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[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4,12pt]{article}
2
3
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20
21 %\subfigtopskip=0pt
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24
25
26
27 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
28
29 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
30
31 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel,\\ Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier\\
32 %\affiliation{
33 FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e,\\
34  Belfort, France\\
35 %}
36 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
37 email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr,\\ $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
38 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
39
40 \begin{document}
41  \maketitle 
42 %\keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,Optimization, Scheduling.}
43
44 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
45   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
46   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
47   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
48   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
49   (DiLCO), which maintains the coverage and  improves the lifetime of a wireless
50   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
51   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
52   on  the sensor  nodes in  each subregion  in a  second step.   To fulfill  our
53   objective, the proposed  protocol combines two effective  techniques: a leader
54   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
55   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step process  takes
56   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
57   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
58   energy cost,  allowing to optimize  the network lifetime.  %More  precisely, a
59   %period  consists  of  four   phases:  (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
60   %Election,  (iii)~Decision, and  (iv)~Sensing.   The  decision process,  which
61   results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
62   through the solving of an integer program.
63 % MODIF - BEGIN
64   Simulations are conducted using the discret event simulator
65   OMNET++.  We  refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for
66   the energy consumption  and the computation time.   In comparison with
67   two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN
68   lifetime and provides improved coverage performance. }
69 % MODIF - END
70
71 %\onecolumn
72
73
74 %\normalsize \vfill
75
76 \section{\uppercase{Introduction}}
77 \label{sec:introduction}
78
79 \noindent 
80 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
81 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
82 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
83 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
84 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
85 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
86 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
87 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
88 use  as little energy  as possible.   Sensor nodes  are battery-powered  with no
89 means  of recharging  or replacing,  usually  due to  environmental (hostile  or
90 unpractical environments)  or cost reasons.   Therefore, it is desired  that the
91 WSNs are deployed  with high densities so as to  exploit the overlapping sensing
92 regions of some sensor  nodes to save energy by turning off  some of them during
93 the sensing phase to prolong the network lifetime.
94
95 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
96 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
97 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the
98 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
99 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
100 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
101 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
102 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
103 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
104 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
105 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the
106 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
107 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
108 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
109 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
110 to every node of its subregion. 
111
112 % MODIF - BEGIN
113 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
114 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
115 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
116 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
117 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
118 existing approaches (a distributed one,  DESK ~\cite{ChinhVu}, and a centralized
119 one called GAF  ~\cite{xu2001geography}) in order to  compare their performances
120 with our approach.  We also focus on performance analysis based on the number of
121 subregions. 
122 % MODIF - END
123
124 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
125 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
126 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
127 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
128 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
129 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
130 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
131
132 \section{\uppercase{Literature Review}}
133 \label{sec:Literature Review}
134
135 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
136 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
137 the literature.
138
139 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
140 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
141 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
142 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
143 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
144 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
145 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
146 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
147 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
148   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
149   fraction of points called primary points. }
150
151 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
152 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
153 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
154 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
155 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
156 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
157 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
158 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
159 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
160 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
161 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
162 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
163 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
164 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
165 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
166 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
167   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
168   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
169   task.}
170
171 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
172 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
173 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
174 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
175 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
176 certain         period         of         time.          The         centralized
177 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
178 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
179 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
180 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
181 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
182 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
183   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
184   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
185   selecting the active sensors for the current period.}
186
187 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
188 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
189 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
190 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
191 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
192 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
193 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
194 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
195 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
196 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
197 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
198 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
199 also                                                                        been
200 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
201   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
202   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
203   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
204   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
205
206 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
207 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
208
209 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
210 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
211 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
212 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
213 maximize the lifetime in the network.
214
215 \subsection{Assumptions and models}
216
217 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
218 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
219 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
220 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
221 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
222 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
223 location discovery algorithm. 
224
225 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
226 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
227 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
228 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
229 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
230 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
231 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
232 working nodes in the active mode.
233
234 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
235 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
236 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
237 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
238 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
239 less accurate according to the number of primary points.
240
241
242 \subsection{Main idea}
243 \label{main_idea}
244 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
245 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
246 executed   simultaneously  in   each   subregion.
247
248 \begin{figure}[ht!]
249 \centering
250 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
251 \caption{DiLCO protocol}
252 \label{fig2}
253 \end{figure} 
254
255 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
256 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
257 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
258 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
259 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
260 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
261 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
262 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
263 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
264 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
265 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
266 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
267 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
268 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
269 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
270
271 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
272 %\begin{enumerate}[(a)]
273 \begin{itemize} 
274 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
275   subregion for information exchange.
