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

Private GIT Repository
189f2363e4f773dcace0af8bd81a7c7213ff9c9e
[LiCO.git] / PeCO-EO / articleeo.tex
1 % gENOguide.tex
2 % v4.0 released April 2013
3
4 \documentclass{gENO2e}
5 %\usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
6 %\renewcommand{\algorithmcfname}{ALGORITHM}
7 \usepackage{indentfirst}
8 \usepackage[algo2e,ruled,vlined]{algorithm2e}
9 \begin{document}
10
11 %\jvol{00} \jnum{00} \jyear{2013} \jmonth{April}
12
13 %\articletype{GUIDE}
14
15 \title{{\itshape Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime \\
16     in Wireless Sensor Networks}}
17
18 \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}$
19 $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte,
20           Belfort, France}}}
21
22 \maketitle
23
24 \begin{abstract}
25 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the
26 use of its limited energy provision, so  that it can fulfill its monitoring task
27 as  long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to
28 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity
29 scheduling which ensures  sensing coverage while minimizing the  energy cost. We
30 propose such  an approach called Perimeter-based  Coverage Optimization protocol
31 (PeCO). It  is a hybrid  of centralized and  distributed methods: the  region of
32 interest  is  first  subdivided  into   subregions  and  the  protocol  is  then
33 distributed among sensor  nodes in each subregion.  The novelty  of our approach
34 lies essentially  in the  formulation of a  new mathematical  optimization model
35 based  on  the  perimeter  coverage   level  to  schedule  sensors'  activities.
36 Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO can offer longer lifetime
37 coverage for WSNs in comparison with some other protocols.
38
39 \begin{keywords}
40   Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.
41 \end{keywords}
42
43 \end{abstract}
44
45
46 \section{Introduction}
47 \label{sec:introduction}
48
49 The continuous progress in Micro  Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless
50 communication hardware has  given rise to the opportunity to  use large networks
51 of      tiny       sensors,      called      Wireless       Sensor      Networks
52 (WSN)~\citep{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to fulfill monitoring
53 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by
54 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node
55 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the
56 user by means of  sink nodes. The features of a WSN made  it suitable for a wide
57 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,
58 military, and so on~\citep{yick2008wireless}.  Typically, a sensor node contains
59 three main components~\citep{anastasi2009energy}: a sensing unit able to measure
60 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a
61 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio
62 communication unit for data transmission and receiving.
63
64 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and
65 communication is supplied by a power supply which is a battery. This battery has
66 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or
67 recharge it in  most applications. Therefore it is necessary  to deploy WSN with
68 high density  in order to  increase reliability  and to exploit  node redundancy
69 thanks to energy-efficient activity  scheduling approaches.  Indeed, the overlap
70 of sensing  areas can be exploited  to schedule alternatively some  sensors in a
71 low power sleep mode and thus save  energy. Overall, the main question that must
72 be answered is: how to extend the lifetime coverage of a WSN as long as possible
73 while  ensuring  a   high  level  of  coverage?   These  past   few  years  many
74 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the
75 lifetime of the WSNs~\citep{rault2014energy}.
76
77 This paper makes the following contributions.
78 \begin{enumerate}
79 \item  We  have   devised  a  framework  to  schedule  nodes   to  be  activated
80   alternatively such that the network  lifetime is prolonged while ensuring that
81   a certain level of  coverage is preserved.  A key idea in  our framework is to
82   exploit  spatial and  temporal  subdivision.  On  the one  hand,  the area  of
83   interest is  divided into several smaller  subregions and, on the  other hand,
84   the time line is divided into periods  of equal length.  In each subregion the
85   sensor nodes  will cooperatively  choose a leader  which will  schedule nodes'
86   activities,  and  this grouping  of  sensors  is  similar to  typical  cluster
87   architecture.
88 \item We have proposed a new mathematical optimization model.  Instead of trying
89   to cover a set of specified points/targets  as in most of the methods proposed
90   in the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage
91   of  each  sensor.   The  model  involves  integer  variables  to  capture  the
92   deviations  between the  actual  level  of coverage  and  the required  level.
93   Hence, an  optimal schedule will be  obtained by minimizing a  weighted sum of
94   these deviations.
