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[Sensornets15.git] / Example.tex
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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$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$,\\ Michel Salomon$^{a}$, and Rapha\"el Couturier$^{a}$\\
32 $^{a}$FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, \\ University  Bourgogne  Franche-Comt\'e, Belfort, France\\
33 $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}\\
34 email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr,\\ $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
35
36 %\author{Ali   Kadhum   Idrees$^{a,b}$,   Karine  Deschinkel$^{a}$,\\  Michel Salomon$^{a}$,   and  Rapha\"el   Couturier   $^{a}$  \\   
37 %$^{a}${\em{FEMTO-ST Institute,  UMR  6174  CNRS,   University  Bourgogne  Franche-Comt\'e,\\ Belfort, France}} \\ 
38 %$^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}} }
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.  
59 %More  precisely, a
60   %period  consists  of  four   phases:  (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
61   %Election,  (iii)~Decision, and  (iv)~Sensing.   The  decision process,  which
62 %  results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
63 %  through the solving of an integer program.
64 % MODIF - BEGIN
65   Simulations are conducted using the discret event simulator
66   OMNET++.  We  refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for
67   the energy consumption  and the computation time.   In comparison with
68   two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN
69   lifetime and provides improved coverage performance. }
70 % MODIF - END
71
72 %\onecolumn
73
74
75 %\normalsize \vfill
76
77 \section{\uppercase{Introduction}}
78 \label{sec:introduction}
79
80 \noindent 
81 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
82 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
83 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
84 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
85 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
86 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
87 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
88 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
89 use  as little energy  as possible.   Sensor nodes  are battery-powered  with no
90 means  of recharging  or replacing,  usually  due to  environmental (hostile  or
91 unpractical environments)  or cost reasons.   Therefore, it is desired  that the
92 WSNs are deployed  with high densities so as to  exploit the overlapping sensing
93 regions of some sensor  nodes to save energy by turning off  some of them during
94 the sensing phase to prolong the network lifetime. \textcolor{blue}{A WSN can use various types of sensors such as \cite{ref17,ref19}: thermal, seismic, magnetic, visual, infrared, acoustic, and radar. These sensors are capable of observing  different physical conditions such as: temperature, humidity, pressure, speed, direction, movement, light, soil makeup, noise levels, presence or absence of certain kinds of objects, and mechanical stress levels on attached objects. Consequently, there is a wide range of WSN applications such as~\cite{ref22}: health-care, environment, agriculture, public safety, military, transportation systems, and industry applications.}
95
96 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
97 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
98 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DiLCO) protocol,  maintains  the
99 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
100 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
101 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
102 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
103 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
104 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
105 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
106 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the
107 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
108 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
109 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
110 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
111 to every node of its subregion. 
112
113 % MODIF - BEGIN
114 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
115 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
116 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
117 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
118 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
119 existing \textcolor{blue}{and distributed approaches}(DESK ~\cite{ChinhVu}, and 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. \textcolor{blue}{Sensor nodes  are assumed to
247 be deployed  almost uniformly over the  region and the subdivision of the area of interest is regular.}
248
249 \begin{figure}[ht!]
250 \centering
251 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
252 \caption{DiLCO protocol}
253 \label{fig2}
254 \end{figure} 
255
256 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
257 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
258 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
259 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
260 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node failures.
261 % \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}. 
262 First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
263 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
264 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
265 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
266 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
267 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
268 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
269 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
270 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
271 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
272
273 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
274 %\begin{enumerate}[(a)]
275 \begin{itemize} 
276 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
277   subregion for information exchange.
