.
240
241 In ~\cite{tran2009novel}, the authors are defined a maximum sensing coverage region (MSCR) problem and presented a novel gossip-based sensing-coverage-aware algorithm to solve the problem. In this approach,  nodes gossip with their neighbors about their sensing coverage region where nodes decide locally to be an active or a sleeping  node.  In this method, the redundant node can reduce its activities whenever its sensing region is covered by enough neighbors.  
242
243 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
244 (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, (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 energy consumption model (8) The very low energy consumption, (9) The higher network lifetime.
245
246
247
248 \section{Preliminaries:}
249 \label{prel}
250
251 There are some design issues, which should be taken into consideration for coverage problem such as:  coverage type, deployment method, coverage degree, coverage ratio, activity scheduling, network connectivity and network lifetime ~\cite{wang2011coverage}.
252
253 \subsection{Coverage Problem}
254 Coverage reflects how well a sensor field is monitored, is one of
255 the most important performance metrics to measure WSNs. The most discussed coverage problems in literature can be classified
256 into three types \cite{ghosh2008coverage}\cite{wang2011coverage}: area coverage \cite{mulligan2010coverage}(also called full or blanket
257 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.
258 Target coverage problem is to cover only a finite number of discrete
259 points  called targets. This type  of coverage  has  mainly military
260 applications. The problem of preventing an intruder from entering a region of interest is referred to as the barrier coverage .
261 Our work will concentrate on the area coverage by design
262 and implementation of a  strategy, which efficiently selects the active
263 nodes that must maintain both sensing coverage and network
264 connectivity and at the same time improve the lifetime of the wireless
265 sensor network. But, requiring that all physical points of the
266 considered region are covered may  be too strict, especially where the
267 sensor network is not dense. Our approach represents an area covered
268 by a sensor as a set of primary points and tries to maximize the total
269 number of primary points that are covered in each round, while
270 minimizing  overcoverage (points  covered by  multiple  active sensors
271 simultaneously).
272
273 \subsection{Deployment Method}
274 Deployment reflects how a sensor network is constructed over the sensing field. There are two ways to deploy the sensor nodes over the sensing field, fixed and random.  The fixed sensor placement could be used in small sensing field while for a large sensor network, remote and hostile environment might the random sensor placement is  
275 recommended. The deployment of wireless sensor network could be dense or sparse. A dense deployment has a larger number of sensor nodes over the area of interest while sparse deployment has lower number of sensor nodes over the sensing field. The dense deployment method is used in situations where it is very important for every event to be detected or when it is important to have multiple sensors cover an area. Sparse deployment might be used when the cost of the sensors make a dense deployment is very expensive or to achieve maximum coverage using the minimum number of sensor nodes. 
276         
277 \subsection{Coverage Degree}
278 Coverage degree refers to the number of sensor nodes, which cover point in the sensing disk model. As the number of sensor nodes, which cover a point increase, the  robustness of coverage increases. Coverage degree is represented one of the QoS requirements in WSNs.
279
280 \subsection{Coverage Ratio}
281 Coverage ratio refers to how much area of the total area of interest or how many points of the total points in the sensing field, which satisfy the QoS requirement of coverage degree. Coverage ratio can be seen as one of the QoS requirement in WSNs.
282
283 \subsection{Activity Scheduling }
284 Activity scheduling is to schedule the activation and deac-
285 tivation of sensor nodes. The basic objective is to decide which
286 sensors are in what states (active or sleeping mode) and for
287 how long, so that the application coverage requirement can be
288 guaranteed and the network lifetime can be prolonged. Various
289 approaches, including centralized, distributed, and localized
290 algorithms, have been proposed for activity scheduling. In
291 distributed algorithms, each node in the network autonomously
292 makes decisions on whether to turn on or turn off itself only
293 using local neighbor information. In centralized algorithms, a
294 central controller (a node or base station) informs every sensors
295 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
296 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
297 the execution of scheduling algorithm, all nodes will be allocated into different groups.
298
299 \subsection{Network Connectivity}
300 Network connectivity refers to ensure that the WSN connected with the sink. The connected WSN should be guarantee that every sensor node in WSN can send the sensed data to other sensor nodes and to the sink using multihop communication. So, by using the sensing disk coverage model, each sensor node can communicate with each other using the communication range of the sensor node.
301
302
303 \subsection{Network Lifetime}
304 Various   definitions   exist   for   the   lifetime   of   a   sensor
305 network~\cite{die09}. The main definitions proposed in the literature are
306 related to the  remaining energy of the nodes or  to the coverage percentage. 
307 The lifetime of the  network is mainly defined as the amount
308 of  time during which  the network  can  satisfy its  coverage objective  (the
309 amount of  time that the network  can cover a given  percentage of its
310 area or targets of interest). In this work, we assume that the network
311 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
312 sensor network becomes disconnected, and we measure the coverage ratio
313 during the WSN lifetime.  Network connectivity is important because an
314 active sensor node without connectivity towards a base station cannot
315 transmit information on an event in the area that it monitors.
316
317 \section{ The DiLCO Protocol Description}
318 \label{pd}
319
320 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
321 leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation and energy conservation continuously and efficiently to maximize the lifetime in the network.  
322 The main features of our DiLCO protocol:
323 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.
324
325 \subsection{ Assumptions and Models}
326 We consider  a randomly and  uniformly deployed network  consisting of
327 static  wireless sensors. The  wireless sensors  are deployed  in high
328 density to ensure initially a high coverage ratio of the interested area. We
329 assume that  all nodes are  homogeneous in terms of  communication and
330 processing capabilities and heterogeneous in term of energy provision.
