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

Private GIT Repository
Final corrections
[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 \\
16   to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}}
17
18 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, 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, \\
20   University Bourgogne Franche-Comt\'e, Belfort, France}} \\ 
21   $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}
22 }         
23          
24 \maketitle
25
26 \begin{abstract}
27 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the
28 use of its limited energy provision, so  that it can fulfill its monitoring task
29 as  long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to
30 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity
31 scheduling which ensures  sensing coverage while minimizing the  energy cost. We
32 propose such  an approach called Perimeter-based  Coverage Optimization protocol
33 (PeCO). It  is a hybrid  of centralized and  distributed methods: the  region of
34 interest  is  first  subdivided  into   subregions  and  the  protocol  is  then
35 distributed among sensor  nodes in each subregion.  The novelty  of our approach
36 lies essentially  in the  formulation of a  new mathematical  optimization model
37 based  on  the  perimeter  coverage   level  to  schedule  sensors'  activities.
38 Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO can offer longer lifetime
39 coverage for WSNs in comparison with some other protocols.
40
41 \begin{keywords}
42   Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.
43 \end{keywords}
44
45 \end{abstract}
46
47 \section{Introduction}
48 \label{sec:introduction}
49
50 The continuous progress in Micro  Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless
51 communication hardware has  given rise to the opportunity to  use large networks
52 of      tiny       sensors,      called      Wireless       Sensor      Networks
53 (WSN)~\citep{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to fulfill monitoring
54 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by
55 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node
56 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the
57 user by means of  sink nodes. The features of a WSN made  it suitable for a wide
58 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,
59 military, and so on~\citep{yick2008wireless}.  Typically, a sensor node contains
60 three main components~\citep{anastasi2009energy}: a sensing unit able to measure
61 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a
62 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio
63 communication unit for data transmission and receiving.
64
65 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and
66 communication is supplied by a power supply which is a battery. This battery has
67 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or
68 recharge it in  most applications. Therefore it is necessary  to deploy WSN with
69 high density  in order to  increase reliability  and to exploit  node redundancy
70 thanks to energy-efficient activity  scheduling approaches.  Indeed, the overlap
71 of sensing  areas can be exploited  to schedule alternatively some  sensors in a
72 low power sleep mode and thus save  energy. Overall, the main question that must
73 be answered is: how to extend the lifetime coverage of a WSN as long as possible
74 while  ensuring  a   high  level  of  coverage?   These  past   few  years  many
75 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the
76 lifetime of the WSNs~\citep{rault2014energy}.
77
78 This paper makes the following contributions.
79 \begin{enumerate}
80 \item A  framework is devised  to schedule  nodes to be  activated alternatively
81   such that  the network  lifetime is  prolonged while  ensuring that  a certain
82   level of coverage  is preserved.  A key  idea in the proposed  framework is to
83   exploit  spatial and  temporal  subdivision.  On  the one  hand,  the area  of
84   interest is  divided into several smaller  subregions and, on the  other hand,
85   the time line is divided into periods  of equal length.  In each subregion the
86   sensor nodes  will cooperatively  choose a leader  which will  schedule nodes'
87   activities,  and  this grouping  of  sensors  is  similar to  typical  cluster
88   architecture.
89 \item A new  mathematical optimization model is proposed.  Instead  of trying to
90   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in
91   the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage of
92   each sensor.  The  model involves integer variables to  capture the deviations
93   between  the actual  level  of coverage  and the  required  level.  Hence,  an
94   optimal  schedule will  be  obtained by  minimizing a  weighted  sum of  these
95   deviations.
96 \item Extensive  simulation experiments are  conducted using the  discrete event
97   simulator  OMNeT++, to  demonstrate the  efficiency of  our protocol.  We have
98   compared  the  PeCO  protocol  to  two approaches  found  in  the  literature:
99   DESK~\citep{ChinhVu} and GAF~\citep{xu2001geography}, and also to our previous
100   protocol DiLCO published in~\citep{Idrees2}. DiLCO  uses the same framework as
101   PeCO but is based on another optimization model for sensor scheduling.
102 \end{enumerate}
103
104 The rest of the paper is organized as follows.  In the next section some related
105 work in the  field is reviewed. Section~\ref{sec:The  PeCO Protocol Description}
106 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the
107 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
108 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations
109 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
110 remarks  are  drawn  and  some  suggestions   are  given  for  future  works  in
111 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
112
113 \section{Related Literature}
114 \label{sec:Literature Review}
115
116 This section  summarizes some related  works regarding the coverage  problem and
117 presents  specific aspects  of the  PeCO protocol  common with  other literature
118 works.
