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

Private GIT Repository
Merge branch 'master' of ssh://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/LiCO
[LiCO.git] / PeCO-EO / articleeo.tex
1 % gENOguide.tex
2 % v4.0 released April 2013
3
4 \documentclass{gENO2e}
5
6 \usepackage{indentfirst}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage[algo2e,ruled,vlined]{algorithm2e}
9 \begin{document}
10
11 \title{{\itshape Perimeter-based Coverage Optimization \\
12   to Improve Lifetime in Wireless Sensor Networks}}
13
14 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$$^{\ast}$\thanks{$^\ast$Corresponding author. Email: karine.deschinkel@univ-fcomte.fr}, Michel Salomon$^{a}$, and Rapha\"el Couturier $^{a}$
15   $^{a}${\em{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, \\
16   University Bourgogne Franche-Comt\'e, Belfort, France}} \\ 
17   $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}
18 }         
19          
20 \maketitle
21
22 \begin{abstract}
23 The most important problem in a Wireless Sensor Network (WSN) is to optimize the
24 use of its limited energy provision, so  that it can fulfill its monitoring task
25 as  long as  possible. Among  known  available approaches  that can  be used  to
26 improve  power  management,  lifetime coverage  optimization  provides  activity
27 scheduling which ensures  sensing coverage while minimizing the  energy cost. An approach called Perimeter-based  Coverage Optimization protocol
28 (PeCO) is proposed. It is a hybrid  of centralized and  distributed methods: the  region of
29 interest  is  first  subdivided  into   subregions  and  the  protocol  is  then
30 distributed among sensor  nodes in each subregion.  The novelty  of the approach
31 lies essentially  in the  formulation of a  new mathematical  optimization model
32 based  on  the  perimeter  coverage   level  to  schedule  sensors'  activities.
33 Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO can offer longer lifetime
34 coverage for WSNs compared to other protocols.
35
36 \begin{keywords}
37   Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.
38 \end{keywords}
39
40 \end{abstract}
41
42 \section{Introduction}
43 \label{sec:introduction}
44
45 The continuous progress in Micro  Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless
46 communication hardware has given rise to the opportunity of using large networks
47 of      tiny       sensors,      called      Wireless       Sensor      Networks
48 (WSN)~\citep{akyildiz2002wireless,puccinelli2005wireless}, to fulfill monitoring
49 tasks.   A  WSN  consists  of  small low-powered  sensors  working  together  by
50 communicating with one another through multi-hop radio communications. Each node
51 can send the data  it collects in its environment, thanks to  its sensor, to the
52 user by means of sink nodes. The features  of a WSN makes it suitable for a wide
53 range of applications in areas  such as business, environment, health, industry,
54 military, and so on~\citep{yick2008wireless}.  Typically, a sensor node contains
55 three main components~\citep{anastasi2009energy}: a sensing unit able to measure
56 physical,  chemical, or  biological  phenomena observed  in  the environment;  a
57 processing unit which will process and store the collected measurements; a radio
58 communication unit for data transmission and reception.
59
60 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and
61 communication is provided by a power supply which is a battery. This battery has
62 a limited energy provision and it may  be unsuitable or impossible to replace or
63 recharge in most applications. Therefore it is necessary to deploy WSN with high
64 density in order  to increase reliability and to exploit  node redundancy thanks
65 to  energy-efficient activity  scheduling  approaches.  Indeed,  the overlap  of
66 sensing areas can  be exploited to schedule alternatively some  sensors in a low
67 power sleep mode and  thus save energy. Overall, the main  question that must be
68 answered is: how is it possible to extend the lifetime coverage of a WSN as long
69 as possible while ensuring a high level  of coverage?  These past few years many
70 energy-efficient mechanisms have been suggested  to retain energy and extend the
71 lifetime of the WSNs~\citep{rault2014energy}.
72
73 This paper makes the following contributions :
74 \begin{enumerate}
75 \item A  framework is devised  to schedule  nodes to be  activated alternatively
76   such that  the network  lifetime is  prolonged while  ensuring that  a certain
77   level of coverage  is preserved.  A key  idea in the proposed  framework is to
78   exploit  spatial and  temporal  subdivision.  On  the one  hand,  the area  of
79   interest is  divided into several smaller  subregions and, on the  other hand,
80   the time line is divided into periods  of equal length.  In each subregion the
81   sensor nodes  will cooperatively  choose a leader  which will  schedule nodes'
82   activities,  and  this grouping  of  sensors  is  similar to  typical  cluster
83   architecture.
84 \item A new  mathematical optimization model is proposed.  Instead  of trying to
85   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in
86   the literature, a  mixed-integer program based on  the perimeter
87   coverage of each sensor is formulated.  The model  involves integer variables to capture the
88   deviations  between the  actual  level  of coverage  and  the required  level.
89   Hence, an  optimal schedule will be  obtained by minimizing a  weighted sum of
90   these deviations.
91 \item Extensive  simulation experiments are  conducted using the  discrete event
92   simulator OMNeT++,  to demonstrate  the efficiency of  the PeCO protocol.   The  PeCO  protocol has been compared to  two approaches  found  in  the  literature:
93   DESK~\citep{ChinhVu} and GAF~\citep{xu2001geography}, and also to the
94   protocol DiLCO published in~\citep{Idrees2}. DiLCO  uses the same framework as
95   PeCO but is based on another optimization model for sensor scheduling.
96 \end{enumerate}
97
98 The rest of the paper is organized as follows.  In the next section some related
99 work in the  field is reviewed. Section~\ref{sec:The  PeCO Protocol Description}
100 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the
101 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
102 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations
103 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
104 remarks  are  drawn  and  some  suggestions   are  given  for  future  works  in
105 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
106
107 \section{Related Literature}
108 \label{sec:Literature Review}
109
110 This section  summarizes some related  works regarding the coverage  problem and
111 presents  specific aspects  of the  PeCO protocol  common with  other literature
112 works.
