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

Private GIT Repository
Last update
[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. In
28 this  paper an  approach called  Perimeter-based Coverage  Optimization protocol
29 (PeCO) is proposed.  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.  The novelty  of the approach
32 lies essentially  in the  formulation of a  new mathematical  optimization model
33 based  on  the  perimeter  coverage   level  to  schedule  sensors'  activities.
34 Extensive simulation experiments demonstrate that PeCO can offer longer lifetime
35 coverage for WSNs compared to other protocols.
36
37 \begin{keywords}
38   Wireless Sensor Networks, Area Coverage, Energy efficiency, Optimization, Scheduling.
39 \end{keywords}
40
41 \end{abstract}
42
43 \section{Introduction}
44 \label{sec:introduction}
45
46 The continuous progress in Micro  Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless
47 communication hardware has given rise to the opportunity of using large networks
48 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 makes it suitable for a wide
54 range of applications 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 reception.
60
61 The energy needed  by an active sensor node to  perform sensing, processing, and
62 communication is provided 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 in most applications. Therefore it is necessary to deploy WSN with high
65 density in order  to increase reliability and to exploit  node redundancy thanks
66 to  energy-efficient activity  scheduling  approaches.  Indeed,  the overlap  of
67 sensing areas can  be exploited to schedule alternatively some  sensors in a low
68 power sleep mode and  thus save energy. Overall, the main  question that must be
69 answered is: how is it possible to extend the lifetime coverage of a WSN as long
70 as possible 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
74 This paper makes the following contributions :
75 \begin{enumerate}
76 \item A  framework is devised  to schedule  nodes to be  activated alternatively
77   such that  the network  lifetime is  prolonged while  ensuring that  a certain
78   level of coverage  is preserved.  A key  idea in the proposed  framework is to
79   exploit  spatial and  temporal  subdivision.  On  the one  hand,  the area  of
80   interest is  divided into several smaller  subregions and, on the  other hand,
81   the time line is divided into periods  of equal length.  In each subregion the
82   sensor nodes  will cooperatively  choose a leader  which will  schedule nodes'
83   activities,  and  this grouping  of  sensors  is  similar to  typical  cluster
84   architecture.
85 \item A new  mathematical optimization model is proposed.  Instead  of trying to
86   cover a set of specified points/targets as  in most of the methods proposed in
87   the literature,  a mixed-integer  program based on  the perimeter  coverage of
88   each sensor  is formulated.  The  model involves integer variables  to capture
89   the deviations  between the actual level  of coverage and the  required level.
90   Hence, an  optimal schedule will be  obtained by minimizing a  weighted sum of
91   these deviations.
92 \item Extensive  simulation experiments are  conducted using the  discrete event
93   simulator OMNeT++,  to demonstrate the  efficiency of the PeCO  protocol.  The
94   PeCO protocol  has been compared  to two  approaches found in  the literature:
95   DESK~\citep{ChinhVu} and GAF~\citep{xu2001geography}, and also to the protocol
96   DiLCO published in~\citep{Idrees2}. DiLCO uses  the same framework as PeCO but
97   is based on another optimization model for sensor scheduling.
98 \end{enumerate}
99
100 The rest of the paper is organized as follows.  In the next section some related
101 work in the  field is reviewed. Section~\ref{sec:The  PeCO Protocol Description}
102 is devoted to the PeCO protocol  description and Section~\ref{cp} focuses on the
103 coverage model  formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
104 nodes.  Section~\ref{sec:Simulation  Results and Analysis}  presents simulations
105 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
106 remarks  are  drawn  and  some  suggestions   are  given  for  future  works  in
107 Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
108
109 \section{Related Literature}
110 \label{sec:Literature Review}
111
112 This section  summarizes some related  works regarding the coverage  problem and
113 presents  specific aspects  of the  PeCO protocol  common with  other literature
114 works.
115
116 The most  discussed coverage problems in  literature can be classified  in three
117 categories~\citep{li2013survey}   according  to   their  respective   monitoring
118 objective.  Hence, area  coverage \citep{Misra} means that every  point inside a
119 fixed area must be monitored, while target coverage~\citep{yang2014novel} refers
120 to  the objective  of coverage  for a  finite number  of discrete  points called
121 targets,   and   barrier  coverage~\citep{HeShibo,kim2013maximum}   focuses   on
122 preventing  intruders   from  entering   into  the   region  of   interest.   In
123 \citep{Deng2012} authors  transform the  area coverage  problem into  the target
124 coverage one, taking into account the intersection points among disks of sensors
125 nodes   or    between   disks    of   sensor    nodes   and    boundaries.    In
126 \citep{huang2005coverage} authors  prove that if  the perimeters of  the sensors
127 are sufficiently covered it will be the case for the whole area. They provide an
128 algorithm  in  $O(nd~log~d)$ time  to  compute  the perimeter-coverage  of  each
129 sensor.  $d$ denotes  the maximum  number  of sensors  that are  neighbors to  a
130 sensor, and  $n$ is the  total number  of sensors in  the network. {\it  In PeCO
131   protocol, instead  of determining the level  of coverage of a  set of discrete
132   points, the optimization model is  based on checking the perimeter-coverage of
133   each sensor to activate a minimal number of sensors.}
134
135 The major  approach to extend network  lifetime while preserving coverage  is to
136 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set covers  (disjoint or
137 non-disjoint)  \citep{wang2011coverage},  where  each set  completely  covers  a
138 region of interest,  and to successively activate these set covers. The network
139 activity can be planned in advance and scheduled for the entire network lifetime
140 or organized  in periods,  and the  set of  active sensor  nodes decided  at the
141 beginning of each  period \citep{ling2009energy}. In fact,  many authors propose
142 algorithms       working       in       such      a       periodic       fashion
143 \citep{chin2007,yan2008design,pc10}.  Active node  selection is determined based
144 on  the problem  requirements  (e.g.  area  monitoring,  connectivity, or  power
145 efficiency).  For 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. {\it Motivated
150   by these works,  PeCO protocol works in periods, where  each period contains a
151   preliminary  phase  for information  exchange  and  decisions, followed  by  a
152   sensing phase where one cover set is in charge of the sensing task.}
153
154 Various centralized  and distributed approaches, or  even a mixing of  these two
155 concepts,    have   been    proposed    to   extend    the   network    lifetime
156 \citep{zhou2009variable}.                      In                    distributed
157 algorithms~\citep{ChinhVu,qu2013distributed,yangnovel}  each  sensor decides  of
158 its own  activity scheduling after  an information exchange with  its neighbors.