119
120 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three
121 categories~\citep{li2013survey}   according  to   their  respective   monitoring
122 objective.  Hence, area  coverage \citep{Misra} means that every  point inside a
123 fixed area must be monitored, while target coverage~\citep{yang2014novel} refers
124 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called
125 targets,   and   barrier  coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}   focuses   on
126 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In
127 \citep{Deng2012} authors  transform the  area coverage  problem into  the target
128 coverage one taking into account the  intersection points among disks of sensors
129 nodes    or   between    disk   of    sensor   nodes    and   boundaries.     In
130 \citep{Huang:2003:CPW:941350.941367}  authors prove  that if  the perimeters  of
131 sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They
132 provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter-coverage of
133 each sensor. $d$ denotes  the maximum number of sensors that  are neighbors to a
134 sensor, and  $n$ is the  total number  of sensors in  the network. {\it  In PeCO
135   protocol, instead  of determining the level  of coverage of a  set of discrete
136   points, our optimization model is  based on checking the perimeter-coverage of
137   each sensor to activate a minimal number of sensors.}
138
139 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to
140 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or
141 non-disjoint)  \citep{wang2011coverage},  where  each set  completely  covers  a
142 region of interest,  and to activate these set covers  successively. The network
143 activity can be planned in advance and scheduled for the entire network lifetime
144 or organized  in periods,  and the  set of  active sensor  nodes decided  at the
145 beginning of each  period \citep{ling2009energy}. In fact,  many authors propose
146 algorithms       working       in       such      a       periodic       fashion
147 \citep{chin2007,yan2008design,pc10}.  Active node  selection is determined based
148 on  the problem  requirements  (e.g.  area  monitoring,  connectivity, or  power
149 efficiency).  For instance, \citet{jaggi2006}  address the problem of maximizing
150 the lifetime  by dividing sensors  into the  maximum number of  disjoint subsets
151 such  that each  subset  can ensure  both coverage  and  connectivity. A  greedy
152 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
153 activated in succession to achieve  the desired network lifetime. {\it Motivated
154   by these works,  PeCO protocol works in periods, where  each period contains a
155   preliminary  phase  for information  exchange  and  decisions, followed  by  a
156   sensing phase where one cover set is in 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{ChinhVu,qu2013distributed,yangnovel}  each  sensor decides  of
162 its own  activity scheduling after  an information exchange with  its neighbors.
163 The main interest of such an approach  is to avoid long range communications and
164 thus to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since
165 each node has  only information on its immediate neighbors  (usually the one-hop
166 ones)  it may  make a  bad  decision leading  to a  global suboptimal  solution.