278 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
279   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
280 \end{itemize}
281 %\end{enumerate}
282 and each sensor node will have five possible status in the network:
283 %\begin{enumerate}[(a)] 
284 \begin{itemize} 
285 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
286 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
287 \item ACTIVE: sensor is active;
288 \item SLEEP: sensor is turned off;
289 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
290 \end{itemize}
291 %\end{enumerate}
292
293 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
294 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
295 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
296 enough energy \textcolor{blue}{(its energy should be greater than a fixed treshold $E_{th}$)} to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
297 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
298 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
299 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. \textcolor{blue}{INFO packet contains two parts: header and data payload. The sensor ID is included in the header, where the header size is 8 bits. The data part includes position coordinates (64 bits), remaining energy (32 bits), and the number of one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the size of the INFO packet is 112 bits.} Once  the  first phase  is
300 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
301 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
302 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
303 After that,  if the sensor node is  leader, it will solve  an integer program 
304 (see Section~\ref{cp}). \textcolor{blue}{This integer program contains boolean variables $X_j$  where ($X_j=1$) means that sensor $j$ will be active in the next sensing phase. Only sensors with enough remaining energy are involved in the integer program ($J$ is the set of all sensors involved). As the leader consumes energy (computation energy, denoted by $E^{comp}$) to solve the optimization problem, it will be included in the integer program only if it has enough energy to achieve the computation and to stay alive during the next sensing phase, that is to say if $RE_j > E^{comp}+E_{th}$. Once the optimization problem is solved, each leader will send an Active-Sleep packet
305 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
306 not. Otherwise, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
307 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.}
308 %which provides a set of  sensors planned to be
309 %active in the next sensing phase.
310
311
312
313 \begin{algorithm}[h!]                
314
315   \BlankLine
316   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
317   
318   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
319       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
320       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
321       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
322       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
323       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
324       
325       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
326       \emph{LeaderID = Leader election}\;
327       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
328         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
329         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
330           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
331         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
332         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
333         \emph{Update $RE_j $}\;
334       }   
335       \Else{
336         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
337         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
338
339         \emph{Update $RE_j $}\;
340       }  
341       %  }
342   }
343   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
344   
345  %   \emph{return X} \;
346 \caption{DiLCO($s_j$)}
347 \label{alg:DiLCO}
348
349 \end{algorithm}
350
351 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
352 \label{cp}
353
354 % MODIF - BEGIN
355 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
356 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
357 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
358 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
359 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 $p$ :
360 \begin{equation}
361  \Theta_{p} = \left \{ 
362 \begin{array}{l l}
363   0 & \mbox{if the primary point}\\
364     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
365   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
366 \end{array} \right.
367 \label{eq13} 
368 \end{equation}
369 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
370 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
371 In the same way, we define the  undercoverage variable
372 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
373 \begin{equation}
374 U_{p} = \left \{ 
375 \begin{array}{l l}
376   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
377   0 & \mbox{otherwise.}\\
378 \end{array} \right.
379 \label{eq14} 
380 \end{equation}
381 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
382 \begin{equation}
383 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
384 \end{equation}
385 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.
386 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
387 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
388 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
389 \left \{
390 \begin{array}{ll}
391 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
392 \textrm{subject to :}&\\
393 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
394 %\label{c1} 
395 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
396 %\label{c2}
397 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
398 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
399 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
400 \end{array}
401 \right.
402 \end{equation}
403 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
404     choosing  $w_{U}$ much  larger than $w_{\theta}$,  the coverage  of a
405     maximum of  primary points  is ensured.  Then for the  same number  of covered
406     primary points,  the solution  with a  minimal number  of active  sensors is
407     preferred. }
408 %Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
409 %order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
410 %period.
411 % MODIF - END
412
413
414
415
416
417
418
419 \iffalse 
420
421 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
422 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
423 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
424 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
425 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
426 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
427 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
428 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
429
430 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
431 point $p$ is covered, that is:
432 \begin{equation}
433 \alpha_{jp} = \left \{ 
434 \begin{array}{l l}
435   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
436  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
437   0 & \mbox{otherwise.}\\
438 \end{array} \right.
439 %\label{eq12} 
440 \end{equation}
441 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
442 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
443 \begin{equation}
444 X_{j} = \left \{ 
445 \begin{array}{l l}
446   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
447   0 &  \mbox{otherwise.}\\
448 \end{array} \right.
449 %\label{eq11} 
450 \end{equation}
451 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
452 \begin{equation}
453  \Theta_{p} = \left \{ 
454 \begin{array}{l l}
455   0 & \mbox{if the primary point}\\
456     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
457   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
458 \end{array} \right.
459 \label{eq13} 
460 \end{equation}
461 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
462 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
463 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
464 \begin{equation}
465 U_{p} = \left \{ 
466 \begin{array}{l l}
467   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
468   0 & \mbox{otherwise.}\\
469 \end{array} \right.
470 \label{eq14} 
471 \end{equation}
472
473 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
474 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
475 \left \{
476 \begin{array}{ll}
477 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
478 \textrm{subject to :}&\\
479 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
480 %\label{c1} 
481 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
482 %\label{c2}
483 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
484 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
485 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
486 \end{array}
487 \right.