113
114 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three
115 categories~\citep{li2013survey}   according  to   their  respective   monitoring
116 objective.  Hence, area  coverage \citep{Misra} means that every  point inside a
117 fixed area must be monitored, while target coverage~\citep{yang2014novel} refers
118 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called
119 targets,   and   barrier  coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}   focuses   on
120 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In
121 \citep{Deng2012} authors  transform the  area coverage  problem into  the target
122 coverage one, taking into account the intersection points among disks of sensors
123 nodes   or    between   disks    of   sensor    nodes   and    boundaries.    In
124 \citep{huang2005coverage} authors  prove that if  the perimeters of  the sensors
125 are sufficiently covered it will be the case for the whole area. They provide an
126 algorithm  in  $O(nd~log~d)$ time  to  compute  the perimeter-coverage  of  each
127 sensor.  $d$ denotes  the maximum  number  of sensors  that are  neighbors to  a
128 sensor, and  $n$ is the  total number  of sensors in  the network. {\it  In PeCO
129   protocol, instead  of determining the level  of coverage of a  set of discrete
130   points, the optimization model is  based on checking the perimeter-coverage of
131   each sensor to activate a minimal number of sensors.}
132
133 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to
134 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or
135 non-disjoint)  \citep{wang2011coverage},  where  each set  completely  covers  a
136 region of interest,  and to successively activate these set covers. The network
137 activity can be planned in advance and scheduled for the entire network lifetime
138 or organized  in periods,  and the  set of  active sensor  nodes decided  at the
139 beginning of each  period \citep{ling2009energy}. In fact,  many authors propose
140 algorithms       working       in       such      a       periodic       fashion
141 \citep{chin2007,yan2008design,pc10}.  Active node  selection is determined based
142 on  the problem  requirements  (e.g.  area  monitoring,  connectivity, or  power
143 efficiency).  For instance, \citet{jaggi2006}  address the problem of maximizing
144 the lifetime  by dividing sensors  into the  maximum number of  disjoint subsets
145 such  that each  subset  can ensure  both coverage  and  connectivity. A  greedy
146 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
147 activated in succession to achieve  the desired network lifetime. {\it Motivated
148   by these works,  PeCO protocol works in periods, where  each period contains a
149   preliminary  phase  for information  exchange  and  decisions, followed  by  a
150   sensing phase where one cover set is in charge of the sensing task.}
151
152 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing of  these two
153 concepts,    have   been    proposed    to   extend    the   network    lifetime
154 \citep{zhou2009variable}.                      In                    distributed
155 algorithms~\citep{ChinhVu,qu2013distributed,yangnovel}  each  sensor decides  of
156 its own  activity scheduling after  an information exchange with  its neighbors.
157 The main interest of such an approach  is to avoid long range communications and
158 thus to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since
159 each node has  information on its immediate neighbors only  (usually the one-hop
160 ones),  it may  make a  bad decision  leading to  a global  suboptimal solution.
161 Conversely,                                                          centralized
162 algorithms~\citep{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}   always
163 provide nearly  optimal solutions since the  algorithm has a global  view of the
164 whole network.  The disadvantage of a  centralized method is obviously  its high
165 cost in  communications needed to  transmit to a  single node, the  base station
166 which will globally  schedule nodes' activities, data from all  the other sensor
167 nodes in  the area.  The  price in communications can  be huge since  long range
168 communications  will be  needed. In  fact  the larger  the WSN,  the higher  the
169 communication  energy  cost.  {\it  In  order  to  be suitable  for  large-scale
170   networks, in  the PeCO protocol the  area of interest is  divided into several
171   smaller subregions, and in each one, a  node called the leader is in charge of
172   selecting the active  sensors for the current period.  Thus  the PeCO protocol
173   is scalable  and a globally distributed  method, whereas it is  centralized in
174   each subregion.}
175
176 Various coverage scheduling algorithms have been developed these past few years.
177 Many of  them, dealing with  the maximization of the  number of cover  sets, are
178 heuristics.   These  heuristics involve  the  construction  of  a cover  set  by
179 including in priority the sensor nodes  which cover critical targets, that is to
180 say   targets   that  are   covered   by   the   smallest  number   of   sensors
181 \citep{berman04,zorbas2010solving}.  Other approaches  are based on mathematical
182 programming
183 formulations~\citep{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}        and
184 dedicated  techniques (solving  with a  branch-and-bound algorithm  available in
185 optimization  solver).  The  problem is  formulated as  an optimization  problem
186 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
187 energy  constraints.   Column  generation   techniques,  well-known  and  widely
188 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
189 also                                                                        been
190 used~\citep{castano2013column,doi:10.1080/0305215X.2012.687732,deschinkel2012column}.