159 The main interest of such an approach  is to avoid long range communications and
160 thus to reduce the energy dedicated to the communications.  Unfortunately, since
161 each node has  information on its immediate neighbors only  (usually the one-hop
162 ones),  it may  make a  bad decision  leading to  a global  suboptimal solution.
163 Conversely,                                                          centralized
164 algorithms~\citep{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}   always
165 provide nearly  optimal solutions since the  algorithm has a global  view of the
166 whole network.  The disadvantage of a  centralized method is obviously  its high
167 cost in  communications needed to  transmit to a  single node, the  base station
168 which will globally  schedule nodes' activities, data from all  the other sensor
169 nodes in  the area.  The  price in communications can  be huge since  long range
170 communications  will be  needed. In  fact  the larger  the WSN,  the higher  the
171 communication  energy  cost.  {\it  In  order  to  be suitable  for  large-scale
172   networks, in  the PeCO protocol the  area of interest is  divided into several
173   smaller subregions, and in each one, a  node called the leader is in charge of
174   selecting the active  sensors for the current period.  Thus  the PeCO protocol
175   is scalable  and a globally distributed  method, whereas it is  centralized in
176   each subregion.}
177
178 Various coverage scheduling algorithms have been developed these past few years.
179 Many of  them, dealing with  the maximization of the  number of cover  sets, are
180 heuristics.   These  heuristics involve  the  construction  of  a cover  set  by
181 including in priority the sensor nodes  which cover critical targets, that is to
182 say   targets   that  are   covered   by   the   smallest  number   of   sensors
183 \citep{berman04,zorbas2010solving}.  Other approaches  are based on mathematical
184 programming
185 formulations~\citep{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}        and
186 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}.
193 {\it In  the PeCO  protocol, each leader,  in charge of  a subregion,  solves an
194   integer program which  has a twofold objective: minimizing  the overcoverage and
195   the undercoverage of the perimeter of each sensor.}
196
197 The  authors   in  \citep{Idrees2}  propose  a   Distributed  Lifetime  Coverage
198 Optimization (DiLCO)  protocol, which  maintains the  coverage and  improves the
199 lifetime  in WSNs.   It is  an  improved version  of a  research work  presented
200 in~\citep{idrees2014coverage}.  First, the area  of interest is partitioned into
201 subregions  using  a  divide-and-conquer  method. The  DiLCO  protocol  is  then
202 distributed on the sensor  nodes in each subregion in a  second step. Hence this
203 protocol combines two techniques: a  leader election in each subregion, followed
204 by  an optimization-based  node activity  scheduling performed  by each  elected
205 leader. The proposed DiLCO protocol is  a periodic protocol where each period is
206 decomposed into 4  phases: information exchange, leader  election, decision, and
207 sensing. The  simulations show that DiLCO  is able to increase  the WSN lifetime
208 and provides  improved coverage performance.  {\it  In the PeCO protocol,  a new
209   mathematical optimization model is proposed. Instead  of trying to cover a set
210   of specified points/targets as in the DiLCO protocol, an integer program based
211   on the  perimeter coverage of  each sensor  is formulated. The  model involves
212   integer  variables to  capture  the  deviations between  the  actual level  of
213   coverage and the  required level. The idea is that  an optimal scheduling will
214   be obtained by minimizing a weighted sum of these deviations.}
215   
216 \section{ The P{\scshape e}CO Protocol Description}
217 \label{sec:The PeCO Protocol Description}
218
219 \subsection{Assumptions and Models}
220 \label{CI}
221
222 A  WSN  consisting  of  $J$  stationary  sensor  nodes  randomly  and  uniformly
223 distributed in  a bounded sensor field  is considered. The wireless  sensors are
224 deployed in high density  to ensure initially a high coverage  ratio of the area
225 of interest.  All  the sensor nodes are  supposed to be homogeneous  in terms of
226 communication, sensing,  and processing capabilities and  heterogeneous from the
227 energy provision  point of  view.  The  location information  is available  to a
228 sensor node either  through hardware such as embedded GPS  or location discovery
229 algorithms. A Boolean disk coverage model,  which is the most widely used sensor
230 coverage model  in the  literature, is  considered and all  sensor nodes  have a
231 constant sensing range $R_s$.  Thus, all the space points within a disk centered
232 at a sensor with  a radius equal to the sensing range are  said to be covered by
233 this sensor.  The communication range  $R_c$ is assumed to satisfy : $R_c
234 \geq 2  \cdot R_s$.  In  fact, \citet{Zhang05}  proved that if  the transmission
235 range fulfills the  previous hypothesis, the complete coverage of  a convex area
236 implies connectivity among active nodes.
