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Private GIT Repository
Modification in 5.2.2. Energy consumption
[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4paper,twoside]{article}
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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
112 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
113 the literature.
114
115 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
116 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
117 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
120 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
121 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
122 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
123 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
124   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
125   fraction of points called primary points. }
126
127 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
128 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
129 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
130 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
131 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
132 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
133 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
134 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
135 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
136 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
137 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
138 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
139 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
140 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
141 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
142 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
143   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
144   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
145   task.}
146
147 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
148 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
149 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
150 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
151 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
152 certain         period         of         time.          The         centralized
153 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
154 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
155 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
156 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
157 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
158 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
159   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
160   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
161   selecting the active sensors for the current period.}
162
163 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
164 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
165 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
166 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
167 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
168 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
169 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
170 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
171 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
172 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
173 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
174 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
175 also                                                                        been
176 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
177   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
178   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
179   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
180   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
181
182 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
183 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
184
185 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
186 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
187 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
188 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
189 maximize the lifetime in the network.
190
191 \subsection{Assumptions and models}
192
193 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
194 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
195 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
196 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
197 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
198 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
199 location discovery algorithm. 
200
201 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
202 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
203 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
204 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
205 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
206 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
207 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
208 working nodes in the active mode.
209
210 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
211 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
212 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
213 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
214 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
215 less accurate according to the number of primary points.
216
217
218 \subsection{Main idea}
219 \label{main_idea}
220 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
221 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
222 executed   simultaneously  in   each   subregion.
223
224 \begin{figure}[ht!]
225 \centering
226 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
227 \caption{DiLCO protocol}
228 \label{fig2}
229 \end{figure} 
230
231 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
232 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
233 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
234 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
235 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
236 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
237 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
238 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
239 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
240 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
241 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
242 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
243 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
244 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
245 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
246
247 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
248 %\begin{enumerate}[(a)]
249 \begin{itemize} 
250 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
251   subregion for information exchange.
252 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
253   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
254 \end{itemize}
255 %\end{enumerate}
256 and each sensor node will have five possible status in the network:
257 %\begin{enumerate}[(a)] 
258 \begin{itemize} 
259 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
260 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
261 \item ACTIVE: sensor is active;
262 \item SLEEP: sensor is turned off;
263 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
264 \end{itemize}
265 %\end{enumerate}
266
267 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
268 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
269 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
270 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
271 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
272 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
273 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
274 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
275 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
276 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
277 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
278 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
279 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
280 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
281 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
282 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
283
284
285 \begin{algorithm}[h!]                
286
287   \BlankLine
288   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
289   
290   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
291       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
292       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
293       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
294       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
295       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
296       
297       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
298       \emph{LeaderID = Leader election}\;
299       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
300         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
301         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
302           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
303         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
304         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
305         \emph{Update $RE_j $}\;
306       }   
307       \Else{
308         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
309         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
310
311         \emph{Update $RE_j $}\;
312       }  
313       %  }
314   }
315   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
316   
317  %   \emph{return X} \;
318 \caption{DiLCO($s_j$)}
319 \label{alg:DiLCO}
320
321 \end{algorithm}
322
323 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
324 \label{cp}
325
326 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
327 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
328 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
329 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
330 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
331 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
332 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
333 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
334
335 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
336 point $p$ is covered, that is:
337 \begin{equation}
338 \alpha_{jp} = \left \{ 
339 \begin{array}{l l}
340   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
341  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
342   0 & \mbox{otherwise.}\\
343 \end{array} \right.
344 %\label{eq12} 
345 \end{equation}
346 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
347 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
348 \begin{equation}
349 X_{j} = \left \{ 
350 \begin{array}{l l}
351   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
352   0 &  \mbox{otherwise.}\\
353 \end{array} \right.
354 %\label{eq11} 
355 \end{equation}
356 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
357 \begin{equation}
358  \Theta_{p} = \left \{ 
359 \begin{array}{l l}
360   0 & \mbox{if the primary point}\\
361     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
362   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
363 \end{array} \right.
364 \label{eq13} 
365 \end{equation}
366 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
367 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
368 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
369 \begin{equation}
370 U_{p} = \left \{ 
371 \begin{array}{l l}
372   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
373   0 & \mbox{otherwise.}\\
374 \end{array} \right.
375 \label{eq14} 
376 \end{equation}
377
378 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
379 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
380 \left \{
381 \begin{array}{ll}
382 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
383 \textrm{subject to :}&\\
384 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
385 %\label{c1} 
386 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
387 %\label{c2}
388 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
389 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
390 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
391 \end{array}
392 \right.
393 \end{equation}
394
395 \begin{itemize}
396 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
397   if yes and 0 if not);
398 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
399   are covering the primary point $p$;
400 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
401   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
402 \end{itemize}
403
404 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
405 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
406 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
407 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
408 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
409 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
410 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
411 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
412 period.