191 {\it In  the PeCO  protocol, each leader,  in charge of  a subregion,  solves an
192   integer program which  has a twofold objective: minimizing  the overcoverage and
193   the undercoverage of the perimeter of each sensor.}
194
195 The  authors   in  \citep{Idrees2}  propose  a   Distributed  Lifetime  Coverage
196 Optimization (DiLCO)  protocol, which  maintains the  coverage and  improves the
197 lifetime  in WSNs.   It is  an  improved version  of a  research work  presented
198 in~\citep{idrees2014coverage}.  First, the area  of interest is partitioned into
199 subregions  using  a  divide-and-conquer  method. The  DiLCO  protocol  is  then
200 distributed on the sensor  nodes in each subregion in a  second step. Hence this
201 protocol combines two techniques: a  leader election in each subregion, followed
202 by  an optimization-based  node activity  scheduling performed  by each  elected
203 leader. The proposed DiLCO protocol is  a periodic protocol where each period is
204 decomposed into 4  phases: information exchange, leader  election, decision, and
205 sensing. The  simulations show that DiLCO  is able to increase  the WSN lifetime
206 and provides  improved coverage performance.  {\it  In the PeCO protocol,  a new
207   mathematical optimization model is proposed. Instead  of trying to cover a set
208   of specified points/targets as in the  DiLCO protocol, an integer
209   program based  on the perimeter  coverage of  each sensor is formulated. The  model involves
210   integer  variables to  capture  the  deviations between  the  actual level  of
211   coverage and the  required level. The idea is that  an optimal scheduling will
212   be obtained by minimizing a weighted sum of these deviations.}
213   
214 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}
215 \label{sec:The PeCO Protocol Description}
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.  All  the sensor nodes are  supposed to be homogeneous  in terms of
225 communication, sensing,  and processing capabilities and  heterogeneous from the
226 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. A Boolean disk coverage model,  which is the most widely used sensor
229 coverage model  in the  literature, is  considered and all  sensor nodes  have a
230 constant sensing range $R_s$.  Thus, all the space points within a disk centered
231 at a sensor with  a radius equal to the sensing range are  said to be covered by
232 this sensor.  The communication range  $R_c$ is assumed to satisfy : $R_c
233 \geq 2  \cdot R_s$.  In  fact, \citet{Zhang05}  proved that if  the transmission
234 range fulfills the  previous hypothesis, the complete coverage of  a convex area
235 implies connectivity among active nodes.
236
237 The    PeCO   protocol    uses    the   same    perimeter-coverage   model    as
238 \citet{huang2005coverage}. It can  be expressed as follows: a sensor  is said to
239 be perimeter covered if all the points  on its perimeter are covered by at least
240 one sensor other  than itself.  Authors \citet{huang2005coverage}  proved that a
241 network area  is $k$-covered  (every point in  the area is  covered by  at least
242 $k$~sensors) if and only if each  sensor in the network is $k$-perimeter-covered
243 (perimeter covered by at least $k$ sensors).
244  
245 Figure~\ref{figure1}(a) shows the coverage of  sensor node~$0$.  On this figure,
246 sensor~$0$  has nine  neighbors. For each neighbor  the two points
247 resulting from  the intersection  of the  two sensing  areas have been reported  on  its perimeter  (the
248 perimeter of the  disk covered by the  sensor~$0$).  These  points are
249 denoted for neighbor~$i$ by $iL$ and  $iR$, respectively for left and right from
250 a  neighboring point  of view.   The  resulting couples  of intersection  points
251 subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called arcs.
252
253 \begin{figure}[ht!]
254   \centering
255   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
256     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.eps} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
257     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
258   \end{tabular}
259   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
260     $u$'s perimeter covered by $v$.}
261   \label{figure1}
262 \end{figure} 
263
264 Figure~\ref{figure1}(b)  describes the  geometric information  used to  find the
265 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
266 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
267 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
268 sensing area~:  $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$.  From the previous  coordinates the
269 euclidean distance between nodes~$u$ and $v$ is computed as follows:
270 $$
271   Dist(u,v)=\sqrt{(u_x - v_x)^2 + (u_y-v_y)^2},
272 $$
273 while the angle~$\alpha$ is obtained through the formula:
274  \[
275 \alpha = \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s} \right).
276 \] 
277 The  arc  on the  perimeter  of~$u$  defined by  the  angular  interval $[\pi  -
278   \alpha,\pi + \alpha]$ is then said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
279
280 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi)$
281 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
282 Figure~\ref{figure1}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
283 sensor $0$ and  Table~\ref{my-label} gives the position of  the corresponding arcs
284 in  the interval  $[0,2\pi)$. More  precisely, the  points are
285 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
286 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
287 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
288 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
289 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
290 example, between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
291 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{figure2}), which
292 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
293 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
294 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
295 above is thus given by the sixth line of the table.
296
297 \begin{figure*}[t!]
298 \centering
299 \includegraphics[width=0.95\linewidth]{figure2.eps}  
300 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
301 \label{figure2}
302 \end{figure*} 
303
304 \begin{table}
305 \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for node 0 \label{my-label}}
306 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
307 \hline
308 \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
309 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
310 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
311 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
312 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
313 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
314 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
315 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
316 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
317 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
318 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
319 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
320 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
321 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
322 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
323 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
324 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
325 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
326 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
327 \end{tabular}}
328
329
330 \end{table}
331
332 In  the  PeCO protocol,  the  scheduling  of  the  sensor nodes'  activities  is
333 formulated    with    a    mixed-integer     program    based    on    coverage
334 intervals~\citep{doi:10.1155/2010/926075}.  The  formulation   of  the  coverage
335 optimization problem is  detailed in~Section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor
336 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in
337 Figure~\ref{figure3}, the maximum coverage level for this arc is set to $\infty$
338 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the
339 optimization algorithm.
340
341 %\newpage
342 \begin{figure}[h!]