95 \item We  have conducted  extensive simulation  experiments, using  the discrete
96   event simulator  OMNeT++, to  demonstrate the efficiency  of our  protocol. We
97   have compared  the PeCO protocol  to two  approaches found in  the literature:
98   DESK~\citep{ChinhVu} and GAF~\citep{xu2001geography}, and also to our previous
99   protocol DiLCO published in~\citep{Idrees2}. DiLCO  uses the same framework as
100   PeCO but is based on another optimization model for sensor scheduling.
101 \end{enumerate}
102
103 The rest of the paper is organized as follows.  In the next section some related
104 work in the  field is reviewed. Section~\ref{sec:The  PeCO Protocol Description}
105 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the
106 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
107 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations
108 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
109 remarks  are  drawn  and  some  suggestions   are  given  for  future  works  in
110 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
111
112 \section{Related Literature}
113 \label{sec:Literature Review}
114
115 In  this  section,  some  related   works  regarding  the  coverage  problem  is
116 summarized, and specific  aspects of the PeCO protocol from  the works presented
117 in the literature are presented.
118
119 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three
120 categories~\citep{li2013survey}   according  to   their  respective   monitoring
121 objective.  Hence, area  coverage \citep{Misra} means that every  point inside a
122 fixed area must be monitored, while target coverage~\citep{yang2014novel} refers
123 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called
124 targets,   and   barrier  coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}   focuses   on
125 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In
126 \citep{Deng2012} authors  transform the  area coverage  problem into  the target
127 coverage one taking into account the  intersection points among disks of sensors
128 nodes    or   between    disk   of    sensor   nodes    and   boundaries.     In
129 \citep{Huang:2003:CPW:941350.941367}  authors prove  that if  the perimeters  of
130 sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They
131 provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter-coverage of
132 each sensor. $d$ denotes  the maximum number of sensors that  are neighbors to a
133 sensor, and  $n$ is the  total number  of sensors in  the network. {\it  In PeCO
134   protocol, instead  of determining the level  of coverage of a  set of discrete
135   points, our optimization model is  based on checking the perimeter-coverage of
136   each sensor to activate a minimal number of sensors.}
137
138 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to
139 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or
140 non-disjoint)\citep{wang2011coverage}, where each set completely covers a region
141 of interest, and to activate these set covers successively. The network activity
142 can  be planned  in advance  and scheduled  for the  entire network  lifetime or
143 organized in  periods, and  the set  of active  sensor nodes  is decided  at the
144 beginning  of  each period  \citep{ling2009energy}.   Active  node selection  is
145 determined   based  on   the  problem   requirements  (e.g.    area  monitoring,
146 connectivity, or power efficiency).  For instance, \citet{jaggi2006} address the
147 problem of maximizing  the lifetime by dividing sensors into  the maximum number
148 of  disjoint  subsets  such  that  each subset  can  ensure  both  coverage  and
149 connectivity. A greedy  algorithm is applied once to solve  this problem and the
150 computed  sets  are activated  in  succession  to  achieve the  desired  network
151 lifetime.    \citet{chin2007},   \citet{yan2008design},  \citet{pc10},   propose
152 algorithms working in  a periodic fashion where  a cover set is  computed at the
153 beginning of each period.  {\it Motivated by these works, PeCO protocol works in
154   periods,  where  each period  contains  a  preliminary phase  for  information
155   exchange and decisions, followed by a sensing  phase where one cover set is in
156   charge of the sensing task.}
157
158 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing of  these two
159 concepts,    have   been    proposed    to   extend    the   network    lifetime
160 \citep{zhou2009variable}.                      In                    distributed
161 algorithms~\citep{Tian02,yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed}     each    sensor
162 decides of  its own activity scheduling  after an information exchange  with its
163 neighbors.   The main  interest  of such  an  approach is  to  avoid long  range
164 communications and  thus to reduce  the energy dedicated to  the communications.
165 Unfortunately, since each  node has only information on  its immediate neighbors
166 (usually  the one-hop  ones) it  may make  a bad  decision leading  to a  global
167 suboptimal             solution.             Conversely,             centralized
168 algorithms~\citep{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}   always
169 provide nearly  or close to  optimal solution since  the algorithm has  a global
170 view of the whole network. The disadvantage of a centralized method is obviously
171 its high cost  in communications needed to  transmit to a single  node, the base
172 station which will globally schedule nodes'  activities, data from all the other
173 sensor nodes in  the area.  The price  in communications can be  huge since long
174 range communications will be  needed. In fact the larger the  WNS is, the higher
175 the communication and  thus the energy cost  are.  {\it In order  to be suitable
176   for  large-scale networks,  in  the PeCO  protocol, the  area  of interest  is
177   divided into  several smaller subregions, and  in each one, a  node called the
178   leader is  in charge of selecting  the active sensors for  the current period.