167 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 WSN, the higher the
175 communication  energy  cost.  {\it  In  order  to  be suitable  for  large-scale
176   networks,  in PeCO  protocol  the area  of interest  is  divided into  several
177   smaller subregions, and in each one, a  node called the leader is in charge of
178   selecting the  active sensors for the  current period.  Thus PeCO  protocol is
179   scalable and a globally distributed method,  whereas it is centralized in each
180   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.  All  the sensor nodes are  supposed to be 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. A Boolean disk coverage model,  which is the most widely used sensor
241 coverage model  in the  literature, is  considered 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=0.95\linewidth]{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=57.5mm]{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. Sensor nodes  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=80mm]{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   \label{alg:PeCO}
431   \caption{PeCO pseudocode}
432   \eIf{$RE_k \geq E_{th}$}{
433     $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
434     Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion\;
435     Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion\;
436     Update K.CurrentSize\;
437     LeaderID = Leader election\;
438     \eIf{$s_k.ID = LeaderID$}{
439       $s_k.status$ = COMPUTATION\;
440       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader}{
441         Execute the perimeter coverage model\;
442       }
443       \eIf{($s_k.ID $ is the same Previous Leader) {\bf and} \\
444         \indent (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{
445         Use the same previous cover set for current sensing stage\;
446       }{
447         Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm\;
448         $\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)\;
449         K.PreviousSize = K.CurrentSize\;
450       }
451       $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
452       Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion\;
453       Update $RE_k $\;
454     }{
455       $s_k.status$ = LISTENING\;
456       Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader\;
457       Update $RE_k $\;
458     }
459   }{
460     Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage\;
461   }
462 \end{algorithm2e}
463
464 %\begin{algorithm}
465 %\noindent{\bf If} $RE_k \geq E_{th}$ {\bf then}\\
466 %\hspace*{0.6cm} \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
467 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion;}\\
468 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion;}\\
469 %\hspace*{0.6cm} \emph{Update K.CurrentSize;}\\
470 %\hspace*{0.6cm}  \emph{LeaderID = Leader election;}\\
471 %\hspace*{0.6cm} {\bf If} $ s_k.ID = LeaderID $ {\bf then}\\
472 %\hspace*{1.2cm}   \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION;}\\
473 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader} {\bf then}\\
474 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Execute the perimeter coverage model;}\\
475 %\hspace*{1.2cm} {\bf end}\\
476 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{($s_k.ID $ is the same Previous Leader)~And~(K.CurrentSize = K.PreviousSize)}\\
477 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage;}\\
478 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
479 %\hspace*{1.2cm}  {\bf else}\\
480 %\hspace*{1.8cm}\emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm;}\\
481 %\hspace*{1.8cm} \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$);}\\
482 %\hspace*{1.8cm} \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize;}\\
483 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
484 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
485 %\hspace*{1.2cm}\emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion;}\\
486 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
487 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
488 %\hspace*{0.6cm}  {\bf else}\\
489 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = LISTENING;}\\
490 %\hspace*{1.2cm}\emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader;}\\
491 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
492 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
493 %{\bf end}\\
494 %{\bf else}\\
495 %\hspace*{0.6cm} \emph{Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage;}\\
496 %{\bf end}\\
497 %\label{alg:PeCO}
498 %\end{algorithm}
499
500 In this  algorithm, $K.CurrentSize$ and $K.PreviousSize$  respectively represent
501 the current number and the previous number  of living nodes in the subnetwork of
502 the  subregion.   At the  beginning  of  the  first period  $K.PreviousSize$  is
503 initialized to  zero.  Initially,  the sensor node  checks its  remaining energy
504 $RE_k$, which must be greater than  a threshold $E_{th}$ in order to participate
505 in  the current  period.   Each  sensor node  determines  its  position and  its
506 subregion using an  embedded GPS or a location discovery  algorithm. After that,
507 all the sensors collect position  coordinates, remaining energy, sensor node ID,
508 and the number of their one-hop  live neighbors during the information exchange.
509 The sensors  inside a same  region cooperate to  elect a leader.   The selection
510 criteria for the leader are (in order  of priority):
511 \begin{enumerate}
512 \item larger number of neighbors;
513 \item larger  remaining energy;
514 \item and then  in case  of equality,  larger index.
515 \end{enumerate}
516 Once chosen, the leader collects information  to formulate and solve the integer
517 program  which allows  to construct  the set  of active  sensors in  the sensing
518 stage.
519
520 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
521 \label{cp}
522
523 In  this  section,  the   perimeter-based  coverage  problem  is  mathematically
524 formulated.    It    has    been    proved   to    be    a    NP-hard    problem
525 by \citep{doi:10.1155/2010/926075}. Authors  study the coverage of  the perimeter
526 of a  large object requiring  to be monitored.  For the proposed  formulation in
527 this paper,  the large  object to  be monitored  is the  sensor itself  (or more
528 precisely its sensing area).
529
530 The following notations are used  throughout the section.
531
532 First, the following sets:
533 \begin{itemize}
534 \item $S$ represents the set of sensor nodes;
535 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
536 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
537   sensor~$j$.
