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