331 The  location  information is  available  to  the  sensor node  either
332 through hardware such as embedded GPS or through location discovery
333 algorithms.   
334 \indent We consider a boolean  disk coverage model which is the most
335 widely used sensor coverage model in the literature. Each sensor has a
336 constant sensing range $R_s$. All  space points within a disk centered
337 at  the sensor with  the radius  of the  sensing range  is said  to be
338 covered by this sensor. We also assume that the communication range $R_c \geq 2R_s$.
339 In  fact,   Zhang  and Zhou~\cite{Zhang05} proved that if the transmission range fulfills the
340 previous hypothesis, a complete coverage of a convex area implies
341 connectivity among the working nodes in the active mode.
342
343
344
345 %\begin{figure}[h!]
346 %\centering
347 %\begin{tabular}{cc}
348 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig1.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
349 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
350 %\end{tabular}
351 %\caption{Unit Circle in radians. }
352 %\label{fig:cluster1}
353 %\end{figure}
354
355 %By using the Unit Circle in figure~\ref{fig:cluster1}, 
356 %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.
357 % 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.
358
359 \indent Instead of working with the coverage area, we consider for each
360 sensor a set of points called  primary points. We also assume that the
361 sensing disk defined  by a sensor is covered if all the primary points of
362 this sensor are covered.
363 %\begin{figure}[h!]
364 %\centering
365 %\begin{tabular}{cc}
366 %%\includegraphics[scale=0.25]{fig2.pdf}\\ %& \includegraphics[scale=0.10]{1.pdf} \\
367 %%(A) Figure 1 & (B) Figure 2
368 %\end{tabular}
369 %\caption{Wireless Sensor Node Area Coverage Model.}
370 %\label{fig:cluster2}
371 %\end{figure}
372 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
373 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
374 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
375 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
376 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
377 sensors, instead of using all the points in the area.
378
379 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
380 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
381 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
382 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
383 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
384 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
385 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
386 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
387 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
388 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
389 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
390 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
391 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
392 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
393 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
394 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
395 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
396
397  \begin{figure}[h!]
398 \centering
399  \begin{multicols}{3}
400 \centering
401 \includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
402 \includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
403 \includegraphics[scale=0.20]{principles13.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(c)
404 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
405 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
406 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
407 \end{multicols} 
408 \caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
409 \label{fig1}
410 \end{figure}
411
412 \subsection{The Main Idea}
413 The   area  of  interest   can  be  divided using the
414 divide-and-conquer strategy into smaller areas  called subregions and
415 then  our coverage  protocol  will be  implemented  in each  subregion
416 simultaneously. Our DiLCO protocol works in rounds fashion as shown in figure~\ref{fig2}.
417 \begin{figure}[ht!]
418 \centering
419 \includegraphics[width=95mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
420 \caption{DiLCO protocol}
421 \label{fig2}
422 \end{figure} 
423
424 Each round  is divided  into 4 phases  : Information  (INFO) Exchange,
425 Leader  Election, Decision,  and  Sensing.  For  each  round there  is
426 exactly one set cover responsible  for the sensing task.  This protocol is
427 more reliable  against an unexpected node failure  because it works
428 in rounds. On the  one hand,  if a node  failure is  detected before
429 making the decision, the node will not participate to this phase, and,
430 on the other hand, if the  node failure occurs after the decision, the
431 sensing task of the network  will be temporarily affected: only during
432 the period of sensing until a  new round starts, since a new set cover
433 will take  charge of the  sensing task in  the next round.  The energy
434 consumption  and  some other  constraints  can  easily  be taken  into
435 account  since  the  sensors   can  update  and  then  exchange  their
436 information (including their residual energy) at the beginning of each
437 round.  However,   the  pre-sensing  phases   (INFO  Exchange,  Leader
438 Election,  Decision) are energy  consuming for  some nodes,  even when
439 they do not  join the network to monitor the  area. 
440 We define two types of packets to be used by our DiLCO protocol.
441 \begin{enumerate}[(a)] 
442 \item INFO packet: sent by each sensor node to all the nodes of it's subregion for information exchange.
443 \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.
444 \end{enumerate}
445
446 There are four status for each sensor node in the network
447 \begin{enumerate}[(a)] 
448 \item LISTENING: Sensor is waiting for a decision (to be active or not)
449 \item COMPUTATION: Sensor applies the optimization process as leader
450 \item ACTIVE: Sensor is active
451 \item SLEEP: Sensor is turned off
452 \item COMMUNICATION: Sensor is transmitting or receiving packet
453 \end{enumerate}
454 Below, we describe each phase in more details.
455
456 \subsubsection{Information Exchange Phase}
457
458 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
459 the number of neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
460 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
461 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
462 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
463 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
464 active mode.
465
466 %\subsection{\textbf Working Phase:}
467
468 %The working phase works in rounding fashion. Each round include 3 steps described as follow :
469
470 \subsubsection{Leader Election Phase}
471 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
472 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
473 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
474 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
475 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
476 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
477 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
478 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
479 equality, larger index. The pseudo-code for leader election phase is provided in Algorithm~1.