237
238 The    PeCO   protocol    uses    the   same    perimeter-coverage   model    as
239 \citet{huang2005coverage}. It can  be expressed as follows: a sensor  is said to
240 be perimeter covered if all the points  on its perimeter are covered by at least
241 one sensor other  than itself.  Authors \citet{huang2005coverage}  proved that a
242 network area  is $k$-covered  (every point in  the area is  covered by  at least
243 $k$~sensors) if and only if each  sensor in the network is $k$-perimeter-covered
244 (perimeter covered by at least $k$ sensors).
245  
246 Figure~\ref{figure1}(a) shows the coverage of  sensor node~$0$.  On this figure,
247 sensor~$0$ has nine  neighbors. For each neighbor the two  points resulting from
248 the intersection  of the two sensing  areas have been reported  on its perimeter
249 (the perimeter of the disk covered by the sensor~$0$).  These points are denoted
250 for  neighbor~$i$ by  $iL$ and  $iR$,  respectively for  left and  right from  a
251 neighboring  point  of  view.   The resulting  couples  of  intersection  points
252 subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called arcs.
253
254 \begin{figure}[ht!]
255   \centering
256   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
257     \includegraphics[width=75mm]{figure1a.eps} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
258     \includegraphics[width=75mm]{figure1b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
259   \end{tabular}
260   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
261     $u$'s perimeter covered by $v$.}
262   \label{figure1}
263 \end{figure} 
264
265 Figure~\ref{figure1}(b)  describes the  geometric information  used to  find the
266 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
267 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
268 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
269 sensing area~:  $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$.  From the previous  coordinates the
270 euclidean distance between nodes~$u$ and $v$ is computed as follows:
271 $$
272   Dist(u,v)=\sqrt{(u_x - v_x)^2 + (u_y-v_y)^2},
273 $$
274 while the angle~$\alpha$ is obtained through the formula:
275  \[
276 \alpha = \arccos \left(\frac{Dist(u,v)}{2R_s} \right).
277 \] 
278 The  arc  on the  perimeter  of~$u$  defined by  the  angular  interval $[\pi  -
279   \alpha,\pi + \alpha]$ is then said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
280
281 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi)$
282 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
283 Figure~\ref{figure1}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
284 sensor $0$ and  Table~\ref{my-label} gives the position of  the corresponding arcs
285 in  the interval  $[0,2\pi)$. More  precisely, the  points are
286 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
287 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
288 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
289 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
290 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
291 example, between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
292 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{figure2}), which
293 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
294 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
295 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
296 above is thus given by the sixth line of the table.
297
298 \begin{figure*}[t!]
299 \centering
300 \includegraphics[width=0.95\linewidth]{figure2.eps}  
301 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
302 \label{figure2}
303 \end{figure*} 
304
305 \begin{table}
306 \tbl{Coverage intervals and contributing sensors for node 0 \label{my-label}}
307 {\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
308 \hline
309 \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
310 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
311 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
312 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
313 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
314 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
315 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
316 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
317 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
318 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
319 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
320 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
321 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
322 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
323 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
324 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
325 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
326 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
327 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
328 \end{tabular}}
329
330
331 \end{table}
332
333 In  the  PeCO protocol,  the  scheduling  of  the  sensor nodes'  activities  is
334 formulated    with    a    mixed-integer     program    based    on    coverage
335 intervals~\citep{doi:10.1155/2010/926075}.  The  formulation   of  the  coverage
336 optimization problem is  detailed in~Section~\ref{cp}.  Note that  when a sensor
337 node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in
338 Figure~\ref{figure3}, the maximum coverage level for this arc is set to $\infty$
339 and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the
340 optimization algorithm.
341
342 %\newpage
343 \begin{figure}[h!]
344 \centering
345 \includegraphics[width=57.5mm]{figure3.eps}  
346 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
347 \label{figure3}
348 \end{figure}
349
350 \vspace{-0.25cm}
351
352 \subsection{Main Idea}
353
354 The WSN area of  interest is, in a first step,  divided into regular homogeneous
355 subregions using a  divide-and-conquer algorithm. In a second  step the protocol
356 will  be executed  in  a distributed  way in  each  subregion simultaneously  to
357 schedule nodes' activities  for one sensing period. Sensor nodes  are assumed to
358 be deployed  almost uniformly over the  region. The regular subdivision  is made
359 such that the number of hops between  any pairs of sensors inside a subregion is
360 less than or equal to 3.
361
362 As shown  in Figure~\ref{figure4}, node  activity scheduling is produced  by the
363 proposed protocol  in a periodic manner.  Each period is divided  into 4 stages:
364 Information  (INFO)  Exchange,  Leader  Election, Decision  (the  result  of  an
365 optimization problem),  and Sensing.  For each  period there is exactly  one set
366 cover responsible for  the sensing task.  Protocols based on  a periodic scheme,
367 like PeCO, are more robust against an  unexpected node failure. On the one hand,
368 if a  node failure is discovered  before taking the decision,  the corresponding
369 sensor node will  not be considered by the optimization  algorithm. On the other
370 hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the
371 network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a
372 new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in
373 the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be
374 taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their
375 information (including their  residual energy) at the beginning  of each period.
376 However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)
377 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor
378 the area. Sensing  period duration is adapted according to  the QoS requirements
379 of the application.
380
381 \begin{figure}[t!]
382 \centering
383 \includegraphics[width=80mm]{figure4.eps}  
384 \caption{PeCO protocol.}
385 \label{figure4}
386 \end{figure} 
387
388 Two types of packets used by the PeCO protocol are defined:
389 \begin{itemize} 
390 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
391   subregion for information exchange.