343 \centering
344 \includegraphics[width=57.5mm]{figure3.eps}  
345 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
346 \label{figure3}
347 \end{figure}
348
349 \vspace{-0.25cm}
350
351 \subsection{Main Idea}
352
353 The WSN area of  interest is, in a first step,  divided into regular homogeneous
354 subregions using a  divide-and-conquer algorithm. In a second  step the protocol
355 will  be executed  in  a distributed  way in  each  subregion simultaneously  to
356 schedule nodes' activities  for one sensing period. Sensor nodes  are assumed to
357 be deployed  almost uniformly over the  region. The regular subdivision  is made
358 such that the number of hops between  any pairs of sensors inside a subregion is
359 less than or equal to 3.
360
361 As shown  in Figure~\ref{figure4}, node  activity scheduling is produced  by the
362 proposed protocol  in a periodic manner.  Each period is divided  into 4 stages:
363 Information  (INFO)  Exchange,  Leader  Election, Decision  (the  result  of  an
364 optimization problem),  and Sensing.  For each  period there is exactly  one set
365 cover responsible for  the sensing task.  Protocols based on  a periodic scheme,
366 like PeCO, are more robust against an  unexpected node failure. On the one hand,
367 if a  node failure is discovered  before taking the decision,  the corresponding
368 sensor 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
378 of the application.
379
380 \begin{figure}[t!]
381 \centering
382 \includegraphics[width=80mm]{figure4.eps}  
383 \caption{PeCO protocol.}
384 \label{figure4}
385 \end{figure} 
386
387 Two types of packets used by the PeCO protocol are defined:
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   the sensing phase.
394 \end{itemize}
395
396 Five statuses are possible for a sensor node in the network:
397 \begin{itemize} 
398 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);
399 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to
400   determine the activities scheduling;
401 \item ACTIVE: node is sensing;
402 \item SLEEP: node is turned off;
403 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.
404 \end{itemize}
405
406 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
407
408 The  pseudocode implementing  the  protocol  on a  node  is  given below.   More
409 precisely, Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives a  brief description of  the protocol
410 applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.
411
412
413 \begin{algorithm2e}      
414   \label{alg:PeCO}
415   \caption{PeCO pseudocode}
416   \eIf{$RE_k \geq E_{th}$}{
417     $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
418     Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion\;
419     Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion\;
420     Update K.CurrentSize\;
421     LeaderID = Leader election\;
422     \eIf{$s_k.ID = LeaderID$}{
423       $s_k.status$ = COMPUTATION\;
424       \If{$ s_k.ID $ is Not previously selected as a Leader}{
425         Execute the perimeter coverage model\;
426       }
427       \eIf{($s_k.ID $ is the same Previous Leader) {\bf and} \\
428         \indent (K.CurrentSize = K.PreviousSize)}{
429         Use the same previous cover set for current sensing stage\;
430       }{
431         Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm\;
432         $\left\{\left(X_{1},\dots,X_{l},\dots,X_{K}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($K$)\;
433         K.PreviousSize = K.CurrentSize\;
434       }
435       $s_k.status$ = COMMUNICATION\;
436       Send $ActiveSleep()$ to each node $l$ in subregion\;
437       Update $RE_k $\;
438     }{
439       $s_k.status$ = LISTENING\;
440       Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader\;
441       Update $RE_k $\;
442     }
443   }{
444     Exclude $s_k$ from entering in the current sensing stage\;
445   }
446 \end{algorithm2e}
447
448 In this  algorithm, $K.CurrentSize$ and $K.PreviousSize$  respectively represent
449 the current number and the previous number  of living nodes in the subnetwork of
450 the  subregion.   At the  beginning  of  the  first period  $K.PreviousSize$  is
451 initialized to  zero.  Initially,  the sensor node  checks its  remaining energy
452 $RE_k$, which must be greater than  a threshold $E_{th}$ in order to participate
453 in  the current  period.   Each  sensor node  determines  its  position and  its
454 subregion using an  embedded GPS or a location discovery  algorithm. After that,
455 all the sensors collect position  coordinates, remaining energy, sensor node ID,
456 and the number of their one-hop  live neighbors during the information exchange.
457 Both INFO packet and ActiveSleep packet contain two parts: header and data payload. The sensor ID is included in the header, where the header size is 8 bits. The data part includes position coordinates (64 bits), remaining energy (32 bits), and the number of one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the size of the INFO packet is 112 bits. The ActiveSleep packet is 16 bits size, 8 bits for the header and 8 bits for data part that includes only sensor status (0 or 1).
458 The sensors  inside a same  region cooperate to  elect a leader.   The selection
459 criteria for the leader are (in order  of priority):
460 \begin{enumerate}
461 \item larger number of neighbors;
462 \item larger  remaining energy;
463 \item and then,  in case  of equality,  larger indexes.
464 \end{enumerate}
465 Once chosen, the leader collects information  to formulate and solve the integer
466 program  which allows  to build  the set  of active  sensors in  the sensing
467 stage.
468
469 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
470 \label{cp}
471
472 In  this  section,  the   perimeter-based  coverage  problem  is  mathematically
473 formulated.    It    has    been    proved   to    be    a    NP-hard    problem
474 by \citep{doi:10.1155/2010/926075}. Authors  study the coverage of  the perimeter
475 of a  large object requiring  to be monitored.  For the proposed  formulation in
476 this paper,  the large  object to  be monitored  is the  sensor itself  (or more
477 precisely its sensing area).
478
479 The following notations are used  throughout the section.
480
481 First, the following sets:
482 \begin{itemize}
483 \item $S$ represents the set of sensor nodes;
484 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
485 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
486   sensor~$j$.
487 \end{itemize}
488 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which has been defined according
489 to the  method introduced in  Subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,
490 let $a^j_{ik}$ denote  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
491 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
492 \begin{equation}
493 a^j_{ik} = \left \{ 
494 \begin{array}{lll}
495   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
496         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
497   0 & \mbox{otherwise.}\\
498 \end{array} \right.
