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

Private GIT Repository
Michel - Still some points to be checked in section 5.2
[LiCO.git] / PeCO-EO / articleeo.tex
1 % gENOguide.tex
2 % v4.0 released April 2013
3
4 \documentclass{gENO2e}
5 %\usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
6 %\renewcommand{\algorithmcfname}{ALGORITHM}
7 \usepackage{indentfirst}
8 \usepackage[algo2e,ruled,vlined]{algorithm2e}
9 \begin{document}
10
11 %\jvol{00} \jnum{00} \jyear{2013} \jmonth{April}
12
13 %\articletype{GUIDE}
14
15 \title{{\itshape Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime \\
16     in Wireless Sensor Networks}}
17
18 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a}$, Karine Deschinkel$^{a}$$^{\ast}$\thanks{$^\ast$Corresponding author. Email: karine.deschinkel@univ-fcomte.fr}, Michel Salomon$^{a}$ and Rapha\"el Couturier $^{a}$
19 $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e,
20           Belfort, France}}}
21
22 \maketitle
23
24 \begin{abstract}
25 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the
26 use of its limited energy provision, so  that it can fulfill its monitoring task
27 as  long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to
28 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity
29 scheduling which ensures  sensing coverage while minimizing the  energy cost. We
30 propose such  an approach called Perimeter-based  Coverage Optimization protocol
31 (PeCO). It  is a hybrid  of centralized and  distributed methods: the  region of
32 interest  is  first  subdivided  into   subregions  and  the  protocol  is  then
33 distributed among sensor  nodes in each subregion.  The novelty  of our approach
34 lies essentially  in the  formulation of a  new mathematical  optimization model
35 based  on  the  perimeter  coverage   level  to  schedule  sensors'  activities.
36 Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO can offer longer lifetime
37 coverage for WSNs in comparison with some other protocols.
38
39 \begin{keywords}
40   Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.
41 \end{keywords}
42
43 \end{abstract}
44
45 \section{Introduction}
46 \label{sec:introduction}
47
48 The continuous progress in Micro  Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless
49 communication hardware has  given rise to the opportunity to  use large networks
50 of      tiny       sensors,      called      Wireless       Sensor      Networks
51 (WSN)~\citep{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to fulfill monitoring
52 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by
53 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node
54 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the
55 user by means of  sink nodes. The features of a WSN made  it suitable for a wide
56 range of application  in areas such as business,  environment, health, industry,
57 military, and so on~\citep{yick2008wireless}.  Typically, a sensor node contains
58 three main components~\citep{anastasi2009energy}: a sensing unit able to measure
59 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a
60 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio
61 communication unit for data transmission and receiving.
62
63 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and
64 communication is supplied by a power supply which is a battery. This battery has
65 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or
66 recharge it in  most applications. Therefore it is necessary  to deploy WSN with
67 high density  in order to  increase reliability  and to exploit  node redundancy
68 thanks to energy-efficient activity  scheduling approaches.  Indeed, the overlap
69 of sensing  areas can be exploited  to schedule alternatively some  sensors in a
70 low power sleep mode and thus save  energy. Overall, the main question that must
71 be answered is: how to extend the lifetime coverage of a WSN as long as possible
72 while  ensuring  a   high  level  of  coverage?   These  past   few  years  many
73 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the
74 lifetime of the WSNs~\citep{rault2014energy}.
75
76 This paper makes the following contributions.
77 \begin{enumerate}
78 \item A  framework is devised  to schedule  nodes to be  activated alternatively
79   such that  the network  lifetime is  prolonged while  ensuring that  a certain
80   level of coverage  is preserved.  A key  idea in the proposed  framework is to
81   exploit  spatial and  temporal  subdivision.  On  the one  hand,  the area  of
82   interest is  divided into several smaller  subregions and, on the  other hand,
83   the time line is divided into periods  of equal length.  In each subregion the
84   sensor nodes  will cooperatively  choose a leader  which will  schedule nodes'
85   activities,  and  this grouping  of  sensors  is  similar to  typical  cluster
86   architecture.
87 \item A new  mathematical optimization model is proposed.  Instead  of trying to
88   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in
89   the literature, we formulate an integer program based on perimeter coverage of
90   each sensor.  The  model involves integer variables to  capture the deviations
91   between  the actual  level  of coverage  and the  required  level.  Hence,  an
92   optimal  schedule will  be  obtained by  minimizing a  weighted  sum of  these
93   deviations.
94 \item Extensive  simulation experiments are  conducted using the  discrete event
95   simulator  OMNeT++, to  demonstrate the  efficiency of  our protocol.  We have
96   compared  the  PeCO  protocol  to  two approaches  found  in  the  literature:
97   DESK~\citep{ChinhVu} and GAF~\citep{xu2001geography}, and also to our previous
98   protocol DiLCO published in~\citep{Idrees2}. DiLCO  uses the same framework as
99   PeCO but is based on another optimization model for sensor scheduling.
100 \end{enumerate}
101
102 The rest of the paper is organized as follows.  In the next section some related
103 work in the  field is reviewed. Section~\ref{sec:The  PeCO Protocol Description}
104 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the
105 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
106 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations
107 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
108 remarks  are  drawn  and  some  suggestions   are  given  for  future  works  in
109 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
110
111 \section{Related Literature}
112 \label{sec:Literature Review}
113
114 This section  summarizes some related  works regarding the coverage  problem and
115 presents  specific aspects  of the  PeCO protocol  common with  other literature
116 works.