538 \end{itemize}
539 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
540 to the  method introduced in  Subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,
541 let $a^j_{ik}$ denote  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
542 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
543 \begin{equation}
544 a^j_{ik} = \left \{ 
545 \begin{array}{lll}
546   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
547         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
548   0 & \mbox{otherwise.}\\
549 \end{array} \right.
550 \end{equation}
551 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
552
553 Second,  several variables  are defined.   Hence, each  binary variable  $X_{k}$
554 determines the  activation of sensor  $k$ in the  sensing phase ($X_k=1$  if the
555 sensor $k$ is active or 0 otherwise).   $M^j_i$ is a variable which measures the
556 undercoverage for the coverage interval  $i$ corresponding to sensor~$j$. In the
557 same  way, the  overcoverage for  the  same coverage  interval is  given by  the
558 variable $V^j_i$.
559
560 To sustain a  level of coverage equal  to $l$ all along the  perimeter of sensor
561 $j$, at  least $l$  sensors involved in  each coverage interval  $i \in  I_j$ of
562 sensor $j$ have  to be active.  According to the  previous notations, the number
563 of  active sensors  in the  coverage  interval $i$  of  sensor $j$  is given  by
564 $\sum_{k \in A} a^j_{ik} X_k$.  To extend the network lifetime, the objective is
565 to activate  a minimal number  of sensors in each  period to ensure  the desired
566 coverage level. As the number of  alive sensors decreases, it becomes impossible
567 to reach  the desired level  of coverage  for all coverage  intervals. Therefore
568 variables  $M^j_i$ and  $V^j_i$ are  introduced as  a measure  of the  deviation
569 between the  desired number  of active  sensors in a  coverage interval  and the
570 effective number.  And we try to  minimize these deviations, first  to force the
571 activation of a minimal number of  sensors to ensure the desired coverage level,
572 and if  the desired level  cannot be completely  satisfied, to reach  a coverage
573 level as close as possible to the desired one.
574
575 The coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows:
576 \begin{equation}
577   \begin{aligned}
578     \text{Minimize } & \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) \\
579     \text{Subject to:} & \\
580     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S  \\
581     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S \\
582     & X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
583     & M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
584   \end{aligned}
585 \end{equation}
586
587 %\begin{equation} 
588 %\left \{
589 %\begin{array}{ll}
590 %\min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) & \\
591 %\textrm{subject to :} &\\
592 %\sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
593 %\sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
594 %X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
595 %M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
596 %\end{array}
597 %\right.
598 %\end{equation}
599
600 If a given level of coverage $l$ is  required for one sensor, the sensor is said
601 to be undercovered (respectively overcovered) if the level of coverage of one of
602 its  CI  is  less  (respectively  greater)  than $l$.   If  the  sensor  $j$  is
603 undercovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number
604 of active  sensors (denoted by $l^{i}$)  covering this part of  the perimeter is
605 less than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=l-l^{i}$, $V_{i}^{j}=0$. Conversely,
606 if the sensor $j$ is overcovered, there exists  at least one of its CI (say $i$)
607 for which the  number of active sensors (denoted by  $l^{i}$) covering this part
608 of  the  perimeter  is  greater  than  $l$  and  in  this  case:  $M_{i}^{j}=0$,
609 $V_{i}^{j}=l^{i}-l$.
610
611 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
612 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
613 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
614 be given by  a relatively larger magnitude than weights  associated with another
615 region. This kind of mixed-integer program  is inspired from the model developed
616 for   brachytherapy  treatment   planning  for   optimizing  dose   distribution
617 \citep{0031-9155-44-1-012}.  The choice of the values for variables $\alpha$ and
618 $\beta$  should be  made according  to the  needs of  the application.  $\alpha$
619 should be  large enough  to prevent  undercoverage and so  to reach  the highest
620 possible coverage ratio. $\beta$ should  be large enough to prevent overcoverage
621 and so to activate a minimum  number of sensors.  The mixed-integer program must
622 be solved  by the  leader in  each subregion  at the  beginning of  each sensing
623 phase, whenever the environment has changed (new leader, death of some sensors).
624 Note that  the number of  constraints in the  model is constant  (constraints of
625 coverage  expressed for  all sensors),  whereas  the number  of variables  $X_k$
626 decreases over periods, since only alive  sensors (sensors with enough energy to
627 be alive during one sensing phase) are considered in the model.
