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

Private GIT Repository
c0c6f7bbb2f82163c180ce894b8f123773602b01
[LiCO.git] / PeCO-EO / articleeo.tex
1 % gENOguide.tex\r
2 % v4.0 released April 2013\r
3 \r
4 \documentclass{gENO2e}\r
5 %\usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}\r
6 %\renewcommand{\algorithmcfname}{ALGORITHM}\r
7 \begin{document}\r
8 \r
9 %\jvol{00} \jnum{00} \jyear{2013} \jmonth{April}\r
10 \r
11 %\articletype{GUIDE}\r
12 \r
13 \title{{\itshape Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}}\r
14 \r
15 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a}$, Karine Deschinkel$^{a}$$^{\ast}$\thanks{$^\ast$Corresponding author. Email: karine.deschinkel@univ-fcomte.fr}, Michel Salomon$^{a}$ and Rapha\"el Couturier $^{a}$\r
16 $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte,\r
17           Belfort, France}};}\r
18 \r
19 \r
20 \maketitle\r
21 \r
22 \begin{abstract}\r
23 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the\r
24 use of its limited energy provision, so that it can fulfill its monitoring task\r
25 as long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to\r
26 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity\r
27 scheduling which ensures sensing coverage while minimizing the energy cost. We propose such an approach called Perimeter-based Coverage Optimization\r
28 protocol (PeCO). It is a  hybrid of centralized and distributed methods: the\r
29 region of interest is first subdivided into subregions and our protocol is then\r
30 distributed among sensor nodes in each  subregion.\r
31 The novelty of our approach lies essentially in the formulation of a new\r
32 mathematical optimization  model based on the  perimeter coverage level  to schedule\r
33 sensors' activities.  Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO  can\r
34 offer longer lifetime coverage for WSNs in comparison with some other protocols.\r
35 \r
36 \begin{keywords}Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.\r
37 \end{keywords}\r
38 \r
39 \end{abstract}\r
40 \r
41 \r
42 \section{Introduction}\r
43 \label{sec:introduction}\r
44 \r
45 \noindent The continuous progress in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) and\r
46 wireless communication hardware  has given rise to the opportunity  to use large\r
47 networks    of     tiny    sensors,    called    Wireless     Sensor    Networks\r
48 (WSN)~\citep{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to  fulfill monitoring\r
49 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by\r
50 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node\r
51 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the\r
52 user by means of  sink nodes. The features of a WSN made  it suitable for a wide\r
53 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,\r
54 military, and so on~\citep{yick2008wireless}.   Typically, a sensor node contains\r
55 three main components~\citep{anastasi2009energy}: a  sensing unit able to measure\r
56 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a\r
57 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio\r
58 communication unit for data transmission and receiving.\r
59 \r
60 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and\r
61 communication is supplied by a power supply which is a battery. This battery has\r
62 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or\r
63 recharge it in  most applications. Therefore it is necessary  to deploy WSN with\r
64 high density in order to increase  reliability and to exploit node redundancy\r
65 thanks to energy-efficient activity  scheduling approaches.  Indeed, the overlap\r
66 of sensing  areas can be exploited  to schedule alternatively some  sensors in a\r
67 low power sleep mode and thus save  energy. Overall, the main question that must\r
68 be answered is: how to extend the lifetime coverage of a WSN as long as possible\r
69 while  ensuring   a  high  level  of   coverage?   These past few years  many\r
70 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the\r
71 lifetime of the WSNs~\citep{rault2014energy}.\\\\\r
72 This paper makes the following contributions.\r
73 \begin{enumerate}\r
74 \item We have devised a framework to schedule nodes to be activated alternatively such\r
75   that the network lifetime is prolonged  while ensuring that a certain level of\r
76   coverage is preserved.  A key idea in  our framework is to exploit spatial and\r
77   temporal subdivision.   On the one hand,  the area of interest  is divided into\r
78   several smaller subregions and, on the other hand, the time line is divided into\r
79   periods of equal length. In each subregion the sensor nodes will cooperatively\r
80   choose a  leader which will schedule  nodes' activities, and this  grouping of\r
81   sensors is similar to typical cluster architecture.\r
82 \item We have proposed a new mathematical  optimization model.  Instead of  trying to\r
83   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in\r
84   the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage of\r
85   each sensor.  The  model involves integer variables to  capture the deviations\r
86   between  the actual  level of  coverage and  the required  level.  Hence, an\r
87   optimal scheduling  will be  obtained by  minimizing a  weighted sum  of these\r
88   deviations.\r
89 \item We have conducted extensive simulation  experiments, using the  discrete event\r
90   simulator OMNeT++, to demonstrate the  efficiency of our protocol. We have compared\r
91   our   PeCO   protocol   to   two   approaches   found   in   the   literature:\r
92   DESK~\citep{ChinhVu} and  GAF~\citep{xu2001geography}, and also to  our previous\r
93   work published in~\citep{Idrees2} which is  based on another optimization model\r
94   for sensor scheduling.\r
95 \end{enumerate}\r
96 \r
97 \r
98 \r
99 \r
