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[Sensornets15.git] / Example.tex
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18
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22
23 \begin{document}
24
25 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
26
27 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\in Wireless Sensor Networks}
28
29 \author{\authorname{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
30 \affiliation{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France}
31 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
32 \email{ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
33 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
34 }
35
36 \keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
37 Optimization, Scheduling.}
38
39 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
40   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
41   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
42   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
43   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
44   (DiLCO), which maintains the coverage  and improves the lifetime of a wireless
45   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
46   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
47   on  the sensor  nodes  in each  subregion in  a  second step.  To fulfill  our
48   objective, the  proposed protocol combines two effective  techniques: a leader
49   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
50   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step  process takes
51   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
52   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
53   energy  cost, allowing  to optimize  the network  lifetime. More  precisely, a
54   period  consists   of  four  phases:   (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
55   Election,  (iii)~Decision,  and  (iv)~Sensing.   The decision  process,  which
56   results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
57   through  the solving  of an  integer program.  In comparison  with  some other
58   protocols,  the simulations done  using the  discrete event  simulator OMNeT++
59   show  that our  approach is  able to  increase the  WSN lifetime  and provides
60   improved coverage performance. }
61
62 \onecolumn \maketitle \normalsize \vfill
63
64 \section{\uppercase{Introduction}}
65 \label{sec:introduction}
66
67 \noindent 
68 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
69 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
70 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
71 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
72 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
73 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
74 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
75 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
76 use  as little energy  as possible.   Sensor nodes  are battery-powered  with no
77 means  of recharging  or replacing,  usually  due to  environmental (hostile  or
78 unpractical environments)  or cost reasons.   Therefore, it is desired  that the
79 WSNs are deployed  with high densities so as to  exploit the overlapping sensing
80 regions of some sensor  nodes to save energy by turning off  some of them during
81 the sensing phase to prolong the network lifetime.
82
83 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
84 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
85 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the
86 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
87 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
88 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
89 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
90 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
91 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
92 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
93 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the
94 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
95 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
96 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
97 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
98 to every node of its subregion.
99
100 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
101 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
102 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
103 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
104 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
105 results. The paper  ends with a conclusion and some  suggestions for further work
106 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
107
108 \section{\uppercase{Literature Review}}
109 \label{sec:Literature Review}
110
111 \noindent In  this section, we  summarize some related works  regarding the coverage
112 problem  and distinguish  our DiLCO  protocol from  the works  presented  in the
113 literature.
114
115 The most discussed coverage  problems in literature
116 can  be classified into  three types  \cite{li2013survey}: area  coverage \cite{Misra} where
117 every point inside an area is  to be monitored, target coverage  \cite{yang2014novel} where the main
118 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets,
119 and  barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to  prevent intruders  from entering  into the  region of interest. In \cite{Deng2012} authors transform the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes and boundaries. 
120 {\it In DiLCO  protocol, the area coverage, i.e. the coverage  of every point in
121   the sensing  region, is transformed  to the coverage  of a fraction  of points
122   called primary points. }
123
124
125 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
126 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
127 non-disjoint),  where each  set completely  covers a  region of  interest,  and to
128 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
129 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
130 and the set of  active sensor nodes is decided at the  beginning of each period \cite{ling2009energy}.
131 Active node selection is determined based on the problem requirements (e.g. area
132 monitoring,  connectivity,  power   efficiency). For instance, Jaggi et al. \cite{jaggi2006}
133 address the problem of maximizing network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets such that each subset can ensure both coverage and connectivity. A greedy algorithm is applied once to solve this problem and the computed sets are activated in succession to achieve the desired network lifetime. 
134 Vu \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a periodic fashion where a cover set is computed at the beginning of each period.
135 {\it Motivated by these works, DiLCO protocol  works in periods, where each  period contains a preliminary
136   phase  for information  exchange and  decisions, followed  by a  sensing phase
137   where one cover set is in charge of the sensing task.}
138
139 Various   approaches,   including   centralized,  or distributed
140 algorithms, have been proposed to extend the network lifetime.
141 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
142 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
143 In       distributed      algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},
144 information  is   disseminated  throughout   the  network  and   sensors  decide
145 cooperatively by communicating with their neighbors which of them will remain in
146 sleep    mode   for    a   certain    period   of    time.     The   centralized
147 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
148 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
149 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
150 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
151 decision needs information from all the sensor nodes in the area and the amount of information can be huge.