628
629 \section{Performance Evaluation and Analysis}  
630 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
631
632 \subsection{Simulation Settings}
633
634 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions
635 and   we  use   the  same   energy  consumption   model  as   in  our   previous
636 work~\citep{Idrees2}.  Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
637
638 \begin{table}[ht]
639 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{
640 \centering
641 \begin{tabular}{c|c}
642 \hline
643 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
644 \hline
645 % inserts single horizontal line
646 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $ \\
647 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes \\
648 Initial energy  & in range 500-700~Joules \\  
649 Sensing period & duration of 60 minutes \\
650 $E_{th}$ & 36~Joules \\
651 $R_s$ & 5~m \\     
652 $R_c$ & 10~m \\   
653 $\alpha^j_i$ & 0.6 \\
654 $\beta^j_i$ & 0.4
655 \end{tabular}}
656 \end{table}
657
658 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five
659 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
660 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
661 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
662 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
663 randomly drawn in  the interval $[500-700]$.  If its energy  provision reaches a
664 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
665 node to  stay active  during one period,  it will no  longer participate  in the
666 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
667 obtained by multiplying  the energy consumed in the active  state (9.72 mW) with
668 the time in seconds for one period (3600 seconds), and adding the energy for the
669 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may
670 be active during at most 20 periods. Information exchange to update the coverage
671 is executed every  hour, but the length  of the sensing period  could be reduced
672 and adapted dynamically. On  the one hand a small sensing  period would allow to
673 be more  reliable but would  have result in  higher communication costs.  On the
674 other hand  the choice of a  long duration may  cause problems in case  of nodes
675 failure during the sensing period.
676
677 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
678 network coverage  and a longer  WSN lifetime.  Higher  priority is given  to the
679 undercoverage (by setting the $\alpha^j_i$ with a larger value than $\beta^j_i$)
680 so as  to prevent the non-coverage  for the interval~$i$ of  the sensor~$j$.  On
681 the other hand, $\beta^j_i$ is assigned to a value which is slightly lower so as
682 to minimize the  number of active sensor nodes which  contribute in covering the
683 interval. Subsection~\ref{sec:Impact} investigates more deeply how the values of
684 both parameters affect the performance of PeCO protocol.
685
686 The following performance metrics are used to evaluate the efficiency of the
687 approach.
688 \begin{itemize}
689 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until
690   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and
691   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is
692   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can
693   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their
694   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial
695   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a
696   base station an event it has sensed.
697 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to
698   observe the area of interest. In our  case, the sensor field is discretized as
699   a regular grid, which yields the following equation:
700   \begin{equation*}
701     \scriptsize
702     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100
703   \end{equation*}
704   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every
705   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid
706   points in the sensing field. A layout of $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points
707   is considered in the simulations.
708 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of our protocol is to
709   activate as  few nodes  as possible,  in order  to minimize  the communication
710   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as
711   follows:
712   \begin{equation*}
713    \scriptsize
714    \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100
715   \end{equation*}
716   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the
717   sensing period~$p$, $R$  is the number of subregions, and  $|J|$ is the number
718   of sensors in the network.
719 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total
720   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,
721   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to
722   this formula:
723   \begin{equation*} 
724     \scriptsize
725     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  
726       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},
727   \end{equation*}
728   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by
729   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy
730   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the
731   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during
732   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to
733   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the
734   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$
735   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer
736   program  during  a  period   (COMPUTATION  status).   Finally,  $E^a_{p}$  and
737   $E^s_{p}$ indicate  the energy consumed  by the  WSN during the  sensing phase
738   ({\it active} and {\it sleeping} nodes).
739 \end{itemize}
740
741 \subsection{Simulation Results}
742
743 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have
744 implemented PeCO  protocol in OMNeT++~\citep{varga} simulator.   The simulations
745 were run  on a DELL laptop  with an Intel Core~i3~2370~M  (1.8~GHz) processor (2
746 cores) whose MIPS  (Million Instructions Per Second) rate is  equal to 35330. To
747 be consistent  with the  use of  a sensor  node based  on Atmels  AVR ATmega103L
748 microcontroller (6~MHz)  having a MIPS rate  equal to 6, the  original execution
749 time  on  the  laptop  is multiplied  by  2944.2  $\left(\frac{35330}{2}  \times
750 \frac{1}{6} \right)$.  Energy  consumption is calculated according  to the power
751 consumption  values,  in  milliWatt  per  second,  given  in  Table~\ref{tab:EC}.