100 \r
101 \r
102 The rest  of the paper is  organized as follows.  In the next section  we review\r
103 some related work in the  field. Section~\ref{sec:The PeCO Protocol Description}\r
104 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the\r
105 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor\r
106 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations\r
107 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding\r
108 remarks   are  drawn   and  some   suggestions are  given  for   future  works   in\r
109 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.\r
110 \r
111 \section{Related Literature}\r
112 \label{sec:Literature Review}\r
113 \r
114 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the\r
115 coverage problem and  distinguish our PeCO protocol from the  works presented in\r
116 the literature.\r
117 \r
118 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three\r
119 categories~\citep{li2013survey}   according   to  their   respective   monitoring\r
120 objective.  Hence,  area coverage \citep{Misra}  means that every point  inside a\r
121 fixed area  must be monitored, while  target coverage~\citep{yang2014novel} refers\r
122 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called\r
123 targets,  and  barrier coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}  focuses  on\r
124 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In\r
125 \citep{Deng2012}  authors  transform the  area  coverage  problem into  the  target\r
126 coverage one taking into account the  intersection points among disks of sensors\r
127 nodes    or   between    disk   of    sensor   nodes    and   boundaries.     In\r
128 \citep{Huang:2003:CPW:941350.941367}  authors prove  that  if  the perimeters  of\r
129 sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They\r
130 provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter-coverage of\r
131 each  sensor,  where  $d$  denotes  the  maximum  number  of  sensors  that  are\r
132 neighbors  to  a  sensor and  $n$  is  the  total  number of  sensors  in  the\r
133 network. {\it In PeCO protocol, instead  of determining the level of coverage of\r
134   a set  of discrete  points, our  optimization model is  based on  checking the\r
135   perimeter-coverage of each sensor to activate a minimal number of sensors.}\r
136 \r
137 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to\r
138 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or\r
139 non-disjoint)\citep{wang2011coverage}, where  each set completely  covers a  region of interest,  and to\r
140 activate these set  covers successively. The network activity can  be planned in\r
141 advance and scheduled  for the entire network lifetime or  organized in periods,\r
142 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period\r
143 \citep{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem\r
144 requirements (e.g.   area monitoring,  connectivity, or power  efficiency).  For\r
145 instance, \citet{jaggi2006}  address the problem of maximizing\r
146 the lifetime  by dividing sensors  into the  maximum number of  disjoint subsets\r
147 such  that each  subset  can ensure  both coverage  and  connectivity. A  greedy\r
148 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are\r
149 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   \r
150 \citet{chin2007},  \citet{yan2008design}, \citet{pc10},  propose  algorithms\r
151 working in a periodic fashion where a  cover set is computed at the beginning of\r
152 each period.   {\it Motivated by  these works,  PeCO protocol works  in periods,\r
153   where each  period contains a  preliminary phase for information  exchange and\r
154   decisions, followed by a sensing phase where one cover set is in charge of the\r
155   sensing task.}\r
156 \r
157 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing  of these two\r
158 concepts, have  been proposed  to extend the  network lifetime \citep{zhou2009variable}.   In distributed algorithms~\citep{Tian02,yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed} each sensor decides of its\r
159 own activity scheduling  after an information exchange with  its neighbors.  The\r
160 main interest of such an approach is to avoid long range communications and thus\r
161 to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since each\r
162 node has only information on  its immediate neighbors (usually the one-hop ones)\r
163 it may make a bad decision leading to a global suboptimal solution.  Conversely,\r
164 centralized\r
165 algorithms~\citep{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always\r
166 provide nearly  or close to  optimal solution since  the algorithm has  a global\r
167 view of the whole network. The disadvantage of a centralized method is obviously\r
168 its high  cost in communications needed to  transmit to a single  node, the base\r
169 station which will globally schedule  nodes' activities, data from all the other\r
170 sensor nodes  in the area.  The price  in communications can be  huge since\r
171 long range  communications will be  needed. In fact  the larger the WNS  is, the\r
172 higher the  communication and  thus the energy  cost are.   {\it In order  to be\r
173   suitable for large-scale  networks, in the PeCO protocol,  the area of interest\r
174   is divided into several smaller subregions, and in each one, a node called the\r
175   leader  is  in  charge  of  selecting  the active  sensors  for  the  current\r
176   period.  Thus our  protocol is  scalable  and is a  globally distributed  method,\r
177   whereas it is centralized in each subregion.}\r
178 \r
179 Various  coverage scheduling  algorithms have  been developed  these past few years.\r
180 Many of  them, dealing with  the maximization of the  number of cover  sets, are\r
181 heuristics.   These  heuristics involve  the  construction  of  a cover  set  by\r