117
118 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three
119 categories~\citep{li2013survey}   according  to   their  respective   monitoring
120 objective.  Hence, area  coverage \citep{Misra} means that every  point inside a
121 fixed area must be monitored, while target coverage~\citep{yang2014novel} refers
122 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called
123 targets,   and   barrier  coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}   focuses   on
124 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In
125 \citep{Deng2012} authors  transform the  area coverage  problem into  the target
126 coverage one taking into account the  intersection points among disks of sensors
127 nodes    or   between    disk   of    sensor   nodes    and   boundaries.     In
128 \citep{Huang:2003:CPW:941350.941367}  authors prove  that if  the perimeters  of
129 sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They
130 provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter-coverage of
131 each sensor. $d$ denotes  the maximum number of sensors that  are neighbors to a
132 sensor, and  $n$ is the  total number  of sensors in  the network. {\it  In PeCO
133   protocol, instead  of determining the level  of coverage of a  set of discrete
134   points, our optimization model is  based on checking the perimeter-coverage of
135   each sensor to activate a minimal number of sensors.}
136
137 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to
138 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or
139 non-disjoint)  \citep{wang2011coverage},  where  each set  completely  covers  a
140 region of interest,  and to activate these set covers  successively. The network
141 activity can be planned in advance and scheduled for the entire network lifetime
142 or organized  in periods,  and the  set of  active sensor  nodes decided  at the
143 beginning of each  period \citep{ling2009energy}. In fact,  many authors propose
144 algorithms       working       in       such      a       periodic       fashion
145 \citep{chin2007,yan2008design,pc10}.  Active node  selection is determined based
146 on  the problem  requirements  (e.g.  area  monitoring,  connectivity, or  power
147 efficiency).  For instance, \citet{jaggi2006}  address the problem of maximizing
148 the lifetime  by dividing sensors  into the  maximum number of  disjoint subsets
149 such  that each  subset  can ensure  both coverage  and  connectivity. A  greedy
150 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
151 activated in succession to achieve  the desired network lifetime. {\it Motivated
152   by these works,  PeCO protocol works in periods, where  each period contains a
153   preliminary  phase  for information  exchange  and  decisions, followed  by  a
154   sensing phase where one cover set is in charge of the sensing task.}
155
156 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing of  these two
157 concepts,    have   been    proposed    to   extend    the   network    lifetime
158 \citep{zhou2009variable}.                      In                    distributed
159 algorithms~\citep{ChinhVu,qu2013distributed,yangnovel}  each  sensor decides  of
160 its own  activity scheduling after  an information exchange with  its neighbors.
161 The main interest of such an approach  is to avoid long range communications and
162 thus to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since
163 each node has  only information on its immediate neighbors  (usually the one-hop
164 ones)  it may  make a  bad  decision leading  to a  global suboptimal  solution.
165 Conversely,                                                          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, data from all the other
171 sensor nodes in  the area.  The price  in communications can be  huge since long
172 range communications will be needed. In fact  the larger the WSN, the higher the
173 communication  energy  cost.  {\it  In  order  to  be suitable  for  large-scale
174   networks,  in PeCO  protocol  the area  of interest  is  divided into  several
175   smaller subregions, and in each one, a  node called the leader is in charge of
176   selecting the  active sensors for the  current period.  Thus PeCO  protocol is
177   scalable and a globally distributed method,  whereas it is centralized in each
178   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
187 formulations~\citep{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}        and
188 dedicated  techniques (solving  with a  branch-and-bound algorithm  available in
189 optimization  solver).  The  problem is  formulated as  an optimization  problem
190 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
191 energy  constraints.   Column  generation   techniques,  well-known  and  widely
192 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
193 also                                                                        been
194 used~\citep{castano2013column,doi:10.1080/0305215X.2012.687732,deschinkel2012column}.
195 {\it In  the PeCO  protocol, each leader,  in charge of  a subregion,  solves an
196   integer program which  has a twofold objective: minimize  the overcoverage and
197   the undercoverage of the perimeter of each sensor.}
198
199 The  authors   in  \citep{Idrees2}  propose  a   Distributed  Lifetime  Coverage
200 Optimization (DiLCO)  protocol, which  maintains the  coverage and  improves the
201 lifetime  in WSNs.   It is  an  improved version  of a  research work  presented
202 in~\citep{idrees2014coverage}.  First, the area  of interest is partitioned into
203 subregions using a divide-and-conquer method. DiLCO protocol is then distributed
204 on the  sensor nodes  in each  subregion in  a second  step. Hence this protocol
205 combines two  techniques: a leader  election in  each subregion, followed  by an
206 optimization-based   node  activity   scheduling  performed   by  each   elected
207 leader. The proposed DiLCO protocol is  a periodic protocol where each period is
208 decomposed into 4  phases: information exchange, leader  election, decision, and
209 sensing. The  simulations show that DiLCO  is able to increase  the WSN lifetime
210 and provides  improved coverage performance.  {\it  In the PeCO protocol,  a new
211   mathematical optimization model is proposed. Instead  of trying to cover a set
212   of  specified points/targets  as in  DiLCO protocol,  we formulate  an integer
213   program based on perimeter coverage of each sensor. The model involves integer
214   variables to capture  the deviations between the actual level  of coverage and
215   the required level. The idea is that an optimal scheduling will be obtained by
216   minimizing a weighted sum of these deviations.}
217   
218 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}
219 \label{sec:The PeCO Protocol Description}
220
221 %In  this  section,  the Perimeter-based  Coverage
222 %Optimization protocol is decribed in details.  First we present the  assumptions we made and the models
223 %we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the
224 %background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm
225 %executed by each node.