499 \end{equation}
500 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
501
502 Second,  several variables  are defined.   Hence, each  binary variable  $X_{k}$
503 determines the  activation of sensor  $k$ in the  sensing phase ($X_k=1$  if the
504 sensor $k$ is active or 0 otherwise).   $M^j_i$ is a variable which measures the
505 undercoverage for the coverage interval  $i$ corresponding to sensor~$j$. In the
506 same  way, the  overcoverage for  the  same coverage  interval is  given by  the
507 variable $V^j_i$.
508
509 To sustain a  level of coverage equal  to $l$ all along the  perimeter of sensor
510 $j$, at  least $l$  sensors involved in  each coverage interval  $i \in  I_j$ of
511 sensor $j$ have  to be active.  According to the  previous notations, the number
512 of  active sensors  in the  coverage  interval $i$  of  sensor $j$  is given  by
513 $\sum_{k \in A} a^j_{ik} X_k$.  To extend the network lifetime, the objective is
514 to activate  a minimal number  of sensors in each  period to ensure  the desired
515 coverage level. As the number of  alive sensors decreases, it becomes impossible
516 to reach  the desired level  of coverage  for all coverage  intervals. Therefore
517 variables  $M^j_i$ and  $V^j_i$ are  introduced as  a measure  of the  deviation
518 between the  desired number  of active  sensors in a  coverage interval  and the
519 effective number.  And these deviations are minimized, first  to force the
520 activation of a minimal number of  sensors to ensure the desired coverage level,
521 and if  the desired level  cannot be completely  satisfied, to reach  a coverage
522 level as close as possible to the desired one.
523
524 The coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows:
525 \begin{equation}
526   \begin{aligned}
527     \text{Minimize } & \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) \\
528     \text{Subject to:} & \\
529     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S  \\
530     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S \\
531     & X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
532     & M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
533   \end{aligned}
534 \end{equation}
535
536
537 If a given level of coverage $l$ is  required for one sensor, the sensor is said
538 to be undercovered (respectively overcovered) if the level of coverage of one of
539 its  CI  is  less  (respectively  greater)  than $l$.   If  the  sensor  $j$  is
540 undercovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number
541 of active  sensors (denoted by $l^{i}$)  covering this part of  the perimeter is
542 less than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=l-l^{i}$, $V_{i}^{j}=0$. Conversely,
543 if the sensor $j$ is overcovered, there exists  at least one of its CI (say $i$)
544 for which the  number of active sensors (denoted by  $l^{i}$) covering this part
545 of  the  perimeter  is  greater  than  $l$  and  in  this  case:  $M_{i}^{j}=0$,
546 $V_{i}^{j}=l^{i}-l$.
547
548 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
549 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
550 weights associated with  coverage intervals of the specified part  of a region may
551 be given by  a relatively larger magnitude than weights  associated with another
552 region. This kind of mixed-integer program  is inspired from the model developed
553 for   brachytherapy  treatment   planning  to optimize  dose   distribution
554 \citep{0031-9155-44-1-012}.  The choice of the values for variables $\alpha$ and
555 $\beta$  should be  made according  to the  needs of  the application.  $\alpha$
556 should be  large enough  to prevent  undercoverage and so  to reach  the highest
557 possible coverage ratio. $\beta$ should  be large enough to prevent overcoverage
558 and so to activate a minimum  number of sensors.  The mixed-integer program must
559 be solved  by the  leader in  each subregion  at the  beginning of  each sensing
560 phase, whenever the environment has changed (new leader, death of some sensors).
561 Note that  the number of  constraints in the  model is constant  (constraints of
562 coverage  expressed for  all sensors),  whereas  the number  of variables  $X_k$
563 decreases over periods, since only alive  sensors (sensors with enough energy to
564 be alive during one sensing phase) are considered in the model.
565
566 \section{Performance Evaluation and Analysis}  
567 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
568
569 \subsection{Simulation Settings}
570
571 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions
572 and the  energy  consumption   model  used is described in previous
573 work~\citep{Idrees2}.  Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
574
575 \begin{table}[ht]
576 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{
577 \centering
578 \begin{tabular}{c|c}
579 \hline
580 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
581 \hline
582 % inserts single horizontal line
583 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $ \\
584 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes \\
585 Initial energy  & in range 500-700~Joules \\  
586 Sensing period & duration of 60 minutes \\
587 $E_{th}$ & 36~Joules \\
588 $R_s$ & 5~m \\     
589 $R_c$ & 10~m \\   
590 $\alpha^j_i$ & 0.6 \\
591 $\beta^j_i$ & 0.4
592 \end{tabular}}
593 \end{table}
594
595 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five
596 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
597 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
598 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
599 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
600 randomly drawn in  the interval $[500-700]$.  If its energy  provision reaches a
601 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
602 node to  stay active  during one period,  it will no  longer participate  in the
603 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
604 obtained by multiplying  the energy consumed in the active  state (9.72 mW) with
605 the time in seconds for one period (3600 seconds), and adding the energy for the
606 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may
607 be active during at most 20 periods. the information exchange to update the coverage
608 is executed every  hour, but the length  of the sensing period  could be reduced
609 and adapted dynamically. On  the one hand a small sensing  period would allow the network to
610 be more  reliable but would  have resulted in  higher communication costs.  On the
611 other hand  the choice of a  long duration may  cause problems in case  of nodes
612 failure during the sensing period.