152 {\it  In order to be suitable for large-scale network,  in the DiLCO  protocol,  the area  coverage  is divided  into several  smaller
153   subregions, and in  each  one, a  node called the leader is  in charge for
154   selecting the active sensors for the current period.}
155
156 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
157 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
158 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
159 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
160 to  say targets  that  are covered  by  the smallest  number  of sensors \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other
161 approaches  are based  on  mathematical programming  formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014} and  dedicated
162 techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization
163 solver).  The problem is formulated  as an optimization problem (maximization of
164 the  lifetime  or  number  of  cover  sets) under  target  coverage  and  energy
165 constraints.   Column  generation techniques,  well-known  and widely  practiced
166 techniques for solving  linear programs with too many  variables, have also been 
167 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it  In DiLCO  protocol,  each leader,  in  each subregion,  solves an  integer
168   program with a double objective  consisting in minimizing the overcoverage and
169   limiting  the  undercoverage.  This  program  is inspired  from  the  work  of
170   \cite{pedraza2006}  where the  objective is  to maximize  the number  of cover
171   sets.}
172
173 % ***** Part which must be rewritten - Start
174
175 % Start of Ali's papers catalog => there's no link between them or with our work
176 % (use of subregions; optimization based method; etc.)
177 \iffalse
178 Diongue  and  Thiare~\cite{diongue2013alarm}  proposed  an  energy  aware  sleep
179 scheduling  algorithm  for lifetime  maximization  in  wireless sensor  networks
180 (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to
181 the weibull distribution.  This work did not analyze the  ALARM scheme under the
182 coverage problem.
183
184 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be
185 changed  into a  set coverage  problem. By  using this  model, they  proposed an
186 Energy-Efficient central-Scheduling  greedy algorithm, which  can reduces energy
187 consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of
188 sensor nodes to support the networks periodically.
189
190 In ~\cite{chenait2013distributed},  the authors presented  a coverage-guaranteed
191 distributed  sleep/wake scheduling  scheme so  ass to  prolong  network lifetime
192 while guaranteeing network coverage. This scheme mitigates scheduling process to
193 be more stable by avoiding  useless transitions between states without affecting
194 the coverage level required by the application.
195
196 The work  in~\cite{cheng2014achieving} presented a  unified sensing architecture
197 for duty  cycled sensor  networks, called uSense,  which comprises  three ideas:
198 Asymmetric Architecture, Generic Switching  and Global Scheduling. The objective
199 is to provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
200
201 In~\cite{ling2009energy},  the  lifetime  of  a  sensor  node  is  divided  into
202 epochs. At  each epoch,  the base station  deduces the current  sensing coverage
203 requirement  from application  or user  request. It  then applies  the heuristic
204 algorithm in order to produce the set  of active nodes which take the mission of
205 sensing during the current epoch.  After  that, the produced schedule is sent to
206 the sensor nodes in the network.
207
208 % What is the link between the previous work and this paragraph about DiLCO ?
209
210
211
212 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated  full area coverage problem under
213 the probabilistic  sensing model in the  sensor networks. They  have studied the
214 relationship between the coverage of two adjacent points mathematically and then
215 convert  the problem of  full area  coverage into  point coverage  problem. They
216 proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select
217 a subset of sensors to provide  probabilistic area coverage dynamically so as to
218 extend the network lifetime.
219
220 The work proposed by  \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in
221 WSNs where  each sensor has variable  sensing radius. The final  objective is to
222 maximize the network coverage lifetime in WSNs.
223 \fi
224 % Same remark, no link with the two previous citations...
225
226  
227 % ***** Part which must be rewritten - End
228
229 \iffalse
230
231 Some algorithms have been developed in ~\cite{yang2014energy,ChinhVu,vashistha2007energy,deschinkel2012column,shi2009,qu2013distributed,ling2009energy,xin2009area,cheng2014achieving,ling2009energy} to solve the area coverage problem so as to preserve coverage and prolong the network lifetime.
232
233
234 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
235 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
236 coverage of two adjacent points mathematically and then convert the problem of full area coverage into point coverage problem. They proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset
237 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
238
239
240 Vu et al.~\cite{ChinhVu} proposed a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-area coverage for the whole network. 
