]> AND Private Git Repository - LiCO.git/blob - PeCO-EO/articleeo.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
pour engineering optimization
[LiCO.git] / PeCO-EO / articleeo.tex
1 % gENOguide.tex\r
2 % v4.0 released April 2013\r
3 \r
4 \documentclass{gENO2e}\r
5 %\usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}\r
6 %\renewcommand{\algorithmcfname}{ALGORITHM}\r
7 \begin{document}\r
8 \r
9 %\jvol{00} \jnum{00} \jyear{2013} \jmonth{April}\r
10 \r
11 %\articletype{GUIDE}\r
12 \r
13 \title{{\itshape Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}}\r
14 \r
15 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a}$, Karine Deschinkel$^{a}$$^{\ast}$\thanks{$^\ast$Corresponding author. Email: karine.deschinkel@univ-fcomte.fr}, Michel Salomon$^{a}$ and Rapha\"el Couturier $^{a}$\r
16 $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte,\r
17           Belfort, France}};}\r
18 \r
19 \r
20 \maketitle\r
21 \r
22 \begin{abstract}\r
23 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the\r
24 use of its limited energy provision, so that it can fulfill its monitoring task\r
25 as long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to\r
26 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity\r
27 scheduling which ensures sensing coverage while minimizing the energy cost. In\r
28 this paper,  we propose such an approach called Perimeter-based Coverage Optimization\r
29 protocol (PeCO). It is a  hybrid of centralized and distributed methods: the\r
30 region of interest is first subdivided into subregions and our protocol is then\r
31 distributed among sensor nodes in each  subregion.\r
32 The novelty of our approach lies essentially in the formulation of a new\r
33 mathematical optimization  model based on the  perimeter coverage level  to schedule\r
34 sensors' activities.  Extensive simulation experiments have been performed using\r
35 OMNeT++, the  discrete event simulator, to  demonstrate that PeCO  can\r
36 offer longer lifetime coverage for WSNs in comparison with some other protocols.\r
37 \r
38 \begin{keywords}Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Network Lifetime, Optimization, Scheduling.\r
39 \end{keywords}\r
40 \r
41 \end{abstract}\r
42 \r
43 \r
44 \section{Introduction}\r
45 \label{sec:introduction}\r
46 \r
47 \noindent The continuous progress in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) and\r
48 wireless communication hardware  has given rise to the opportunity  to use large\r
49 networks    of     tiny    sensors,    called    Wireless     Sensor    Networks\r
50 (WSN)~\cite{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to  fulfill monitoring\r
51 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by\r
52 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node\r
53 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the\r
54 user by means of  sink nodes. The features of a WSN made  it suitable for a wide\r
55 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,\r
56 military, and so on~\cite{yick2008wireless}.   Typically, a sensor node contains\r
57 three main components~\cite{anastasi2009energy}: a  sensing unit able to measure\r
58 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a\r
59 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio\r
60 communication unit for data transmission and receiving.\r
61 \r
62 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and\r
63 communication is supplied by a power supply which is a battery. This battery has\r
64 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or\r
65 recharge it in  most applications. Therefore it is necessary  to deploy WSN with\r
66 high density in order to increase  reliability and to exploit node redundancy\r
67 thanks to energy-efficient activity  scheduling approaches.  Indeed, the overlap\r
68 of sensing  areas can be exploited  to schedule alternatively some  sensors in a\r
69 low power sleep mode and thus save  energy. Overall, the main question that must\r
70 be answered is: how to extend the lifetime coverage of a WSN as long as possible\r
71 while  ensuring   a  high  level  of   coverage?   These past few years  many\r
72 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the\r
73 lifetime of the WSNs~\cite{rault2014energy}.\r
74 \r
75 This paper makes the following contributions.\r
76 \begin{enumerate}\r
77 \item We have devised a framework to schedule nodes to be activated alternatively such\r
78   that the network lifetime is prolonged  while ensuring that a certain level of\r
79   coverage is preserved.  A key idea in  our framework is to exploit spatial and\r
80   temporal subdivision.   On the one hand,  the area of interest  is divided into\r
81   several smaller subregions and, on the other hand, the time line is divided into\r
82   periods of equal length. In each subregion the sensor nodes will cooperatively\r
83   choose a  leader which will schedule  nodes' activities, and this  grouping of\r
84   sensors is similar to typical cluster architecture.\r
85 \item We have proposed a new mathematical  optimization model.  Instead of  trying to\r
86   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in\r
87   the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage of\r
88   each sensor.  The  model involves integer variables to  capture the deviations\r
89   between  the actual  level of  coverage and  the required  level.  Hence, an\r
90   optimal scheduling  will be  obtained by  minimizing a  weighted sum  of these\r
91   deviations.\r
92 \item We have conducted extensive simulation  experiments, using the  discrete event\r
93   simulator OMNeT++, to demonstrate the  efficiency of our protocol. We have compared\r
94   our   PeCO   protocol   to   two   approaches   found   in   the   literature:\r
95   DESK~\cite{ChinhVu} and  GAF~\cite{xu2001geography}, and also to  our previous\r
96   work published in~\cite{Idrees2} which is  based on another optimization model\r
97   for sensor scheduling.\r
98 \end{enumerate}\r
99 \r
100 \r
101 \r
102 \r
103 \r
104 \r
105 The rest  of the paper is  organized as follows.  In the next section  we review\r
106 some related work in the  field. Section~\ref{sec:The PeCO Protocol Description}\r
107 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the\r
108 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor\r
109 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations\r
110 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding\r
111 remarks   are  drawn   and  some   suggestions are  given  for   future  works   in\r
112 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.\r
113 \r
114 % that show that our protocol outperforms others protocols.\r
115 \section{Related Literature}\r
116 \label{sec:Literature Review}\r
117 \r
118 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the\r
119 coverage problem and  distinguish our PeCO protocol from the  works presented in\r
120 the literature.\r
121 \r
122 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three\r
123 categories~\cite{li2013survey}   according   to  their   respective   monitoring\r
124 objective.  Hence,  area coverage \cite{Misra}  means that every point  inside a\r
125 fixed area  must be monitored, while  target coverage~\cite{yang2014novel} refers\r
126 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called\r
127 targets,  and  barrier coverage~\cite{HeShibo}\cite{kim2013maximum}  focuses  on\r
128 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In\r
129 \cite{Deng2012}  authors  transform the  area  coverage  problem into  the  target\r
130 coverage one taking into account the  intersection points among disks of sensors\r
131 nodes    or   between    disk   of    sensor   nodes    and   boundaries.     In\r
132 \cite{Huang:2003:CPW:941350.941367}  authors prove  that  if  the perimeters  of\r
133 sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They\r
134 provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter-coverage of\r
135 each  sensor,  where  $d$  denotes  the  maximum  number  of  sensors  that  are\r
136 neighbors  to  a  sensor and  $n$  is  the  total  number of  sensors  in  the\r
137 network. {\it In PeCO protocol, instead  of determining the level of coverage of\r
138   a set  of discrete  points, our  optimization model is  based on  checking the\r
139   perimeter-coverage of each sensor to activate a minimal number of sensors.}\r
140 \r
141 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to\r
142 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or\r