182 including in priority the sensor nodes  which cover critical targets, that is to\r
183 say   targets   that  are   covered   by   the   smallest  number   of   sensors\r
184 \citep{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical\r
185 programming formulations~\citep{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}\r
186 and dedicated techniques (solving with a branch-and-bound algorithm available in\r
187 optimization  solver).  The  problem is  formulated as  an optimization  problem\r
188 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and\r
189 energy  constraints.   Column  generation   techniques,  well-known  and  widely\r
190 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have\r
191 also                                                                        been\r
192 used~\citep{castano2013column,doi:10.1080/0305215X.2012.687732,deschinkel2012column}. {\it  In the PeCO\r
193   protocol, each  leader, in charge  of a  subregion, solves an  integer program\r
194   which has a twofold objective: minimize the overcoverage and the undercoverage\r
195   of the perimeter of each sensor.}\r
196 \r
197 \r
198 \r
199 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}\r
200 \label{sec:The PeCO Protocol Description}\r
201 \r
202 \noindent  In  this  section,  we  describe in  details  our Perimeter-based  Coverage\r
203 Optimization protocol.  First we present the  assumptions we made and the models\r
204 we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the\r
205 background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm\r
206 executed by each node.\r
207 \r
208 \r
209 \subsection{Assumptions and Models}\r
210 \label{CI}\r
211 \r
212 \noindent A WSN consisting of $J$ stationary sensor nodes randomly and uniformly\r
213 distributed in  a bounded sensor field  is considered. The wireless  sensors are\r
214 deployed in high density  to ensure initially a high coverage  ratio of the area\r
215 of interest.  We  assume that all the  sensor nodes are homogeneous  in terms of\r
216 communication,  sensing,  and  processing capabilities  and  heterogeneous  from\r
217 the energy provision  point of  view.  The  location information  is available  to a\r
218 sensor node either  through hardware such as embedded GPS  or location discovery\r
219 algorithms.   We  assume  that  each  sensor  node  can  directly  transmit  its\r
220 measurements to  a mobile  sink node.  For  example, a sink  can be  an unmanned\r
221 aerial  vehicle  (UAV)  flying  regularly  over  the  sensor  field  to  collect\r
222 measurements from sensor nodes. A mobile sink node collects the measurements and\r
223 transmits them to the base station.   We consider a Boolean disk coverage model,\r
224 which is the most  widely used sensor coverage model in  the literature, and all\r
225 sensor nodes  have a constant sensing  range $R_s$.  Thus, all  the space points\r
226 within a disk centered at a sensor with  a radius equal to the sensing range are\r
227 said to be covered  by this sensor. We also assume  that the communication range\r
228 $R_c$ satisfies $R_c  \geq 2 \cdot R_s$. In fact,  \citet{Zhang05}\r
229 proved  that if  the  transmission  range fulfills  the  previous hypothesis,  the\r
230 complete coverage of a convex area implies connectivity among active nodes.\r
231 \r
232 The PeCO protocol  uses the  same perimeter-coverage  model as \citet{huang2005coverage}. It  can be expressed as follows:  a sensor is\r
233 said to be perimeter  covered if all the points on its  perimeter are covered by\r
234 at least  one sensor  other than  itself.  They  proved that  a network  area is\r
235 $k$-covered if and only if each sensor in the network is $k$-perimeter-covered (perimeter covered by at least $k$ sensors).\r
236  \r
237 Figure~\ref{figure1}(a)  shows  the coverage  of  sensor  node~$0$. On  this\r
238 figure, we can  see that sensor~$0$ has  nine neighbors and we  have reported on\r
239 its  perimeter (the  perimeter  of the  disk  covered by  the  sensor) for  each\r
240 neighbor  the  two  points  resulting  from the intersection  of  the  two  sensing\r
241 areas. These points are denoted for  neighbor~$i$ by $iL$ and $iR$, respectively\r
242 for  left and  right from  a neighboing  point of  view.  The  resulting couples  of\r
243 intersection points subdivide  the perimeter of sensor~$0$  into portions called\r
244 arcs.\r
245 \r
246 \begin{figure}[ht!]\r
247   \centering\r
248   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
249     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.eps} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\\r
250     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
251   \end{tabular}\r
252   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of\r
253     $u$'s perimeter covered by $v$.}\r
254   \label{figure1}\r
255 \end{figure} \r
256 \r
257 Figure~\ref{figure1}(b) describes the geometric information used to find the\r
258 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor\r
259 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the\r
260 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the\r
261 sensing area~: $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$. From the previous coordinates we can\r
262 compute the euclidean distance between nodes~$u$ and $v$: $Dist(u,v)=\sqrt{\vert\r
263   u_x  - v_x  \vert^2 +  \vert u_y-v_y  \vert^2}$, while  the angle~$\alpha$  is\r
264 obtained through  the formula:\r
265  \[\r
266 \alpha =  \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s}\r
267 \right).\r
268 \] \r
269 The arc on the perimeter of~$u$ defined by the angular interval $[\pi\r
270   - \alpha,\pi + \alpha]$ is said to be perimeter-covered by sensor~$v$.\r
271 \r
272 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi]$\r
