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[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4,12pt]{article}
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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 \\
30   in Wireless Sensor Networks}
31
32 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$,\\ Michel Salomon$^{a}$, and Rapha\"el Couturier$^{a}$\\
33 $^{a}$FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, \\ University  Bourgogne  Franche-Comt\'e, Belfort, France\\
34 $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}\\
35 email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr,\\ $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
36
37 %\author{Ali   Kadhum   Idrees$^{a,b}$,   Karine  Deschinkel$^{a}$,\\  Michel Salomon$^{a}$,   and  Rapha\"el   Couturier   $^{a}$  \\   
38 %$^{a}${\em{FEMTO-ST Institute,  UMR  6174  CNRS,   University  Bourgogne  Franche-Comt\'e,\\ Belfort, France}} \\ 
39 %$^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}} }
40
41 \begin{document}
42  \maketitle 
43 %\keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,Optimization, Scheduling.}
44
45 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
46   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
47   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
48   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
49   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
50   (DiLCO), which maintains the coverage and  improves the lifetime of a wireless
51   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
52   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
53   on  the sensor  nodes in  each subregion  in a  second step.   To fulfill  our
54   objective, the proposed  protocol combines two effective  techniques: a leader
55   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
56   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step process  takes
57   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
58   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
59   energy cost,  allowing to optimize  the network lifetime.  
60 %More  precisely, a
61   %period  consists  of  four   phases:  (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
62   %Election,  (iii)~Decision, and  (iv)~Sensing.   The  decision process,  which
63 %  results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
64 %  through the solving of an integer program.
65 % MODIF - BEGIN
66   Simulations are conducted using the discret event simulator
67   OMNET++.  We  refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for
68   the energy consumption  and the computation time.   In comparison with
69   two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN
70   lifetime and provides improved coverage performance. }
71 % MODIF - END
72
73 %\onecolumn
74
75
76 %\normalsize \vfill
77
78 \section{\uppercase{Introduction}}
79 \label{sec:introduction}
80
81 \noindent 
82 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless sensor  networks since sensory
83 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
84 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
85 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
86 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
87 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.  Coverage  reflects how well a
88 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
89 interest in the most  efficient way~\cite{Nayak04}, \textcolor{blue}{which means
90   that we want to maintain the best coverage as long as possible}.  On the other
91 hand  we  want  to  use  as   little  energy  as  possible.   Sensor  nodes  are
92 battery-powered  with  no means  of  recharging  or  replacing, usually  due  to
93 environmental (hostile or unpractical environments) or cost reasons.  Therefore,
94 it is desired  that the WSNs are  deployed with high densities so  as to exploit
95 the overlapping sensing  regions of some sensor nodes to  save energy by turning
96 off  some   of  them   during  the   sensing  phase   to  prolong   the  network
97 lifetime.  \textcolor{blue}{A WSN  can  use  various types  of  sensors such  as
98   \cite{ref17,ref19}:  thermal, seismic,  magnetic, visual,  infrared, acoustic,
99   and  radar.  These  sensors  are   capable  of  observing  different  physical
100   conditions  such  as:  temperature,   humidity,  pressure,  speed,  direction,
101   movement, light,  soil makeup,  noise levels, presence  or absence  of certain
102   kinds  of  objects,   and  mechanical  stress  levels   on  attached  objects.
103   Consequently, there is a wide  range of WSN applications such as~\cite{ref22}:
104   health-care, environment, agriculture, public safety, military, transportation
105   systems, and industry applications.}
106
107 In this  paper we design  a protocol that focuses  on the area  coverage problem
108 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
109 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization (DiLCO)  protocol,  maintains  the
110 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
111 divided into  subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
112 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
113 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
114 node sends sensing data to the cluster  head or the sink node.  Furthermore, the
115 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
116 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
117 starts with  a discovery phase  to exchange  information between sensors  of the
118 same subregion,  in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
119 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
120 the sensors for the  sensing phase of the current period  is obtained by solving
121 an integer program.  The resulting activation vector is broadcast by a leader to
122 every node of its subregion.
123
124 % MODIF - BEGIN
125 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
126 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
127 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
128 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
129 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
130 existing \textcolor{blue}{and distributed approaches} (DESK ~\cite{ChinhVu}, and
131 GAF ~\cite{xu2001geography})  in order  to compare  their performances  with our
132 approach. \textcolor{blue}{We focus  on DESK and GAF protocols  for two reasons.