226
227
228 \subsection{Assumptions and Models}
229 \label{CI}
230
231 A  WSN  consisting  of  $J$  stationary  sensor  nodes  randomly  and  uniformly
232 distributed in  a bounded sensor field  is considered. The wireless  sensors are
233 deployed in high density  to ensure initially a high coverage  ratio of the area
234 of interest.  We  assume that all the  sensor nodes are homogeneous  in terms of
235 communication, sensing,  and processing capabilities and  heterogeneous from the
236 energy provision  point of  view.  The  location information  is available  to a
237 sensor node either  through hardware such as embedded GPS  or location discovery
238 algorithms. We consider a Boolean disk  coverage model, which is the most widely
239 used  sensor coverage  model in  the  literature, and  all sensor  nodes have  a
240 constant sensing range $R_s$.  Thus, all the space points within a disk centered
241 at a sensor with  a radius equal to the sensing range are  said to be covered by
242 this sensor.  We also assume that  the communication range $R_c$  satisfies $R_c
243 \geq 2  \cdot R_s$.  In fact,  \citet{Zhang05} proved  that if  the transmission
244 range fulfills the  previous hypothesis, the complete coverage of  a convex area
245 implies connectivity among active nodes.
246
247 The    PeCO   protocol    uses    the   same    perimeter-coverage   model    as
248 \citet{huang2005coverage}. It can  be expressed as follows: a sensor  is said to
249 be perimeter covered if all the points  on its perimeter are covered by at least
250 one sensor other  than itself.  Authors \citet{huang2005coverage}  proved that a
251 network area  is $k$-covered  (every point in  the area is  covered by  at least
252 $k$~sensors) if and only if each  sensor in the network is $k$-perimeter-covered
253 (perimeter covered by at least $k$ sensors).
254  
255 Figure~\ref{figure1}(a) shows the coverage of  sensor node~$0$.  On this figure,
256 sensor~$0$  has nine  neighbors  and  we have  reported  on  its perimeter  (the
257 perimeter of the  disk covered by the  sensor) for each neighbor  the two points
258 resulting from  the intersection  of the  two sensing  areas.  These  points are
259 denoted for neighbor~$i$ by $iL$ and  $iR$, respectively for left and right from
260 a  neighboring point  of view.   The  resulting couples  of intersection  points
261 subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called arcs.
262
263 \begin{figure}[ht!]
264   \centering
265   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
266     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.eps} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
267     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
268   \end{tabular}
269   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
270     $u$'s perimeter covered by $v$.}
271   \label{figure1}
272 \end{figure} 
273
274 Figure~\ref{figure1}(b)  describes the  geometric information  used to  find the
275 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
276 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
277 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
278 sensing area~:  $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$.  From the previous  coordinates the
279 euclidean distance between nodes~$u$ and $v$ is computed as follows:
280 $$
281   Dist(u,v)=\sqrt{\vert u_x - v_x \vert^2 + \vert u_y-v_y \vert^2},
282 $$
283 while the angle~$\alpha$ is obtained through the formula:
284  \[
285 \alpha = \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s} \right).
286 \] 
287 The  arc  on the  perimeter  of~$u$  defined by  the  angular  interval $[\pi  -
288   \alpha,\pi + \alpha]$ is then said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
289
290 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi)$
291 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
292 Figure~\ref{figure1}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
293 sensor $0$ and  Table~\ref{my-label} gives the position of  the corresponding arcs
294 in  the interval  $[0,2\pi)$. More  precisely, the  points are
295 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
296 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
297 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
298 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
299 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
300 example, between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
301 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{figure2}), which
302 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
303 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
304 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
305 above is thus given by the sixth line of the table.
306
307 \begin{figure*}[t!]
308 \centering
309 \includegraphics[width=0.95\linewidth]{figure2.eps}  
310 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
311 \label{figure2}
312 \end{figure*} 
313
314 \begin{table}
315 \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for node 0 \label{my-label}}
316 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
317 \hline
318 \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
319 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
320 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
321 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
322 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
323 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
324 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
325 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
326 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
327 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
328 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
329 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
330 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
331 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
332 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
333 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
334 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
335 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
336 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
337 \end{tabular}}
338
339
340 \end{table}
341
342 In  the  PeCO protocol,  the  scheduling  of  the  sensor nodes'  activities  is
343 formulated    with    an    mixed-integer     program    based    on    coverage
344 intervals~\citep{doi:10.1155/2010/926075}.  The  formulation   of  the  coverage
345 optimization problem is  detailed in~Section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor
346 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in
347 Figure~\ref{figure3}, the maximum coverage level for this arc is set to $\infty$
348 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the
349 optimization algorithm.
350
351 %\newpage
352 \begin{figure}[h!]
353 \centering
354 \includegraphics[width=62.5mm]{figure3.eps}  
355 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
356 \label{figure3}
357 \end{figure}
358
359 \vspace{-0.25cm}
360
361 \subsection{Main Idea}
362
363 The WSN area of  interest is, in a first step,  divided into regular homogeneous
364 subregions using a  divide-and-conquer algorithm. In a second  step our protocol
365 will  be executed  in  a distributed  way in  each  subregion simultaneously  to
366 schedule nodes' activities  for one sensing period. Node Sensors  are assumed to
367 be deployed  almost uniformly over the  region. The regular subdivision  is made
368 such that the number of hops between  any pairs of sensors inside a subregion is
369 less than or equal to 3.