392 \item ActiveSleep packet: sent  by the leader to all the  nodes in its subregion
393   to transmit to  them their respective status (stay Active  or go Sleep) during
394   the sensing phase.
395 \end{itemize}
396
397 Five statuses are possible for a sensor node in the network:
398 \begin{itemize} 
399 \item LISTENING: waits for a decision (to be active or not);
400 \item COMPUTATION: executes the optimization algorithm as leader to
401   determine the activities scheduling;
402 \item ACTIVE: node is sensing;
403 \item SLEEP: node is turned off;
404 \item COMMUNICATION: transmits or receives packets.
405 \end{itemize}
406
407 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
408
409 The  pseudocode implementing  the  protocol  on a  node  is  given below.   More
410 precisely, Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives a  brief description of  the protocol
411 applied by a sensor node $s_k$ where $k$ is the node index in the WSN.
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
458 payload. The  sensor ID is included  in the header,  where the header size  is 8
459 bits. The  data part includes  position coordinates (64 bits),  remaining energy
460 (32 bits), and the number of one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the size
461 of the INFO packet  is 112 bits. The ActiveSleep packet is 16  bits size, 8 bits
462 for the header and  8 bits for data part that includes only  sensor status (0 or
463 1).   The  sensors inside  a  same  region cooperate  to  elect  a leader.   The
464 selection criteria for the leader are (in order of priority):
465 \begin{enumerate}
466 \item larger number of neighbors;
467 \item larger  remaining energy;
468 \item and then,  in case  of equality,  larger indexes.
469 \end{enumerate}
470 Once chosen, the leader collects information  to formulate and solve the integer
471 program which allows to build the set of active sensors in the sensing stage.
472
473 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
474 \label{cp}
475
476 In  this  section,  the   perimeter-based  coverage  problem  is  mathematically
477 formulated.    It    has    been    proved   to    be    a    NP-hard    problem
478 by \citep{doi:10.1155/2010/926075}. Authors  study the coverage of  the perimeter
479 of a  large object requiring  to be monitored.  For the proposed  formulation in
480 this paper,  the large  object to  be monitored  is the  sensor itself  (or more
481 precisely its sensing area).
482
483 The following notations are used  throughout the section.
484
485 First, the following sets:
486 \begin{itemize}
487 \item $S$ represents the set of sensor nodes;
488 \item $A \subseteq S $ is the subset of alive sensors;
489 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
490   sensor~$j$.
491 \end{itemize}
492 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which has been defined according
493 to the  method introduced in  Subsection~\ref{CI}. For a coverage  interval $i$,
494 let $a^j_{ik}$ denote  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
495 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
496 \begin{equation}
497 a^j_{ik} = \left \{ 
498 \begin{array}{lll}
499   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
500         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
501   0 & \mbox{otherwise.}\\
502 \end{array} \right.
503 \end{equation}
504 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
505
506 Second,  several variables  are defined.   Hence, each  binary variable  $X_{k}$
507 determines the  activation of sensor  $k$ in the  sensing phase ($X_k=1$  if the
508 sensor $k$ is active or 0 otherwise).   $M^j_i$ is a variable which measures the
509 undercoverage for the coverage interval  $i$ corresponding to sensor~$j$. In the
510 same  way, the  overcoverage for  the  same coverage  interval is  given by  the
511 variable $V^j_i$.
512
513 To sustain a  level of coverage equal  to $l$ all along the  perimeter of sensor
514 $j$, at  least $l$  sensors involved in  each coverage interval  $i \in  I_j$ of
515 sensor $j$ have  to be active.  According to the  previous notations, the number
516 of  active sensors  in the  coverage  interval $i$  of  sensor $j$  is given  by
517 $\sum_{k \in A} a^j_{ik} X_k$.  To extend the network lifetime, the objective is
518 to activate  a minimal number  of sensors in each  period to ensure  the desired
519 coverage level. As the number of  alive sensors decreases, it becomes impossible
520 to reach  the desired level  of coverage  for all coverage  intervals. Therefore
521 variables  $M^j_i$ and  $V^j_i$ are  introduced as  a measure  of the  deviation
522 between the  desired number  of active  sensors in a  coverage interval  and the
523 effective number.  And these deviations are minimized, first  to force the
524 activation of a minimal number of  sensors to ensure the desired coverage level,
525 and if  the desired level  cannot be completely  satisfied, to reach  a coverage
526 level as close as possible to the desired one.
527
528 The coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows:
529 \begin{equation}
530   \begin{aligned}
531     \text{Minimize } & \sum_{j \in S} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i ) \\
532     \text{Subject to:} & \\
533     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S  \\
534     & \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in S \\
535     & X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A \\
536     & M^j_i, V^j_i \in \mathbb{R}^{+} 
537   \end{aligned}
538 \end{equation}
539
540
541 If a given level of coverage $l$ is  required for one sensor, the sensor is said
542 to be undercovered (respectively overcovered) if the level of coverage of one of
543 its  CI  is  less  (respectively  greater)  than $l$.   If  the  sensor  $j$  is
544 undercovered, there exists at least one of its CI (say $i$) for which the number
545 of active  sensors (denoted by $l^{i}$)  covering this part of  the perimeter is
546 less than $l$ and in this case : $M_{i}^{j}=l-l^{i}$, $V_{i}^{j}=0$. Conversely,
547 if the sensor $j$ is overcovered, there exists  at least one of its CI (say $i$)
548 for which the  number of active sensors (denoted by  $l^{i}$) covering this part
549 of  the  perimeter  is  greater  than  $l$  and  in  this  case:  $M_{i}^{j}=0$,
550 $V_{i}^{j}=l^{i}-l$.