133   First our protocol is inspired by both  of them: DiLCO uses a regular division
134   of the  area of interest  as in GAF  and a temporal  division in rounds  as in
135   DESK.  Second, DESK  and GAF are well-known protocols, easy  to implement, and
136   often  used  as references  for  comparison}.  We  also focus  on  performance
137 analysis based on the number of subregions.
138 % MODIF - END
139
140 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
141 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
142 the  DiLCO  protocol,  followed  in   Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
143 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
144 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results and  Analysis} shows the simulation
145 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
146 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
147
148 \section{\uppercase{Literature Review}}
149 \label{sec:Literature Review}
150
151 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
152 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
153 the literature.
154
155 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
156 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
157 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
158 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
159 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
160 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
161 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
162 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
163 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
164   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
165   fraction of points called primary points. }
166
167 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
168 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
169 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
170 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
171 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
172 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
173 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
174 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
175 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
176 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
177 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
178 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
179 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
180 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
181 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
182 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
183   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
184   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
185   task.}
186
187 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
188 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
189 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
190 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
191 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
192 certain         period         of         time.          The         centralized
193 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
194 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
195 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
196 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
197 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
198 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
199   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
200   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
201   selecting the active sensors for the current period.}
202
203 % MODIF - BEGIN
204 \textcolor{blue}{ Our approach to select the leader node in a subregion is quite
205   different   from    cluster   head    selection   methods   used    in   LEACH
206   \cite{DBLP:conf/hicss/HeinzelmanCB00}         or          its         variants
207   \cite{ijcses11}. Contrary  to LEACH, the division  of the area of  interest is
208   supposed to be performed before the  leader election. Moreover, we assume that
209   the sensors are deployed almost uniformly  and with high density over the area
210   of interest, such  that the division is  fixed and regular.  As  in LEACH, our
211   protocol works in round fashion.  In each round, during the pre-sensing phase,
212   nodes make autonomous  decisions. In LEACH, each sensor elects  itself to be a
213   cluster head,  and each non-cluster  head will  determine its cluster  for the
214   round. In  our protocol, nodes in  the same subregion select  their leader. In
215   both protocols,  the amount  of remaining  energy in each  node is  taken into
216   account  to promote  the nodes  that have  the most  energy to  become leader.
217   Contrary to  the LEACH protocol  where all sensors  will be active  during the
218   sensing-phase, our protocol  allows to deactivate a subset  of sensors through
219   an optimization process which reduces significantly the energy consumption.}
220 % MODIF - END
221
222 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
223 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
224 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
225 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
226 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
227 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
228 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
229 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
230 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
231 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
232 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
233 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
234 also                                                                        been
235 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
236   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
237   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
238   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
239   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
240
241 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
242 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
243
244 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
245 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
246 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
247 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
248 maximize the lifetime in the network.
249
250 \subsection{Assumptions and models}
251
252 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
253 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
254 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
255 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
256 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
257 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
258 location discovery algorithm. 
259
260 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
261 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
262 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
263 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
264 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
265 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
266 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
267 working nodes in the active mode.
268
269 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
270 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
271 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
272 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
273 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
274 less accurate according to the number of primary points.
275
276 \subsection{Main idea}
277 \label{main_idea}
278 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
279 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
280 executed  simultaneously in  each subregion.  \textcolor{blue}{Sensor nodes  are
281   assumed to be deployed almost uniformly over the region and the subdivision of
282   the area of interest is regular.}
283
284 \begin{figure}[ht!]
285 \centering
286 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
287 \caption{DiLCO protocol}
288 \label{fig2}
289 \end{figure} 
290
291 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
292 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
293 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
294 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
295 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node failures.
296 % \textcolor{blue}{Many WSN applications have communication requirements that are periodic and known previously such as collecting temperature statistics at regular intervals. This periodic nature can be used to provide a regular schedule to sensor nodes and thus avoid a sensor failure. If the period time increases, the reliability and energy consumption are decreased and vice versa}. 
297 First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
298 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
299 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
300 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
301 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
302 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
303 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
304 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
305 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
306 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
307
308 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
309 %\begin{enumerate}[(a)]
310 \begin{itemize} 
311 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
312   subregion for information exchange.