370
371 As shown  in Figure~\ref{figure4}, node  activity scheduling is produced  by the
372 proposed protocol  in a periodic manner.  Each period is divided  into 4 stages:
373 Information  (INFO)  Exchange,  Leader  Election, Decision  (the  result  of  an
374 optimization problem),  and Sensing.  For each  period there is exactly  one set
375 cover responsible for  the sensing task.  Protocols based on  a periodic scheme,
376 like PeCO, are more robust against an  unexpected node failure. On the one hand,
377 if a  node failure is discovered  before taking the decision,  the corresponding
378 sensor node will  not be considered by the optimization  algorithm. On the other
379 hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the
380 network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a
381 new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in
382 the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be
383 taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their
384 information (including their  residual energy) at the beginning  of each period.
385 However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)
386 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor
387 the area. Sensing  period duration is adapted according to  the QoS requirements
388 of the application.
389
390 \begin{figure}[t!]
391 \centering
392 \includegraphics[width=85mm]{figure4.eps}  
393 \caption{PeCO protocol.}
394 \label{figure4}
395 \end{figure} 
396
397 We define two types of packets to be used by PeCO protocol:
398 \begin{itemize} 
399 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
400   subregion for information exchange.
401 \item ActiveSleep packet: sent  by the leader to all the  nodes in its subregion
402   to transmit to  them their respective status (stay Active  or go Sleep) during
403   sensing phase.
404 \end{itemize}
405
406 Five statuses are possible for a sensor node in the network:
407 \begin{itemize} 
408 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);
409 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to
410   determine the activities scheduling;
411 \item ACTIVE: node is sensing;
412 \item SLEEP: node is turned off;
413 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.
414 \end{itemize}
415
416 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
417
418 The  pseudocode implementing  the  protocol  on a  node  is  given below.   More
419 precisely, Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives a  brief description of  the protocol
420 applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.
421
422
423 \begin{algorithm2e}      
424  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
425 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
426 %  \BlankLine
427   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \;
428   \label{alg:PeCO}
429   \caption{PeCO pseudocode}
430   \eIf{$RE_k \geq E_{th}$}{
431     $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
432     Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion\;
433     Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion\;
434     Update K.CurrentSize\;
435     LeaderID = Leader election\;
436     \eIf{$s_k.ID = LeaderID$}{
437       $s_k.status$ = COMPUTATION\;
438       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader}{
439         Execute the perimeter coverage model\;
440       }
441       \eIf{($s_k.ID $ is the same Previous Leader) {\bf and} \\
442         \indent (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{
443         Use the same previous cover set for current sensing stage\;
444       }{
445         Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm\;
446         $\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)\;
447         K.PreviousSize = K.CurrentSize\;
448       }
449       $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
450       Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion\;
451       Update $RE_k $\;
452     }{
453       $s_k.status$ = LISTENING\;
454       Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader\;
455       Update $RE_k $\;
456     }
457   }{
458     Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage\;
459   }
460 \end{algorithm2e}
461
462 %\begin{algorithm}
463 %\noindent{\bf If} $RE_k \geq E_{th}$ {\bf then}\\
464 %\hspace*{0.6cm} \emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
465 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion;}\\
466 %\hspace*{0.6cm}  \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion;}\\
467 %\hspace*{0.6cm} \emph{Update K.CurrentSize;}\\
468 %\hspace*{0.6cm}  \emph{LeaderID = Leader election;}\\
469 %\hspace*{0.6cm} {\bf If} $ s_k.ID = LeaderID $ {\bf then}\\
470 %\hspace*{1.2cm}   \emph{$s_k.status$ = COMPUTATION;}\\
471 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader} {\bf then}\\
472 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Execute the perimeter coverage model;}\\
473 %\hspace*{1.2cm} {\bf end}\\
474 %\hspace*{1.2cm}{\bf If} \emph{($s_k.ID $ is the same Previous Leader)~And~(K.CurrentSize = K.PreviousSize)}\\
475 %\hspace*{1.8cm} \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage;}\\
476 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
477 %\hspace*{1.2cm}  {\bf else}\\
478 %\hspace*{1.8cm}\emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm;}\\
479 %\hspace*{1.8cm} \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$);}\\
480 %\hspace*{1.8cm} \emph{K.PreviousSize = K.CurrentSize;}\\
481 %\hspace*{1.2cm}  {\bf end}\\
482 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = COMMUNICATION;}\\
483 %\hspace*{1.2cm}\emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion;}\\
484 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
485 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
486 %\hspace*{0.6cm}  {\bf else}\\
487 %\hspace*{1.2cm}\emph{$s_k.status$ = LISTENING;}\\
488 %\hspace*{1.2cm}\emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader;}\\
489 %\hspace*{1.2cm}\emph{Update $RE_k $;}\\
490 %\hspace*{0.6cm}  {\bf end}\\
491 %{\bf end}\\
492 %{\bf else}\\
493 %\hspace*{0.6cm} \emph{Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage;}\\
494 %{\bf end}\\
495 %\label{alg:PeCO}
496 %\end{algorithm}
497
498 In this  algorithm, $K.CurrentSize$ and $K.PreviousSize$  respectively represent
499 the current number and the previous number  of living nodes in the subnetwork of
500 the  subregion.   At the  beginning  of  the  first period  $K.PreviousSize$  is
501 initialized to  zero.  Initially,  the sensor node  checks its  remaining energy
502 $RE_k$, which must be greater than  a threshold $E_{th}$ in order to participate
503 in  the current  period.   Each  sensor node  determines  its  position and  its
504 subregion using an  embedded GPS or a location discovery  algorithm. After that,
505 all the sensors collect position  coordinates, remaining energy, sensor node ID,
506 and the number of their one-hop  live neighbors during the information exchange.