273 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.\r
274 Figure~\ref{figure1}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of\r
275 sensor $0$ and  figure~\ref{figure2} gives the position of  the corresponding arcs\r
276 in  the interval  $[0,2\pi]$. More  precisely, we  can see  that the  points are\r
277 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective\r
278 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting\r
279 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of\r
280 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The\r
281 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For\r
282 example, \r
283 between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$\r
284 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of figure~\ref{figure2}), which\r
285 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. \r
286 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of\r
287 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed\r
288 above is thus given by the sixth line of the table.\r
289 \r
290 \r
291 \begin{figure*}[t!]\r
292 \centering\r
293 \includegraphics[width=127.5mm]{figure2.eps}  \r
294 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}\r
295 \label{figure2}\r
296 \end{figure*} \r
297 \r
298 \r
299 \r
300 \r
301  \begin{table}\r
302  \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0 \label{my-label}}\r
303 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}\r
304 \hline\r
305 \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Left \\ point \\ angle~$\alpha$ \end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ left \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ right \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Maximum \\ coverage\\  level\end{tabular} & \multicolumn{5}{c|}{\begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Set of sensors\\ involved \\ in coverage interval\end{tabular}} \\ \hline\r
306 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline\r
307 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline\r
308 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline\r
309 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline\r
310 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline\r
311 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline\r
312 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline\r
313 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline\r
314 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline\r
315 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline\r
316 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline\r
317 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline\r
318 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline\r
319 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline\r
320 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline\r
321 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline\r
322 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline\r
323 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline\r
324 \end{tabular}}\r
325 \r
326 \r
327 \end{table}\r
328 \r
329 \r
330 \r
331 \r
332 In the PeCO  protocol, the scheduling of the sensor  nodes' activities is formulated  with an\r
333 integer program  based on  coverage intervals. The  formulation of  the coverage\r
334 optimization problem is  detailed in~section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor\r
335 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in\r
336 figure~\ref{figure3}, the maximum coverage level for  this arc is set to $\infty$\r
337 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the\r
338 optimization algorithm.\r
339 \r
340  \newpage\r
341 \begin{figure}[h!]\r
342 \centering\r
343 \includegraphics[width=62.5mm]{figure3.eps}  \r
344 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}\r
345 \label{figure3}\r
346 \end{figure} \r
347 \r
348 \r
349 \subsection{The Main Idea}\r
350 \r
351 \noindent The  WSN area of  interest is, in a  first step, divided  into regular\r
352 homogeneous subregions  using a divide-and-conquer  algorithm. In a  second step\r
353 our  protocol  will  be  executed  in   a  distributed  way  in  each  subregion\r
354 simultaneously to schedule nodes' activities for one sensing period.\r
355 \r
356 As  shown in  figure~\ref{figure4}, node  activity  scheduling is  produced by  our\r
357 protocol in a periodic manner. Each period is divided into 4 stages: Information\r
358 (INFO)  Exchange,  Leader Election,  Decision  (the  result of  an  optimization\r
359 problem),  and  Sensing.   For  each  period there  is  exactly  one  set  cover\r
360 responsible for  the sensing task.  Protocols  based on a periodic  scheme, like\r
361 PeCO, are more  robust against an unexpected  node failure. On the  one hand, if\r
362 a node failure is discovered before  taking the decision, the corresponding sensor\r
363 node will  not be considered  by the optimization  algorithm. On  the other\r
364 hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the\r
365 network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a\r
366 new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in\r
367 the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be\r
368 taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their\r
369 information (including their  residual energy) at the beginning  of each period.\r
370 However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)\r
371 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor\r
372 the area.\r
373 \r
374 \begin{figure}[t!]\r
375 \centering\r
376 \includegraphics[width=80mm]{figure4.eps}  \r
377 \caption{PeCO protocol.}\r
378 \label{figure4}\r
379 \end{figure} \r
380 \r
381 We define two types of packets to be used by PeCO protocol:\r
382 \r
383 \begin{itemize} \r