752 based on the energy model proposed in \citep{ChinhVu}.
753
754 \begin{table}[h]
755 \centering
756 \caption{Power consumption values}
757 \label{tab:EC}
758 \begin{tabular}{|l||cccc|}
759   \hline
760   {\bf Sensor status} & MCU & Radio & Sensing & {\it Power (mW)} \\
761   \hline
762   LISTENING & On & On & On & 20.05 \\
763   ACTIVE & On & Off & On & 9.72 \\
764   SLEEP & Off & Off & Off & 0.02 \\
765   COMPUTATION & On & On & On & 26.83 \\
766   \hline
767   \multicolumn{4}{|l}{Energy needed to send or receive a 2-bit content message} & 0.515 \\
768   \hline
769 \end{tabular}
770 \end{table}
771
772 The modeling  language for Mathematical Programming  (AMPL)~\citep{AMPL} is used
773 to generate  the integer program  instance in a  standard format, which  is then
774 read and  solved by  the optimization  solver GLPK  (GNU linear  Programming Kit
775 available in the public domain)  \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.
776 In practice, executing GLPK on a sensor node is obviously intractable due to the
777 huge memory  use. Fortunately, to  solve the  optimization problem we  could use
778 commercial  solvers  like  CPLEX  \citep{iamigo:cplex}  which  are  less  memory
779 consuming and more efficient, or implement a lightweight heuristic. For example,
780 for  a WSN  of 200  sensor nodes,  a leader  node has  to deal  with constraints
781 induced  by about  12 sensor  nodes.  In  that case,  to solve  the optimization
782 problem  a memory  consumption of  more  than 1~MB  can be  observed with  GLPK,
783 whereas less than 300~kB would be needed with CPLEX.
784
785 Besides  PeCO,   three  other  protocols   will  be  evaluated   for  comparison
786 purposes. The first one, called DESK,  is a fully distributed coverage algorithm
787 proposed      by     \citep{ChinhVu}.       The      second     one,      called
788 GAF~\citep{xu2001geography}, consists in dividing the monitoring area into fixed
789 squares. Then, during  the decision phase, in each square,  one sensor is chosen
790 to  remain  active   during  the  sensing  phase.   The  last   one,  the  DiLCO
791 protocol~\citep{Idrees2}, is an improved version of a research work we presented
792 in~\citep{idrees2014coverage}. Let us  notice that PeCO and  DiLCO protocols are
793 based on the same framework. In particular,  the choice for the simulations of a
794 partitioning  in   16~subregions  was  made   because  it  corresponds   to  the
795 configuration producing  the best results for  DiLCO. Of course, this  number of
796 subregions should be adapted according to the  size of the area  of interest and
797 the number of sensors.  The protocols  are distinguished from one another by the
798 formulation of the integer program providing the set of sensors which have to be
799 activated in each sensing phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of
800 a set of primary  points, whereas PeCO protocol objective is  to reach a desired
801 level of coverage for each sensor perimeter. In our experimentations, we chose a
802 level of coverage equal to one ($l=1$).
803
804 \subsubsection{Coverage Ratio}
805
806 Figure~\ref{figure5} shows  the average  coverage ratio  for 200  deployed nodes
807 obtained with the four protocols. DESK, GAF, and DiLCO provide a slightly better
808 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the
809 98.76\% produced by PeCO for the first periods.  This is due to the fact that at
810 the  beginning DiLCO  and  PeCO protocols  put to  sleep  status more  redundant
811 sensors  (which slightly  decreases the  coverage  ratio), while  the two  other
812 protocols  activate more  sensor nodes.  Later, when  the number  of periods  is
813 beyond~70, it  clearly appears that  PeCO provides  a better coverage  ratio and
814 keeps a coverage ratio greater than 50\% for longer periods (15 more compared to
815 DiLCO, 40 more compared to DESK). The  energy saved by PeCO in the early periods
816 allows later a substantial increase of the coverage performance.