507 The sensors  inside a same  region cooperate to  elect a leader.   The selection
508 criteria for the leader are (in order  of priority):
509 \begin{enumerate}
510 \item larger number of neighbors;
511 \item larger  remaining energy;
512 \item and then  in case  of equality,  larger index.
513 \end{enumerate}
514 Once chosen, the leader collects information  to formulate and solve the integer
515 program  which allows  to construct  the set  of active  sensors in  the sensing
516 stage.
517
518 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
519 \label{cp}
520
521 In  this  section,  the   perimeter-based  coverage  problem  is  mathematically
522 formulated.    It    has    been    proved   to    be    a    NP-hard    problem
523 by \citep{doi:10.1155/2010/926075}. Authors  study the coverage of  the perimeter
524 of a  large object requiring  to be monitored.  For the proposed  formulation in
525 this paper,  the large  object to  be monitored  is the  sensor itself  (or more
526 precisely its sensing area).
527
528 The following notations are used  throughout the section.
529
530 First, the following sets:
531 \begin{itemize}
532 \item $S$ represents the set of sensor nodes;
533 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
534 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
535   sensor~$j$.
536 \end{itemize}
537 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
538 to the  method introduced in  subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,
539 let $a^j_{ik}$ denote  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
540 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
541 \begin{equation}
542 a^j_{ik} = \left \{ 
543 \begin{array}{lll}
544   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
545         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
546   0 & \mbox{otherwise.}\\
547 \end{array} \right.
548 \end{equation}
549 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
550
551 Second,  several variables  are defined.   Hence, each  binary variable  $X_{k}$
552 determines the  activation of sensor  $k$ in the  sensing phase ($X_k=1$  if the
553 sensor $k$ is active or 0 otherwise).   $M^j_i$ is a variable which measures the
554 undercoverage for the coverage interval  $i$ corresponding to sensor~$j$. In the
555 same  way, the  overcoverage for  the  same coverage  interval is  given by  the
556 variable $V^j_i$.
557
558 To sustain a  level of coverage equal  to $l$ all along the  perimeter of sensor
559 $j$, at  least $l$  sensors involved in  each coverage interval  $i \in  I_j$ of
560 sensor $j$ have  to be active.  According to the  previous notations, the number
561 of  active sensors  in the  coverage  interval $i$  of  sensor $j$  is given  by
562 $\sum_{k \in A} a^j_{ik} X_k$.  To extend the network lifetime, the objective is
563 to activate  a minimal number  of sensors in each  period to ensure  the desired
564 coverage level. As the number of  alive sensors decreases, it becomes impossible
565 to reach  the desired level  of coverage  for all coverage  intervals. Therefore
566 variables  $M^j_i$ and  $V^j_i$ are  introduced as  a measure  of the  deviation
567 between the  desired number  of active  sensors in a  coverage interval  and the
568 effective number.  And we try to  minimize these deviations, first  to force the
569 activation of a minimal number of  sensors to ensure the desired coverage level,
570 and if  the desired level  cannot be completely  satisfied, to reach  a coverage
571 level as close as possible to the desired one.
572
573 The coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows:
574 \begin{equation}
575   \begin{aligned}
576     \text{Minimize } & \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) \\
577     \text{Subject to:} & \\
578     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S  \\
579     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S \\
580     & X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
581     & M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
582   \end{aligned}
583 \end{equation}
584
585 %\begin{equation} 
586 %\left \{
587 %\begin{array}{ll}
588 %\min \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) & \\
589 %\textrm{subject to :} &\\
590 %\sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
591 %\sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S\\
592 %X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
593 %M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
594 %\end{array}
595 %\right.
596 %\end{equation}
597
598 If a given level of coverage $l$ is  required for one sensor, the sensor is said
599 to be undercovered (respectively overcovered) if the level of coverage of one of
600 its  CI  is  less  (respectively  greater)  than $l$.   If  the  sensor  $j$  is
601 undercovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number
602 of active  sensors (denoted by $l^{i}$)  covering this part of  the perimeter is
603 less than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=l-l^{i}$, $V_{i}^{j}=0$. Conversely,
604 if the sensor $j$ is overcovered, there exists  at least one of its CI (say $i$)
605 for which the  number of active sensors (denoted by  $l^{i}$) covering this part
606 of  the  perimeter  is  greater  than  $l$  and  in  this  case:  $M_{i}^{j}=0$,
607 $V_{i}^{j}=l^{i}-l$.