551
552 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
553 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
554 weights associated with  coverage intervals of the specified part  of a region may
555 be given by  a relatively larger magnitude than weights  associated with another
556 region. This kind of mixed-integer program  is inspired from the model developed
557 for   brachytherapy  treatment   planning  to optimize  dose   distribution
558 \citep{0031-9155-44-1-012}.  The choice of the values for variables $\alpha$ and
559 $\beta$  should be  made according  to the  needs of  the application.  $\alpha$
560 should be  large enough  to prevent  undercoverage and so  to reach  the highest
561 possible coverage ratio. $\beta$ should  be large enough to prevent overcoverage
562 and so to activate a minimum  number of sensors.  The mixed-integer program must
563 be solved  by the  leader in  each subregion  at the  beginning of  each sensing
564 phase, whenever the environment has changed (new leader, death of some sensors).
565 Note that  the number of  constraints in the  model is constant  (constraints of
566 coverage  expressed for  all sensors),  whereas  the number  of variables  $X_k$
567 decreases over periods, since only alive  sensors (sensors with enough energy to
568 be alive during one sensing phase) are considered in the model.
569
570 \section{Performance Evaluation and Analysis}  
571 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
572
573 \subsection{Simulation Settings}
574
575 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions
576 and the  energy  consumption   model  used is described in previous
577 work~\citep{Idrees2}.  Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
578
579 \begin{table}[ht]
580 \tbl{Relevant parameters for network initialization \label{table3}}{
581 \centering
582 \begin{tabular}{c|c}
583 \hline
584 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
585 \hline
586 % inserts single horizontal line
587 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $ \\
588 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes \\
589 Initial energy  & in range 500-700~Joules \\  
590 Sensing period & duration of 60 minutes \\
591 $E_{th}$ & 36~Joules \\
592 $R_s$ & 5~m \\     
593 $R_c$ & 10~m \\   
594 $\alpha^j_i$ & 0.6 \\
595 $\beta^j_i$ & 0.4
596 \end{tabular}}
597 \end{table}
598
599 To  obtain  experimental  results  which are  relevant,  simulations  with  five
600 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
601 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
602 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
603 high coverage ratio. Each node has an  initial energy level, in Joules, which is
604 randomly drawn in  the interval $[500-700]$.  If its energy  provision reaches a
605 value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a
606 node to  stay active  during one period,  it will no  longer participate  in the
607 coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase,
608 obtained by multiplying  the energy consumed in the active  state (9.72 mW) with
609 the time in seconds for one period (3600 seconds), and adding the energy for the
610 pre-sensing phases.  According  to the interval of initial energy,  a sensor may
611 be active  during at  most 20  periods. the information  exchange to  update the
612 coverage is executed every  hour, but the length of the  sensing period could be
613 reduced and  adapted dynamically. On the  one hand a small  sensing period would
614 allow  the  network to  be  more  reliable but  would  have  resulted in  higher
615 communication costs.  On the other hand the  choice of a long duration may cause
616 problems in case of nodes failure during the sensing period.
617
618 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
619 network coverage  and a longer  WSN lifetime.  Higher  priority is given  to the
620 undercoverage (by setting the $\alpha^j_i$ with a larger value than $\beta^j_i$)
621 so as  to prevent the non-coverage  for the interval~$i$ of  the sensor~$j$.  On
622 the other hand, $\beta^j_i$ is assigned to a value which is slightly lower so as
623 to minimize the  number of active sensor nodes which  contribute in covering the
624 interval. Subsection~\ref{sec:Impact} investigates more deeply how the values of
625 both parameters affect the performance of the PeCO protocol.
626
627 The following performance metrics are used to evaluate the efficiency of the
628 approach.
629 \begin{itemize}
630 \item {\bf Network Lifetime}: the lifetime  is defined as the time elapsed until
631   the  coverage  ratio  falls  below a  fixed  threshold.   $Lifetime_{95}$  and
632   $Lifetime_{50}$  denote, respectively,  the  amount of  time  during which  is
633   guaranteed a  level of coverage  greater than $95\%$  and $50\%$. The  WSN can
634   fulfill the expected  monitoring task until all its nodes  have depleted their
635   energy or if the network is no  more connected. This last condition is crucial
636   because without  network connectivity a  sensor may not be  able to send  to a
637   base station an event it has sensed.
638 \item {\bf  Coverage Ratio (CR)} : it  measures how  well the  WSN is  able to
639   observe the area of interest. Here the sensor field is discretized as
640   a regular grid, which yields the following equation:
641   \begin{equation*}
642     \scriptsize
643     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100
644   \end{equation*}
645   where $n$  is the  number of covered  grid points by  active sensors  of every
646   subregions during  the current sensing phase  and $N$ is total  number of grid
647   points in the sensing field. A layout of $N~=~51~\times~26~=~1326$~grid points
648   is considered in the simulations.
649 \item  {\bf Active  Sensors  Ratio (ASR)}:  a major  objective  of the  proposed
650   protocol is  to activate as  few nodes as possible,  in order to  minimize the
651   communication overhead and maximize the WSN lifetime. The active sensors ratio
652   is defined as follows:
653   \begin{equation*}
654    \scriptsize
655    \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$|A_r^p|$}}{\mbox{$|S|$}} \times 100 
656   \end{equation*}
657   where $|A_r^p|$ is  the number of active  sensors in the subregion  $r$ in the
658   sensing period~$p$, $R$  is the number of subregions, and  $|J|$ is the number
659   of sensors in the network.