179   Thus our protocol is scalable and is a globally distributed method, whereas it
180   is centralized in each subregion.}
181
182 Various coverage scheduling algorithms have been developed these past few years.
183 Many of  them, dealing with  the maximization of the  number of cover  sets, are
184 heuristics.   These  heuristics involve  the  construction  of  a cover  set  by
185 including in priority the sensor nodes  which cover critical targets, that is to
186 say   targets   that  are   covered   by   the   smallest  number   of   sensors
187 \citep{berman04,zorbas2010solving}.  Other approaches  are based on mathematical
188 programming
189 formulations~\citep{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}        and
190 dedicated  techniques (solving  with a  branch-and-bound algorithm  available in
191 optimization  solver).  The  problem is  formulated as  an optimization  problem
192 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
193 energy  constraints.   Column  generation   techniques,  well-known  and  widely
194 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
195 also                                                                        been
196 used~\citep{castano2013column,doi:10.1080/0305215X.2012.687732,deschinkel2012column}.
197 {\it In  the PeCO  protocol, each leader,  in charge of  a subregion,  solves an
198   integer program which  has a twofold objective: minimize  the overcoverage and
199   the undercoverage of the perimeter of each sensor.}
200
201 The  authors   in  \citep{Idrees2}  propose  a   Distributed  Lifetime  Coverage
202 Optimization (DiLCO)  protocol, which  maintains the  coverage and  improves the
203 lifetime  in WSNs.   It is  an  improved version  of a  research work  presented
204 in~\citep{idrees2014coverage}.  First, the area  of interest is partitioned into
205 subregions using a divide-and-conquer method. DiLCO protocol is then distributed
206 on the  sensor nodes  in each  subregion in  a second  step. Hence this protocol
207 combines two  techniques: a leader  election in  each subregion, followed  by an
208 optimization-based   node  activity   scheduling  performed   by  each   elected
209 leader. The proposed DiLCO protocol is  a periodic protocol where each period is
210 decomposed into 4  phases: information exchange, leader  election, decision, and
211 sensing. The  simulations show that DiLCO  is able to increase  the WSN lifetime
212 and provides  improved coverage performance.  {\it  In the PeCO protocol,  a new
213   mathematical optimization model is proposed. Instead  of trying to cover a set
214   of  specified points/targets  as in  DiLCO protocol,  we formulate  an integer
215   program based on perimeter coverage of each sensor. The model involves integer
216   variables to capture  the deviations between the actual level  of coverage and
217   the required level. The idea is that an optimal scheduling will be obtained by
218   minimizing a weighted sum of these deviations.}
219   
220 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}
221 \label{sec:The PeCO Protocol Description}
222
223 %In  this  section,  the Perimeter-based  Coverage
224 %Optimization protocol is decribed in details.  First we present the  assumptions we made and the models
225 %we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the
226 %background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm
227 %executed by each node.
228
229
230 \subsection{Assumptions and Models}
231 \label{CI}
232
233 A  WSN  consisting  of  $J$  stationary  sensor  nodes  randomly  and  uniformly
234 distributed in  a bounded sensor field  is considered. The wireless  sensors are
235 deployed in high density  to ensure initially a high coverage  ratio of the area
236 of interest.  We  assume that all the  sensor nodes are homogeneous  in terms of
237 communication, sensing,  and processing capabilities and  heterogeneous from the
238 energy provision  point of  view.  The  location information  is available  to a
239 sensor node either  through hardware such as embedded GPS  or location discovery
240 algorithms. We consider a Boolean disk  coverage model, which is the most widely
241 used  sensor coverage  model in  the  literature, and  all sensor  nodes have  a
242 constant sensing range $R_s$.  Thus, all the space points within a disk centered
243 at a sensor with  a radius equal to the sensing range are  said to be covered by
244 this sensor.  We also assume that  the communication range $R_c$  satisfies $R_c
245 \geq 2  \cdot R_s$.  In fact,  \citet{Zhang05} proved  that if  the transmission
246 range fulfills the  previous hypothesis, the complete coverage of  a convex area
247 implies connectivity among active nodes.