241
242  
243 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
244 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
245 algorithm contains two major parts: the first part aims at
246 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
247 energy by decreasing the sensing radius.
248
249 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
250 problem. By using this model, they are proposed  an  Energy-Efficient central-Scheduling greedy algorithm, which can reduces energy consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of sensor nodes to support the networks periodically. 
251
252 The work in~\cite{cheng2014achieving} presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
253
254  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
255 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
256 base station deduces the current sensing coverage requirement
257 from application or user request. It then applies the heuristic algorithm in order to produce the set of active nodes which take the mission of sensing during the current epoch.  After that, the produced schedule is sent to the sensor nodes in the network. 
258 \fi
259
260 \iffalse
261
262 The work in ~\cite{vu2009delaunay} considered the area coverage problem for variable sensing radii in WSNs by improving the energy balancing heuristic proposed in ~\cite{wang2007energy} so that  the area of interest can be full covered using Delaunay triangulation structure.
263
264 Diongue and Thiare~\cite{diongue2013alarm} proposed an energy aware sleep scheduling algorithm for lifetime maximization in wireless sensor networks (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to the weibull distribution. This work did not analyze the ALARM scheme under the coverage problem. 
265  
266
267 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
268 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
269 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
270 connection in the case which loose condition is not meet.
271 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
272 coverage. They are proposed a low-complexity heuristic algorithm to obtain full area information covers (FAIC), which they refer to as Grid Based FAIC (GB-FAIC) algorithm. Using these FAICs, they are obtained the optimal schedule for applying the sensing activity of sensor nodes  in order to
273 achieve increased sensing lifetime of the network. 
274
275
276
277   
278
279
280 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
281
282 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
283 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
284 (2) The distributed dynamic leader election at each period by each sensor node in the subregion, 
285 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
286 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion, and (5) The improved energy consumption model.
287 \fi
288 \iffalse
289 The work presented in~\cite{luo2014parameterized,tian2014distributed} tries to solve the target coverage problem so as to extend the network lifetime since it is easy to verify the coverage status of discreet target.
290 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
291 The work proposed in~\cite{kim2013maximum} considers the barrier-coverage problem in WSNs. The final goal is to maximize the network lifetime such that any penetration of the intruder is detected.
292 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
293 In \cite{ChinhVu},  the authors propose a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-coverage for the whole network. 
294 Our Work in~\cite{idrees2014coverage} proposes a coverage optimization protocol to improve the lifetime in heterogeneous energy wireless sensor networks. In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We are considered only distributing the coverage protocol over two subregions.  
295
296 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
297
298 The work proposed by \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in WSNs where each sensor has variable sensing radius. The final objective is to maximize the network coverage lifetime in WSNs.
299
300
301
302 Casta{\~n}o et al.~\cite{castano2013column} proposed a multilevel approach based on column generation (CG) to  extend the network lifetime with connectivity and coverage constraints. They are included  two heuristic methods  within the CG framework so as to accelerate the solution process. 
303 In \cite{diongue2013alarm}, diongue is proposed an energy Aware sLeep scheduling AlgoRithm for lifetime maximization in WSNs (ALARM) algorithm for coverage lifetime maximization in wireless sensor networks. ALARM is sensor node scheduling approach for lifetime maximization in WSNs in which it schedule redundant nodes according to the weibull distribution  taking into consideration frequent nodes failure.
304 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
305 approach (CWSC) to maintain k-coverage and connectivity. This approach try to select the minimum number of connected sensor nodes that can provide k-coverage ($k \geq 1$).
306 In~\cite{cheng2014achieving}, the authors are presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
307
308 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
309 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. %They are designed $\varepsilon-$full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
310 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
311
312 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
313 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
314 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
315 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
316 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion,
317 (5) The improved energy consumption model.
318
319 \fi
320
321 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
322 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
323
324 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
325 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
326 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
327 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
328 maximize the lifetime in the network.
329 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
330 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
331 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
332 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
333 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
334 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
335 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
336 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
337 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
338 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
339 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
340 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
341 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
342 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
343 \fi
344
345 \subsection{Assumptions and models}
346
347 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
348 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
349 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
350 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
351 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
352 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
353 location discovery algorithm. 
354
355 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
356 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
357 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
358 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
359 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
360 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
361 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
362 working nodes in the active mode.
363
364 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
365 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
366 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
367 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
368 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
369 less accurate according to the number of primary points.