608
609 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
610 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
611 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
612 be given by  a relatively larger magnitude than weights  associated with another
613 region. This kind of mixed-integer program  is inspired from the model developed
614 for   brachytherapy  treatment   planning  for   optimizing  dose   distribution
615 \citep{0031-9155-44-1-012}.  The choice of the values for variables $\alpha$ and
616 $\beta$  should be  made according  to the  needs of  the application.  $\alpha$
617 should be  large enough  to prevent  undercoverage and so  to reach  the highest
618 possible coverage ratio. $\beta$ should  be large enough to prevent overcoverage
619 and so to activate a minimum  number of sensors.  The mixed-integer program must
620 be solved  by the  leader in  each subregion  at the  beginning of  each sensing
621 phase, whenever the environment has changed (new leader, death of some sensors).
622 Note that  the number of  constraints in the  model is constant  (constraints of
623 coverage  expressed for  all sensors),  whereas  the number  of variables  $X_k$
624 decreases over periods, since only alive  sensors (sensors with enough energy to
625 be alive during one sensing phase) are considered in the model.
626
627 \section{Performance Evaluation and Analysis}  
628 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
629
630 \subsection{Simulation Settings}
631
632 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions
633 and   we  use   the  same   energy  consumption   model  as   in  our   previous
634 work~\citep{Idrees2}.  Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
635
636 \begin{table}[ht]
637 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{
638 \centering
639 \begin{tabular}{c|c}
640 \hline
641 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
642 \hline
643 % inserts single horizontal line
644 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $ \\
645 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes \\
646 Initial energy  & in range 500-700~Joules \\  
647 Sensing period & duration of 60 minutes \\
648 $E_{th}$ & 36~Joules \\
649 $R_s$ & 5~m \\     
650 $R_c$ & 10~m \\   
651 $\alpha^j_i$ & 0.6 \\
652 $\beta^j_i$ & 0.4
653 \end{tabular}}
654 \end{table}
655
656 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five
657 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
658 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
659 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
660 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
661 randomly drawn in  the interval $[500-700]$.  If its energy  provision reaches a
662 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
663 node to  stay active  during one period,  it will no  longer participate  in the
664 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
665 obtained by multiplying  the energy consumed in the active  state (9.72 mW) with
666 the time in seconds for one period (3600 seconds), and adding the energy for the
667 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may
668 be active during at most 20 periods.
669
670 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
671 network coverage  and a longer  WSN lifetime.  Higher  priority is given  to the
672 undercoverage (by setting the $\alpha^j_i$ with a larger value than $\beta^j_i$)
673 so as  to prevent the non-coverage  for the interval~$i$ of  the sensor~$j$.  On
674 the other hand, $\beta^j_i$ is assigned to a value which is slightly lower so as
675 to minimize the  number of active sensor nodes which  contribute in covering the
676 interval. Subsection~\ref{sec:Impact} investigates more deeply how the values of
677 both parameters affect the performance of PeCO protocol.
678
679 The following performance metrics are used to evaluate the efficiency of the
680 approach.
681 \begin{itemize}
682 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until
683   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and
684   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is
685   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can
686   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their
687   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial
688   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a
689   base station an event it has sensed.
690 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to
691   observe the area of interest. In our  case, the sensor field is discretized as
692   a regular grid, which yields the following equation:
693   \begin{equation*}
694     \scriptsize
695     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100
696   \end{equation*}
697   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every
698   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid
699   points in the sensing field. A layout of $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points
700   is considered in the simulations.
701 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of our protocol is to
702   activate as  few nodes  as possible,  in order  to minimize  the communication
703   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as
704   follows:
705   \begin{equation*}
706    \scriptsize
707    \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100
708   \end{equation*}
709   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the
710   sensing period~$p$, $R$  is the number of subregions, and  $|J|$ is the number
711   of sensors in the network.
712 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total
713   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,
714   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to
715   this formula:
716   \begin{equation*} 
717     \scriptsize
718     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  
719       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},
720   \end{equation*}
721   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by
722   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy
723   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the
724   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during
725   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to
726   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the
727   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$
728   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer
729   program  during  a  period   (COMPUTATION  status).   Finally,  $E^a_{p}$  and
730   $E^s_{p}$ indicate  the energy consumed  by the  WSN during the  sensing phase
731   ({\it active} and {\it sleeping} nodes).
732 \end{itemize}
733
734 \subsection{Simulation Results}
735
736 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have
737 implemented PeCO  protocol in OMNeT++~\citep{varga} simulator.   The simulations
738 were run  on a DELL laptop  with an Intel Core~i3~2370~M  (1.8~GHz) processor (2
739 cores) whose MIPS  (Million Instructions Per Second) rate is  equal to 35330. To
740 be consistent  with the  use of  a sensor  node based  on Atmels  AVR ATmega103L
741 microcontroller (6~MHz)  having a MIPS rate  equal to 6, the  original execution
742 time  on  the  laptop  is multiplied  by  2944.2  $\left(\frac{35330}{2}  \times
743 \frac{1}{6} \right)$.  Energy  consumption is calculated according  to the power
744 consumption  values,  in  milliWatt  per  second,  given  in  Table~\ref{tab:EC}
745 based on the energy model proposed in \citep{ChinhVu}.
746
747 % Questions on energy consumption calculation
748 % 1 - How did you compute the value for COMPUTATION status ?
749 % 2 - I have checked the paper of Chinh T. Vu (2006) and I wonder
750 % why you completely deleted the energy due to the sensing range ?