248
249 The    PeCO   protocol    uses    the   same    perimeter-coverage   model    as
250 \citet{huang2005coverage}. It can  be expressed as follows: a sensor  is said to
251 be perimeter covered if all the points  on its perimeter are covered by at least
252 one sensor other  than itself.  Authors \citet{huang2005coverage}  proved that a
253 network area  is $k$-covered  (every point in  the area is  covered by  at least
254 $k$~sensors) if and only if each  sensor in the network is $k$-perimeter-covered
255 (perimeter covered by at least $k$ sensors).
256  
257 Figure~\ref{figure1}(a) shows the coverage of  sensor node~$0$.  On this figure,
258 sensor~$0$  has nine  neighbors  and  we have  reported  on  its perimeter  (the
259 perimeter of the  disk covered by the  sensor) for each neighbor  the two points
260 resulting from  the intersection  of the  two sensing  areas.  These  points are
261 denoted for neighbor~$i$ by $iL$ and  $iR$, respectively for left and right from
262 a  neighboring point  of view.   The  resulting couples  of intersection  points
263 subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called arcs.
264
265 \begin{figure}[ht!]
266   \centering
267   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
268     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.eps} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
269     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
270   \end{tabular}
271   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
272     $u$'s perimeter covered by $v$.}
273   \label{figure1}
274 \end{figure} 
275
276 Figure~\ref{figure1}(b)  describes the  geometric information  used to  find the
277 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
278 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
279 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
280 sensing area~:  $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$.  From the previous  coordinates the
281 euclidean distance between nodes~$u$ and $v$ is computed as follows:
282 $$
283   Dist(u,v)=\sqrt{\vert u_x - v_x \vert^2 + \vert u_y-v_y \vert^2},
284 $$
285 while the angle~$\alpha$ is obtained through the formula:
286  \[
287 \alpha = \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s} \right).
288 \] 
289 The  arc  on the  perimeter  of~$u$  defined by  the  angular  interval $[\pi  -
290   \alpha,\pi + \alpha]$ is then said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
291
292 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi)$
293 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
294 Figure~\ref{figure1}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
295 sensor $0$ and  Table~\ref{my-label} gives the position of  the corresponding arcs
296 in  the interval  $[0,2\pi)$. More  precisely, the  points are
297 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
298 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
299 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
300 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
301 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
302 example, between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
303 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{figure2}), which
304 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
305 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
306 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
307 above is thus given by the sixth line of the table.
308
309 \begin{figure*}[t!]
310 \centering
311 \includegraphics[width=127.5mm]{figure2.eps}  
312 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
313 \label{figure2}
314 \end{figure*} 
315
316 \begin{table}
317 \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for node 0 \label{my-label}}
318 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
319 \hline
320 \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
321 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
322 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
323 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
324 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
325 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
326 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
327 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
328 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
329 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
330 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
331 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
332 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
333 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
334 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
335 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
336 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
337 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
338 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
339 \end{tabular}}
340
341
342 \end{table}
343
344 In  the  PeCO protocol,  the  scheduling  of  the  sensor nodes'  activities  is
345 formulated    with    an    mixed-integer     program    based    on    coverage
346 intervals~\citep{doi:10.1155/2010/926075}.  The  formulation   of  the  coverage
347 optimization problem is  detailed in~Section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor
348 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in
349 Figure~\ref{figure3}, the maximum coverage level for this arc is set to $\infty$
350 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the
351 optimization algorithm.
352
353 \newpage
354 \begin{figure}[h!]
355 \centering
356 \includegraphics[width=62.5mm]{figure3.eps}  
357 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
358 \label{figure3}
359 \end{figure}
360
361 \vspace{-0.25cm}
362
363 \subsection{Main Idea}
364
365 The WSN area of  interest is, in a first step,  divided into regular homogeneous
366 subregions using a  divide-and-conquer algorithm. In a second  step our protocol
367 will  be executed  in  a distributed  way in  each  subregion simultaneously  to
368 schedule nodes' activities  for one sensing period. Node Sensors  are assumed to
369 be deployed  almost uniformly over the  region. The regular subdivision  is made
370 such that the number of hops between  any pairs of sensors inside a subregion is
371 less than or equal to 3.
372
373 As shown  in Figure~\ref{figure4}, node  activity scheduling is produced  by the
374 proposed protocol  in a periodic manner.  Each period is divided  into 4 stages:
375 Information  (INFO)  Exchange,  Leader  Election, Decision  (the  result  of  an
376 optimization problem),  and Sensing.  For each  period there is exactly  one set
377 cover responsible for  the sensing task.  Protocols based on  a periodic scheme,
378 like PeCO, are more robust against an  unexpected node failure. On the one hand,
379 if a  node failure is discovered  before taking the decision,  the corresponding
380 sensor node will  not be considered by the optimization  algorithm. On the other
381 hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the
382 network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a
383 new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in
384 the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be
385 taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their
386 information (including their  residual energy) at the beginning  of each period.