817
818 \parskip 0pt    
819 \begin{figure}[h!]
820 \centering
821  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} 
822 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
823 \label{figure5}
824 \end{figure} 
825
826 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
827
828 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
829 energy   consumption    and   thus    to   maximize   the    network   lifetime.
830 Figure~\ref{figure6}  shows the  average  active nodes  ratio  for 200  deployed
831 nodes.  We observe that DESK and GAF have 30.36~\% and 34.96~\% active nodes for
832 the first fourteen  rounds, and DiLCO and PeCO protocols  compete perfectly with
833 only 17.92~\%  and 20.16~\% active nodes  during the same time  interval. As the
834 number of periods increases, PeCO protocol has a lower number of active nodes in
835 comparison with the  three other approaches and exhibits a  slow decrease, while
836 keeping a greater coverage ratio as shown in Figure \ref{figure5}.
837
838 \begin{figure}[h!]
839 \centering
840 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  
841 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
842 \label{figure6}
843 \end{figure} 
844
845 \subsubsection{Energy Consumption}
846
847 The  effect  of  the  energy  consumed by  the  WSN  during  the  communication,
848 computation,  listening,  active, and  sleep  status  is studied  for  different
849 network densities  and the  four approaches  compared.  Figures~\ref{figure7}(a)
850 and (b)  illustrate the energy consumption  for different network sizes  and for
851 $Lifetime95$ and $Lifetime50$.  The results show  that PeCO protocol is the most
852 competitive from the energy consumption point of view. As shown by both figures,
853 PeCO consumes much less energy than the  other methods. One might think that the
854 resolution of the integer program is too  costly in energy, but the results show
855 that it is very beneficial to lose a  bit of time in the selection of sensors to
856 activate.  Indeed  the optimization program  allows to reduce  significantly the
857 number of  active sensors  and so  the energy consumption  while keeping  a good
858 coverage level. Let  us notice that the energy overhead  when increasing network
859 size is the lowest with PeCO.
860
861 \begin{figure}[h!]
862   \centering
863   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
864     \includegraphics[scale=0.5]{figure7a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\
865     \includegraphics[scale=0.5]{figure7b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
866   \end{tabular}
867   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
868   \label{figure7}
869 \end{figure} 
870
871 \subsubsection{Network Lifetime}
872
873 We observe the  superiority of both PeCO and DiLCO  protocols in comparison with
874 the   two   other  approaches   in   prolonging   the  network   lifetime.    In
875 Figures~\ref{figure8}(a) and  (b), $Lifetime95$  and $Lifetime50$ are  shown for
876 different  network  sizes.  As  can  be  seen  in  these figures,  the  lifetime
877 increases with the size of the network,  and it is clearly largest for DiLCO and
878 PeCO protocols.  For  instance, for a network of 300~sensors  and coverage ratio
879 greater than  50\%, we can see  on Figure~\ref{figure8}(b) that the  lifetime is
880 about  twice  longer with  PeCO  compared  to  DESK protocol.   The  performance
881 difference    is   more    obvious    in    Figure~\ref{figure8}(b)   than    in
882 Figure~\ref{figure8}(a) because the gain induced by our protocols increases with
883 time, and the lifetime with a coverage over 50\% is far longer than with 95\%.
884
885 \begin{figure}[h!]
886   \centering
887   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
888     \includegraphics[scale=0.5]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  
889     \includegraphics[scale=0.5]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
890   \end{tabular}
891   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
892   \label{figure8}
893 \end{figure} 
894
895 Figure~\ref{figure9} compares the lifetime coverage  of DiLCO and PeCO protocols
896 for  different   coverage  ratios.   We  denote  by   Protocol/50,  Protocol/80,
897 Protocol/85, Protocol/90,  and Protocol/95 the  amount of time during  which the
898 network  can satisfy  an  area  coverage greater  than  $50\%$, $80\%$,  $85\%$,
899 $90\%$, and  $95\%$ respectively,  where the  term Protocol  refers to  DiLCO or
900 PeCO.  Indeed there are applications that do not require a 100\% coverage of the
901 area to be  monitored. PeCO might be  an interesting method since  it achieves a
902 good balance  between a  high level  coverage ratio  and network  lifetime. PeCO
903 always  outperforms DiLCO  for the  three  lower coverage  ratios, moreover  the
904 improvements grow  with the network  size. DiLCO  is better for  coverage ratios
905 near 100\%, but  in that case PeCO  is not ineffective for  the smallest network
906 sizes.