751 % => You should have use a fixed value for the sensing rangge Rs (5 meter)
752 % => for all the nodes to compute f(Ri), which would have lead to energy values
753
754 \begin{table}[h]
755 \centering
756 \caption{Energy consumption}
757 \label{tab:EC}
758 \begin{tabular}{|l||cccc|}
759   \hline
760   {\bf Sensor status} & MCU & Radio & Sensor & {\it Power (mW)} \\
761   \hline
762   LISTENING & On & On & On & 20.05 \\
763   ACTIVE & On & Off & On & 9.72 \\
764   SLEEP & Off & Off & Off & 0.02 \\
765   COMPUTATION & On & On & On & 26.83 \\
766   \hline
767   \multicolumn{4}{|l}{Energy needed to send or receive a 2-bit content message} & 0.515 \\
768   \hline
769 \end{tabular}
770 \end{table}
771
772 The modeling  language for Mathematical Programming  (AMPL)~\citep{AMPL} is used
773 to generate  the integer program  instance in a  standard format, which  is then
774 read and  solved by  the optimization  solver GLPK  (GNU linear  Programming Kit
775 available in the public domain) \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.
776
777 % No discussion about the execution of GLPK on a sensor ?
778
779 Besides  PeCO,   three  other  protocols   will  be  evaluated   for  comparison
780 purposes. The first one, called DESK,  is a fully distributed coverage algorithm
781 proposed      by     \citep{ChinhVu}.       The      second     one,      called
782 GAF~\citep{xu2001geography}, consists in dividing the monitoring area into fixed
783 squares. Then, during  the decision phase, in each square,  one sensor is chosen
784 to  remain  active   during  the  sensing  phase.   The  last   one,  the  DiLCO
785 protocol~\citep{Idrees2}, is an improved version of a research work we presented
786 in~\citep{idrees2014coverage}. Let us  notice that PeCO and  DiLCO protocols are
787 based on the same framework. In particular,  the choice for the simulations of a
788 partitioning  in   16~subregions  was  made   because  it  corresponds   to  the
789 configuration  producing  the  best  results   for  DiLCO.   The  protocols  are
790 distinguished  from  one another  by  the  formulation  of the  integer  program
791 providing  the  set of  sensors  which  have to  be  activated  in each  sensing
792 phase. DiLCO protocol tries to satisfy the  coverage of a set of primary points,
793 whereas PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each
794 sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to
795 one ($l=1$).
796
797 \subsubsection{Coverage Ratio}
798
799 Figure~\ref{figure5} shows  the average  coverage ratio  for 200  deployed nodes
800 obtained with the four protocols. DESK, GAF, and DiLCO provide a slightly better
801 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the
802 98.76\% produced by PeCO for the first periods.  This is due to the fact that at
803 the beginning PeCO  protocol puts to sleep status more  redundant sensors (which
804 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate
805 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly
806 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio
807 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more
808 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a
809 substantial increase of the coverage performance.
810
811 \parskip 0pt    
812 \begin{figure}[h!]
813 \centering
814  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} 
815 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
816 \label{figure5}
817 \end{figure} 
818
819 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
820
821 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
822 energy   consumption    and   thus    to   maximize   the    network   lifetime.
823 Figure~\ref{figure6}  shows the  average  active nodes  ratio  for 200  deployed
824 nodes.  We observe that DESK and GAF have 30.36~\% and 34.96~\% active nodes for
825 the first fourteen  rounds, and DiLCO and PeCO protocols  compete perfectly with
826 only 17.92~\%  and 20.16~\% active nodes  during the same time  interval. As the
827 number of periods increases, PeCO protocol has a lower number of active nodes in
828 comparison with the  three other approaches and exhibits a  slow decrease, while
829 keeping a greater coverage ratio as shown in Figure \ref{figure5}.
830
831 \begin{figure}[h!]
832 \centering
833 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  
834 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
835 \label{figure6}
836 \end{figure} 
837
838 \subsubsection{Energy Consumption}
839
840 The  effect  of  the  energy  consumed by  the  WSN  during  the  communication,
841 computation,  listening,  active, and  sleep  status  is studied  for  different
842 network densities  and the  four approaches  compared.  Figures~\ref{figure7}(a)
843 and (b)  illustrate the energy consumption  for different network sizes  and for
844 $Lifetime95$ and $Lifetime50$.  The results show  that PeCO protocol is the most
845 competitive from the energy consumption point of view. As shown by both figures,
846 PeCO consumes much less energy than the  other methods. One might think that the
847 resolution of the integer program is too  costly in energy, but the results show
848 that it is very beneficial to lose a  bit of time in the selection of sensors to
849 activate.  Indeed  the optimization program  allows to reduce  significantly the
850 number of  active sensors  and so  the energy consumption  while keeping  a good
851 coverage level. Let  us notice that the energy overhead  when increasing network
852 size is the lowest with PeCO.
853
854 \begin{figure}[h!]
855   \centering
856   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
857     \includegraphics[scale=0.5]{figure7a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\
858     \includegraphics[scale=0.5]{figure7b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
859   \end{tabular}
860   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
861   \label{figure7}
862 \end{figure} 
863
864 \subsubsection{Network Lifetime}
865
866 We observe the  superiority of both PeCO and DiLCO  protocols in comparison with
867 the   two   other  approaches   in   prolonging   the  network   lifetime.    In
868 Figures~\ref{figure8}(a) and  (b), $Lifetime95$  and $Lifetime50$ are  shown for
869 different  network  sizes.  As  can  be  seen  in  these figures,  the  lifetime
870 increases with the size of the network,  and it is clearly largest for DiLCO and
871 PeCO protocols.  For  instance, for a network of 300~sensors  and coverage ratio
872 greater than  50\%, we can see  on Figure~\ref{figure8}(b) that the  lifetime is
873 about  twice  longer with  PeCO  compared  to  DESK protocol.   The  performance
874 difference    is   more    obvious    in    Figure~\ref{figure8}(b)   than    in
875 Figure~\ref{figure8}(a) because the gain induced by our protocols increases with
876 time, and the lifetime with a coverage over 50\% is far longer than with 95\%.