613
614 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
615 network coverage  and a longer  WSN lifetime.  Higher  priority is given  to the
616 undercoverage (by setting the $\alpha^j_i$ with a larger value than $\beta^j_i$)
617 so as  to prevent the non-coverage  for the interval~$i$ of  the sensor~$j$.  On
618 the other hand, $\beta^j_i$ is assigned to a value which is slightly lower so as
619 to minimize the  number of active sensor nodes which  contribute in covering the
620 interval. Subsection~\ref{sec:Impact} investigates more deeply how the values of
621 both parameters affect the performance of the PeCO protocol.
622
623 The following performance metrics are used to evaluate the efficiency of the
624 approach.
625 \begin{itemize}
626 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until
627   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and
628   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is
629   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can
630   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their
631   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial
632   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a
633   base station an event it has sensed.
634 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to
635   observe the area of interest. Here the sensor field is discretized as
636   a regular grid, which yields the following equation:
637   \begin{equation*}
638     \scriptsize
639     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100
640   \end{equation*}
641   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every
642   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid
643   points in the sensing field. A layout of $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points
644   is considered in the simulations.
645 \item {\bf Active Sensors Ratio (ASR)}: a  major objective of the proposed protocol is to
646   activate as  few nodes  as possible,  in order  to minimize  the communication
647   overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio is defined as
648   follows:
649   \begin{equation*}
650    \scriptsize
651    \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100
652   \end{equation*}
653   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the
654   sensing period~$p$, $R$  is the number of subregions, and  $|J|$ is the number
655   of sensors in the network.
656   
657 \item {\bf Energy Saving Ratio (ESR)}:this metric, which shows the ability of a protocol to save energy, is defined by:
658 \begin{equation*}
659 \scriptsize
660 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
661 {\mbox{Total number of sensors in the network}} \times 100.
662 \end{equation*}  
663 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total
664   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,
665   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to
666   this formula:
667   \begin{equation*} 
668     \scriptsize
669     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  
670       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},
671   \end{equation*}
672   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by
673   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy
674   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the
675   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during
676   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to
677   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the
678   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$
679   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer
680   program  during  a  period   (COMPUTATION  status).   Finally,  $E^a_{p}$  and
681   $E^s_{p}$ indicate  the energy consumed  by the  WSN during the  sensing phase
682   ({\it active} and {\it sleeping} nodes).
683 \end{itemize}
684
685 \subsection{Simulation Results}
686
687
688 The PeCO  protocol has been implemented  in  OMNeT++~\citep{varga}   simulator in  order  to  assess and  analyze  its  performance. 
689 The simulations were  run on a  DELL laptop  with an Intel  Core~i3~2370~M (1.8~GHz)
690 processor (2 cores)  whose MIPS (Million Instructions Per Second)  rate is equal
691 to 35330.  To be consistent with  the use of a  sensor node based on  Atmels AVR
692 ATmega103L microcontroller (6~MHz)  having a MIPS rate equal to  6, the original
693 execution  time on  the laptop  is multiplied  by 2944.2  $\left(\frac{35330}{2}
694 \times \frac{1}{6} \right)$.  Energy consumption  is calculated according to the
695 power consumption values, in milliWatt  per second, given in Table~\ref{tab:EC},
696 based on the energy model proposed in \citep{ChinhVu}.
697
698 \begin{table}[h]
699 \centering
700 \caption{Power consumption values}
701 \label{tab:EC}
702 \begin{tabular}{|l||cccc|}
703   \hline
704   {\bf Sensor status} & MCU & Radio & Sensing & {\it Power (mW)} \\
705   \hline
706   LISTENING & On & On & On & 20.05 \\
707   ACTIVE & On & Off & On & 9.72 \\
708   SLEEP & Off & Off & Off & 0.02 \\
709   COMPUTATION & On & On & On & 26.83 \\
710   \hline
711   \multicolumn{4}{|l}{Energy needed to send or receive a 2-bit content message} & 0.515 \\
712   \hline
713 \end{tabular}
714 \end{table}
715
716 The modeling  language for Mathematical Programming  (AMPL)~\citep{AMPL} is used
717 to generate  the integer program  instance in a  standard format, which  is then
718 read and  solved by  the optimization  solver GLPK  (GNU linear  Programming Kit
719 available in the public domain)  \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.
720 In practice, executing GLPK on a sensor node is obviously intractable due to the
721 huge memory  use. Fortunately, to  solve the  optimization problem, the use of
722 commercial  solvers  like  CPLEX  \citep{iamigo:cplex}  which  are  less  memory
723 consuming and more efficient is possible, or a lightweight heuristic may be implemented. For example,
724 for  a WSN  of 200  sensor nodes,  a leader  node has  to deal  with constraints
725 induced  by about  12 sensor  nodes.  In  that case,  to solve  the optimization
726 problem  a memory  consumption of  more  than 1~MB  can be  observed with  GLPK,
727 whereas less than 300~KB would be needed with CPLEX.
728
729 Besides  PeCO,   three  other  protocols   will  be  evaluated   for  comparison
730 purposes. The first one, called DESK,  is a fully distributed coverage algorithm
731 proposed      by     \citep{ChinhVu}.       The      second     one,      called
732 GAF~\citep{xu2001geography}, consists in dividing the monitoring area into fixed
733 squares. Then, during  the decision phase, in each square,  one sensor is chosen
734 to  remain  active   during  the  sensing  phase.   The  last   one,  the  DiLCO
735 protocol~\citep{Idrees2}, is an improved version of a research work presented
736 in~\citep{idrees2014coverage}. PeCO  and DiLCO protocols
737 are based on  the same framework. In particular, the  choice for the simulations
738 of  a partitioning  in  16~subregions was  made because  it  corresponds to  the
739 configuration producing  the best results for  DiLCO. Of course, this  number of
740 subregions should be adapted  according to the size of the  area of interest and
741 the number of sensors.  The protocols  are distinguished from one another by the
742 formulation of the integer program providing the set of sensors which have to be
743 activated  in each  sensing  phase.  The DiLCO  protocol  tries  to satisfy  the
744 coverage of a set of primary points,  whereas the objective of the PeCO protocol
745 is  to reach  a desired  level of  coverage for  each sensor  perimeter. In the
746 experimentations, a level of coverage equal to one ($l=1$) is chosen
747 .