480 \begin{algorithm}                
481   \KwIn{all the parameters related to information exchange}
482   \KwOut{$node-id$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
483   \BlankLine
484   \emph{Select the node(s) with higher $NBR_j$ and $ RE_j \geqslant E_{th}$} \; 
485   
486   \If{ there are more than two nodes with the same maximum $NBR_j$ }{
487          \If{ there are more than two nodes with the same maximum $NBR_j$ and the same $RE_j$}{
488                 \emph{ Select the node with higher id} \;
489          }       
490          \Else{
491              \emph{Select the node with maximum $RE_j$} \;
492          }
493    }
494    \Else{
495             \emph{ Select the node with higher $NBR_j$ } \;
496     }
497   
498   \emph{return node-id} \;
499 \caption{LEADER ELECTION}
500 \label{alg:LEADER}
501
502 \end{algorithm}
503
504 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.  
505
506
507 \subsubsection{Decision phase}
508 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
509 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
510 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
511 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
512
513
514 \subsubsection{Sensing phase}
515 Active  sensors  in the  round  will  execute  their sensing  task  to
516 preserve maximal  coverage in the  region of interest. We  will assume
517 that the cost  of keeping a node awake (or asleep)  for sensing task is
518 the same  for all wireless sensor  nodes in the  network.  Each sensor
519 will receive  an Active-Sleep  packet from WSNL  informing it  to stay
520 awake or to go to sleep  for a time  equal to  the period of  sensing until
521 starting a new round.
522
523 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
524 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. 
525
526 \begin{algorithm}                
527  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
528 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
529   \BlankLine
530   \emph{Initialize the sensor node and determine it's position and it's subregion} \; 
531   
532   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
533      \emph{ Send and Receive INFO Packet to and from other nodes in the subregion}\;
534       \emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
535       \emph{ $s_j.status$ = LISTENING}\;
536        \If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
537          \emph{ LeaderID $\leftarrow$ \bf Algorithm~\ref{alg:LEADER}}\;
538          \If{ $ s_j.ID = LeaderID $}{ 
539                 \emph{Execute Integer Program Algorithm (Gbest) }\;
540                 \For{$k\leftarrow 1$ \KwTo No. of nodes in subregion}{
541                     \If{$ s_j.ID \neq L_k$ }{
542                          \If{$ Gbest_k = 1$ }{
543                                    \emph{ Send ActiveSleep() Packet with status = ACTIVE  }\;
544                           }
545                           \Else{\emph{Send ActiveSleep() Packet with status = SLEEP}\;}
546                 }
547                 \Else{
548                         \If{$ Gbest_k = 1$ }{
549                             \emph{ $s_j.status$ = ACTIVE}\; 
550                             \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
551                         }
552                         \Else{ 
553                               \emph{ $s_j.status$ = SLEEP}\;
554                               \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
555                                  }
556                   }
557                           
558             }     
559            
560          }
561          \Else{ 
562                 \emph{Wait ActiveSleep() Packet from the Leader}\;
563                  \If{received ActiveSleep().status = ACTIVE  }{ 
564                   \emph{ $s_j.status$ = ACTIVE}\; 
565                   \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
566                  }
567                  \Else{
568                   \emph{ $s_j.status$ = SLEEP}\;
569                   \emph{UPDATE Remaining Energy $RE_j $}\;
570                  }
571          }  
572        }
573
574    }
575    \Else { Exclude me from entering in the current round}
576    
577  %   \emph{return X} \;
578 \caption{DiLCO($s_j$)}
579 \label{alg:DMRCLOP}
580
581 \end{algorithm}
582
583 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
584 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
585 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
586 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.
587 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.
588
589 \section{Coverage problem formulation}
590 \label{cp}
591
592 \indent   Our   model   is   based   on  the   model   proposed   by
593 \cite{pedraza2006} where the objective is  to find a maximum number of
594 disjoint  cover sets.   To accomplish  this goal,  authors  proposed an
595 integer program, which forces undercoverage and overcoverage of targets
596 to  become  minimal at  the  same  time.   They use  binary  variables
597 $x_{jl}$ to indicate  if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
598 model,  we  consider  binary  variables $X_{j}$,  which  determine  the
599 activation of  sensor $j$ in the  sensing phase of the  round. We also
600 consider  primary points  as targets.   The set  of primary  points is
601 denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
602
603 \noindent  For  a primary  point  $p$,  let  $\alpha_{jp}$ denote  the
604 indicator function of whether the point $p$ is covered, that is:
605 \begin{equation}
606 \alpha_{jp} = \left \{ 
607 \begin{array}{l l}
608   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
609  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
610   0 & \mbox{otherwise.}\\
611 \end{array} \right.
612 %\label{eq12} 
613 \end{equation}
614 The number of active sensors that cover the primary point $p$ is equal
615 to $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
616 \begin{equation}
617 X_{j} = \left \{ 
618 \begin{array}{l l}
619   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
620   0 &  \mbox{otherwise.}\\
621 \end{array} \right.
622 %\label{eq11} 
623 \end{equation}
624 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
625 \begin{equation}
626  \Theta_{p} = \left \{ 
627 \begin{array}{l l}
628   0 & \mbox{if the primary point}\\
629     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
630   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
631 \end{array} \right.
632 \label{eq13} 
633 \end{equation}
634 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
635 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
636 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
637 by:
638 \begin{equation}
639 U_{p} = \left \{ 
640 \begin{array}{l l}
641   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
642   0 & \mbox{otherwise.}\\
643 \end{array} \right.
644 \label{eq14} 
645 \end{equation}
646
647 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
648 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
649 \left \{
650 \begin{array}{ll}
651 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
652 \textrm{subject to :}&\\
653 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
654 %\label{c1} 
655 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
656 %\label{c2}
657 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
658 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
659 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
660 \end{array}
661 \right.