370
371 \iffalse
372 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
373 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
374 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
375 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
376 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
377 sensors, instead of using all the points in the area.
378
379 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
380 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
381 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
382 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
383 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
384 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
385 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
386 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
387 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
388 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
389 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
390 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
391 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
392 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
393 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
394 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
395 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
396
397  \begin{figure}[h!]
398 \centering
399  \begin{multicols}{3}
400 \centering
401 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
402 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
403 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
404 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
405 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
406 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
407 \end{multicols} 
408 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
409 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
410 \label{fig1}
411 \end{figure}
412
413 \fi
414
415 \subsection{Main idea}
416 \label{main_idea}
417
418 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
419 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
420 executed   simultaneously  in   each   subregion.
421
422 \begin{figure}[ht!]
423 \centering
424 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
425 \caption{DiLCO protocol}
426 \label{fig2}
427 \end{figure} 
428
429 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
430 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
431 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
432 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
433 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
434 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
435 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
436 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
437 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
438 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
439 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
440 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
441 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
442 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
443 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
444
445 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
446 %\begin{enumerate}[(a)]
447 \begin{itemize} 
448 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
449   subregion for information exchange.
450 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
451   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
452 \end{itemize}
453 %\end{enumerate}
454 and each sensor node will have five possible status in the network:
455 %\begin{enumerate}[(a)] 
456 \begin{itemize} 
457 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
458 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
459 \item ACTIVE: sensor is active;
460 \item SLEEP: sensor is turned off;
461 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
462 \end{itemize}
463 %\end{enumerate}
464
465 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
466 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
467 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
468 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
469 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
470 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
471 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
472 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
473 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
474 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
475 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
476 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
477 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
478 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
479 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
480 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
481
482 \iffalse
483 \subsubsection{Information Exchange Phase}
484
485 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
486 the number of neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
487 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
488 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
489 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
490 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
491 active mode.
492
493 \subsubsection{Leader Election Phase}
494 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
495 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
496 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
497 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
498 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
499 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
500 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
501 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
502 equality, larger index. 
503
504 \subsubsection{Decision phase}
505 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
506 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
507 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
508 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
509
510
511 \subsubsection{Sensing phase}
512
513 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
514 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
515 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
516 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
517 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
518 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
519 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
520 obtained.
521
522 \fi
523
524
525 \iffalse
526 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
527 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
528 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
529
530 \begin{algorithm}[h!]                
531  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
532 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
533   \BlankLine
534   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
535   
536   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
537       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
538       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
539       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
540       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
541       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
542       
543       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
544       \emph{LeaderID = Leader election}\;
545       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
546         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
547         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
548           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
549         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
550         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
551         \emph{Update $RE_j $}\;
552       }   
553       \Else{
554         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
555         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
556         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
557         \emph{Update $RE_j $}\;
558       }  
559       %  }
560   }
561   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
562   
563  %   \emph{return X} \;
564 \caption{DiLCO($s_j$)}
565 \label{alg:DiLCO}
566
567 \end{algorithm}
568
569 \iffalse
570 The DiLCO protocol work in rounds and executed at each sensor node in the network, each sensor node can still sense data while being in
571 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
572 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
573 Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list L.
574 The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader to take the decision. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will select the set of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's status during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next round. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, all the sensor nodes in the same subregion will start new round by executing the DiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
575 \fi
576
577
578 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
579 \label{cp}
580
581 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
582 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
583 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
584 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
585 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
586 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
587 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
588 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
589
590 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
591 point $p$ is covered, that is:
592 \begin{equation}
593 \alpha_{jp} = \left \{ 
594 \begin{array}{l l}
595   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
596  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
597   0 & \mbox{otherwise.}\\
598 \end{array} \right.
599 %\label{eq12} 
600 \end{equation}
601 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
602 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
603 \begin{equation}
604 X_{j} = \left \{ 
605 \begin{array}{l l}
606   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
607   0 &  \mbox{otherwise.}\\
608 \end{array} \right.
609 %\label{eq11} 
610 \end{equation}
611 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
612 \begin{equation}
613  \Theta_{p} = \left \{ 
614 \begin{array}{l l}
615   0 & \mbox{if the primary point}\\
616     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
617   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
618 \end{array} \right.