143 non-disjoint)\cite{wang2011coverage}, where  each set completely  covers a  region of interest,  and to\r
144 activate these set  covers successively. The network activity can  be planned in\r
145 advance and scheduled  for the entire network lifetime or  organized in periods,\r
146 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period\r
147 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem\r
148 requirements (e.g.   area monitoring,  connectivity, or power  efficiency).  For\r
149 instance, Jaggi {\em et al.}~\cite{jaggi2006}  address the problem of maximizing\r
150 the lifetime  by dividing sensors  into the  maximum number of  disjoint subsets\r
151 such  that each  subset  can ensure  both coverage  and  connectivity. A  greedy\r
152 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are\r
153 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu\r
154 \cite{chin2007},  \cite{yan2008design}, Padmatvathy  {\em   et  al.}~\cite{pc10},  propose  algorithms\r
155 working in a periodic fashion where a  cover set is computed at the beginning of\r
156 each period.   {\it Motivated by  these works,  PeCO protocol works  in periods,\r
157   where each  period contains a  preliminary phase for information  exchange and\r
158   decisions, followed by a sensing phase where one cover set is in charge of the\r
159   sensing task.}\r
160 \r
161 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing  of these two\r
162 concepts, have  been proposed  to extend the  network lifetime \cite{zhou2009variable}.   In distributed algorithms~\cite{Tian02,yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed} each sensor decides of its\r
163 own activity scheduling  after an information exchange with  its neighbors.  The\r
164 main interest of such an approach is to avoid long range communications and thus\r
165 to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since each\r
166 node has only information on  its immediate neighbors (usually the one-hop ones)\r
167 it may make a bad decision leading to a global suboptimal solution.  Conversely,\r
168 centralized\r
169 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always\r
170 provide nearly  or close to  optimal solution since  the algorithm has  a global\r
171 view of the whole network. The disadvantage of a centralized method is obviously\r
172 its high  cost in communications needed to  transmit to a single  node, the base\r
173 station which will globally schedule  nodes' activities, data from all the other\r
174 sensor nodes  in the area.  The price  in communications can be  huge since\r
175 long range  communications will be  needed. In fact  the larger the WNS  is, the\r
176 higher the  communication and  thus the energy  cost are.   {\it In order  to be\r
177   suitable for large-scale  networks, in the PeCO protocol,  the area of interest\r
178   is divided into several smaller subregions, and in each one, a node called the\r
179   leader  is  in  charge  of  selecting  the active  sensors  for  the  current\r
180   period.  Thus our  protocol is  scalable  and is a  globally distributed  method,\r
181   whereas it is centralized in each subregion.}\r
182 \r
183 Various  coverage scheduling  algorithms have  been developed  these past few years.\r
184 Many of  them, dealing with  the maximization of the  number of cover  sets, are\r
185 heuristics.   These  heuristics involve  the  construction  of  a cover  set  by\r
186 including in priority the sensor nodes  which cover critical targets, that is to\r
187 say   targets   that  are   covered   by   the   smallest  number   of   sensors\r
188 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical\r
189 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}\r
190 and dedicated techniques (solving with a branch-and-bound algorithm available in\r
191 optimization  solver).  The  problem is  formulated as  an optimization  problem\r
192 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and\r
193 energy  constraints.   Column  generation   techniques,  well-known  and  widely\r
194 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have\r
195 also                                                                        been\r
196 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it  In the PeCO\r
197   protocol, each  leader, in charge  of a  subregion, solves an  integer program\r
198   which has a twofold objective: minimize the overcoverage and the undercoverage\r
199   of the perimeter of each sensor.}\r
200 \r
201 %\noindent Recently, the coverage problem has been received a high attention, which concentrates on how the physical space could be well monitored  after the deployment. Coverage is one of the Quality of Service (QoS) parameters in WSNs, which is highly concerned with power depletion~\cite{zhu2012survey}. Most of the works about the coverage protocols have been suggested in the literature focused on three types of the coverage in WSNs~\cite{mulligan2010coverage}: the first, area coverage means that each point in the area of interest within the sensing range of at least one sensor node; the second, target coverage in which a fixed set of targets need to be monitored; the third, barrier coverage refers to detect the intruders crossing a boundary of WSN. The work in this paper emphasized on the area coverage, so,  some area coverage protocols have been reviewed in this section, and the shortcomings of reviewed approaches are being summarized.\r
202 \r
203 %The problem of k-coverage in WSNs was addressed~\cite{ammari2012centralized}. It mathematically formulated and the spacial sensor density for full k-coverage determined, where the relation between the communication range and the sensing range constructed by this work to retain the k-coverage and connectivity in WSN. After that, a four configuration protocols have proposed for treating the k-coverage in WSNs.  \r
204 \r
205 %In~\cite{rebai2014branch}, the problem of full grid coverage is formulated using two integer linear programming models: the first, a model that takes into account only the overall coverage constraint; the second, both the connectivity and the full grid coverage constraints have taken into consideration. This work did not take into account the energy constraint.\r
206 \r
207 %Li et al.~\cite{li2011transforming} presented a framework to convert any complete coverage problem to a partial coverage one with any coverage ratio by means of executing a complete coverage algorithm to find a full coverage sets with virtual radii and transforming the coverage sets to a partial coverage sets by adjusting sensing radii.  The properties of the original algorithms can be maintained by this framework and the transformation process has a low execution time.\r
208 \r
209 %The authors in~\cite{liu2014generalized} explained that in some applications of WSNs such as structural health monitoring (SHM) and volcano monitoring, the traditional coverage model which is a geographic area defined for individual sensors is not always valid. For this reason, they define a generalized coverage model, which is not need to have the coverage area of individual nodes, but only based on a function to determine whether a set of\r
210 %sensor nodes is capable of satisfy the requested monitoring task for a certain area. They have proposed two approaches to divide the deployed nodes into suitable cover sets, which can be used to prolong the network lifetime. \r
211  \r
212 %The work in~\cite{wang2010preserving} addressed the target area coverage problem by proposing a geometric-based activity scheduling scheme, named GAS, to fully cover the target area in WSNs. The authors deals with small area (target area coverage), which can be monitored by a single sensor instead of area coverage, which focuses on a large area that should be monitored by many sensors cooperatively. They explained that GAS is capable to monitor the target area by using a few sensors as possible and it can produce as many cover sets as possible.\r
213 \r
214 %Cho et al.~\cite{cho2007distributed} proposed a distributed node scheduling protocol, which can retain sensing coverage needed by applications\r
215 %and increase network lifetime via putting in sleep mode some redundant nodes. In this work, the effective sensing area (ESA) concept of a sensor node is used, which refers to the sensing area that is not overlapping with another sensor's sensing area. A sensor node and by compute it's ESA can be determine whether it will be active or sleep. The suggested  work permits to sensor nodes to be in sleep mode opportunistically whilst fulfill the needed sensing coverage.\r