662 \end{equation}
663
664
665
666 \begin{itemize}
667 \item $X_{j}$  : indicates whether or  not the sensor  $j$ is actively
668   sensing in the round (1 if yes and 0 if not);
669 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the number  of sensors minus
670   one that are covering the primary point $p$;
671 \item $U_{p}$  : {\it undercoverage},  indicates whether or  not the primary point
672   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
673 \end{itemize}
674
675 The first group  of constraints indicates that some  primary point $p$
676 should be covered by at least one  sensor and, if it is not always the
677 case,  overcoverage  and  undercoverage  variables  help  balancing  the
678 restriction  equations by taking  positive values.  There are  two main         
679 objectives.  First, we limit the overcoverage of primary points in order to
680 activate a minimum number of sensors.  Second we prevent the absence of monitoring on
681  some parts of the subregion by  minimizing the undercoverage.   The
682 weights  $w_\theta$  and  $w_U$  must  be properly  chosen  so  as  to
683 guarantee that  the maximum number  of points are covered  during each
684 round.
685  
686
687 \section{Simulation Results and Analysis}
688 \label{exp}
689 \subsection{Simulation framework, energy consumption model and performance metrics}
690 In this subsection, we conducted  a series of simulations to evaluate the
691 efficiency and the relevance of our protocol DiLCO,  using the  discrete event
692 simulator  OMNeT++  \cite{varga}. The simulation parameters are summarized in
693 Table~\ref{table3}
694
695 \begin{table}[ht]
696 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
697 % title of Table
698 \centering
699 % used for centering table
700 \begin{tabular}{c|c}
701 % centered columns (4 columns)
702       \hline
703 %inserts double horizontal lines
704 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
705    
706 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
707 % inserts table
708 %heading
709 \hline
710 % inserts single horizontal line
711 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
712 % inserting body of the table
713 %\hline
714 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
715 %\hline
716 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
717 %\hline
718 Sensing Period & 60 Minutes \\
719 $E_{thr}$ & 36 Joules\\
720 $R_s$ & 5~m   \\     
721 %\hline
722 $w_{\Theta}$ & 1   \\
723 % [1ex] adds vertical space
724 %\hline
725 $w_{U}$ & $|P^2|$
726 %inserts single line
727 \end{tabular}
728 \label{table3}
729 % is used to refer this table in the text
730 \end{table}
731
732 25 simulation runs are performed with different network topologies. The results presented hereafter are the average of these 25 runs. 
733 We  performed  simulations for five different densities varying from 50 to 250~nodes. Experimental results are obtained from  randomly generated networks in which  nodes are deployed over a  $(50 \times 25)~m^2 $ sensing field. More precisely, the deployment is controlled at a coarse scale in order to ensure that the deployed nodes can cover the sensing field with the given sensing range.\\
734   
735 Our DiLCO protocol is declined into five versions: DiLCO-2, DiLCO-4, DiLCO-8, DiLCO-16, and DiLCO-32, corresponding  to $2$, $4$, $8$, $16$ or $32$ subregions (leaders).  
736
737 We use an energy consumption model proposed by~\cite{ChinhVu} and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications.
738 The energy consumption for sending/receiving the packets is added whereas the part related to the sensing range is removed because we consider a fixed sensing range.
739 % We are took into account the energy consumption needed for the high computation during executing the algorithm on the sensor node. 
740 %The new energy consumption model will take into account the energy consumption for communication (packet transmission/reception), the radio of the sensor node, data sensing, computational energy of Micro-Controller Unit (MCU) and high computation energy of MCU. 
741 %revoir la phrase
742
743 For our energy consumption model, we refer to the sensor node (Medusa II) which uses Atmels AVR ATmega103L microcontroller~\cite{raghunathan2002energy}. The typical architecture of a sensor is composed of four subsystems : the MCU subsystem which is capable of computation, communication subsystem (radio) which is responsible for
744 transmitting/receiving messages, sensing subsystem that collects data, and the power supply which  powers the complete sensor node ~\cite{raghunathan2002energy}. Each of the first three subsystems can be turned on or off depending on the current status of the sensor. Energy consumption (expressed in milliWatt per second)  for the different status of the sensor is summarized in Table~\ref{table4}. The energy needed to send or receive a 1-bit is equal to $0.2575 mW$.
745
746 \begin{table}[ht]
747 \caption{The Energy Consumption Model}
748 % title of Table
749 \centering
750 % used for centering table
751 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
752 % centered columns (4 columns)
753       \hline
754 %inserts double horizontal lines
755 Sensor mode & MCU   & Radio & Sensing & Power (mWs) \\ [0.5ex]
756 \hline
757 % inserts single horizontal line
758 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
759 % inserting body of the table
760 \hline
761 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
762 \hline
763 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
764 \hline
765 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
766 %\hline
767 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
768  \hline
769 \end{tabular}
770
771 \label{table4}
772 % is used to refer this table in the text
773 \end{table}
774
775 For sake of simplicity we ignore the energy needed to turn on the
776 radio, to start up the sensor node, the transition from mode to another, etc. 
777 %We also do not consider the need of collecting sensing data. PAS COMPRIS
778 Thus, when a sensor becomes active (i.e., it already decides it's status), it can turn its radio off to save battery. DiLCO protocol uses two types of packets for communication. The size of the INFO-Packet and Status-Packet are 112 bits and 24 bits respectively. 