877
878 \begin{figure}[h!]
879   \centering
880   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
881     \includegraphics[scale=0.5]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  
882     \includegraphics[scale=0.5]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
883   \end{tabular}
884   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
885   \label{figure8}
886 \end{figure} 
887
888 Figure~\ref{figure9} compares the lifetime coverage  of DiLCO and PeCO protocols
889 for  different   coverage  ratios.   We  denote  by   Protocol/50,  Protocol/80,
890 Protocol/85, Protocol/90,  and Protocol/95 the  amount of time during  which the
891 network  can satisfy  an  area  coverage greater  than  $50\%$, $80\%$,  $85\%$,
892 $90\%$, and  $95\%$ respectively,  where the  term Protocol  refers to  DiLCO or
893 PeCO.  Indeed there are applications that do not require a 100\% coverage of the
894 area to be  monitored. PeCO might be  an interesting method since  it achieves a
895 good balance  between a  high level  coverage ratio  and network  lifetime. PeCO
896 always  outperforms DiLCO  for the  three  lower coverage  ratios, moreover  the
897 improvements grow  with the network  size. DiLCO  is better for  coverage ratios
898 near 100\%, but  in that case PeCO  is not ineffective for  the smallest network
899 sizes.
900
901 \begin{figure}[h!]
902 \centering \includegraphics[scale=0.55]{figure9.eps}
903 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
904 \label{figure9}
905 \end{figure} 
906
907 \subsubsection{Impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
908 \label{sec:Impact}
909
910 Table~\ref{my-labelx}  shows network  lifetime results  for different  values of
911 $\alpha$ and $\beta$, and  a network size equal to 200 sensor  nodes. On the one
912 hand, the choice  of $\beta \gg \alpha$ prevents the  overcoverage, and so limit
913 the activation of a large number of  sensors, but as $\alpha$ is low, some areas
914 may be poorly covered.  This explains  the results obtained for {\it Lifetime50}
915 with $\beta \gg \alpha$: a large number  of periods with low coverage ratio.  On
916 the other hand, when we choose $\alpha \gg \beta$, we favor the coverage even if
917 some areas may  be overcovered, so high  coverage ratio is reached,  but a large
918 number  of  sensors are  activated  to  achieve  this goal.   Therefore  network
919 lifetime is reduced.   The choice $\alpha=0.6$ and $\beta=0.4$  seems to achieve
920 the best compromise  between lifetime and coverage ratio.  That  explains why we
921 have  chosen  this  setting  for  the  experiments  presented  in  the  previous
922 subsections.
923
924 %As can be seen in Table~\ref{my-labelx},  it is obvious and clear that when $\alpha$ decreased and $\beta$ increased by any step, the network lifetime for $Lifetime_{50}$ increased and the $Lifetime_{95}$ decreased. Therefore, selecting the values of $\alpha$ and $\beta$ depend on the application type used in the sensor nework. In PeCO protocol, $\alpha$ and $\beta$ are chosen based on the largest value of network lifetime for $Lifetime_{95}$.
925
926 \begin{table}[h]
927 \centering
928 \caption{The impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
929 \label{my-labelx}
930 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
931 \hline
932 $\alpha$ & $\beta$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
933 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
934 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
935 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
936 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
937 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
938 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
939 {\bf 0.6} & {\bf 0.4} & {\bf 94} & {\bf 57} \\ \hline
940 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
941 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
942 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
943 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
944 \end{tabular}
945 \end{table}
946
947
948 \section{Conclusion and Future Works}
949 \label{sec:Conclusion and Future Works}
950
951 In this paper we have studied  the problem of perimeter coverage optimization in
952 WSNs.   We  have  designed  a  new  protocol,  called  Perimeter-based  Coverage
953 Optimization, which schedules nodes' activities  (wake up and sleep stages) with
954 the objective of maintaining a good  coverage ratio while maximizing the network
955 lifetime.  This protocol  is applied in a distributed way  in regular subregions
956 obtained after partitioning the area of interest in a preliminary step. It works
957 in periods and  is based on the  resolution of an integer program  to select the
958 subset  of sensors  operating in  active status  for each  period.  Our  work is
959 original  in so  far  as it  proposes  for  the first  time  an integer  program
960 scheduling the  activation of sensors  based on their perimeter  coverage level,
961 instead of using a set of targets/points to be covered. Several simulations have
962 been carried out to evaluate the  proposed protocol. The simulation results show
963 that  PeCO is  more  energy-efficient  than other  approaches,  with respect  to
964 lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, and energy consumption.
965
966 We plan to extend  our framework so that the schedules  are planned for multiple
967 sensing  periods. We  also want  to  improve the  integer program  to take  into
968 account heterogeneous sensors from both energy and node characteristics point of
969 views.  Finally,  it would  be interesting  to implement  PeCO protocol  using a
970 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.
971
972 \bibliographystyle{gENO}
973 \bibliography{biblio} %articleeo
974
975 \end{document}