384 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same\r
385   subregion for information exchange.\r
386 \item ActiveSleep packet: sent  by the leader to all the  nodes in its subregion\r
387   to transmit to  them their respective status (stay Active  or go Sleep) during\r
388   sensing phase.\r
389 \end{itemize}\r
390 \r
391 \r
392 Five status are possible for a sensor node in the network:\r
393 \r
394 \begin{itemize} \r
395 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);\r
396 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to\r
397   determine the activities scheduling;\r
398 \item ACTIVE: node is sensing;\r
399 \item SLEEP: node is turned off;\r
400 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.\r
401 \end{itemize}\r
402 \r
403 \r
404 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}\r
405 \r
406 \noindent The  pseudocode implementing the  protocol on  a node is  given below.\r
407 More  precisely,  Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives  a brief  description  of  the\r
408 protocol applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.\r
409 \r
410 \r
411 \r
412 \begin{algorithm}      \r
413  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}\r
414 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}\r
415 %  \BlankLine\r
416   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; \r
417   \r
418 \noindent{\bf If} $RE_k \geq E_{th}$ {\bf then}\\\r
419 \hspace*{0.6cm} \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\\r
420 \hspace*{0.6cm}  \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion;}\\\r
421 \hspace*{0.6cm}  \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion;}\\\r
422 \hspace*{0.6cm} \emph{Update K.CurrentSize;}\\\r
423 \hspace*{0.6cm}  \emph{LeaderID = Leader election;}\\\r
424 \hspace*{0.6cm} {\bf If} $ s_k.ID = LeaderID $ {\bf then}\\\r
425 \hspace*{1.2cm}   \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION;}\\\r
426 \hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader} {\bf then}\\\r
427 \hspace*{1.8cm} \emph{ Execute the perimeter coverage model;}\\\r
428 \hspace*{1.2cm} {\bf end}\\\r
429 \hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{($s_k.ID $ is the same Previous Leader)~And~(K.CurrentSize = K.PreviousSize)}\\\r
430 \hspace*{1.8cm} \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage;}\\\r
431 \hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\\r
432 \hspace*{1.2cm}  {\bf else}\\\r
433 \hspace*{1.8cm}\emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm;}\\\r
434 \hspace*{1.8cm} \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$);}\\\r
435 \hspace*{1.8cm} \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize;}\\\r
436 \hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\\r
437 \hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\\r
438 \hspace*{1.2cm}\emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion;}\\\r
439 \hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\\r
440 \hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\\r
441 \hspace*{0.6cm}  {\bf else}\\\r
442 \hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = LISTENING;}\\\r
443 \hspace*{1.2cm}\emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader;}\\\r
444 \hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\\r
445 \hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\\r
446 {\bf end}\\\r
447 {\bf else}\\\r
448 \hspace*{0.6cm} \emph{Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage;}\\\r
449 {\bf end}\\\r
450 \label{alg:PeCO}\r
451 \end{algorithm}\r
452 \r
453 \r
454 \r
455 In this  algorithm, K.CurrentSize and K.PreviousSize  respectively represent the\r
456 current number and  the previous number of living nodes in  the subnetwork of the\r
457 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_k$, which\r
458 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current\r
459 period.  Each  sensor node  determines its position  and its subregion  using an\r
460 embedded  GPS or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors\r
461 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number\r
462 of their  one-hop live  neighbors during the  information exchange.  The sensors\r
463 inside a same region cooperate to elect a leader. The selection criteria for the\r
464 leader, in order of priority,  are: larger numbers of neighbors, larger remaining\r
465 energy, and  then in case  of equality, larger  index.  Once chosen,  the leader\r
466 collects information to formulate and  solve the integer program which allows to\r
467 construct the set of active sensors in the sensing stage.\r
468 \r
469 \r
470 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}\r
471 \label{cp}\r
472 \r
473 \noindent In this  section, the coverage model is  mathematically formulated. We\r
474 start  with a  description of the notations that will  be used  throughout the\r
475 section.\\\r
476 First, we have the following sets:\r
477 \begin{itemize}\r
478 \item $S$ represents the set of WSN sensor nodes;\r
479 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;\r
480 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for\r
481   sensor~$j$.\r
482 \end{itemize}\r
483 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according\r
484 to the  method introduced in  subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,\r
485 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved\r
486 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:\r
487 \begin{equation}\r
488 a^j_{ik} = \left \{ \r
489 \begin{array}{lll}\r
490   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\\r
491         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\\r
492   0 & \mbox{otherwise.}\\\r
493 \end{array} \right.\r
494 \end{equation}\r
495 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.\r
496 \r