387 However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)
388 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor
389 the area. Sensing  period duration is adapted according to  the QoS requirements
390 of the application.
391
392 \begin{figure}[t!]
393 \centering
394 \includegraphics[width=85mm]{figure4.eps}  
395 \caption{PeCO protocol.}
396 \label{figure4}
397 \end{figure} 
398
399 We define two types of packets to be used by PeCO protocol:
400 \begin{itemize} 
401 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
402   subregion for information exchange.
403 \item ActiveSleep packet: sent  by the leader to all the  nodes in its subregion
404   to transmit to  them their respective status (stay Active  or go Sleep) during
405   sensing phase.
406 \end{itemize}
407
408 Five statuses are possible for a sensor node in the network:
409 \begin{itemize} 
410 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);
411 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to
412   determine the activities scheduling;
413 \item ACTIVE: node is sensing;
414 \item SLEEP: node is turned off;
415 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.
416 \end{itemize}
417
418 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
419
420 The  pseudocode implementing  the  protocol  on a  node  is  given below.   More
421 precisely, Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives a  brief description of  the protocol
422 applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.
423
424
425 \begin{algorithm2e}      
426  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
427 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
428 %  \BlankLine
429   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \;
430   \caption{PeCO pseudocode}
431   \eIf{$RE_k \geq E_{th}$}{
432     $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
433     Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion\;
434     Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion\;
435     Update K.CurrentSize\;
436     LeaderID = Leader election\;
437     \eIf{$s_k.ID = LeaderID$}{
438       $s_k.status$ = COMPUTATION\;
439       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader}{
440         Execute the perimeter coverage model\;
441       }
442       \eIf{($s_k.ID $ is the same Previous Leader) {\bf and} \\
443         \indent (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{
444         Use the same previous cover set for current sensing stage\;
445       }{
446         Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm\;
447         $\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)\;
448         K.PreviousSize = K.CurrentSize\;
449       }
450       $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
451       Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion\;
452       Update $RE_k $\;
453     }{
454       $s_k.status$ = LISTENING\;
455       Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader\;
456       Update $RE_k $\;
457     }
458   }{
459     Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage\;
460   }
461 \end{algorithm2e}
462
463 %\begin{algorithm}
464 %\noindent{\bf If} $RE_k \geq E_{th}$ {\bf then}\\
465 %\hspace*{0.6cm} \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
466 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion;}\\
467 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion;}\\
468 %\hspace*{0.6cm} \emph{Update K.CurrentSize;}\\
469 %\hspace*{0.6cm}  \emph{LeaderID = Leader election;}\\
470 %\hspace*{0.6cm} {\bf If} $ s_k.ID = LeaderID $ {\bf then}\\
471 %\hspace*{1.2cm}   \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION;}\\
472 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader} {\bf then}\\
473 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Execute the perimeter coverage model;}\\
474 %\hspace*{1.2cm} {\bf end}\\
475 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{($s_k.ID $ is the same Previous Leader)~And~(K.CurrentSize = K.PreviousSize)}\\
476 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage;}\\
477 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
478 %\hspace*{1.2cm}  {\bf else}\\
479 %\hspace*{1.8cm}\emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm;}\\
480 %\hspace*{1.8cm} \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$);}\\
481 %\hspace*{1.8cm} \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize;}\\
482 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
483 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
484 %\hspace*{1.2cm}\emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion;}\\
485 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
486 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
487 %\hspace*{0.6cm}  {\bf else}\\
488 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = LISTENING;}\\
489 %\hspace*{1.2cm}\emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader;}\\
490 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
491 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
492 %{\bf end}\\
493 %{\bf else}\\
494 %\hspace*{0.6cm} \emph{Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage;}\\
495 %{\bf end}\\
496 %\label{alg:PeCO}
497 %\end{algorithm}
498
499 In this  algorithm, K.CurrentSize and K.PreviousSize  respectively represent the
500 current number and the previous number of  living nodes in the subnetwork of the
501 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_k$, which
502 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current
503 period.  Each  sensor node determines  its position  and its subregion  using an
504 embedded GPS  or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors
505 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number
506 of their  one-hop live neighbors  during the information exchange.   The sensors
507 inside a  same region cooperate to  elect a leader.  The  selection criteria for
508 the  leader, in  order of  priority, are:  larger numbers  of neighbors,  larger
509 remaining energy, and then in case  of equality, larger index.  Once chosen, the
510 leader collects  information to  formulate and solve  the integer  program which
511 allows to construct the set of active sensors in the sensing stage.