216  \r
217 %In~\cite{quang2008algorithm}, the authors defined a maximum sensing coverage region problem (MSCR) in WSNs and then proposed an algorithm to solve it. The\r
218 %maximum observed area fully covered by a minimum active sensors. In this work, the major property is to getting rid from the redundant sensors  in high-density WSNs and putting them in sleep mode, and choosing a smaller number of active sensors so as to be sure  that the full area is k-covered, and all events appeared in that area can be precisely and timely detected. This algorithm minimized the total energy consumption and increased the lifetime.\r
219 \r
220 %A novel method to divide the sensors in the WSN, called node coverage grouping (NCG) suggested~\cite{lin2010partitioning}. The sensors in the connectivity group are within sensing range of each other, and the data collected by them in the same group are supposed to be similar. They are proved that dividing n sensors via NCG into connectivity groups is a NP-hard problem. So, a heuristic algorithm of NCG with time complexity of $O(n^3)$ is proposed.\r
221 %For some applications, such as monitoring an ecosystem with extremely diversified environment, It might be premature assumption that sensors near to each other sense similar data.\r
222 \r
223 %In~\cite{zaidi2009minimum}, the problem of minimum cost coverage in which full coverage is performed by using the minimum number of sensors for an arbitrary geometric shape region is addressed.  a geometric solution to the minimum cost coverage problem under a deterministic deployment is proposed. The probabilistic coverage solution which provides a relationship between the probability of coverage and the number of randomly deployed sensors in an arbitrarily-shaped region is suggested. The authors are clarified that with a random deployment about seven times more nodes are required to supply full coverage.\r
224 \r
225 %A graph theoretical framework for connectivity-based coverage with configurable coverage granularity was proposed~\cite{dong2012distributed}. A new coverage criterion and scheduling approach is proposed based on cycle partition. This method is capable of build a sparse coverage set in distributed way by means of only connectivity information. This work considers only the communication range of the sensor is smaller two times the sensing range of sensor.\r
226 \r
227 %Liu et al.~\cite{liu2010energy} formulated maximum disjoint sets problem for retaining coverage and connectivity in WSN. Two algorithms are proposed for solving this problem, heuristic algorithm and network flow algorithm. This work did not take into account the sensor node failure, which is an unpredictable event because the two solutions are full centralized algorithms.\r
228 \r
229 %The work that presented in~\cite{aslanyan2013optimal} solved the coverage and connectivity problem in sensor networks in\r
230 %an integrated way. The network lifetime is divided in a fixed number of rounds. A coverage bitmap of sensors of the domain has been generated in each round and based on this bitmap,  it has been decided which sensors\r
231 %stay active or turn it to sleep. They checked the connection of the graph via laplacian of adjancy graph of active sensors in each round.  the generation of coverage bitmap by using  Minkowski technique, the network is able to providing the desired ratio of coverage. They have been defined the  connected coverage problem as an optimization problem and a centralized genetic algorithm is used to find the solution.\r
232 \r
233 %Several algorithms to retain the coverage and maximize the network lifetime were proposed in~\cite{cardei2006energy,wang2011coverage}. \r
234 \r
235 %\uppercase{\textbf{shortcomings}}. In spite of many energy-efficient protocols for maintaining the coverage and improving the network lifetime in WSNs were proposed, non of them ensure the coverage for the sensing field with optimal minimum number of active sensor nodes, and for a long time as possible. For example, in a full centralized algorithms, an optimal solutions can be given by using optimization approaches, but in the same time, a high energy is consumed for the execution time of the algorithm and the communications among the sensors in the sensing field, so, the  full centralized approaches are not good candidate to use it especially in large WSNs. Whilst, a full distributed algorithms can not give optimal solutions because this algorithms use only local information of the neighboring sensors, but in the same time, the energy consumption during the communications and executing the algorithm is highly lower. Whatever the case, this would result in a shorter lifetime coverage in WSNs.\r
236 \r
237 %\uppercase{\textbf{Our Protocol}}. In this paper, a Lifetime Coverage Optimization Protocol, called (PeCO) in WSNs is suggested. The sensing field is divided into smaller subregions by means of divide-and-conquer method, and a PeCO protocol is distributed in each sensor in the subregion. The network lifetime in each subregion is divided into periods, each period includes 4 stages: Information Exchange, Leader election, decision based activity scheduling optimization, and sensing. The leaders are elected in an independent, asynchronous, and distributed way in all the subregions of the WSN. After that, energy-efficient activity scheduling mechanism based new optimization model is performed by each leader in the subregions. This optimization model is based on the perimeter coverage model in order to producing the optimal cover set of active sensors, which are taken the responsibility of sensing during the current period. PeCO protocol merges between two energy efficient mechanisms, which are used the main advantages of the centralized and distributed approaches and avoids the most of their disadvantages.\r
238 \r
239 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}\r
240 \label{sec:The PeCO Protocol Description}\r
241 \r
242 \noindent  In  this  section,  we  describe in  details  our Perimeter-based  Coverage\r
243 Optimization protocol.  First we present the  assumptions we made and the models\r
244 we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the\r
245 background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm\r
246 executed by each node.\r
247 \r
248 % It is based on two efficient-energy mechanisms: the first, is partitioning the sensing field into smaller subregions, and one leader is elected for each subregion;  the second, a sensor activity scheduling based new optimization model so as to produce the optimal cover set of active sensors for the sensing stage during the period.  Obviously, these two mechanisms can be contribute in extend the network lifetime coverage efficiently. \r
249 %Before proceeding in the presentation of the main ideas of the protocol, we will briefly describe the perimeter coverage model and give some necessary assumptions and definitions.\r
250 \r
251 \subsection{Assumptions and Models}\r
252 \label{CI}\r
253 \r
254 \noindent A WSN consisting of $J$ stationary sensor nodes randomly and uniformly\r
255 distributed in  a bounded sensor field  is considered. The wireless  sensors are\r
256 deployed in high density  to ensure initially a high coverage  ratio of the area\r
257 of interest.  We  assume that all the  sensor nodes are homogeneous  in terms of\r
258 communication,  sensing,  and  processing capabilities  and  heterogeneous  from\r
259 the energy provision  point of  view.  The  location information  is available  to a\r
260 sensor node either  through hardware such as embedded GPS  or location discovery\r
261 algorithms.   We  assume  that  each  sensor  node  can  directly  transmit  its\r
262 measurements to  a mobile  sink node.  For  example, a sink  can be  an unmanned\r
263 aerial  vehicle  (UAV)  flying  regularly  over  the  sensor  field  to  collect\r
264 measurements from sensor nodes. A mobile sink node collects the measurements and\r
265 transmits them to the base station.   We consider a Boolean disk coverage model,\r
266 which is the most  widely used sensor coverage model in  the literature, and all\r
267 sensor nodes  have a constant sensing  range $R_s$.  Thus, all  the space points\r
268 within a disk centered at a sensor with  a radius equal to the sensing range are\r
269 said to be covered  by this sensor. We also assume  that the communication range\r