619 \label{eq13} 
620 \end{equation}
621 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
622 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
623 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
624 \begin{equation}
625 U_{p} = \left \{ 
626 \begin{array}{l l}
627   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
628   0 & \mbox{otherwise.}\\
629 \end{array} \right.
630 \label{eq14} 
631 \end{equation}
632
633 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
634 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
635 \left \{
636 \begin{array}{ll}
637 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
638 \textrm{subject to :}&\\
639 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
640 %\label{c1} 
641 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
642 %\label{c2}
643 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
644 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
645 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
646 \end{array}
647 \right.
648 \end{equation}
649
650 \begin{itemize}
651 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
652   if yes and 0 if not);
653 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
654   are covering the primary point $p$;
655 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
656   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
657 \end{itemize}
658
659 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
660 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
661 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
662 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
663 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
664 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
665 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
666 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
667 period.
668
669 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
670 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
671 \noindent \subsection{Simulation framework}
672
673 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
674 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
675 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
676
677 \begin{table}[ht]
678 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
679 % title of Table
680 \centering
681 % used for centering table
682 \begin{tabular}{c|c}
683 % centered columns (4 columns)
684       \hline
685 %inserts double horizontal lines
686 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
687    
688 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
689 % inserts table
690 %heading
691 \hline
692 % inserts single horizontal line
693 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
694 % inserting body of the table
695 %\hline
696 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
697 %\hline
698 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
699 %\hline
700 Sensing Period & 60 Minutes \\
701 $E_{th}$ & 36 Joules\\
702 $R_s$ & 5~m   \\     
703 %\hline
704 $w_{\Theta}$ & 1   \\
705 % [1ex] adds vertical space
706 %\hline
707 $w_{U}$ & $|P|^2$
708 %inserts single line
709 \end{tabular}
710 \label{table3}
711 % is used to refer this table in the text
712 \end{table}
713
714 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
715 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
716 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
717 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
718 high coverage ratio.
719
720 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
721 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
722 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
723 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
724 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
725 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
726 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
727 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
728 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
729 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
730 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
731 second) by a node for each of its possible status.
732
733 \begin{table}[ht]
734 \caption{Energy consumption model}
735 % title of Table
736 \centering
737 % used for centering table
738 {\scriptsize
739 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
740 % centered columns (4 columns)
741       \hline
742 %inserts double horizontal lines
743 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
744 \hline
745 % inserts single horizontal line
746 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
747 % inserting body of the table
748 \hline
749 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
750 \hline
751 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
752 \hline
753 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
754 %\hline
755 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
756  \hline
757 \end{tabular}
758 }
759
760 \label{table4}
761 % is used to refer this table in the text
762 \end{table}
763
764 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
765 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
766 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
767 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
768 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
769 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
770 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
771 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
772 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
773 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
774 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
775  equal to 0.2575 mW.
776
777 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
778 interval  $[500-700]$.  If  its  energy  provision reaches  a  value below  the
779 threshold  $E_{th}=36$~Joules, the  minimum energy  needed  for a  node to  stay
780 active during one period, it will no longer take part in the coverage task. This
781 value  corresponds  to the  energy  needed by  the  sensing  phase, obtained  by
782 multiplying the energy consumed in active  state (9.72 mW) by the time in seconds
783 for one period (3,600 seconds), and  adding the energy for the pre-sensing phases.
784 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
785 most 20 rounds.
786
787 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
788 the efficiency of our approach:
789
790 %\begin{enumerate}[i)]
791 \begin{itemize}
792 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
793   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
794   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
795   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
796   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
797   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
798   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
799   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
800   event in the area that it monitors.
801   
802     
803 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
804   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
805   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
806   coverage ratio: 
807 \begin{equation*}
808 \scriptsize
809 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
810 \end{equation*}
811 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
812 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
813 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
814 \times 26 = 1326$ grid points.
815 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
816 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
817 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
818 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
819
820 \iffalse
821
822 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
823 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
824 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
825 \begin{equation*}
826 \scriptsize
827 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
828 \end{equation*}
829 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
830
831 \fi
832
833 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
834   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
835   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
836   of EC can be expressed as follows:
837   \begin{equation*}
838     \scriptsize
839     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
840       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
841   \end{equation*}
842
843 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total amount of energy consumed by
844 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
845 factors. The  first one, denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represents the
846 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
847 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
848 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
849 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
850 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
851 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
852 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
853
854
855 \iffalse 
856 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
857   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
858   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
859   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
860  
861 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation ends when the sensor network
862   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
863   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
864   to network disconnections and for which round it occurs.