313 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
314   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
315 \end{itemize}
316 %\end{enumerate}
317 and each sensor node will have five possible status in the network:
318 %\begin{enumerate}[(a)] 
319 \begin{itemize} 
320 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
321 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
322 \item ACTIVE: sensor is active;
323 \item SLEEP: sensor is turned off;
324 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
325 \end{itemize}
326 %\end{enumerate}
327
328 An outline of the protocol  implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
329 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
330 sensor node  indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
331 enough  energy  \textcolor{blue}{(its energy  should  be  greater than  a  fixed
332   treshold $E_{th}$)} to  stay active during the next sensing  phase. If yes, it
333 exchanges information with all the other  nodes belonging to the same subregion:
334 it collects from each node  its position coordinates, remaining energy ($RE_j$),
335 ID,  and the  number of  one-hop neighbors  still alive.   \textcolor{blue}{INFO
336   packet contains two parts: header and  data payload. The sensor ID is included
337   in  the header,  where the  header  size is  8  bits. The  data part  includes
338   position coordinates (64 bits), remaining energy  (32 bits), and the number of
339   one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the  size of the INFO packet is 112
340   bits.} Once the  first phase is completed,  the nodes of a  subregion choose a
341 leader to  take the  decision based  on the  following criteria  with decreasing
342 importance: larger  number of  neighbors, larger remaining  energy, and  then in
343 case of equality,  larger index.  After that,  if the sensor node  is leader, it
344 will  solve an  integer program  (see Section~\ref{cp}).   \textcolor{blue}{This
345   integer program  contains boolean variables  $X_j$ where ($X_j=1$)  means that
346   sensor $j$ will be active in the  next sensing phase. Only sensors with enough
347   remaining energy are  involved in the integer  program ($J$ is the  set of all
348   sensors  involved).  As  the  leader consumes  energy  (computation energy  is
349   denoted by $E^{comp}$) to solve the  optimization problem, it will be included
350   in the integer program only if it has enough energy to achieve the computation
351   and to  stay alive during the  next sensing phase, that  is to say if  $RE_j >
352   E^{comp}+E_{th}$. Once  the optimization problem  is solved, each  leader will
353   send an ActiveSleep packet to each sensor in the same subregion to indicate it
354   if it has to be active or not.  Otherwise, if the sensor is not the leader, it
355   will wait for the ActiveSleep packet to  know its state for the coming sensing
356   phase.}
357 %which provides a set of  sensors planned to be
358 %active in the next sensing phase.
359
360 \begin{algorithm}[h!]                
361
362   \BlankLine
363   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
364   
365   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
366       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
367       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
368       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
369       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
370       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
371       
372       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
373       \emph{LeaderID = Leader election}\;
374       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
375         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
376         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
377           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
378         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
379         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
380         \emph{Update $RE_j $}\;
381       }   
382       \Else{
383         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
384         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
385
386         \emph{Update $RE_j $}\;
387       }  
388       %  }
389   }
390   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
391   
392  %   \emph{return X} \;
393 \caption{DiLCO($s_j$)}
394 \label{alg:DiLCO}
395
396 \end{algorithm}
397
398 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
399 \label{cp}
400
401 % MODIF - BEGIN
402 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
403 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
404 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
405 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
406 and the set of alive 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 $p$ :
407 \begin{equation}
408  \Theta_{p} = \left \{ 
409 \begin{array}{l l}
410   0 & \mbox{if the primary point}\\
411     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
412   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
413 \end{array} \right.
414 \label{eq13} 
415 \end{equation}
416 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
417 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
418 In the same way, we define the  undercoverage variable
419 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
420 \begin{equation}
421 U_{p} = \left \{ 
422 \begin{array}{l l}
423   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
424   0 & \mbox{otherwise.}\\
425 \end{array} \right.
426 \label{eq14} 
427 \end{equation}
428 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
429 \begin{equation}
430 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
431 \end{equation}
432 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.
433 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
434 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
435 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
436 \left \{
437 \begin{array}{ll}
438 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
439 \textrm{subject to :}&\\
440 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
441 %\label{c1} 
442 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
443 %\label{c2}
444 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
445 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
446 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
447 \end{array}
448 \right.
449 \end{equation}
450 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.  \textcolor{blue}{ By
451     choosing  $w_{U}$ much  larger than $w_{\theta}$,  the coverage  of a
452     maximum of  primary points  is ensured.  Then for the  same number  of covered
453     primary points,  the solution  with a  minimal number  of active  sensors is
454     preferred. }
455 %Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
456 %order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
457 %period.