270 $R_c$ satisfies $R_c  \geq 2 \cdot R_s$. In fact,  Zhang and Zhou~\cite{Zhang05}\r
271 proved  that if  the  transmission  range fulfills  the  previous hypothesis,  the\r
272 complete coverage of a convex area implies connectivity among active nodes.\r
273 \r
274 The PeCO protocol  uses the  same perimeter-coverage  model as  Huang and\r
275 Tseng in~\cite{huang2005coverage}. It  can be expressed as follows:  a sensor is\r
276 said to be perimeter  covered if all the points on its  perimeter are covered by\r
277 at least  one sensor  other than  itself.  They  proved that  a network  area is\r
278 $k$-covered if and only if each sensor in the network is $k$-perimeter-covered (perimeter covered by at least $k$ sensors).\r
279 %According to this model, we named the intersections among the sensor nodes in the sensing field as intersection points. Instead of working with the coverage area, we consider for each sensor a set of intersection points which are determined by using perimeter-coverage model. \r
280 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  shows  the coverage  of  sensor  node~$0$. On  this\r
281 figure, we can  see that sensor~$0$ has  nine neighbors and we  have reported on\r
282 its  perimeter (the  perimeter  of the  disk  covered by  the  sensor) for  each\r
283 neighbor  the  two  points  resulting  from the intersection  of  the  two  sensing\r
284 areas. These points are denoted for  neighbor~$i$ by $iL$ and $iR$, respectively\r
285 for  left and  right from  a neighboing  point of  view.  The  resulting couples  of\r
286 intersection points subdivide  the perimeter of sensor~$0$  into portions called\r
287 arcs.\r
288 \r
289 \begin{figure}[ht!]\r
290   \centering\r
291   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
292     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.tiff} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\\r
293     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.tiff} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
294   \end{tabular}\r
295   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of\r
296     $u$'s perimeter covered by $v$.}\r
297   \label{pcm2sensors}\r
298 \end{figure} \r
299 \r
300 Figure~\ref{pcm2sensors}(b) describes the geometric information used to find the\r
301 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor\r
302 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the\r
303 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the\r
304 sensing area~: $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$. From the previous coordinates we can\r
305 compute the euclidean distance between nodes~$u$ and $v$: $Dist(u,v)=\sqrt{\vert\r
306   u_x  - v_x  \vert^2 +  \vert u_y-v_y  \vert^2}$, while  the angle~$\alpha$  is\r
307 obtained through  the formula:\r
308  \[\r
309 \alpha =  \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s}\r
310 \right).\r
311 \] \r
312 The arc on the perimeter of~$u$ defined by the angular interval $[\pi\r
313   - \alpha,\pi + \alpha]$ is said to be perimeter-covered by sensor~$v$.\r
314 \r
315 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi]$\r
316 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.\r
317 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of\r
318 sensor $0$ and  Figure~\ref{expcm} gives the position of  the corresponding arcs\r
319 in  the interval  $[0,2\pi]$. More  precisely, we  can see  that the  points are\r
320 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective\r
321 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting\r
322 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of\r
323 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The\r
324 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For\r
325 example, \r
326 between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$\r
327 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{expcm}), which\r
328 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. \r
329 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of\r
330 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed\r
331 above is thus given by the sixth line of the table.\r
332 \r
333 %The points reported on the line segment $[0,2\pi]$ separates it in intervals as shown in figure~\ref{expcm}. For example, for each neighboring sensor of sensor 0, place the points  $\alpha^ 1_L$, $\alpha^ 1_R$, $\alpha^ 2_L$, $\alpha^ 2_R$, $\alpha^ 3_L$, $\alpha^ 3_R$, $\alpha^ 4_L$, $\alpha^ 4_R$, $\alpha^ 5_L$, $\alpha^ 5_R$, $\alpha^ 6_L$, $\alpha^ 6_R$, $\alpha^ 7_L$, $\alpha^ 7_R$, $\alpha^ 8_L$, $\alpha^ 8_R$, $\alpha^ 9_L$, and $\alpha^ 9_R$; on the line segment $[0,2\pi]$, and then sort all these points in an ascending order into a list.  Traverse the line segment $[0,2\pi]$ by visiting each point in the sorted list from left to right and determine the coverage level of each interval of the sensor 0 (see figure \ref{expcm}). For each interval, we sum up the number of parts of segments, and we deduce a level of coverage for each interval. For instance, the interval delimited by the points $5L$ and $6L$ contains three parts of segments. That means that this part of the perimeter of the sensor $0$ may be covered by three sensors, sensor $0$ itself and sensors $2$ and $5$. The level of coverage of this interval may reach $3$ if all previously mentioned sensors are active. Let say that sensors $0$, $2$ and $5$ are involved in the coverage of this interval. Table~\ref{my-label} summarizes the level of coverage for each interval and the sensors involved in for sensor node 0 in figure~\ref{pcm2sensors}(a). \r
334 % to determine the level of the perimeter coverage for each left and right point of a segment.\r
335 \r
336 \begin{figure*}[t!]\r
337 \centering\r
338 \includegraphics[width=127.5mm]{figure2.tiff}  \r
339 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}\r
340 \label{expcm}\r
341 \end{figure*} \r
342 \r
343 %For example, consider the sensor node $0$ in figure~\ref{pcmfig}, which has 9 neighbors. Figure~\ref{expcm} shows the perimeter coverage level for all left and right points of a segment that covered by a neighboring sensor nodes. Based on the figure~\ref{expcm}, the set of sensors for each left and right point of the segments illustrated in figure~\ref{ex2pcm} for the sensor node 0.\r
344 \r
345 \r
346 \r
347  \begin{table}\r
348  \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0 \label{my-label}}\r
349 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}\r
350 \hline\r
351 \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Left \\ point \\ angle~$\alpha$ \end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ left \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ right \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Maximum \\ coverage\\  level\end{tabular} & \multicolumn{5}{c|}{\begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Set of sensors\\ involved \\ in coverage interval\end{tabular}} \\ \hline\r
352 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline\r
353 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline\r
354 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline\r
355 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline\r
356 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline\r
357 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline\r
358 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline\r
359 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline\r
360 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline\r
361 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline\r
362 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline\r
363 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline\r
364 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline\r
365 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline\r
366 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline\r
367 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline\r
368 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline\r
369 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline\r
370 \end{tabular}}\r
371 \r
372 \r
373 \end{table}\r
374 \r
375 \r
376 %The optimization algorithm that used by PeCO protocol based on the perimeter coverage levels of the left and right points of the segments and worked to minimize the number of sensor nodes for each left or right point of the segments within each sensor node. The algorithm minimize the perimeter coverage level of the left and right points of the segments, while, it assures that every perimeter coverage level of the left and right points of the segments greater than or equal to 1.\r