907
908 \begin{figure}[h!]
909 \centering \includegraphics[scale=0.55]{figure9.eps}
910 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
911 \label{figure9}
912 \end{figure} 
913
914 \subsubsection{Impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
915 \label{sec:Impact}
916
917 Table~\ref{my-labelx}  shows network  lifetime results  for different  values of
918 $\alpha$ and $\beta$, and  a network size equal to 200 sensor  nodes. On the one
919 hand, the choice  of $\beta \gg \alpha$ prevents the  overcoverage, and so limit
920 the activation of a large number of  sensors, but as $\alpha$ is low, some areas
921 may be poorly covered.  This explains  the results obtained for {\it Lifetime50}
922 with $\beta \gg \alpha$: a large number  of periods with low coverage ratio.  On
923 the other hand, when we choose $\alpha \gg \beta$, we favor the coverage even if
924 some areas may  be overcovered, so high  coverage ratio is reached,  but a large
925 number  of  sensors are  activated  to  achieve  this goal.   Therefore  network
926 lifetime is reduced.   The choice $\alpha=0.6$ and $\beta=0.4$  seems to achieve
927 the best compromise  between lifetime and coverage ratio.  That  explains why we
928 have  chosen  this  setting  for  the  experiments  presented  in  the  previous
929 subsections.
930
931 %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 $Lifetime_{95}$.
932
933 \begin{table}[h]
934 \centering
935 \caption{The impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
936 \label{my-labelx}
937 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
938 \hline
939 $\alpha$ & $\beta$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
940 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
941 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
942 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
943 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
944 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
945 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
946 {\bf 0.6} & {\bf 0.4} & {\bf 94} & {\bf 57} \\ \hline
947 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
948 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
949 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
950 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
951 \end{tabular}
952 \end{table}
953
954
955 \section{Conclusion and Future Works}
956 \label{sec:Conclusion and Future Works}
957
958 In this paper we have studied  the problem of perimeter coverage optimization in
959 WSNs.   We  have  designed  a  new  protocol,  called  Perimeter-based  Coverage
960 Optimization, which schedules nodes' activities  (wake up and sleep stages) with
961 the objective of maintaining a good  coverage ratio while maximizing the network
962 lifetime.  This protocol  is applied in a distributed way  in regular subregions
963 obtained after partitioning the area of interest in a preliminary step. It works
964 in periods and  is based on the  resolution of an integer program  to select the
965 subset  of sensors  operating in  active status  for each  period.  Our  work is
966 original  in so  far  as it  proposes  for  the first  time  an integer  program
967 scheduling the  activation of sensors  based on their perimeter  coverage level,
968 instead of using a set of targets/points to be covered. Several simulations have
969 been carried out to evaluate the  proposed protocol. The simulation results show
970 that  PeCO is  more  energy-efficient  than other  approaches,  with respect  to
971 lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, and energy consumption.
972
973 We plan to extend  our framework so that the schedules  are planned for multiple
974 sensing  periods. We  also want  to  improve the  integer program  to take  into
975 account heterogeneous sensors from both energy and node characteristics point of
976 views.  Finally,  it would  be interesting  to implement  PeCO protocol  using a
977 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.
978
979
980 \subsection*{Acknowledgements}
981 The  authors  are   deeply  grateful  to  the  anonymous   reviewers  for  their
982 constructive advice,  which improved the  technical quality  of the paper.  As a
983 Ph.D.   student, Ali  Kadhum IDREES  would  like to  gratefully acknowledge  the
984 University of  Babylon - Iraq  for financial support  and Campus France  for the
985 received support. This work is also partially funded by the Labex ACTION program
986 (contract ANR-11-LABX-01-01).
987
988 \bibliographystyle{gENO}
989 \bibliography{biblio} %articleeo
990
991 \end{document}