276 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
277   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
278 \end{itemize}
279 %\end{enumerate}
280 and each sensor node will have five possible status in the network:
281 %\begin{enumerate}[(a)] 
282 \begin{itemize} 
283 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
284 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
285 \item ACTIVE: sensor is active;
286 \item SLEEP: sensor is turned off;
287 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
288 \end{itemize}
289 %\end{enumerate}
290
291 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
292 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
293 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
294 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
295 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
296 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
297 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
298 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
299 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
300 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
301 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
302 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
303 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
304 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
305 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
306 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
307
308
309 \begin{algorithm}[h!]                
310
311   \BlankLine
312   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
313   
314   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
315       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
316       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
317       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
318       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
319       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
320       
321       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
322       \emph{LeaderID = Leader election}\;
323       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
324         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
325         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
326           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
327         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
328         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
329         \emph{Update $RE_j $}\;
330       }   
331       \Else{
332         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
333         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
334
335         \emph{Update $RE_j $}\;
336       }  
337       %  }
338   }
339   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
340   
341  %   \emph{return X} \;
342 \caption{DiLCO($s_j$)}
343 \label{alg:DiLCO}
344
345 \end{algorithm}
346
347 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
348 \label{cp}
349
350 % MODIF - BEGIN
351 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
352 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
353 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
354 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
355 and the set of sensors by $J$. As we consider a boolean disk coverage model, we use the boolean indicator $\alpha_{jp}$ which is equal to 1 if the primary point $p$ is in the sensing range of the sensor $j$. The binary variable $X_j$ represents the activation or not of the sensor $j$. So we can express the number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$ by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$. We deduce the overcoverage denoted by $\Theta_p$ of the primary point $p$ :
356 \begin{equation}
357  \Theta_{p} = \left \{ 
358 \begin{array}{l l}
359   0 & \mbox{if the primary point}\\
360     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
361   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
362 \end{array} \right.
363 \label{eq13} 
364 \end{equation}
365 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
366 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
367 In the same way, we define the  undercoverage variable
368 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
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 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
378 \begin{equation}
379 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
380 \end{equation}
381 If the point $p$ is not covered, $U_p=1$,  $\sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j}=0$ and $\Theta_{p}=0$ by definition, so the equality is satisfied.
382 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
383 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
384 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
385 \left \{
386 \begin{array}{ll}
387 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
388 \textrm{subject to :}&\\
389 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
390 %\label{c1} 
391 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
392 %\label{c2}
393 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
394 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
395 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
396 \end{array}
397 \right.
398 \end{equation}
399 The objective function is a weighted sum of overcoverage and undercoverage. The goal is to limit the overcoverage in order to activate a minimal number of sensors while simultaneously preventing undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
400 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
401 period.
402 % MODIF - END
403
404
405
406
407
408
409
410 \iffalse 
411
412 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
413 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
414 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
415 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
416 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
417 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
418 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
419 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
420
421 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
422 point $p$ is covered, that is:
423 \begin{equation}
424 \alpha_{jp} = \left \{ 
425 \begin{array}{l l}
426   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
427  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
428   0 & \mbox{otherwise.}\\
429 \end{array} \right.
430 %\label{eq12} 
431 \end{equation}
432 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
433 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
434 \begin{equation}
435 X_{j} = \left \{ 
436 \begin{array}{l l}
437   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
438   0 &  \mbox{otherwise.}\\
439 \end{array} \right.
440 %\label{eq11} 
441 \end{equation}
442 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
443 \begin{equation}
444  \Theta_{p} = \left \{ 
445 \begin{array}{l l}
446   0 & \mbox{if the primary point}\\
447     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
448   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
449 \end{array} \right.
450 \label{eq13} 
451 \end{equation}
452 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
453 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
454 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
455 \begin{equation}
456 U_{p} = \left \{ 
457 \begin{array}{l l}
458   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
459   0 & \mbox{otherwise.}\\
460 \end{array} \right.
461 \label{eq14} 
462 \end{equation}
463
464 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
465 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
466 \left \{
467 \begin{array}{ll}
468 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
469 \textrm{subject to :}&\\
470 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
471 %\label{c1} 
472 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
473 %\label{c2}
474 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
475 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
476 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
477 \end{array}
478 \right.
479 \end{equation}
480
481 \begin{itemize}
482 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
483   if yes and 0 if not);
484 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
485   are covering the primary point $p$;
486 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
487   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
488 \end{itemize}
489
490 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
491 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
492 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
493 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
494 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
495 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
496 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
497 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
498 period.
499
500 \fi
501
502 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
503 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
504 \noindent \subsection{Simulation framework}
505
506 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
507 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
508 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
509
510 \begin{table}[ht]
511 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
512 % title of Table
513 \centering
514 % used for centering table
515 \begin{tabular}{c|c}
516 % centered columns (4 columns)
517       \hline
518 %inserts double horizontal lines
519 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
520    
521 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
522 % inserts table
523 %heading
524 \hline
525 % inserts single horizontal line
526 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
527 % inserting body of the table
528 %\hline
529 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
530 %\hline
531 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
532 %\hline
533 Sensing Period & 60 Minutes \\
534 $E_{th}$ & 36 Joules\\
535 $R_s$ & 5~m   \\     
536 %\hline
537 $w_{\Theta}$ & 1   \\
538 % [1ex] adds vertical space
539 %\hline
540 $w_{U}$ & $|P|^2$
541 %inserts single line
542 \end{tabular}
543 \label{table3}
544 % is used to refer this table in the text
545 \end{table}
546
547 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
548 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
549 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
550 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
551 high coverage ratio.