512
513 % TO BE CONTINUED
514
515 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
516 \label{cp}
517
518 In this  section, the perimeter-based coverage problem is  mathematically formulated. It has been proved to be a NP-hard problem by\citep{doi:10.1155/2010/926075}. Authors study the coverage of the perimeter of a large object requiring to be monitored. For the proposed formulation in this paper, the large object to be monitored is the sensor itself (or more precisely its sensing area).
519
520 The following notations are used  throughout the
521 section.\\
522 First, the following sets:
523 \begin{itemize}
524 \item $S$ represents the set of WSN sensor nodes;
525 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
526 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
527   sensor~$j$.
528 \end{itemize}
529 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
530 to the  method introduced in  subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,
531 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
532 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
533 \begin{equation}
534 a^j_{ik} = \left \{ 
535 \begin{array}{lll}
536   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
537         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
538   0 & \mbox{otherwise.}\\
539 \end{array} \right.
540 \end{equation}
541 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
542
543 Second, several variables are defined.  Hence,  each binary
544 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase
545 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  a
546 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$
547 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same
548 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.
549
550 To sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter
551 of sensor  $j$, at least  $l$ sensors involved  in each
552 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$ have to be active.   According to  the
553 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of
554 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network
555 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each
556 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors
557 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all
558 coverage intervals. Therefore  variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ are introduced as a measure
559 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage
560 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,
561 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the
562 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,
563 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.
564
565
566
567
568 The coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: 
569
570 \begin{equation} 
571 \left \{
572 \begin{array}{ll}
573 \min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\
574 \textrm{subject to :}&\\
575 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
576 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
577 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
578 M^j_i, V^j_i \in  \mathbb{R}^{+}
579 \end{array}
580 \right.
581 \end{equation}
582
583 If a given level of coverage $l$ is required  for one sensor, the sensor is said to be undercovered (respectively overcovered) if the level of coverage of one of its CI is less (respectively greater) than $l$. If the sensor $j$ is undercovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number of active sensors (denoted by $l^{i}$) covering this part of the perimeter is less than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=l-l^{i}$, $V_{i}^{j}=0$. In the contrary, if the sensor $j$ is overcovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number of active sensors (denoted by $l^{i}$) covering this part of the perimeter is greater than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=0$, $V_{i}^{j}=l^{i}-l$.  
584
585 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
586 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
587 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
588 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another
589 region. This  kind of mixed-integer program  is inspired from the  model developed for
590 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution
591 \citep{0031-9155-44-1-012}.  The choice of variables $\alpha$ and $\beta$ should be made according to the needs of the application. $\alpha$ should be enough large to prevent undercoverage and so to reach the highest possible coverage ratio. $\beta$ should be enough large to prevent overcoverage and so to activate a minimum number of sensors. 
592 The mixed-integer  program must be solved by  the leader in
593 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment
594 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of
595 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all
596 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since 
597 only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one
598 sensing phase) are considered in the model. 
599
600 \section{Performance Evaluation and Analysis}  
601 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
602
603
604 \subsection{Simulation Settings}
605
606
607 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions
608 and we use the same energy consumption model as in our previous work~\citep{Idrees2}.
609 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
610
611 \begin{table}[ht]
612 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{
613
614 \centering
615
616 \begin{tabular}{c|c}
617
618 \hline
619 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
620    
621 \hline
622 % inserts single horizontal line
623 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
624
625 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\
626
627 Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  
628
629 Sensing period & duration of 60 minutes \\
630 $E_{th}$ & 36~Joules\\
631 $R_s$ & 5~m   \\     
632 $R_c$ & 10~m   \\   
633 $\alpha^j_i$ & 0.6   \\
634
635 $\beta^j_i$ & 0.4
636
637 \end{tabular}}
638
639
640 \end{table}
641 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five
642 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
643 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
644 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
645 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
646 randomly drawn in the interval $[500-700]$.   If its energy provision reaches a
647 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
648 node  to stay  active during  one period,  it will  no longer  participate in  the
649 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
650 obtained by multiplying  the energy consumed in the active state  (9.72 mW) with the
651 time in  seconds for one  period (3600 seconds), and  adding the energy  for the
652 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may
653 be active during at most 20 periods.