748
749 \subsubsection{Coverage Ratio}
750
751 Figure~\ref{figure5} shows  the average  coverage ratio  for 200  deployed nodes
752 obtained with the four protocols. DESK, GAF, and DiLCO provide a slightly better
753 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the
754 98.76\% produced by PeCO for the first periods.  This is due to the fact that at
755 the beginning the  DiLCO and PeCO protocols put more  redundant sensors to sleep
756 status  (which slightly  decreases  the  coverage ratio),  while  the two  other
757 protocols activate  more sensor  nodes.  Later,  when the  number of  periods is
758 beyond~70, it  clearly appears that  PeCO provides  a better coverage  ratio and
759 keeps a coverage ratio greater than 50\% for longer periods (15 more compared to
760 DiLCO, 40 more compared to DESK). The  energy saved by PeCO in the early periods
761 allows later a substantial increase of the coverage performance.
762
763 \parskip 0pt    
764 \begin{figure}[h!]
765 \centering
766  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} 
767 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
768 \label{figure5}
769 \end{figure} 
770
771 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
772
773 Minimizing the number of active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
774 energy   consumption    and   thus    to   maximize   the    network   lifetime.
775 Figure~\ref{figure6}  shows the  average  active nodes  ratio  for 200  deployed
776 nodes. DESK and GAF have 30.36~\% and 34.96~\% active nodes for
777 the first fourteen  rounds, and the DiLCO and PeCO protocols  compete perfectly with
778 only 17.92~\%  and 20.16~\% active nodes  during the same time  interval. As the
779 number of periods increases, the PeCO protocol has a lower number of active nodes in
780 comparison with the  three other approaches and exhibits a  slow decrease, while
781 keeping a greater coverage ratio as shown in Figure \ref{figure5}.
782
783 \begin{figure}[h!]
784 \centering
785 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  
786 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
787 \label{figure6}
788 \end{figure} 
789
790 \subsubsection{Energy Saving Ratio} 
791
792
793 The  simulation  results  show  that the  protocol  PeCO  saves
794   efficiently energy by  turning off some sensors during the  sensing phase.  As
795   shown in  Figure~\ref{figure7}, GAF provides  better energy saving than  PeCO for
796   the  first fifty  rounds. Indeed  GAF  balances the  energy consumption  among
797   sensor nodes inside each small fixed grid  and thus permits to extend the life
798   of sensors in each grid fairly. However, at  the same time it turns on a large
799   number of sensors and that leads  later to quickly deplete sensor's batteries.
800   DESK algorithm  shows less energy  saving compared with other  approaches.  In
801   comparison  with PeCO,  DiLCO protocol  usually provides  lower energy  saving
802   ratios. Moreover,  it can  be noticed  that after  round fifty,  PeCO protocol
803   exhibits the slowest decrease among all the considered protocols.
804
805 \begin{figure}[h!]
806 %\centering
807 % \begin{multicols}{6}
808 \centering
809 \includegraphics[scale=0.5]{figure7.eps} %\\~ ~ ~(a)
810 \caption{Energy Saving Ratio for 200 deployed nodes.}
811 \label{figure7}
812 \end{figure}
813
814 \subsubsection{Energy Consumption}
815
816 The  effect  of  the  energy  consumed by  the  WSN  during  the  communication,
817 computation,  listening,  active, and  sleep  status  is studied  for  different
818 network densities  and the  four approaches  compared.  Figures~\ref{figure8}(a)
819 and (b)  illustrate the energy consumption  for different network sizes  and for
820 $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.  The results show  that the PeCO protocol is the most
821 competitive from the energy consumption point of view. As shown by both figures,
822 PeCO consumes much less energy than the  other methods. One might think that the
823 resolution of the integer program is too  costly in energy, but the results show
824 that it is very beneficial to lose a  bit of time in the selection of sensors to
825 activate.  Indeed  the optimization program  allows to reduce  significantly the
826 number of  active sensors  and also  the energy consumption  while keeping  a good
827 coverage level. The energy overhead  when increasing network
828 size is the lowest with PeCO.
829
830 \begin{figure}[h!]
831   \centering
832   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
833     \includegraphics[scale=0.5]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\
834     \includegraphics[scale=0.5]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
835   \end{tabular}
836   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
837   \label{figure8}
838 \end{figure} 
839
840 \subsubsection{Network Lifetime}
841
842 In comparison with the   two   other  approaches, PeCO and DiLCO  protocols  are better for prolonging   the  network   lifetime.    In
843 Figures~\ref{figure9}(a) and  (b), $Lifetime_{95}$  and $Lifetime_{50}$ are  shown for
844 different  network  sizes.  As  can  be  seen  in  these figures,  the  lifetime
845 increases with the size of the network,  and it is clearly larger for the DiLCO and
846 PeCO protocols.  For  instance, for a network of 300~sensors  and coverage ratio
847 greater than  50\%, it can be observed on Figure~\ref{figure9}(b) that the  lifetime is
848 about  twice  longer with  PeCO  compared  to  the DESK protocol.   The  performance
849 difference    is   more    obvious    in    Figure~\ref{figure9}(b)   than    in
850 Figure~\ref{figure9}(a) because the gain induced by protocols (PeCO and DiLCO) increases with
851 time, and the lifetime with a coverage over 50\% is far longer than with 95\%.