552
553 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
554 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
555 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
556 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
557 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
558 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
559 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
560 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
561 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
562 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
563 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
564 second) by a node for each of its possible status.
565
566 \begin{table}[ht]
567 \caption{Energy consumption model}
568 % title of Table
569 \centering
570 % used for centering table
571 {\scriptsize
572 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
573 % centered columns (4 columns)
574       \hline
575 %inserts double horizontal lines
576 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
577 \hline
578 % inserts single horizontal line
579 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
580 % inserting body of the table
581 \hline
582 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
583 \hline
584 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
585 \hline
586 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
587 %\hline
588 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
589  \hline
590 \end{tabular}
591 }
592
593 \label{table4}
594 % is used to refer this table in the text
595 \end{table}
596
597 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
598 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
599 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
600 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
601 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
602 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
603 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
604 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
605 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
606 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
607 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
608  equal to 0.2575~mW.
609
610 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
611 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
612 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
613 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
614 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
615 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
616 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
617 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
618 most 20 periods.
619
620 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
621 the efficiency of our approach:
622
623 %\begin{enumerate}[i)]
624 \begin{itemize}
625 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
626   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
627   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
628   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
629   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
630   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
631   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
632   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
633   event in the area that it monitors.
634      
635 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
636   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
637   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
638   coverage ratio: 
639 \begin{equation*}
640 \scriptsize
641 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
642 \end{equation*}
643 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
644 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
645 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
646 \times 26 = 1326$ grid points.
647
648 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
649   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
650   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
651   of EC can be expressed as follows:
652   \begin{equation*}
653     \scriptsize
654     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
655       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
656   \end{equation*}
657
658 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
659 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
660 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
661 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
662 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
663 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
664 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
665 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
666 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
667 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
668 (active and sleeping nodes).
669
670 \end{itemize}
671 %\end{enumerate}
672
673 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
674 \subsection{Performance analysis}
675 \label{sub1}
676
677 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
678 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
679 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
680 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
681 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
682 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
683 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
684
685 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
686 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
687 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
688 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
689 chosen to remain active during the sensing phase.
690
691 \subsubsection{Coverage ratio} 
692
693 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
694 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
695 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
696 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
697 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
698 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
699 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
700 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
701 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
702 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
703 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
704
705 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
706 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
707 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
708 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
709 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
710 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
711
712 \parskip 0pt    
713 \begin{figure}[t!]
714 \centering
715  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
716 \caption{Coverage ratio}
717 \label{fig3}
718 \end{figure} 
719
720
721 \subsubsection{Energy consumption}
722
723 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
724 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
725 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
726 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
727 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
728 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
729 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
730 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
731 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
732 used for the different performance metrics.
733
734 \begin{figure}[h!]
735 \centering
736 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
737 \caption{Energy consumption per period}
738 \label{fig95}
739 \end{figure} 
740
741 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
742 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
743 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
744 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
745 nodes set active  by DESK and GAF. 
746
747 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
748 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
749 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
750 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
751 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
752 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
753 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
754 approach has a reasonable energy overcost.
755
756 \subsubsection{Execution time}
757
758 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
759 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
760 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
761 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
762 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
763 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
764 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
765 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
766 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
767 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
768 Figure~\ref{fig8}.
769
770 \begin{figure}[h!]
771 \centering
772 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
773 \caption{Execution time in seconds}
774 \label{fig8}
775 \end{figure} 
776
777 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
778 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
779 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
780 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
781 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
782 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
783 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
784 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
785 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
786 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
787 between execution time and coverage performance.
788
789 \subsubsection{Network lifetime}
790
791 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
792 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
793 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
794 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
795 network lifetime.
796
797 \begin{figure}[h!]
798 \centering
799 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
800 \caption{Network lifetime}
801 \label{figLT95}
802 \end{figure} 
803
804 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
805 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
806 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
807 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
808 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
809 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
810 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
811
812
813 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
814 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
815
816 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
817 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
818 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
819 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
820 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
821 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
822 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
823 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
824 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
825 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
826 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
827 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
828 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
829 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
830 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
831 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
832 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
833 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
834 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
835 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
836 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
837 optimal number of subregions will be investigated in the future.
838
839 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
840
841 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
842 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
843 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
844 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
845
846 %\vfill
847 \bibliographystyle{plain}
848 {\small
849 \bibliography{Example}}
850
851 %\vfill
852 \end{document}