497 Second,  we define  several binary  and integer  variables.  Hence,  each binary\r
498 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase\r
499 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  an integer\r
500 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$\r
501 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same\r
502 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.\r
503 \r
504 If we decide to sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter\r
505 of sensor  $j$, we have  to ensure  that at least  $l$ sensors involved  in each\r
506 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$  are active.   According to  the\r
507 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of\r
508 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network\r
509 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each\r
510 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors\r
511 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all\r
512 coverage intervals. Therefore we use variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ as a measure\r
513 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage\r
514 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,\r
515 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the\r
516 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,\r
517 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.\r
518 \r
519 \r
520 \r
521 \r
522 Our coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: \r
523 \r
524 \begin{equation} \r
525 \left \{\r
526 \begin{array}{ll}\r
527 \min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\\r
528 \textrm{subject to :}&\\\r
529 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\\r
530 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\\r
531 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A\r
532 \end{array}\r
533 \right.\r
534 \end{equation}\r
535 \r
536 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the\r
537 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,\r
538 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may\r
539 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another\r
540 region. This  kind of integer program  is inspired from the  model developed for\r
541 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution\r
542 \citep{0031-9155-44-1-012}. The integer  program must be solved by  the leader in\r
543 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment\r
544 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of\r
545 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all\r
546 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since we\r
547 consider only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one\r
548 sensing phase) in the model.\r
549 \r
550 \section{Performance Evaluation and Analysis}  \r
551 \label{sec:Simulation Results and Analysis}\r
552 \r
553 \r
554 \subsection{Simulation Settings}\r
555 \r
556 \r
557 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions\r
558 and we use the same energy consumption than in our previous work~\citep{Idrees2}.\r
559 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.\r
560 \r
561 \begin{table}[ht]\r
562 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{\r
563 \r
564 \centering\r
565 \r
566 \begin{tabular}{c|c}\r
567 \r
568 \hline\r
569 Parameter & Value  \\ [0.5ex]\r
570    \r
571 \hline\r
572 % inserts single horizontal line\r
573 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\\r
574 \r
575 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\\r
576 \r
577 Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  \r
578 \r
579 Sensing period & duration of 60 minutes \\\r
580 $E_{th}$ & 36~Joules\\\r
581 $R_s$ & 5~m   \\     \r
582 \r
583 $\alpha^j_i$ & 0.6   \\\r
584 \r
585 $\beta^j_i$ & 0.4\r
586 \r
587 \end{tabular}}\r
588 \r
589 \r
590 \end{table}\r
591 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five\r
592 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering\r
593 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of\r
594 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a\r
595 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is\r
596 randomly drawn in the interval $[500-700]$.   If its energy provision reaches a\r
597 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a\r
598 node  to stay  active during  one period,  it will  no more  participate in  the\r
599 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,\r
600 obtained by multiplying  the energy consumed in active state  (9.72 mW) with the\r
601 time in  seconds for one  period (3600 seconds), and  adding the energy  for the\r
602 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may\r
603 be active during at most 20 periods.\r
604 \r
605 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good\r
606 network coverage and a longer WSN lifetime.  We have given a higher priority to\r
607 the  undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than\r
608 $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the\r
609 sensor~$j$.  On the  other hand,  we have assigned to\r
610 $\beta^j_i$ a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute\r
611 in covering the interval.\r
612 \r
613 We introduce the following performance metrics to evaluate the efficiency of our\r
614 approach.\r
615 \r
616 \r
617 \begin{itemize}\r
618 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until\r
619   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and\r
620   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is\r
621   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can\r
622   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their\r
623   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial\r
624   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a\r
625   base station an event it has sensed.\r
626 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to\r