377 \r
378 In the PeCO  protocol, the scheduling of the sensor  nodes' activities is formulated  with an\r
379 integer program  based on  coverage intervals. The  formulation of  the coverage\r
380 optimization problem is  detailed in~section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor\r
381 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in\r
382 Figure~\ref{ex4pcm}, the maximum coverage level for  this arc is set to $\infty$\r
383 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the\r
384 optimization algorithm.\r
385  \r
386 \begin{figure}[h!]\r
387 \centering\r
388 \includegraphics[width=62.5mm]{figure3.tiff}  \r
389 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}\r
390 \label{ex4pcm}\r
391 \end{figure} \r
392 %Figure~\ref{ex5pcm} gives an example to compute the perimeter coverage levels for the left and right points of the segments for a sensor node $0$, which has a part of its sensing range exceeding the border of the sensing field of WSN, and it has a six neighbors. In figure~\ref{ex5pcm}, the sensor node $0$ has two segments outside the border of the network sensing field, so the left and right points of the two segments called $-1L$, $-1R$, $-2L$, and $-2R$.\r
393 %\begin{figure}[ht!]\r
394 %\centering\r
395 %\includegraphics[width=75mm]{ex5pcm.jpg}  \r
396 %\caption{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0 having a  part of its sensing range outside the border.}\r
397 %\label{ex5pcm}\r
398 %\end{figure} \r
399 \r
400 \subsection{The Main Idea}\r
401 \r
402 \noindent The  WSN area of  interest is, in a  first step, divided  into regular\r
403 homogeneous subregions  using a divide-and-conquer  algorithm. In a  second step\r
404 our  protocol  will  be  executed  in   a  distributed  way  in  each  subregion\r
405 simultaneously to schedule nodes' activities for one sensing period.\r
406 \r
407 As  shown in  Figure~\ref{fig2}, node  activity  scheduling is  produced by  our\r
408 protocol in a periodic manner. Each period is divided into 4 stages: Information\r
409 (INFO)  Exchange,  Leader Election,  Decision  (the  result of  an  optimization\r
410 problem),  and  Sensing.   For  each  period there  is  exactly  one  set  cover\r
411 responsible for  the sensing task.  Protocols  based on a periodic  scheme, like\r
412 PeCO, are more  robust against an unexpected  node failure. On the  one hand, if\r
413 a node failure is discovered before  taking the decision, the corresponding sensor\r
414 node will  not be considered  by the optimization  algorithm. On  the other\r
415 hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the\r
416 network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a\r
417 new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in\r
418 the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be\r
419 taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their\r
420 information (including their  residual energy) at the beginning  of each period.\r
421 However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)\r
422 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor\r
423 the area.\r
424 \r
425 \begin{figure}[t!]\r
426 \centering\r
427 \includegraphics[width=80mm]{figure4.tiff}  \r
428 \caption{PeCO protocol.}\r
429 \label{fig2}\r
430 \end{figure} \r
431 \r
432 We define two types of packets to be used by PeCO protocol:\r
433 %\begin{enumerate}[(a)]\r
434 \begin{itemize} \r
435 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same\r
436   subregion for information exchange.\r
437 \item ActiveSleep packet: sent  by the leader to all the  nodes in its subregion\r
438   to transmit to  them their respective status (stay Active  or go Sleep) during\r
439   sensing phase.\r
440 \end{itemize}\r
441 %\end{enumerate}\r
442 \r
443 Five status are possible for a sensor node in the network:\r
444 %\begin{enumerate}[(a)] \r
445 \begin{itemize} \r
446 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);\r
447 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to\r
448   determine the activities scheduling;\r
449 \item ACTIVE: node is sensing;\r
450 \item SLEEP: node is turned off;\r
451 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.\r
452 \end{itemize}\r
453 %\end{enumerate}\r
454 %Below, we describe each phase in more details.\r
455 \r
456 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}\r
457 \r
458 \noindent The  pseudocode implementing the  protocol on  a node is  given below.\r
459 More  precisely,  Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives  a brief  description  of  the\r
460 protocol applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.\r
461 \r
462 \r
463 \iffalse\r
464 \begin{algorithm}      \r
465  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}\r
466 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}\r
467   \BlankLine\r
468   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; \r
469   \r
470   \If{ $RE_k \geq E_{th}$ }{\r
471       \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION}\;\r
472       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion}\;\r
473       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion}\; \r
474       \emph{Update K.CurrentSize}\;\r
475       \emph{LeaderID = Leader election}\;\r
476       \If{$ s_k.ID = LeaderID $}{\r
477          \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION}\;\r
478          \r
479       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader }{\r
480           \emph{ Execute the perimeter coverage model}\;\r
481          % \emph{ Determine the segment points using perimeter coverage model}\;\r
482       }\r
483       \r
484       \If{$ (s_k.ID $ is the same Previous Leader) And (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{\r
485       \r
486          \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage}\;\r
487       }\r
488       \Else{\r
489             \emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm}\;\r
490             \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)}\;\r
491             \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize}\;\r
492            }\r
493       \r
494         \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION}\;\r
495         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion}\;\r
496         \emph{Update $RE_k $}\;\r
497       }   \r
498       \Else{\r
499         \emph{$s_k.status$ = LISTENING}\;\r
500         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;\r
501         \emph{Update $RE_k $}\;\r
502       }  \r
503   }\r
504   \Else { Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage}\r
505   }\r
506 %\caption{PeCO($s_k$)}\r
507 \label{alg:PeCO}\r
508 \end{algorithm}\r
509 \fi\r
510 \r
511 In this  algorithm, K.CurrentSize and K.PreviousSize  respectively represent the\r
512 current number and  the previous number of living nodes in  the subnetwork of the\r
513 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_k$, which\r
514 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current\r
515 period.  Each  sensor node  determines its position  and its subregion  using an\r
516 embedded  GPS or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors\r
517 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number\r
518 of their  one-hop live  neighbors during the  information exchange.  The sensors\r
519 inside a same region cooperate to elect a leader. The selection criteria for the\r
520 leader, in order of priority,  are: larger numbers of neighbors, larger remaining\r
521 energy, and  then in case  of equality, larger  index.  Once chosen,  the leader\r
522 collects information to formulate and  solve the integer program which allows to\r
523 construct the set of active sensors in the sensing stage.\r
524 \r
525 %After the cooperation among the sensor nodes in the same subregion, the leader will be elected in distributed way, where each sensor node and based on it's information decide who is the leader. The selection criteria for the leader in order  of priority  are: larger number of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of equality, larger index. Thereafter,  if the sensor node is leader, it will execute the perimeter-coverage model for each sensor in the subregion in order to determine the segment points which would be used in the next stage by the optimization algorithm of the PeCO protocol. Every sensor node is selected as a leader, it is executed the perimeter coverage model only one time during it's life in the network.\r