458 % MODIF - END
459
460 \iffalse 
461
462 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
463 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
464 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
465 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
466 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
467 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
468 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
469 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
470
471 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
472 point $p$ is covered, that is:
473 \begin{equation}
474 \alpha_{jp} = \left \{ 
475 \begin{array}{l l}
476   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
477  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
478   0 & \mbox{otherwise.}\\
479 \end{array} \right.
480 %\label{eq12} 
481 \end{equation}
482 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
483 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
484 \begin{equation}
485 X_{j} = \left \{ 
486 \begin{array}{l l}
487   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
488   0 &  \mbox{otherwise.}\\
489 \end{array} \right.
490 %\label{eq11} 
491 \end{equation}
492 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
493 \begin{equation}
494  \Theta_{p} = \left \{ 
495 \begin{array}{l l}
496   0 & \mbox{if the primary point}\\
497     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
498   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
499 \end{array} \right.
500 \label{eq13} 
501 \end{equation}
502 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
503 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
504 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
505 \begin{equation}
506 U_{p} = \left \{ 
507 \begin{array}{l l}
508   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
509   0 & \mbox{otherwise.}\\
510 \end{array} \right.
511 \label{eq14} 
512 \end{equation}
513
514 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
515 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
516 \left \{
517 \begin{array}{ll}
518 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
519 \textrm{subject to :}&\\
520 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
521 %\label{c1} 
522 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
523 %\label{c2}
524 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
525 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
526 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
527 \end{array}
528 \right.
529 \end{equation}
530
531 \begin{itemize}
532 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
533   if yes and 0 if not);
534 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
535   are covering the primary point $p$;
536 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
537   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
538 \end{itemize}
539
540 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
541 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
542 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
543 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
544 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
545 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
546 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
547 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
548 period.
549
550 \fi
551
552 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
553 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
554 \noindent \subsection{Simulation framework}
555
556 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
557 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
558 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
559
560 \begin{table}[ht]
561 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
562 % title of Table
563 \centering
564 % used for centering table
565 \begin{tabular}{c|c}
566 % centered columns (4 columns)
567       \hline
568 %inserts double horizontal lines
569 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
570    
571 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
572 % inserts table
573 %heading
574 \hline
575 % inserts single horizontal line
576 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
577 % inserting body of the table
578 %\hline
579 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
580 %\hline
581 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
582 %\hline
583 Sensing Period & 60 Minutes \\
584 $E_{th}$ & 36 Joules\\
585 $R_s$ & 5~m   \\     
586 %\hline
587 $w_{\Theta}$ & 1   \\
588 % [1ex] adds vertical space
589 %\hline
590 $w_{U}$ & $|P|^2$
591 %inserts single line
592 \end{tabular}
593 \label{table3}
594 % is used to refer this table in the text
595 \end{table}
596
597 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
598 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
599 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
600 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
601 high coverage ratio.
602
603 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
604 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
605 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
606 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
607 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
608 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
609 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
610 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
611 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
612 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
613 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
614 second) by a node for each of its possible status.
615
616 \begin{table}[ht]
617 \caption{Energy consumption model}
618 % title of Table
619 \centering
620 % used for centering table
621 {\scriptsize
622 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
623 % centered columns (4 columns)
624       \hline
625 %inserts double horizontal lines
626 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
627 \hline
628 % inserts single horizontal line
629 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
630 % inserting body of the table
631 \hline
632 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
633 \hline
634 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
635 \hline
636 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
637 %\hline
638 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
639  \hline
640 \end{tabular}
641 }
642
643 \label{table4}
644 % is used to refer this table in the text
645 \end{table}
646
647 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
648 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
649 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
650 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
651 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
652 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
653 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
654 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
655 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
656 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
657 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
658  equal to 0.2575~mW.
659
660 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
661 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
662 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
663 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
664 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
665 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
666 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
667 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
668 most 20 periods.
669
670 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
671 the efficiency of our approach:
672
673 %\begin{enumerate}[i)]
674 \begin{itemize}
675 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
676   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
677   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
678   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
679   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
680   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
681   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
682   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
683   event in the area that it monitors.
684      
685 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
686   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
687   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
688   coverage ratio: 
689 \begin{equation*}
690 \scriptsize
691 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
692 \end{equation*}
693 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
694 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
695 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
696 \times 26 = 1326$ grid points.