627   observe the area of interest. In our  case, we discretized the sensor field as\r
628   a regular grid, which yields the following equation:\r
629   \r
630 \r
631 \[\r
632     \scriptsize\r
633     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100\r
634 \]\r
635 \r
636 \r
637   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every\r
638   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid\r
639   points in  the sensing  field.  In  our simulations  we have  set a  layout of\r
640   $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points.\r
641 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of our protocol is to\r
642   activate  as few nodes as possible,  in order  to minimize  the communication\r
643   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as\r
644   follows:\r
645  \r
646 \[\r
647     \scriptsize\r
648     \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|S|$}} \times 100\r
649 \]\r
650 \r
651   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the\r
652   current sensing period~$p$, $|S|$ is the number of sensors in the network, and\r
653   $R$ is the number of subregions.\r
654 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total\r
655   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,\r
656   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to\r
657   this formula:\r
658 \r
659 \[  \r
660   \scriptsize\r
661     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  \r
662       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},\r
663 \]\r
664  \r
665   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by\r
666   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy\r
667   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the\r
668   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during\r
669   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to\r
670   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the\r
671   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$\r
672   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer\r
673   program during a period.  Finally, $E^a_{p}$ and $E^s_{p}$ indicate the energy\r
674   consumed by the WSN during the sensing phase (active and sleeping nodes).\r
675 \end{itemize}\r
676 \r
677 \r
678 \subsection{Simulation Results}\r
679 \r
680 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have\r
681 implemented PeCO protocol in  OMNeT++~\citep{varga} simulator.  Besides PeCO, two\r
682 other  protocols,  described  in  the  next paragraph,  will  be  evaluated  for\r
683 comparison purposes.   The simulations were run  on a DELL laptop  with an Intel\r
684 Core~i3~2370~M (1.8~GHz)  processor (2  cores) whose MIPS  (Million Instructions\r
685 Per Second) rate  is equal to 35330. To  be consistent with the use  of a sensor\r
686 node based on  Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz) having  a MIPS rate\r
687 equal to 6,  the original execution time  on the laptop is  multiplied by 2944.2\r
688 $\left(\frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  The modeling  language for\r
689 Mathematical Programming (AMPL)~\citep{AMPL} is  employed to generate the integer\r
690 program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the\r
691 optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public\r
692 domain) \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.\r
693 \r
694 As said previously, the PeCO is  compared to three other approaches. The first\r
695 one,  called  DESK,  is  a  fully distributed  coverage  algorithm  proposed  by\r
696 \citep{ChinhVu}. The second one,  called GAF~\citep{xu2001geography}, consists in\r
697 dividing  the monitoring  area into  fixed  squares. Then,  during the  decision\r
698 phase, in each square, one sensor is  chosen to remain active during the sensing\r
699 phase. The last  one, the DiLCO protocol~\citep{Idrees2}, is  an improved version\r
700 of a research work we presented in~\citep{idrees2014coverage}. Let us notice that\r
701 PeCO and  DiLCO protocols are  based on the  same framework. In  particular, the\r
702 choice for the simulations of a partitioning in 16~subregions was made because\r
703 it corresponds to the configuration producing  the best results for DiLCO. The\r
704 protocols are distinguished  from one another by the formulation  of the integer\r
705 program providing the set of sensors which  have to be activated in each sensing\r
706 phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of a set of primary points,\r
707 whereas the PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each\r
708 sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to\r
709 one ($l=1$).\r
710 \r
711 \subsubsection{\bf Coverage Ratio}\r
712 \r
713 Figure~\ref{figure5}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes\r
714 obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better\r
715 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%\r
716 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the\r
717 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which\r
718 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate\r
719 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly\r
720 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio\r
721 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more\r
722 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a\r
723 substantial increase of the coverage performance.\r
724 \r
725 \parskip 0pt    \r
726 \begin{figure}[h!]\r
727 \centering\r
728  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} \r
729 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}\r
730 \label{figure5}\r
731 \end{figure} \r
732 \r
733 \r
734 \r
735 \r
736 \subsubsection{\bf Active Sensors Ratio}\r
737 \r
738 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the\r