660   
661 \item {\bf Energy Saving Ratio (ESR)}: this metric, which shows the ability of a
662   protocol to save energy, is defined by:
663 \begin{equation*}
664 \scriptsize
665 \mbox{ESR}(\%) = \frac{\mbox{Number of alive sensors during this round}}
666 {\mbox{Total number of sensors in the network}} \times 100.
667 \end{equation*}  
668 \item {\bf Energy Consumption (EC)}: energy consumption can be seen as the total
669   energy  consumed by  the  sensors during  $Lifetime_{95}$ or  $Lifetime_{50}$,
670   divided by  the number of  periods. The value of  EC is computed  according to
671   this formula:
672   \begin{equation*} 
673     \scriptsize
674     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{p=1}^{P} \left( E^{\mbox{com}}_p+E^{\mbox{list}}_p+E^{\mbox{comp}}_p  
675       + E^{a}_p+E^{s}_p \right)}{P},
676   \end{equation*}
677   where $P$ corresponds  to the number of periods. The  total energy consumed by
678   the  sensors  comes  through  taking   into  consideration  four  main  energy
679   factors. The first one, denoted $E^{\scriptsize \mbox{com}}_p$, represents the
680   energy consumption spent  by all the nodes for  wireless communications during
681   period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{list}}_p$,  the next factor, corresponds to
682   the energy  consumed by the sensors  in LISTENING status before  receiving the
683   decision to go active or sleep in period $p$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_p$
684   refers to  the energy  needed by  all the  leader nodes  to solve  the integer
685   program  during  a  period   (COMPUTATION  status).   Finally,  $E^a_{p}$  and
686   $E^s_{p}$ indicate  the energy consumed  by the  WSN during the  sensing phase
687   ({\it active} and {\it sleeping} nodes).
688 \end{itemize}
689
690 \subsection{Simulation Results}
691
692 The PeCO  protocol has  been implemented  in OMNeT++~\citep{varga}  simulator in
693 order to assess and analyze its performance.  The simulations were run on a DELL
694 laptop with  an Intel  Core~i3~2370~M (1.8~GHz) processor  (2 cores)  whose MIPS
695 (Million Instructions Per Second) rate is equal to 35330.  To be consistent with
696 the use of a sensor node  based on Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz)
697 having a  MIPS rate equal  to 6,  the original execution  time on the  laptop is
698 multiplied by 2944.2 $\left(\frac{35330}{2} \times \frac{1}{6} \right)$.  Energy
699 consumption  is  calculated  according  to  the  power  consumption  values,  in
700 milliWatt per  second, given  in Table~\ref{tab:EC}, based  on the  energy model
701 proposed in \citep{ChinhVu}.
702
703 \begin{table}[h]
704 \centering
705 \caption{Power consumption values}
706 \label{tab:EC}
707 \begin{tabular}{|l||cccc|}
708   \hline
709   {\bf Sensor status} & MCU & Radio & Sensing & {\it Power (mW)} \\
710   \hline
711   LISTENING & On & On & On & 20.05 \\
712   ACTIVE & On & Off & On & 9.72 \\
713   SLEEP & Off & Off & Off & 0.02 \\
714   COMPUTATION & On & On & On & 26.83 \\
715   \hline
716   \multicolumn{4}{|l}{Energy needed to send or receive a 2-bit content message} & 0.515 \\
717   \hline
718 \end{tabular}
719 \end{table}
720
721 The modeling  language for Mathematical Programming  (AMPL)~\citep{AMPL} is used
722 to generate  the integer program  instance in a  standard format, which  is then
723 read and  solved by  the optimization  solver GLPK  (GNU Linear  Programming Kit
724 available in the public domain)  \citep{glpk} through a Branch-and-Bound method.
725 In practice, executing GLPK on a sensor node is obviously intractable due to the
726 huge memory  use. Fortunately,  to solve  the optimization  problem, the  use of
727 commercial  solvers  like  CPLEX  \citep{iamigo:cplex}  which  are  less  memory
728 consuming and  more efficient  is possible,  or a  lightweight heuristic  may be
729 implemented. For example,  for a WSN of  200 sensor nodes, a leader  node has to
730 deal with constraints induced by about 12  sensor nodes.  In that case, to solve
731 the optimization problem a memory consumption  of more than 1~MB can be observed
732 with GLPK, whereas less than 300~KB would be needed with CPLEX.
733
734 Besides  PeCO,   three  other  protocols   will  be  evaluated   for  comparison
735 purposes. The first one, called DESK,  is a fully distributed coverage algorithm
736 proposed      by     \citep{ChinhVu}.       The      second     one,      called
737 GAF~\citep{xu2001geography}, consists in dividing the monitoring area into fixed
738 squares. Then, during  the decision phase, in each square,  one sensor is chosen
739 to  remain  active   during  the  sensing  phase.   The  last   one,  the  DiLCO
740 protocol~\citep{Idrees2}, is an improved version of a research work presented
741 in~\citep{idrees2014coverage}. PeCO  and DiLCO protocols
742 are based on  the same framework. In particular, the  choice for the simulations
743 of  a partitioning  in  16~subregions was  made because  it  corresponds to  the
744 configuration producing  the best results for  DiLCO. Of course, this  number of
745 subregions should be adapted  according to the size of the  area of interest and
746 the number of sensors.  The protocols  are distinguished from one another by the
747 formulation of the integer program providing the set of sensors which have to be
748 activated  in each  sensing  phase.  The DiLCO  protocol  tries  to satisfy  the
749 coverage of a set of primary points,  whereas the objective of the PeCO protocol
750 is  to reach  a desired  level of  coverage for  each sensor  perimeter. In the
751 experimentations, a level of coverage equal to one ($l=1$) is chosen
752 .