526 \r
527 % The leader has the responsibility of applying the integer program algorithm (see section~\ref{cp}), which provides a set of sensors planned to be active in the sensing stage.  As leader, it will send an Active-Sleep packet to each sensor in the same subregion to inform it if it has to be active or not. On the contrary, if the sensor is not the leader, it will wait for the Active-Sleep packet to know its state for the sensing stage.\r
528 \r
529 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}\r
530 \label{cp}\r
531 \r
532 \noindent In this  section, the coverage model is  mathematically formulated. We\r
533 start  with a  description of the notations that will  be used  throughout the\r
534 section.\\\r
535 First, we have the following sets:\r
536 \begin{itemize}\r
537 \item $S$ represents the set of WSN sensor nodes;\r
538 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;\r
539 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for\r
540   sensor~$j$.\r
541 \end{itemize}\r
542 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according\r
543 to the  method introduced in  subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,\r
544 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved\r
545 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:\r
546 \begin{equation}\r
547 a^j_{ik} = \left \{ \r
548 \begin{array}{lll}\r
549   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\\r
550         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\\r
551   0 & \mbox{otherwise.}\\\r
552 \end{array} \right.\r
553 %\label{eq12} \r
554 %\notag\r
555 \end{equation}\r
556 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.\r
557 %, where the objective is to find the maximum number of non-disjoint sets of sensor nodes such that each set cover can assure the coverage for the whole region so as to extend the network lifetime in WSN. Our model uses the PCL~\cite{huang2005coverage} in order to optimize the lifetime coverage in each subregion.\r
558 %We defined some parameters, which are related to our optimization model. In our model,  we  consider binary variables $X_{k}$, which determine the activation of sensor $k$ in the sensing round $k$. .\r
559 Second,  we define  several binary  and integer  variables.  Hence,  each binary\r
560 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase\r
561 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  an integer\r
562 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$\r
563 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same\r
564 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.\r
565 \r
566 If we decide to sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter\r
567 of sensor  $j$, we have  to ensure  that at least  $l$ sensors involved  in each\r
568 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$  are active.   According to  the\r
569 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of\r
570 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network\r
571 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each\r
572 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors\r
573 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all\r
574 coverage intervals. Therefore we use variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ as a measure\r
575 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage\r
576 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,\r
577 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the\r
578 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,\r
579 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.\r
580 \r
581 %A system of linear constraints is imposed to attempt to keep the coverage level in each coverage interval to within specified PCL. Since it is physically impossible to satisfy all constraints simultaneously, each constraint uses a variable to either record when the coverage level is achieved, or to record the deviation from the desired coverage level. These additional variables are embedded into an objective function to be minimized. \r
582 \r
583 %\noindent In this paper, let us define some parameters, which are used in our protocol.\r
584 %the set of segment points is denoted by $I$, the set of all sensors in the network by $J$, and the set of alive sensors within $J$ by $K$.\r
585 \r
586 \r
587 %\noindent \begin{equation}\r
588 %X_{k} = \left \{ \r
589 %\begin{array}{l l}\r
590  % 1& \mbox{if sensor $k$  is active,} \\\r
591 %  0 &  \mbox{otherwise.}\\\r
592 %\end{array} \right.\r
593 %\label{eq11} \r
594 %\notag\r
595 %\end{equation}\r
596 \r
597 %\noindent $M^j_i (undercoverage): $ integer value $\in  \mathbb{N}$ for segment point $i$ of sensor $j$.\r
598 \r
599 %\noindent $V^j_i (overcoverage): $ integer value $\in  \mathbb{N}$ for segment point $i$ of sensor $j$.\r
600 \r
601 Our coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: \r
602 %Objective:\r
603 \begin{equation} %\label{eq:ip2r}\r
604 \left \{\r
605 \begin{array}{ll}\r
606 \min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\\r
607 \textrm{subject to :}&\\\r
608 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\\r
609 %\label{c1} \r
610 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\\r
611 % \label{c2}\r
612 % \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\\r
613 % U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P\\\r
614 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A\r
615 \end{array}\r
616 \right.\r
617 %\notag\r
618 \end{equation}\r
619 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the\r
620 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,\r
621 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may\r
622 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another\r
623 region. This  kind of integer program  is inspired from the  model developed for\r
624 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution\r
625 \cite{0031-9155-44-1-012}. The integer  program must be solved by  the leader in\r
626 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment\r
627 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of\r
628 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all\r
629 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since we\r
630 consider only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one\r
631 sensing phase) in the model.\r
632 \r
633 \section{Performance Evaluation and Analysis}  \r
634 \label{sec:Simulation Results and Analysis}\r
635 %\noindent \subsection{Simulation Framework}\r
636 \r
637 \subsection{Simulation Settings}\r
638 %\label{sub1}\r
639 \r
640 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions\r
641 and we use the same energy consumption than in our previous work~\cite{Idrees2}.\r
642 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.\r
643 \r
644 \begin{table}[ht]\r
645 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{\r
646 % title of Table\r
647 \centering\r
648 % used for centering table\r
649 \begin{tabular}{c|c}\r
650 % centered columns (4 columns)\r
651 \hline\r
652 Parameter & Value  \\ [0.5ex]\r
653    \r
654 \hline\r
655 % inserts single horizontal line\r
656 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\\r
657 \r
658 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\\r
659 %\hline\r
660 Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  \r
661 %\hline\r
662 Sensing period & duration of 60 minutes \\\r
663 $E_{th}$ & 36~Joules\\\r
664 $R_s$ & 5~m   \\     \r
665 %\hline\r
666 $\alpha^j_i$ & 0.6   \\\r
667 % [1ex] adds vertical space\r
668 %\hline\r
669 $\beta^j_i$ & 0.4\r
670 %inserts single line\r
671 \end{tabular}}\r
672 \r
673 % is used to refer this table in the text\r
674 \end{table}\r
675 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five\r
676 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering\r
677 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of\r
678 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a\r
679 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is\r
680 randomly drawn in the interval $[500-700]$.   If its energy provision reaches a\r
681 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a\r
682 node  to stay  active during  one period,  it will  no more  participate in  the\r
683 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,\r
684 obtained by multiplying  the energy consumed in active state  (9.72 mW) with the\r
685 time in  seconds for one  period (3600 seconds), and  adding the energy  for the\r