654
655 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
656 network coverage and a longer WSN lifetime.  Higher priority is given to
657 the  undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than
658 $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the
659 sensor~$j$.  On the  other hand,  
660 $\beta^j_i$ is assigned to a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute
661 in covering the interval.
662
663 The following performance metrics are used to evaluate the efficiency of the
664 approach.
665
666
667 \begin{itemize}
668 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until
669   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and
670   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is
671   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can
672   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their
673   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial
674   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a
675   base station an event it has sensed.
676 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to
677   observe the area of interest. In our  case, the sensor field is discretized as
678   a regular grid, which yields the following equation:
679   
680
681 \[
682     \scriptsize
683     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100
684 \]
685
686
687   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every
688   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid
689   points in  the sensing  field.  In  simulations  a  layout of
690   $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points is considered.
691 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of our protocol is to
692   activate  as few nodes as possible,  in order  to minimize  the communication
693   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as
694   follows:
695  
696 \[
697     \scriptsize
698     \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100
699 \]
700
701   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the
702   current sensing period~$p$, $|J|$ is the number of sensors in the network, and
703   $R$ is the number of subregions.
704 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total
705   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,
706   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to
707   this formula:
708
709 \[  
710   \scriptsize
711     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  
712       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},
713 \]
714  
715   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by
716   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy
717   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the
718   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during
719   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to
720   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the
721   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$
722   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer
723   program during a period.  Finally, $E^a_{p}$ and $E^s_{p}$ indicate the energy
724   consumed by the WSN during the sensing phase (active and sleeping nodes).
725 \end{itemize}
726
727
728 \subsection{Simulation Results}
729
730 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have
731 implemented PeCO protocol in  OMNeT++~\citep{varga} simulator.  Besides PeCO, two
732 other  protocols,  described  in  the  next paragraph,  will  be  evaluated  for
733 comparison purposes.   The simulations were run  on a DELL laptop  with an Intel
734 Core~i3~2370~M (1.8~GHz)  processor (2  cores) whose MIPS  (Million Instructions
735 Per Second) rate  is equal to 35330. To  be consistent with the use  of a sensor
736 node based on  Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz) having  a MIPS rate
737 equal to 6,  the original execution time  on the laptop is  multiplied by 2944.2
738 $\left(\frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  The modeling  language for
739 Mathematical Programming (AMPL)~\citep{AMPL} is  employed to generate the integer
740 program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the
741 optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public
742 domain) \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.
743
744 As said previously, the PeCO is  compared to three other approaches. The first
745 one,  called  DESK,  is  a  fully distributed  coverage  algorithm  proposed  by
746 \citep{ChinhVu}. The second one,  called GAF~\citep{xu2001geography}, consists in
747 dividing  the monitoring  area into  fixed  squares. Then,  during the  decision
748 phase, in each square, one sensor is  chosen to remain active during the sensing
749 phase. The last  one, the DiLCO protocol~\citep{Idrees2}, is  an improved version
750 of a research work we presented in~\citep{idrees2014coverage}. Let us notice that
751 PeCO and  DiLCO protocols are  based on the  same framework. In  particular, the
752 choice for the simulations of a partitioning in 16~subregions was made because
753 it corresponds to the configuration producing  the best results for DiLCO. The
754 protocols are distinguished  from one another by the formulation  of the integer
755 program providing the set of sensors which  have to be activated in each sensing
756 phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of a set of primary points,
757 whereas the PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each
758 sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to
759 one ($l=1$).
760
761 \subsubsection{\bf Coverage Ratio}
762
763 Figure~\ref{figure5}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes
764 obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better
765 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%
766 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the
767 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which
768 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate
769 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly
770 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio
771 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more
772 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a
773 substantial increase of the coverage performance.
774
775 \parskip 0pt    
776 \begin{figure}[h!]
777 \centering
778  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} 
779 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
780 \label{figure5}
781 \end{figure} 
782
783
784
785
786 \subsubsection{\bf Active Sensors Ratio}
787
788 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
789 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{figure6}
790 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that
791 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen
792 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92~\% and
793 20.16~\% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods
794 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with
795 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in
796 Figure \ref{figure5}.
797
798 \begin{figure}[h!]