753
754 \subsubsection{Coverage Ratio}
755
756 Figure~\ref{figure5} shows  the average  coverage ratio  for 200  deployed nodes
757 obtained with the four protocols. DESK, GAF, and DiLCO provide a slightly better
758 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the
759 98.76\% produced by PeCO for the first periods.  This is due to the fact that at
760 the beginning the  DiLCO and PeCO protocols put more  redundant sensors to sleep
761 status  (which slightly  decreases  the  coverage ratio),  while  the two  other
762 protocols activate  more sensor  nodes.  Later,  when the  number of  periods is
763 beyond~70, it  clearly appears that  PeCO provides  a better coverage  ratio and
764 keeps a coverage ratio greater than 50\% for longer periods (15 more compared to
765 DiLCO, 40 more compared to DESK). The  energy saved by PeCO in the early periods
766 allows later a substantial increase of the coverage performance.
767
768 \parskip 0pt    
769 \begin{figure}[h!]
770 \centering
771  \includegraphics[scale=0.5] {figure5.eps} 
772 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
773 \label{figure5}
774 \end{figure} 
775
776 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
777
778 Minimizing the  number of  active sensor  nodes in each  period is  essential to
779 minimize  the energy  consumption and  thus  to maximize  the network  lifetime.
780 Figure~\ref{figure6}  shows the  average  active nodes  ratio  for 200  deployed
781 nodes.  DESK and  GAF have  30.36~\%  and 34.96~\%  active nodes  for the  first
782 fourteen rounds,  and the DiLCO and  PeCO protocols compete perfectly  with only
783 17.92~\% and 20.16~\% active nodes during  the same time interval. As the number
784 of periods increases,  the PeCO protocol has  a lower number of  active nodes in
785 comparison with the  three other approaches and exhibits a  slow decrease, while
786 keeping a greater coverage ratio as shown in Figure \ref{figure5}.
787
788 \begin{figure}[h!]
789 \centering
790 \includegraphics[scale=0.5]{figure6.eps}  
791 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
792 \label{figure6}
793 \end{figure} 
794
795 \subsubsection{Energy Saving Ratio} 
796
797 The simulation results  show that the protocol PeCO saves  efficiently energy by
798 turning   off  some   sensors   during   the  sensing   phase.    As  shown   in
799 Figure~\ref{figure7}, GAF provides better energy  saving than PeCO for the first
800 fifty  rounds. Indeed  GAF balances  the energy  consumption among  sensor nodes
801 inside each small fixed  grid and thus permits to extend the  life of sensors in
802 each  grid fairly.  However, at  the same  time it  turns on  a large  number of
803 sensors  and that  leads  later  to quickly  deplete  sensor's batteries.   DESK
804 algorithm  shows  less  energy  saving   compared  with  other  approaches.   In
805 comparison  with  PeCO, DiLCO  protocol  usually  provides lower  energy  saving
806 ratios.  Moreover, it  can  be noticed  that after  round  fifty, PeCO  protocol
807 exhibits the slowest decrease among all the considered protocols.
808
809 \begin{figure}[h!]
810 %\centering
811 % \begin{multicols}{6}
812 \centering
813 \includegraphics[scale=0.5]{figure7.eps} %\\~ ~ ~(a)
814 \caption{Energy Saving Ratio for 200 deployed nodes.}
815 \label{figure7}
816 \end{figure}
817
818 \subsubsection{Energy Consumption}
819
820 The  effect  of  the  energy  consumed by  the  WSN  during  the  communication,
821 computation,  listening,  active, and  sleep  status  is studied  for  different
822 network densities  and the  four approaches  compared.  Figures~\ref{figure8}(a)
823 and (b)  illustrate the energy consumption  for different network sizes  and for
824 $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.  The results show that the PeCO protocol is
825 the most competitive from the energy consumption point of view. As shown by both
826 figures, PeCO consumes much less energy  than the other methods. One might think
827 that the  resolution of  the integer program  is too costly  in energy,  but the
828 results show that it  is very beneficial to lose a bit of  time in the selection
829 of  sensors to  activate.   Indeed  the optimization  program  allows to  reduce
830 significantly the number of active sensors and also the energy consumption while
831 keeping a good coverage level. The  energy overhead when increasing network size
832 is the lowest with PeCO.
833
834 \begin{figure}[h!]
835   \centering
836   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
837     \includegraphics[scale=0.5]{figure8a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\
838     \includegraphics[scale=0.5]{figure8b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
839   \end{tabular}
840   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
841   \label{figure8}
842 \end{figure} 
843
844 \subsubsection{Network Lifetime}
845
846 In comparison with the two other approaches, PeCO and DiLCO protocols are better
847 for  prolonging  the network  lifetime.   In  Figures~\ref{figure9}(a) and  (b),
848 $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$  are shown for different  network sizes.  As
849 can  be seen  in these  figures, the  lifetime increases  with the  size of  the
850 network,  and it  is  clearly larger  for  the DiLCO  and  PeCO protocols.   For
851 instance, for a network of 300~sensors  and coverage ratio greater than 50\%, it
852 can  be observed  on Figure~\ref{figure9}(b)  that the  lifetime is  about twice
853 longer with PeCO  compared to the DESK protocol.  The  performance difference is
854 more obvious in Figure~\ref{figure9}(b)  than in Figure~\ref{figure9}(a) because
855 the gain  induced by  protocols (PeCO  and DiLCO) increases  with time,  and the
856 lifetime with a coverage over 50\% is far longer than with 95\%.