686 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may\r
687 be active during at most 20 periods.\r
688 \r
689 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good\r
690 network coverage and a longer WSN lifetime.  We have given a higher priority to\r
691 the  undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than\r
692 $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the\r
693 sensor~$j$.  On the  other hand,  we have assigned to\r
694 $\beta^j_i$ a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute\r
695 in covering the interval.\r
696 \r
697 We introduce the following performance metrics to evaluate the efficiency of our\r
698 approach.\r
699 \r
700 %\begin{enumerate}[i)]\r
701 \begin{itemize}\r
702 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until\r
703   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and\r
704   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is\r
705   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can\r
706   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their\r
707   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial\r
708   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a\r
709   base station an event it has sensed.\r
710 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to\r
711   observe the area of interest. In our  case, we discretized the sensor field as\r
712   a regular grid, which yields the following equation:\r
713   \r
714 %\begin{equation*}\r
715 \[\r
716     \scriptsize\r
717     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100\r
718 \]\r
719 %  \end{equation*}\r
720 \r
721   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every\r
722   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid\r
723   points in  the sensing  field.  In  our simulations  we have  set a  layout of\r
724   $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points.\r
725 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of our protocol is to\r
726   activate  as few nodes as possible,  in order  to minimize  the communication\r
727   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as\r
728   follows:\r
729   %\begin{equation*}\r
730 \[\r
731     \scriptsize\r
732     \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|S|$}} \times 100\r
733 \]\r
734   %\end{equation*}\r
735   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the\r
736   current sensing period~$p$, $|S|$ is the number of sensors in the network, and\r
737   $R$ is the number of subregions.\r
738 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total\r
739   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,\r
740   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to\r
741   this formula:\r
742   %\begin{equation*}\r
743 \[  \r
744   \scriptsize\r
745     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  \r
746       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},\r
747 \]\r
748  % \end{equation*}\r
749   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by\r
750   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy\r
751   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the\r
752   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during\r
753   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to\r
754   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the\r
755   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$\r
756   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer\r
757   program during a period.  Finally, $E^a_{p}$ and $E^s_{p}$ indicate the energy\r
758   consumed by the WSN during the sensing phase (active and sleeping nodes).\r
759 \end{itemize}\r
760 %\end{enumerate}\r
761 \r
762 \subsection{Simulation Results}\r
763 \r
764 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have\r
765 implemented PeCO protocol in  OMNeT++~\cite{varga} simulator.  Besides PeCO, two\r
766 other  protocols,  described  in  the  next paragraph,  will  be  evaluated  for\r
767 comparison purposes.   The simulations were run  on a DELL laptop  with an Intel\r
768 Core~i3~2370~M (2.4~GHz)  processor (2  cores) whose MIPS  (Million Instructions\r
769 Per Second) rate  is equal to 35330. To  be consistent with the use  of a sensor\r
770 node based on  Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz) having  a MIPS rate\r
771 equal to 6,  the original execution time  on the laptop is  multiplied by 2944.2\r
772 $\left(\frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  The modeling  language for\r
773 Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer\r
774 program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the\r
775 optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public\r
776 domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method.\r
777 \r
778 As said previously, the PeCO is  compared to three other approaches. The first\r
779 one,  called  DESK,  is  a  fully distributed  coverage  algorithm  proposed  by\r
780 \cite{ChinhVu}. The second one,  called GAF~\cite{xu2001geography}, consists in\r
781 dividing  the monitoring  area into  fixed  squares. Then,  during the  decision\r
782 phase, in each square, one sensor is  chosen to remain active during the sensing\r
783 phase. The last  one, the DiLCO protocol~\cite{Idrees2}, is  an improved version\r
784 of a research work we presented in~\cite{idrees2014coverage}. Let us notice that\r
785 PeCO and  DiLCO protocols are  based on the  same framework. In  particular, the\r
786 choice for the simulations of a partitioning in 16~subregions was made because\r
787 it corresponds to the configuration producing  the best results for DiLCO. The\r
788 protocols are distinguished  from one another by the formulation  of the integer\r
789 program providing the set of sensors which  have to be activated in each sensing\r
790 phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of a set of primary points,\r
791 whereas the PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each\r
792 sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to\r
793 one ($l=1$).\r
794 \r
795 \subsubsection{\bf Coverage Ratio}\r
796 \r
797 Figure~\ref{fig333}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes\r
798 obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better\r
799 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%\r
800 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the\r
801 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which\r
802 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate\r
803 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly\r
804 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio\r
805 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more\r
806 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a\r
807 substantial increase of the coverage performance.\r
808 \r
809 \parskip 0pt    \r
810 \begin{figure}[h!]\r
811 \centering\r
812  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} \r
813 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}\r
814 \label{fig333}\r
815 \end{figure} \r
816 \r
817 %When the number of periods increases, coverage ratio produced by DESK and GAF protocols decreases. This is due to dead nodes. However, DiLCO protocol maintains almost a good coverage from the round 31 to the round 63 and it is close to PeCO protocol. The coverage ratio of PeCO protocol is better than other approaches from the period 64.\r
818 \r
819 %because the optimization algorithm used by PeCO has been optimized the lifetime coverage based on the perimeter coverage model, so it provided acceptable coverage for a larger number of periods and prolonging the network lifetime based on the perimeter of the sensor nodes in each subregion of WSN. Although some nodes are dead, sensor activity scheduling based optimization of PeCO selected another nodes to ensure the coverage of the area of interest. i.e. DiLCO-16 showed a good coverage in the beginning then PeCO, when the number of periods increases, the coverage ratio decreases due to died sensor nodes. Meanwhile, thanks to sensor activity scheduling based new optimization model, which is used by PeCO protocol to ensure a longer lifetime coverage in comparison with other approaches. \r
820 \r
821 \r
822 \subsubsection{\bf Active Sensors Ratio}\r
823 \r
824 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the\r
825 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{fig444}\r
826 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that\r
827 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen\r
