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

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