697
698 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
699   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
700   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
701   of EC can be expressed as follows:
702   \begin{equation*}
703     \scriptsize
704     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
705       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
706   \end{equation*}
707
708 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
709 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
710 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
711 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
712 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
713 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
714 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
715 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
716 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
717 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
718 (active and sleeping nodes).
719
720 \end{itemize}
721 %\end{enumerate}
722
723 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
724 \subsection{Performance analysis}
725 \label{sub1}
726
727 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
728 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
729 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
730 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
731 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
732 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
733 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
734
735 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
736 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
737 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
738 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
739 chosen to remain active during the sensing phase.
740
741 \subsubsection{Coverage ratio} 
742
743 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
744 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
745 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
746 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
747 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
748 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
749 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
750 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
751 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
752 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
753 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
754
755 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
756 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
757 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
758 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
759 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
760 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
761
762 \parskip 0pt    
763 \begin{figure}[t!]
764 \centering
765  \includegraphics[scale=0.475] {CR.pdf} 
766 \caption{Coverage ratio}
767 \label{fig3}
768 \end{figure} 
769
770
771 \subsubsection{Energy consumption}
772
773 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
774 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
775 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
776 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
777 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
778 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
779 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
780 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
781 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
782 used for the different performance metrics.
783
784 \begin{figure}[h!]
785 \centering
786 \includegraphics[scale=0.475]{EC.pdf} 
787 \caption{Energy consumption per period}
788 \label{fig95}
789 \end{figure} 
790
791 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
792 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
793 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
794 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
795 nodes set active  by DESK and GAF. 
796
797 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
798 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
799 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
800 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
801 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
802 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
803 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
804 approach has a reasonable energy overcost.
805
806 \subsubsection{Execution time}
807
808 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
809 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
810 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
811 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
812 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
813 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
814 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
815 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
816 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
817 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
818 Figure~\ref{fig8}.
819
820 \begin{figure}[h!]
821 \centering
822 \includegraphics[scale=0.475]{T.pdf}  
823 \caption{Execution time in seconds}
824 \label{fig8}
825 \end{figure} 
826
827 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
828 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled by  a
829 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
830 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
831 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
832 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
833 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
834 possible high coverage. In fact an excessive subdivision of the area of interest
835 prevents  it  to  ensure a  good  coverage  especially  on  the borders  of  the
836 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
837 between execution time and coverage performance.
838
839 \subsubsection{Network lifetime}
840
841 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
842 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
843 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
844 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
845 network lifetime.
846
847 \begin{figure}[h!]
848 \centering
849 \includegraphics[scale=0.475]{LT.pdf}  
850 \caption{Network lifetime}
851 \label{figLT95}
852 \end{figure} 
853
854 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
855 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
856 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
857 ensure the wider monitoring.  For a similar level of coverage, DiLCO outperforms
858 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
859 the  larger  level  of coverage  ($95\%$)  in  the  case  of our  protocol,  the
860 subdivision in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
861
862
863 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
864 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
865
866 A crucial problem in WSN is to  schedule the sensing activities of the different
867 nodes  in order  to ensure  both coverage  of the  area of  interest and  longer
868 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
869 communication and computing capacities, require  protocols that optimize the use
870 of  the available  resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
871 problem, this paper proposes a two-step  approach. Firstly, the field of sensing
872 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
873 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
874 Optimization is applied in each subregion  to optimize the coverage and lifetime
875 performances.  In a  subregion, our protocol consists in electing  a leader node
876 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
877 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion  and   the  best
878 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
879 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
880 many performance metrics  like coverage ratio or network lifetime.  We have also
881 studied the impact of  the number of subregions chosen to  subdivide the area of
882 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
883 increasing the number  of subregions improves the lifetime.  The more subregions
884 there are, the more robust the network is against random disconnection resulting
885 from dead nodes.  However,  for a given sensing field and  network size there is
886 an optimal number of subregions.  Therefore, in case of our simulation context a
887 subdivision in $16$~subregions seems to be the most relevant. The optimal number
888 of subregions will be investigated in the future.
889
890 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
891
892 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
893 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
894 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
895 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
896
897 %\vfill
898 \bibliographystyle{plain}
899 {\small
900 \bibliography{Example}}
901
902 %\vfill
903 \end{document}