739 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{figure6}\r
740 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that\r
741 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen\r
742 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92~\% and\r
743 20.16~\% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods\r
744 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with\r
745 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in\r
746 figure \ref{figure5}.\r
747 \r
748 \begin{figure}[h!]\r
749 \centering\r
750 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  \r
751 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}\r
752 \label{figure6}\r
753 \end{figure} \r
754 \r
755 \subsubsection{\bf Energy Consumption}\r
756 \r
757 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,\r
758 computation, listening, active, and sleep status for different network densities\r
759 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{figure7}(a)  and  (b)\r
760 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for\r
761 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the\r
762 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both\r
763 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might\r
764 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but\r
765 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the\r
766 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to\r
767 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption\r
768 while keeping a good coverage level.\r
769 \r
770 \begin{figure}[h!]\r
771   \centering\r
772   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
773     \includegraphics[scale=0.475]{figure7a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\\r
774     \includegraphics[scale=0.475]{figure7b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
775   \end{tabular}\r
776   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}\r
777   \label{figure7}\r
778 \end{figure} \r
779 \r
780 \r
781 \r
782 \subsubsection{\bf Network Lifetime}\r
783 \r
784 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the\r
785 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In\r
786 Figures~\ref{figure8}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for\r
787 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime\r
788 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO\r
789 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage\r
790 ratio greater than 50\%, we can  see on figure~\ref{figure8}(b) that the lifetime\r
791 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance\r
792 difference    is    more    obvious   in    figure~\ref{figure8}(b)    than    in\r
793 figure~\ref{figure8}(a) because the gain induced  by our protocols increases with\r
794  time, and the lifetime with a coverage  of 50\% is far  longer than with\r
795 95\%.\r
796 \r
797 \begin{figure}[h!]\r
798   \centering\r
799   \begin{tabular}{@{}cr@{}}\r
800     \includegraphics[scale=0.475]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  \r
801     \includegraphics[scale=0.475]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}\r
802   \end{tabular}\r
803   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ \\\r
804     and (b)~$Lifetime_{50}$.}\r
805   \label{figure8}\r
806 \end{figure} \r
807 \r
808 \r
809 \r
810 Figure~\ref{figure9}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for\r
811 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,\r
812 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can\r
813 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$\r
814 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications\r
815 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be\r
816 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level\r
817 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three\r
818 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network\r
819 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is\r
820 not ineffective for the smallest network sizes.\r
821 \r
822 \begin{figure}[h!]\r
823 \centering \includegraphics[scale=0.5]{figure9.eps}\r
824 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}\r
825 \label{figure9}\r
826 \end{figure} \r
827 \r
828 \r
829 \r
830 \r
831 \section{Conclusion and Future Works}\r
832 \label{sec:Conclusion and Future Works}\r
833 \r
834 In this paper  we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in\r
835 WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which\r
836 schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of\r
837 maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This\r
838 protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after\r
839 partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and\r
840 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors\r
841 operating in active status for each period. Our work is original in so far as it\r
842 proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of\r
843 sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of\r
844 targets/points to be covered.\r
845 \r
846 \r
847 We  have carried out  several simulations  to  evaluate the  proposed protocol.   The\r
848 simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other\r
849 approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and\r
850 energy consumption.\r
851 \r
852 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple\r
853 sensing periods.\r
854 \r
855 We also want  to improve our integer program to  take into account heterogeneous\r
856 sensors  from both  energy  and node  characteristics point of views.\r
857 \r
858 Finally,  it   would  be   interesting  to  implement   our  protocol   using  a\r
859 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.\r
860 \r
861 \bibliographystyle{gENO}\r
862 \bibliography{biblio}\r
863 \r
864 \r
865 \end{document}\r