799 \centering
800 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  
801 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
802 \label{figure6}
803 \end{figure} 
804
805 \subsubsection{\bf Energy Consumption}
806
807 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,
808 computation, listening, active, and sleep status for different network densities
809 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{figure7}(a)  and  (b)
810 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for
811 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the
812 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both
813 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might
814 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but
815 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the
816 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to
817 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption
818 while keeping a good coverage level.
819
820 \begin{figure}[h!]
821   \centering
822   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
823     \includegraphics[scale=0.475]{figure7a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\
824     \includegraphics[scale=0.475]{figure7b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
825   \end{tabular}
826   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
827   \label{figure7}
828 \end{figure} 
829
830
831
832 \subsubsection{\bf Network Lifetime}
833
834 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the
835 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In
836 Figures~\ref{figure8}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for
837 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime
838 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO
839 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage
840 ratio greater than 50\%, we can  see on Figure~\ref{figure8}(b) that the lifetime
841 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance
842 difference    is    more    obvious   in    Figure~\ref{figure8}(b)    than    in
843 Figure~\ref{figure8}(a) because the gain induced  by our protocols increases with
844  time, and the lifetime with a coverage  over 50\% is far  longer than with
845 95\%. 
846
847 \begin{figure}[h!]
848   \centering
849   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
850     \includegraphics[scale=0.475]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  
851     \includegraphics[scale=0.475]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
852   \end{tabular}
853   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ \\
854     and (b)~$Lifetime_{50}$.}
855   \label{figure8}
856 \end{figure} 
857
858
859
860 Figure~\ref{figure9}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for
861 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,
862 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can
863 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$
864 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications
865 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be
866 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level
867 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three
868 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network
869 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is
870 not ineffective for the smallest network sizes.
871
872 \begin{figure}[h!]
873 \centering \includegraphics[scale=0.5]{figure9.eps}
874 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
875 \label{figure9}
876 \end{figure} 
877
878
879 \subsubsection{\bf Impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
880 Table~\ref{my-labelx} shows network lifetime results for the different values of $\alpha$ and $\beta$, and for a network size equal to 200 sensor nodes. The choice of $\beta \gg \alpha$  prevents the overcoverage, and so limit the activation of a large number of sensors, but as $\alpha$ is  low, some areas may be poorly covered. This explains the results obtained for {\it Lifetime50} with $\beta \gg \alpha$: a large number of periods with low coverage ratio. With $\alpha \gg \beta$, we priviligie the coverage even if some areas may be overcovered, so high coverage ratio is reached, but a large number of sensors are activated to achieve this goal. Therefore network lifetime is reduced. The choice $\alpha=0.6$ and $\beta=0.4$ seems to achieve the best compromise between lifetime and coverage ratio.     
881 %As can be seen in Table~\ref{my-labelx},  it is obvious and clear that when $\alpha$ decreased and $\beta$ increased by any step, the network lifetime for $Lifetime_{50}$ increased and the $Lifetime_{95}$ decreased. Therefore, selecting the values of $\alpha$ and $\beta$ depend on the application type used in the sensor nework. In PeCO protocol, $\alpha$ and $\beta$ are chosen based on the largest value of network lifetime for $Lifetime_{95}$.
882
883 \begin{table}[h]
884 \centering
885 \caption{The impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
886 \label{my-labelx}
887 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
888 \hline
889 $\alpha$ & $\beta$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
890 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
891 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
892 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
893 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
894 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
895 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
896 {\bf 0.6} & {\bf 0.4} & {\bf 94} & {\bf 57} \\ \hline
897 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
898 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
899 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
900 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
901 \end{tabular}
902 \end{table}
903
904
905 \section{Conclusion and Future Works}
906 \label{sec:Conclusion and Future Works}
907
908 In this paper  we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and
909 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors operating in active status for each period. Our work is original in so far as it proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of targets/points to be covered.   
910
911
912 We have carried out  several simulations  to  evaluate the  proposed protocol. The simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and energy consumption. 
913
914 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple sensing periods. We also want to improve our integer program to  take into account heterogeneous sensors  from both  energy and node characteristics point of views. Finally,  it would  be interesting to implement our protocol using  a sensor-testbed to evaluate it in real world applications.
915
916 \bibliographystyle{gENO}
917 \bibliography{biblio} %articleeo
918
919
920 \end{document}