852
853 \begin{figure}[h!]
854   \centering
855   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
856     \includegraphics[scale=0.5]{figure9a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  
857     \includegraphics[scale=0.5]{figure9b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
858   \end{tabular}
859   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
860   \label{figure9}
861 \end{figure} 
862
863 Figure~\ref{figure10} compares the lifetime coverage  of the DiLCO and PeCO protocols
864 for  different   coverage  ratios.   Protocol/70,  Protocol/80,
865 Protocol/85, Protocol/90,  and Protocol/95 correspond to the  amount of time during  which the
866 network  can satisfy  an  area  coverage greater  than  $70\%$, $80\%$,  $85\%$,
867 $90\%$, and  $95\%$ respectively,  where the  term Protocol  refers to  DiLCO or
868 PeCO. Indeed there are applications that do not require a 100\% coverage of the
869 area to be  monitored. For example, forest
870 fire application might require complete coverage
871 in summer seasons while only require 80$\%$ of the area to be covered in rainy seasons~\citep{li2011transforming}. As another example, birds habit study requires only 70$\%$-coverage at nighttime when the birds are sleeping while requires 100$\%$-coverage at daytime when the birds are active~\citep{1279193}. 
872  PeCO always  outperforms DiLCO  for the  three  lower coverage  ratios, moreover  the
873 improvements grow  with the network  size. DiLCO outperforms PeCO when the coverage ratio is required to be $>90\%$, but PeCO extends the network lifetime significantly when coverage ratio can be relaxed.
874
875 \begin{figure}[h!]
876 \centering \includegraphics[scale=0.55]{figure10.eps}
877 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
878 \label{figure10}
879 \end{figure} 
880
881 \subsubsection{Impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
882 \label{sec:Impact}
883
884 Table~\ref{my-labelx}  shows network  lifetime results  for different  values of
885 $\alpha$ and $\beta$, and  a network size equal to 200 sensor  nodes. On the one
886 hand,  the choice  of $\beta  \gg \alpha$  prevents the  overcoverage, and  also
887 limits the activation of a large number of sensors, but as $\alpha$ is low, some
888 areas  may  be   poorly  covered.   This  explains  the   results  obtained  for
889 $Lifetime_{50}$ with  $\beta \gg  \alpha$: a  large number  of periods  with low
890 coverage ratio.  On the other hand, when  $\alpha \gg \beta$ is chosen, 
891 the coverage is  favored even if some areas may  be overcovered, so a high coverage ratio is
892 reached,  but a  large number  of sensors  are activated  to achieve  this goal.
893 Therefore  the  network  lifetime  is  reduced.   The  choice  $\alpha=0.6$  and
894 $\beta=0.4$ seems to  achieve the best compromise between  lifetime and coverage
895 ratio.   That explains  why  this  setting  has been chosen for the  experiments
896 presented in the previous subsections.
897
898
899
900 \begin{table}[h]
901 \centering
902 \caption{The impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
903 \label{my-labelx}
904 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
905 \hline
906 $\alpha$ & $\beta$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
907 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
908 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
909 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
910 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
911 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
912 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
913 {\bf 0.6} & {\bf 0.4} & {\bf 94} & {\bf 57} \\ \hline
914 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
915 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
916 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
917 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
918 \end{tabular}
919 \end{table}
920
921
922 \section{Conclusion and Future Works}
923 \label{sec:Conclusion and Future Works}
924
925 In this paper the problem of perimeter coverage optimization in
926 WSNs has been studied.  A new  protocol called  Perimeter-based  Coverage
927 Optimization is designed. This protocol schedules nodes' activities  (wake up and sleep stages) with
928 the objective of maintaining a good  coverage ratio while maximizing the network
929 lifetime.  This protocol  is applied in a distributed way  in regular subregions
930 obtained after partitioning the area of interest in a preliminary step. It works
931 in periods and  is based on the  resolution of an integer program  to select the
932 subset  of sensors  operating in  active status  for each  period.  This  work is
933 original  in so  far  as it  proposes  for  the first  time  an integer  program
934 scheduling the  activation of sensors  based on their perimeter  coverage level,
935 instead of using a set of targets/points to be covered. Several simulations have
936 been carried out to evaluate the  proposed protocol. The simulation results show
937 that  PeCO is  more  energy-efficient  than other  approaches,  with respect  to
938 lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, and energy consumption.
939
940 This framework will be extented so that the schedules  are planned for multiple
941 sensing  periods. The  integer program  would be improved to take  into
942 account heterogeneous sensors from both energy and node characteristics point of
943 views.  Finally, it would be interesting  to implement the PeCO protocol using a
944 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.
945
946 \subsection*{Acknowledgments}
947 The  authors  are   deeply  grateful  to  the  anonymous   reviewers  for  their
948 constructive advice,  which improved the  technical quality  of the paper.  As a
949 Ph.D.   student, Ali  Kadhum Idrees  would  like to  gratefully acknowledge  the
950 University of  Babylon - Iraq  for financial support  and Campus France  for the
951 received support. This work is also partially funded by the Labex ACTION program
952 (contract ANR-11-LABX-01-01).  
953  
954 \bibliographystyle{gENO}
955 \bibliography{biblio} 
956
957 \end{document}