779 The value of energy spent to send a 1-bit-content message is obtained by using the equation in ~\cite{raghunathan2002energy} to calculate the energy cost for transmitting messages and we propose the same value for receiving the packets.
780
781 The initial energy of each node is randomly set in the interval $[500-700]$.  Each  sensor  node will  not participate in the next round if its remaining energy is less than $E_{th}=36 Joules$, the minimum energy needed for the node to stay alive during one round. This value has been computed by multiplying the energy consumed in active state (9.72 mWs) by the time in second for one round (3600 seconds). According to the interval of initial energy, a sensor may be alive during at most 20 rounds.\\ 
782
783 In the simulations, we introduce the following performance metrics to evaluate the efficiency of our approach: 
784
785 \begin{enumerate}[i)]
786   
787 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} the coverage ratio measures how much the area of a sensor field is  covered. In our case, we treated the sensing fields as a grid, and used each grid point as a sample point
788 for calculating the coverage. The coverage ratio can be calculated by:
789 \begin{equation*}
790 \scriptsize
791 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
792 \end{equation*}
793 Where: $n^t$ is the number of covered grid points by the active sensors of all subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is total number of grid points in the sensing field of the network.
794 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
795 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
796 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
797 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
798
799 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
800 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
801 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
802 \begin{equation*}
803 \scriptsize
804 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
805 \end{equation*}
806 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
807
808 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until the coverage ratio drops below a predefined threshold. We denoted by $Lifetime95$ (respectively  $Lifetime50$) as the amount of  time during which  the network  can  satisfy an area  coverage greater than $95\%$ (repectively $50\%$). We assume that the network
809 is alive  until all  nodes have  been drained of  their energy  or the
810 sensor network becomes disconnected . Network connectivity is important because an
811 active sensor node without  connectivity towards a base station cannot
812 transmit information on an event in the area that it monitors.
813  
814
815 \item {{\bf Energy Consumption}:}
816
817  Energy Consumption (EC) can be seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime95$ or $Lifetime50$ divided by the number of rounds. The EC can be computed as follow: \\
818  \begin{equation*}
819 \scriptsize
820 \mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D \left( E^c_d + E^l_d + E^a_d + E^s_d + E^p_d \right)$ }}{\mbox{$D$}}   .
821 \end{equation*}
822
823 %\begin{equation*}
824 %\scriptsize
825 %\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{$D$}}.
826 %\end{equation*}
827
828 Where: D is the number of rounds during $Lifetime95$ or $Lifetime50$. 
829 The total energy consumed by the sensors (EC) comes through taking into consideration four main energy factors, which are $E^c_d$, $E^l_d$, $E^a_d$, $E^s_d$ and $E^p_d$.
830 The energy consumption $E^c_d$ for wireless  communications  is  calculated by taking into account the  energy spent by  all the nodes while  transmitting and
831 receiving  packets during round $d$. The $E^l_d$ represents the energy consumed by all the sensors during the listening mode before taking the decision to go Active or Sleep in round $d$. $E^a_d$ and $E^s_d$  refer to energy consumed in the active mode or in the sleeping mode. The $E^p_d$ refers to energy consumed by the computation (processing) to solve the integer program.
832
833 %\item {Network Lifetime:} we  have defined the network  lifetime as the  time until all
834 %nodes  have  been drained  of  their  energy  or each  sensor  network monitoring  an area has become  disconnected.
835
836
837
838 \item {{\bf Execution Time}:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
839 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
840 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
841 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
842   
843 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation
844 ends  when the  sensor network  becomes
845 disconnected (some nodes are dead and are not able to send information to the base station). We report the number of simulations that are stopped due to network disconnections and for which round it occurs.
846
847 \end{enumerate}
848
849
850
851 \subsection{Performance Comparison for differnet subregions}
852 \label{sub1}
853 In this subsection, we are studied the performance of our DiLCO protocol for a different number of subregions (Leaders).
854 The DiLCO-1 protocol is a centralized approach on all the area of the interest, while  DiLCO-2, DiLCO-4, DiLCO-8, DiLCO-16 and DiLCO-32 are distributed on two, four, eight, sixteen, and thirty-two subregions respectively. We did not take the DiLCO-1 protocol in our simulation results because it need high execution time to give the decision leading to consume all it's energy before producing the solution for optimization problem.
855
856 \subsubsection{Coverage Ratio} 
857 In this experiment, Figure~\ref{fig3} shows the average coverage ratio for 150 deployed nodes.  
858 \parskip 0pt    
859 \begin{figure}[h!]
860 \centering
861  \includegraphics[scale=0.5] {R1/CR.pdf} 
862 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
863 \label{fig3}
864 \end{figure} 
865
866 It can be seen that the DiLCO protocol (with 4, 8, 16 and 32 subregions) gives nearly similar coverage ratios during  the first thirty rounds.  
867 DiLCO-2 protocol gives near similar coverage ratio with other ones for first 10 rounds and then decreased until the died of the network in the round $18^{th}$ because it consume more energy with the effect of the network disconnection. 
868 As shown in the figure ~\ref{fig3}, as the number of subregions increases ,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of rounds. Coverage ratio decreases when the number of rounds increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
869 thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to  ensure the coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are
870 slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
871 the area of interest into 8, 16 and 32~subregions if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.
872
873 \subsubsection{Active Sensors Ratio} 
874  Figure~\ref{fig4} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes.
875 \begin{figure}[h!]