865
866 \fi
867
868 \end{itemize}
869 %\end{enumerate}
870
871
872 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
873 \subsection{Performance analysis}
874 \label{sub1}
875
876 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
877 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
878 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
879 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
880 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
881 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
882 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
883
884 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
885 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
886 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
887 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
888 chosen to remain active during the sensing phase.
889
890 \subsubsection{Coverage ratio} 
891
892 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
893 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a   coverage ratio which is slightly better
894 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
895 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
896 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
897 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
898 fast decrease  with the number  of periods and  reaches zero value  in period~18
899 (respectively 46), whereas  the other versions of DiLCO, DESK,  and GAF ensure a
900 coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We  believe that the results
901 obtained with these two methods can be explained by a high consumption of energy
902 and we will check this assumption in the next subsection.
903
904 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
905 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
906 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
907 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
908 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
909 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
910
911 \parskip 0pt    
912 \begin{figure}[t!]
913 \centering
914  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
915 \caption{Coverage ratio}
916 \label{fig3}
917 \end{figure} 
918
919 %As shown in the figure ~\ref{fig3}, as the number of subregions increases,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of periods. Coverage ratio decreases when the number of periods increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
920 %thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to  ensure the coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are
921 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
922 %the area of interest into 8, 16 and 32~subregions if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.%
923
924 \subsubsection{Energy consumption}
925
926 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
927 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
928 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
929 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
930 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
931 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
932 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
933 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
934 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
935 used for the different performance metrics.
936
937 \begin{figure}[h!]
938 \centering
939 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
940 \caption{Energy consumption}
941 \label{fig95}
942 \end{figure} 
943
944 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
945 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
946 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
947 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
948 nodes set active by DESK and GAF.
949
950
951 %In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number of communications and the time of listening so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks. 
952 %As shown in Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig50} , DiLCO-2 consumes more energy than the other versions of DiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem as well as the higher energy consumed during the communication.  
953
954 \subsubsection{Execution time}
955
956 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
957 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
958 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
959 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
960 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
961 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
962 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
963 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
964 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
965 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
966 Figure~\ref{fig8}.
967
968 \begin{figure}[h!]
969 \centering
970 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
971 \caption{Execution time in seconds}
972 \label{fig8}
973 \end{figure} 
974
975 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
976 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
977 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
978 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
979 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
980 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
981 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
982 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
983 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
984 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
985 between execution time and coverage performance.
986
987 %The DiLCO-32 has more suitable times in the same time it turn on redundent nodes more.  We think that in distributed fashion the solving of the  optimization problem in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal  with very large networks,  a distributed method is clearly required.
988
989 \subsubsection{Network lifetime}
990
991 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
992 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
993 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
994 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
995 network lifetime.
996
997 \begin{figure}[h!]
998 \centering
999 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
1000 \caption{Network lifetime}
1001 \label{figLT95}
1002 \end{figure} 
1003
1004 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
1005 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
1006 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
1007 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
1008 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
1009 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
1010 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
1011
1012 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
1013 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
1014 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
1015 % letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds. Comparison shows that our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols, which are used distributed optimization over the subregions, are the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
1016 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1017
1018 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
1019 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
1020
1021 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
1022 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
1023 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
1024 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
1025 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
1026 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
1027 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
1028 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
1029 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
1030 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
1031 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
1032 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
1033 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
1034 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
1035 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
1036 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
1037 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
1038 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
1039 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
1040 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
1041 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
1042 optimal number of subregions will be investigated in the future.
1043
1044 \iffalse
1045 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1046 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1047 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1048 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1049 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
1050 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
1051 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
1052 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1053 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1054 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1055 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1056 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1057 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1058 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1059 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1060 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time, and the number of stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
1061 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1062 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1063 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1064 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1065
1066 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1067 computes  all active sensor schedules in one time, using
1068 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
1069   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1070   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1071 The computation of all cover sets in one time is far more
1072 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
1073 \fi
1074
1075 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
1076
1077 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
1078 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
1079 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
1080 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
1081
1082 %\vfill
1083 \bibliographystyle{apalike}
1084 {\small
1085 \bibliography{Example}}
1086
1087 %\vfill
1088 \end{document}