413
414 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
415 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
416 \noindent \subsection{Simulation framework}
417
418 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
419 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
420 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
421
422 \begin{table}[ht]
423 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
424 % title of Table
425 \centering
426 % used for centering table
427 \begin{tabular}{c|c}
428 % centered columns (4 columns)
429       \hline
430 %inserts double horizontal lines
431 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
432    
433 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
434 % inserts table
435 %heading
436 \hline
437 % inserts single horizontal line
438 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
439 % inserting body of the table
440 %\hline
441 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
442 %\hline
443 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
444 %\hline
445 Sensing Period & 60 Minutes \\
446 $E_{th}$ & 36 Joules\\
447 $R_s$ & 5~m   \\     
448 %\hline
449 $w_{\Theta}$ & 1   \\
450 % [1ex] adds vertical space
451 %\hline
452 $w_{U}$ & $|P|^2$
453 %inserts single line
454 \end{tabular}
455 \label{table3}
456 % is used to refer this table in the text
457 \end{table}
458
459 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
460 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
461 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
462 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
463 high coverage ratio.
464
465 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
466 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
467 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
468 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
469 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
470 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
471 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
472 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
473 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
474 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
475 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
476 second) by a node for each of its possible status.
477
478 \begin{table}[ht]
479 \caption{Energy consumption model}
480 % title of Table
481 \centering
482 % used for centering table
483 {\scriptsize
484 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
485 % centered columns (4 columns)
486       \hline
487 %inserts double horizontal lines
488 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
489 \hline
490 % inserts single horizontal line
491 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
492 % inserting body of the table
493 \hline
494 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
495 \hline
496 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
497 \hline
498 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
499 %\hline
500 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
501  \hline
502 \end{tabular}
503 }
504
505 \label{table4}
506 % is used to refer this table in the text
507 \end{table}
508
509 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
510 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
511 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
512 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
513 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
514 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
515 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
516 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
517 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
518 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
519 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
520  equal to 0.2575~mW.
521
522 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
523 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
524 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
525 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
526 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
527 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
528 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
529 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
530 most 20 periods.
531
532 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
533 the efficiency of our approach:
534
535 %\begin{enumerate}[i)]
536 \begin{itemize}
537 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
538   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
539   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
540   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
541   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
542   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
543   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
544   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
545   event in the area that it monitors.
546      
547 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
548   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
549   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
550   coverage ratio: 
551 \begin{equation*}
552 \scriptsize
553 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
554 \end{equation*}
555 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
556 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
557 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
558 \times 26 = 1326$ grid points.
559
560 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
561   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
562   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
563   of EC can be expressed as follows:
564   \begin{equation*}
565     \scriptsize
566     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
567       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
568   \end{equation*}
569
570 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
571 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
572 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
573 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
574 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
575 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
576 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
577 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
578 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
579 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
580 (active and sleeping nodes).
581
582 \end{itemize}
583 %\end{enumerate}
584
585 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
586 \subsection{Performance analysis}
587 \label{sub1}
588
589 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
590 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
591 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
592 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
593 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
594 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
595 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
596
597 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
598 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
599 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
600 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
601 chosen to remain active during the sensing phase.
602
603 \subsubsection{Coverage ratio} 
604
605 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
606 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
607 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
608 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
609 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
610 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
611 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
612 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
613 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
614 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
615 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
616
617 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
618 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
619 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
620 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
621 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
622 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
623
624 \parskip 0pt    
625 \begin{figure}[t!]
626 \centering
627  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
628 \caption{Coverage ratio}
629 \label{fig3}
630 \end{figure} 
631
632
633 \subsubsection{Energy consumption}
634
635 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
636 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
637 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
638 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
639 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
640 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
641 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
642 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
643 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
644 used for the different performance metrics.
645
646 \begin{figure}[h!]
647 \centering
648 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
649 \caption{Energy consumption per period}
650 \label{fig95}
651 \end{figure} 
652
653 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
654 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
655 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
656 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
657 nodes set active  by DESK and GAF. Now,  if we consider a same  protocol, we can
658 notice  that the  average  consumption  per period  increases  slightly for  our
659 protocol  when increasing  the  level  of coverage,  whereas  it increases  more
660 largely for  DESK and  GAF.  In case  of DiLCO  It means that  even if  a larger
661 network allows  to improve the number  of periods with a  minimum coverage level
662 value,  this   improvement  has  a  higher   energy  cost  per   period  due  to
663 communications and  a more difficult optimization.  However,  in comparison with
664 DSK and GAF, our approach has a reasonable energy overhead.
665
666 \subsubsection{Execution time}
667
668 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
669 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
670 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
671 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
672 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
673 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
674 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
675 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
676 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
677 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
678 Figure~\ref{fig8}.
679
680 \begin{figure}[h!]
681 \centering
682 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
683 \caption{Execution time in seconds}
684 \label{fig8}
685 \end{figure} 
686
687 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
688 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
689 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
690 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
691 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
692 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
693 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
694 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
695 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
696 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
697 between execution time and coverage performance.
698
699 \subsubsection{Network lifetime}
700
701 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
702 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
703 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
704 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
705 network lifetime.
706
707 \begin{figure}[h!]
708 \centering
709 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
710 \caption{Network lifetime}
711 \label{figLT95}
712 \end{figure} 
713
714 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
715 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
716 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
717 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
718 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
719 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
720 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
721
722
723 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
724 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
725
726 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
727 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
728 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
729 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
730 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
731 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
732 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
733 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
734 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
735 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
736 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
737 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
738 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
739 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
740 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
741 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
742 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
743 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
744 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
745 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
746 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
747 optimal number of subregions will be investigated in the future.
748
749 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
750
751 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
752 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
753 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
754 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
755
756 %\vfill
757 \bibliographystyle{apalike}
758 {\small
759 \bibliography{Example}}
760
761 %\vfill
762 \end{document}