876 \centering
877 \includegraphics[scale=0.5]{R1/ASR.pdf}  
878 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
879 \label{fig4}
880 \end{figure} 
881 The results presented in figure~\ref{fig4} show  the increase in the number of subregions led to increase in the number of active nodes. The DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols have a larger number of active nodes but it preserve the coverage for a larger number of rounds. The  advantage of the DiLCO-16, and DiLCO-32 protocols are that even if a network is disconnected in one subregion, the other ones usually continues the optimization process, and this extends the lifetime of the network.
882
883 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
884 Figure~\ref{fig6} illustrates the percentage of stopped simulation runs per round for 150 deployed nodes. 
885 \begin{figure}[h!]
886 \centering
887 \includegraphics[scale=0.43]{R1/SR.pdf} 
888 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
889 \label{fig6}
890 \end{figure} 
891
892 It can be observed that the DiLCO-2  is the approach which stops first because it applied the optimization on only two subregions for the area of interest that is why it is first exhibits network disconnections.
893 Thus, as explained previously, in case of the DiLCO-16 and DiLCO-32 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. 
894
895 \subsubsection{The Energy Consumption}
896 We measure the energy consumed by the sensors during the communication, listening, computation, active, and sleep modes for different network densities and compare it for different subregions.  Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
897
898 \begin{figure}[h!]
899 \centering
900 \includegraphics[scale=0.5]{R1/EC95.pdf} 
901 \caption{The Energy Consumption for Lifetime95}
902 \label{fig95}
903 \end{figure} 
904
905
906 The results show that  DiLCO-16 and DiLCO-32 are the most competitive from the energy consumption point of view but as the network size increase the energy consumption increase compared with DiLCO-2,  DiLCO-4 and DiLCO-8. The other approaches have a  high energy  consumption  due  to  the energy consumed during the different modes of the sensor node.\\
907  
908 As shown in Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig50} , DiLCO-2 consumes more energy than the other versions of DiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem as well as the higher energy consumed during the communication.  
909 \begin{figure}[h!]
910 \centering
911 \includegraphics[scale=0.5]{R1/EC50.pdf} 
912 \caption{The Energy Consumption for Lifetime50}
913 \label{fig50}
914 \end{figure} 
915 In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number of communications, the time of listening and computation so thanks to the partitioning of the initial network in several independent subnetworks. 
916
917 \subsubsection{Execution Time}
918 In this experiment, we study the the impact of the size of the network on the excution time of the our distributed optimization approach. Figure~\ref{fig8} 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. 
919 The original execution time is computed on a laptop DELL with intel Core i3 2370 M (2.4 GHz) processor (2 cores) and the MIPS (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied by 2944.2 $\left( \frac{35330}{2} \times 6\right)$ and reported on Figure~\ref{fig8} for different network sizes.
920
921 \begin{figure}[h!]
922 \centering
923 \includegraphics[scale=0.5]{R1/T.pdf}  
924 \caption{Execution Time (in seconds)}
925 \label{fig8}
926 \end{figure} 
927
928
929 We can see from figure~\ref{fig8}, that the DiLCO-32 has very low execution times in comparison with other DiLCO versions, because it distributed on larger number of small subregions.  Conversely, the DiLCO-2 which requires to solve an optimization problem considering half  the nodes  in each subregion presents  high execution times.
930
931 The DiLCO-32 has more suitable times in the same time it turn on redundent nodes more.  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.
932
933
934 \subsubsection{The Network Lifetime}
935 In figure~\ref{figLT95} and \ref{figLT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different  network sizes. 
936
937 \begin{figure}[h!]
938 \centering
939 \includegraphics[scale=0.5]{R1/LT95.pdf}  
940 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime95$}
941 \label{figLT95}
942 \end{figure} 
943 We see that the DiLCO-2 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 is distributed over only two subregions.
944
945 As highlighted by figures~\ref{figLT95} and \ref{figLT50}, the network lifetime obviously
946 increases when the size of the network increases, with  our DiLCO-16 protocol
947 that leads to the larger lifetime improvement. By choosing the best 
948 suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
949 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds,
950 our DiLCO-16 protocol efficiently extends  the network lifetime because the benefit from the optimization with 16 subregions is better than the DiLCO-32  with 32 subregion.  DilCO-32 protocol puts in active mode a larger number of sensor nodes especially near the bordes of the subdivisions.
951
952 Comparison shows that the DiLCO-16 protocol, which uses 16 leaders, is the best one because it is used less number of active nodes during the network lifetime compared with DiLCO-32. It also  means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
953 \begin{figure}[h!]
954 \centering
955 \includegraphics[scale=0.5]{R1/LT50.pdf}  
956 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime50$}
957 \label{figLT50}
958 \end{figure} 
959
960 \subsection{Performance Study for Primary Point Models}
961 \label{sub2}
962 In this subsection, we are studied the performance of the DiLCO~16 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. 
963
964 In this comparisons, our DiLCO-16 protocol are used with five models which 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). 
965 \subsubsection{Coverage Ratio} 
966 In this experiment, we Figure~\ref{fig33} shows the average coverage ratio for 150 deployed nodes.  
967 \parskip 0pt    
968 \begin{figure}[h!]
969 \centering
970  \includegraphics[scale=0.5] {R2/CR.pdf} 
971 \caption{The impact of the number of rounds on the coverage ratio for 150 deployed nodes}
972 \label{fig33}
973 \end{figure} 
974 It is shown that all models provides a very near coverage ratios during the network lifetime, with very small superiority for the models with higher number of primary points.