828 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92~\% and\r
829 20.16~\% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods\r
830 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with\r
831 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in\r
832 Figure \ref{fig333}.\r
833 \r
834 \begin{figure}[h!]\r
835 \centering\r
836 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  \r
837 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}\r
838 \label{fig444}\r
839 \end{figure} \r
840 \r
841 \subsubsection{\bf Energy Consumption}\r
842 \r
843 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,\r
844 computation, listening, active, and sleep status for different network densities\r
845 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{fig3EC}(a)  and  (b)\r
846 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for\r
847 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the\r
848 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both\r
849 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might\r
850 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but\r
851 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the\r
852 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to\r
853 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption\r
854 while keeping a good coverage level.\r
855 \r
856 \begin{figure}[h!]\r
857   \centering\r
858   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
859     \includegraphics[scale=0.475]{figure7a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\\r
860     \includegraphics[scale=0.475]{figure7b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
861   \end{tabular}\r
862   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}\r
863   \label{fig3EC}\r
864 \end{figure} \r
865 \r
866 %The optimization algorithm, which used by PeCO protocol,  was improved the lifetime coverage efficiently based on the perimeter coverage model.\r
867 \r
868  %The other approaches have a high energy consumption due to activating a larger number of sensors. 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. \r
869 \r
870 \r
871 %\subsubsection{Execution Time}\r
872 \r
873 \subsubsection{\bf Network Lifetime}\r
874 \r
875 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the\r
876 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In\r
877 Figures~\ref{fig3LT}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for\r
878 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime\r
879 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO\r
880 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage\r
881 ratio greater than 50\%, we can  see on Figure~\ref{fig3LT}(b) that the lifetime\r
882 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance\r
883 difference    is    more    obvious   in    Figure~\ref{fig3LT}(b)    than    in\r
884 Figure~\ref{fig3LT}(a) because the gain induced  by our protocols increases with\r
885  time, and the lifetime with a coverage  of 50\% is far  longer than with\r
886 95\%.\r
887 \r
888 \begin{figure}[h!]\r
889   \centering\r
890   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
891     \includegraphics[scale=0.475]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  \r
892     \includegraphics[scale=0.475]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
893   \end{tabular}\r
894   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ \\\r
895     and (b)~$Lifetime_{50}$.}\r
896   \label{fig3LT}\r
897 \end{figure} \r
898 \r
899 %By choosing the best suited nodes, for each period, 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, PeCO protocol efficiently prolonged the network lifetime especially for a coverage ratio greater than $50 \%$, whilst it stayed very near to  DiLCO-16 protocol for $95 \%$.\r
900 \r
901 Figure~\ref{figLTALL}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for\r
902 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,\r
903 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can\r
904 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$\r
905 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications\r
906 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be\r
907 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level\r
908 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three\r
909 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network\r
910 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is\r
911 not ineffective for the smallest network sizes.\r
912 \r
913 \begin{figure}[h!]\r
914 \centering \includegraphics[scale=0.5]{figure9.eps}\r
915 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}\r
916 \label{figLTALL}\r
917 \end{figure} \r
918 \r
919 %Comparison shows that PeCO protocol, which are used distributed optimization over the subregions, is the more relevance one for most coverage ratios and WSN sizes because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. PeCO protocol gave acceptable coverage ratio for a larger number of periods using new optimization algorithm that based on a perimeter coverage model. It also means that distributing the algorithm 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.\r
920 \r
921 \r
922 \section{Conclusion and Future Works}\r
923 \label{sec:Conclusion and Future Works}\r
924 \r
925 In this paper  we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in\r
926 WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which\r
927 schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of\r
928 maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This\r
929 protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after\r
930 partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and\r
931 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors\r
932 operating in active status for each period. Our work is original in so far as it\r
933 proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of\r
934 sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of\r
935 targets/points to be covered.\r
936 \r
937 %To cope with this problem, the area of interest is divided into a smaller subregions using  divide-and-conquer method, and then a PeCO protocol for optimizing the lifetime coverage in each subregion. PeCO protocol combines two efficient techniques:  network\r
938 %leader election, which executes the perimeter coverage model (only one time), the optimization algorithm, and sending the schedule produced by the optimization algorithm to other nodes in the subregion ; the second, sensor activity scheduling based optimization in which a new lifetime coverage optimization model is proposed. The main challenges include how to select the  most efficient leader in each subregion and the best schedule of sensor nodes that will optimize the network lifetime coverage\r
939 %in the subregion. \r
940 %The network lifetime coverage in each subregion is divided into\r
941 %periods, each period consists  of four stages: (i) Information Exchange,\r
942 %(ii) Leader Election, (iii) a Decision based new optimization model in order to\r
943 %select the  nodes remaining  active for the last stage,  and  (iv) Sensing.\r
944 We  have carried out  several simulations  to  evaluate the  proposed protocol.   The\r
945 simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other\r
946 approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and\r
947 energy consumption.\r
948 %Indeed, when dealing with large and dense WSNs, a distributed optimization approach on the subregions of WSN like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a single global optimization problem by partitioning it in many smaller problems, one per subregion, that can be solved more easily. We have  identified different  research directions  that arise  out of  the work presented here.\r
949 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple\r
950 sensing periods.\r
951 %in order to compute all active sensor schedules in only one step for many periods;\r
952 We also want  to improve our integer program to  take into account heterogeneous\r
953 sensors  from both  energy  and node  characteristics point of views.\r
954 %the third, we are investigating new optimization model based on the sensing range so as to maximize the lifetime coverage in WSN;\r
955 Finally,  it   would  be   interesting  to  implement   our  protocol   using  a\r
956 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.\r
957 \r
958 \bibliographystyle{gENO}\r
959 \bibliography{biblio}\r
960 \r
961 \r
962 \end{document}\r