857
858 \begin{figure}[h!]
859   \centering
860   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
861     \includegraphics[scale=0.5]{figure9a.eps} & \raisebox{2.75cm}{(a)} \\  
862     \includegraphics[scale=0.5]{figure9b.eps} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
863   \end{tabular}
864   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
865   \label{figure9}
866 \end{figure} 
867
868 Figure~\ref{figure10}  compares the  lifetime  coverage of  the  DiLCO and  PeCO
869 protocols for different coverage ratios.  Protocol/70, Protocol/80, Protocol/85,
870 Protocol/90, and Protocol/95  correspond to the amount of time  during which the
871 network  can satisfy  an  area  coverage greater  than  $70\%$, $80\%$,  $85\%$,
872 $90\%$, and  $95\%$ respectively,  where the  term Protocol  refers to  DiLCO or
873 PeCO. Indeed there are applications that do  not require a 100\% coverage of the
874 area  to  be monitored.  For  example,  forest  fire application  might  require
875 complete coverage in summer seasons while only  require 80$\%$ of the area to be
876 covered in  rainy seasons~\citep{li2011transforming}. As another  example, birds
877 habit  study requires  only  70$\%$-coverage  at nighttime  when  the birds  are
878 sleeping  while  requires  100$\%$-coverage  at   daytime  when  the  birds  are
879 active~\citep{1279193}.   PeCO  always outperforms  DiLCO  for  the three  lower
880 coverage ratios,  moreover the  improvements grow with  the network  size. DiLCO
881 outperforms PeCO  when the coverage  ratio is required  to be $>90\%$,  but PeCO
882 extends the network lifetime significantly when coverage ratio can be relaxed.
883
884 \begin{figure}[h!]
885 \centering \includegraphics[scale=0.55]{figure10.eps}
886 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
887 \label{figure10}
888 \end{figure} 
889
890 \subsubsection{Impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
891 \label{sec:Impact}
892
893 Table~\ref{my-labelx}  shows network  lifetime results  for different  values of
894 $\alpha$ and $\beta$, and  a network size equal to 200 sensor  nodes. On the one
895 hand,  the choice  of $\beta  \gg \alpha$  prevents the  overcoverage, and  also
896 limits the activation of a large number of sensors, but as $\alpha$ is low, some
897 areas  may  be   poorly  covered.   This  explains  the   results  obtained  for
898 $Lifetime_{50}$ with  $\beta \gg  \alpha$: a  large number  of periods  with low
899 coverage  ratio.  On  the other  hand, when  $\alpha \gg  \beta$ is  chosen, the
900 coverage is favored  even if some areas  may be overcovered, so  a high coverage
901 ratio is reached,  but a large number  of sensors are activated  to achieve this
902 goal.  Therefore the  network lifetime is reduced.  The  choice $\alpha=0.6$ and
903 $\beta=0.4$ seems to  achieve the best compromise between  lifetime and coverage
904 ratio.   That explains  why this  setting has  been chosen  for the  experiments
905 presented in the previous subsections.
906
907 \begin{table}[h]
908 \centering
909 \caption{The impact of $\alpha$ and $\beta$ on PeCO's performance}
910 \label{my-labelx}
911 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
912 \hline
913 $\alpha$ & $\beta$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
914 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
915 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
916 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
917 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
918 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
919 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
920 {\bf 0.6} & {\bf 0.4} & {\bf 94} & {\bf 57} \\ \hline
921 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
922 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
923 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
924 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
925 \end{tabular}
926 \end{table}
927
928
929 \section{Conclusion and Future Works}
930 \label{sec:Conclusion and Future Works}
931
932 In this  paper the problem of  perimeter coverage optimization in  WSNs has been
933 studied.   A  new  protocol  called  Perimeter-based  Coverage  Optimization  is
934 designed. This protocol  schedules nodes' activities (wake up  and sleep stages)
935 with the  objective of maintaining  a good  coverage ratio while  maximizing the
936 network lifetime.   This protocol  is applied  in a  distributed way  in regular
937 subregions obtained  after partitioning  the area of  interest in  a preliminary
938 step. It works in  periods and is based on the resolution  of an integer program
939 to select  the subset  of sensors  operating in active  status for  each period.
940 This work  is original in so  far as it proposes  for the first time  an integer
941 program scheduling the  activation of sensors based on  their perimeter coverage
942 level,  instead  of  using  a  set of  targets/points  to  be  covered.  Several
943 simulations  have  been carried  out  to  evaluate  the proposed  protocol.  The
944 simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other
945 approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and
946 energy consumption.
947
948 This framework will  be extented so that the schedules  are planned for multiple
949 sensing periods.  The integer  program would  be improved  to take  into account
950 heterogeneous sensors from both energy  and node characteristics point of views.
951 Finally,  it  would be  interesting  to  implement  the  PeCO protocol  using  a
952 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.
953
954 \subsection*{Acknowledgments}
955 The  authors  are   deeply  grateful  to  the  anonymous   reviewers  for  their
956 constructive advice,  which improved the  technical quality  of the paper.  As a
957 Ph.D.   student, Ali  Kadhum Idrees  would  like to  gratefully acknowledge  the
958 University of  Babylon - Iraq  for financial support  and Campus France  for the
959 received support. This work is also partially funded by the Labex ACTION program
960 (contract ANR-11-LABX-01-01).  
961  
962 \bibliographystyle{gENO}
963 \bibliography{biblio} 
964
965 \end{document}