975 Moreover, when the number of rounds increases, coverage
976 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,
977 thanks to  Model~2, which is slightly more efficient than other Models, because it is balanced between the number of rounds and the better coverage ratio in comparison with other Models.
978
979 \subsubsection{Active Sensors Ratio} 
980  Figure~\ref{fig44} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes.
981 \begin{figure}[h!]
982 \centering
983 \includegraphics[scale=0.5]{R2/ASR.pdf}  
984 \caption{The impact of the number of rounds on the active sensors ratio for 150 deployed nodes }
985 \label{fig44}
986 \end{figure} 
987
988 The  results presented  in figure~\ref{fig44}  show the  superiority of
989 the proposed  Model 1, in comparison with the other Models. The
990 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.
991
992
993 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
994 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
995 runs per round for 150 deployed nodes. 
996
997 \begin{figure}[h!]
998 \centering
999 \includegraphics[scale=0.5]{R2/SR.pdf} 
1000 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
1001 \label{fig66}
1002 \end{figure} 
1003
1004 As shown in Figure~\ref{fig66}, when the number of primary points are increased, the percentage of the stopped simulation runs per rounds is increased. The reason behind the increase is the increase in the sensors dead when the primary points increases. We are observed 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.
1005
1006
1007 \subsubsection{The Energy Consumption}
1008 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.  Figures~\ref{fig2EC95} and ~\ref{fig2EC50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$.
1009 \begin{figure}[h!]
1010 \centering
1011 \includegraphics[scale=0.5]{R2/EC95.pdf} 
1012 \caption{The Energy Consumption with $95\%-Lifetime$}
1013 \label{fig2EC95}
1014 \end{figure} 
1015  
1016 \begin{figure}[h!]
1017 \centering
1018 \includegraphics[scale=0.5]{R2/EC50.pdf} 
1019 \caption{The Energy Consumption with $Lifetime50$}
1020 \label{fig2EC50}
1021 \end{figure} 
1022
1023 We see from the results presented in Figures~\ref{fig2EC95} and \ref{fig2EC50}, 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 producing the solution by solving the optimization process. In fact, we see that the Model~2 is a good candidate to be used by wireless sensor network because It preserve a good coverage ratio and a suitable energy consumption in comparison with other models. 
1024
1025
1026 \subsubsection{Execution Time}
1027 In this experiment, we study the impact of the increase in primary points on the excution time of our DiLCO protocol. Figure~\ref{figt} gives the average execution times in seconds for the decision phase (solving of the optimization problem) during one round.  
1028
1029 \begin{figure}[h!]
1030 \centering
1031 \includegraphics[scale=0.5]{R2/T.pdf}  
1032 \caption{The Execution Time(s) vs The Number of Sensors }
1033 \label{figt}
1034 \end{figure} 
1035
1036 They  are given for  the different primary point models and
1037 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.
1038 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.
1039
1040 \subsubsection{The Network Lifetime}
1041 Finally, we will study the effect of increasing the primary points on the lifetime of the network. In Figure~\ref{fig2LT95} and in Figure~\ref{fig2LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes. 
1042
1043 \begin{figure}[h!]
1044 \centering
1045 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT95.pdf}  
1046 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime95$}
1047 \label{fig2LT95}
1048 \end{figure} 
1049
1050
1051 \begin{figure}[h!]
1052 \centering
1053 \includegraphics[scale=0.5]{R2/LT50.pdf}  
1054 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime50$}
1055 \label{fig2LT50}
1056 \end{figure} 
1057
1058
1059 As  highlighted by figures~\ref{fig2LT95} and \ref{fig2LT50}, the network lifetime obviously
1060 increases when  the size  of the network  increases, with  our Model~1 that leads to the larger lifetime improvement.
1061 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.
1062  
1063 \subsection{Performance Comparison for Different Approaches}
1064 Based on the results, which are conducted from previous two subsections, ~\ref{sub1} and \ref{sub2}, we are  found that Our DiLCO-16, and DiLCO-32 protocols with Model~2 are the best candidates 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 chosen to remain on during the sensing phase time. 
1065
1066 \subsubsection{Coverage Ratio} 
1067 In this experiment, Figure~\ref{fig333} shows  the average coverage ratio for 150 deployed nodes. 
1068  
1069 \parskip 0pt    
1070 \begin{figure}[h!]
1071 \centering
1072  \includegraphics[scale=0.5] {R3/CR.pdf} 
1073 \caption{The coverage ratio for 150 deployed nodes}
1074 \label{fig333}
1075 \end{figure} 
1076
1077 It is shown that DESK and GAF provides a
1078 a little better coverage ratio with 99.99\% and 99.91\% against 99.1\% and 99.2\% produced by DiLCO-16 and DiLCO-32 for the lowest number of rounds. This is due to the fact that our DiLCO protocol versions  put in sleep mode redundant sensors using optimization (which lightly decreases the coverage ratio) while there are more nodes are active in the case of DESK and GAF.
1079
1080 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-16 and DiLCO-32 protocols maintains almost a good 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. 
1081
1082 \subsubsection{Active Sensors Ratio} 
1083 It is important to have as few active nodes as possible in each round,
1084 in  order to  minimize the energy consumption and maximize the network lifetime. Figure~\ref{fig444} shows the average active nodes ratio for 150 deployed nodes. 
1085
1086 \begin{figure}[h!]
1087 \centering
1088 \includegraphics[scale=0.5]{R3/ASR.pdf}  
1089 \caption{The active sensors ratio for 150 deployed nodes }
1090 \label{fig444}
1091 \end{figure} 
1092
1093 The results presented in figure~\ref{fig444} show the superiority of the proposed DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols, in comparison with the other approaches.  We can observe that DESK and GAF have 37.5 \% and 44.5 \% active nodes and our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols competes perfectly with only 17.4 \%, 24.8 \% and 26.8 \%  active nodes for the first 14 rounds. Then as the number of rounds increases our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols have larger number of active nodes in comparison with DESK and GAF, especially from round $35^{th}$ because they give a better coverage ratio than other approaches. We see that the DESK and GAF have less number of active nodes beginning at the rounds $35^{th}$ and $32^{th}$ because there are many nodes are died due to the high energy consumption by the redundant nodes during the sensing phase. 
1094
1095 \subsubsection{The percentage of stopped simulation runs}
1096 The results presented in this experiment, is to show the comparison of our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols with other two approaches from the point of view the stopped simulation runs per round.
1097 Figure~\ref{fig666} illustrates the percentage of stopped simulation
1098 runs per round for 150 deployed nodes. 
1099 \begin{figure}[h!]
1100 \centering
1101 \includegraphics[scale=0.5]{R3/SR.pdf} 
1102 \caption{The percentage of stopped simulation runs compared to the number of rounds for 150 deployed nodes }
1103 \label{fig666}
1104 \end{figure} 
1105 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-16 and DiLCO-32 protocols have less stopped simulation runs in comparison with DESK and GAF because 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.
1106
1107 \subsubsection{The Energy Consumption}
1108 In this experiment, we study the effect of the energy consumed by the wireless sensor network during the communication, computation, listening, active, and sleep modes for different network densities and compare it with other approaches. Figures~\ref{fig3EC95} and ~\ref{fig3EC50} illustrate the energy consumption for different network sizes for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
1109
1110 \begin{figure}[h!]
1111 \centering
1112 \includegraphics[scale=0.5]{R3/EC95.pdf} 
1113 \caption{The Energy Consumption with $95\%-Lifetime$}
1114 \label{fig3EC95}
1115 \end{figure} 
1116
1117 \begin{figure}[h!]
1118 \centering
1119 \includegraphics[scale=0.5]{R3/EC50.pdf} 
1120 \caption{The Energy Consumption with $Lifetime50$}
1121 \label{fig3EC50}
1122 \end{figure} 
1123
1124 The results show that our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols 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 during the different modes of sensor nodes. 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. 
1125
1126 \subsubsection{The Network Lifetime}
1127 In this experiment, we are observed the superiority of our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols against other two approaches in prolonging the network lifetime. In figures~\ref{fig3LT95} and \ref{fig3LT50}, network lifetime, $Lifetime95$ and $Lifetime50$ respectively, are illustrated for different network sizes.  
1128
1129 \begin{figure}[h!]
1130 \centering
1131 \includegraphics[scale=0.5]{R3/LT95.pdf}  
1132 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime95$}
1133 \label{fig3LT95}
1134 \end{figure}
1135
1136
1137 \begin{figure}[h!]
1138 \centering
1139 \includegraphics[scale=0.5]{R3/LT50.pdf}  
1140 \caption{The Network Lifetime for $Lifetime50$}
1141 \label{fig3LT50}
1142 \end{figure} 
1143
1144 As highlighted by figures~\ref{fig3LT95} and \ref{fig3LT50}, the network lifetime obviously
1145 increases when the size of the network increases, with our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols
1146 that leads to maximize the lifetime of the network compared with other approaches. 
1147 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 letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds, our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols efficiently prolonges the network lifetime. 
1148 Comparison shows that our DiLCO-16 and DiLCO-32 protocols, which are used distributed optimization over the subregions, is the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the algorithm in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
1149 independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1150
1151 \section{Conclusion and Future Works}
1152 \label{sec:conclusion}
1153
1154 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1155 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1156 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1157 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1158 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
1159 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
1160 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
1161 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1162 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1163 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1164 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1165 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1166 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1167 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1168 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1169 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time, and the number of stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
1170 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1171 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1172 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1173 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1174
1175 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1176 computes  all active sensor schedules in one time, using
1177 optimization  methods. The round  will still consist of 4 phases, but the
1178   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1179   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1180 The computation of all cover sets in one time is far more
1181 difficult, but will reduce the communication overhead.
1182 % use section* for acknowledgement
1183 %\section*{Acknowledgment}
1184
1185
1186
1187
1188 %% \linenumbers
1189
1190 %% main text
1191 %\section{}
1192 %\label{}
1193
1194 %% The Appendices part is started with the command \appendix;
1195 %% appendix sections are then done as normal sections
1196 %% \appendix
1197
1198 %% \section{}
1199 %% \label{}
1200
1201 %% If you have bibdatabase file and want bibtex to generate the
1202 %% bibitems, please use
1203 %%
1204 %%  \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1205 %%  \bibliography{<your bibdatabase>}
1206
1207 %% else use the following coding to input the bibitems directly in the
1208 %% TeX file.
1209   \bibliographystyle{elsarticle-num} 
1210   \bibliography{elsarticle-template-num}
1211   
1212 \end{document}
1213
1214 %%\bibitem{}
1215
1216 %\end{thebibliography}
1217 %\end{document}
1218 \endinput
1219 %%
1220 %% End of file `elsarticle-template-num.tex'.