488 \end{equation}
489
490 \begin{itemize}
491 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
492   if yes and 0 if not);
493 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
494   are covering the primary point $p$;
495 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
496   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
497 \end{itemize}
498
499 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
500 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
501 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
502 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
503 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
504 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
505 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
506 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
507 period.
508
509 \fi
510
511 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
512 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
513 \noindent \subsection{Simulation framework}
514
515 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
516 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
517 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
518
519 \begin{table}[ht]
520 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
521 % title of Table
522 \centering
523 % used for centering table
524 \begin{tabular}{c|c}
525 % centered columns (4 columns)
526       \hline
527 %inserts double horizontal lines
528 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
529    
530 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
531 % inserts table
532 %heading
533 \hline
534 % inserts single horizontal line
535 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
536 % inserting body of the table
537 %\hline
538 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
539 %\hline
540 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
541 %\hline
542 Sensing Period & 60 Minutes \\
543 $E_{th}$ & 36 Joules\\
544 $R_s$ & 5~m   \\     
545 %\hline
546 $w_{\Theta}$ & 1   \\
547 % [1ex] adds vertical space
548 %\hline
549 $w_{U}$ & $|P|^2$
550 %inserts single line
551 \end{tabular}
552 \label{table3}
553 % is used to refer this table in the text
554 \end{table}
555
556 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
557 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
558 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
559 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
560 high coverage ratio.
561
562 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
563 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
564 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
565 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
566 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
567 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
568 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
569 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
570 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
571 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
572 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
573 second) by a node for each of its possible status.
574
575 \begin{table}[ht]
576 \caption{Energy consumption model}
577 % title of Table
578 \centering
579 % used for centering table
580 {\scriptsize
581 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
582 % centered columns (4 columns)
583       \hline
584 %inserts double horizontal lines
585 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
586 \hline
587 % inserts single horizontal line
588 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
589 % inserting body of the table
590 \hline
591 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
592 \hline
593 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
594 \hline
595 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
596 %\hline
597 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
598  \hline
599 \end{tabular}
600 }
601
602 \label{table4}
603 % is used to refer this table in the text
604 \end{table}
605
606 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
607 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
608 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
609 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
610 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
611 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
612 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
613 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
614 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
615 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
616 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
617  equal to 0.2575~mW.
618
619 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
620 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
621 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
622 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
623 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
624 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
625 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
626 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
627 most 20 periods.
628
629 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
630 the efficiency of our approach:
631
632 %\begin{enumerate}[i)]
633 \begin{itemize}
634 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
635   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
636   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
637   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
638   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
639   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
640   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
641   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
642   event in the area that it monitors.
643      
644 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
645   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
646   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
647   coverage ratio: 
648 \begin{equation*}
649 \scriptsize
650 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
651 \end{equation*}
652 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
653 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
654 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
655 \times 26 = 1326$ grid points.
656
657 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
658   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
659   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
660   of EC can be expressed as follows:
661   \begin{equation*}
662     \scriptsize
663     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
664       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
665   \end{equation*}
666
667 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
668 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
669 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
670 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
671 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
672 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
673 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
674 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
675 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
676 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
677 (active and sleeping nodes).
678
679 \end{itemize}
680 %\end{enumerate}
681
682 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
683 \subsection{Performance analysis}
684 \label{sub1}
685
686 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
687 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
688 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
689 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
690 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
691 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
692 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
693
694 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
695 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
696 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
697 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
698 chosen to remain active during the sensing phase.
699
700 \subsubsection{Coverage ratio} 
701
702 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
703 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
704 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
705 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
706 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
707 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
708 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
709 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
710 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
711 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
712 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
713
714 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
715 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
716 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
717 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
718 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
719 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
720
721 \parskip 0pt    
722 \begin{figure}[t!]
723 \centering
724  \includegraphics[scale=0.45] {CR.pdf} 
725 \caption{Coverage ratio}
726 \label{fig3}
727 \end{figure} 
728
729
730 \subsubsection{Energy consumption}
731
732 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
733 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
734 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
735 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
736 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
737 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
738 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
739 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
740 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
741 used for the different performance metrics.
742
743 \begin{figure}[h!]
744 \centering
745 \includegraphics[scale=0.45]{EC.pdf} 
746 \caption{Energy consumption per period}
747 \label{fig95}
748 \end{figure} 
749
750 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
751 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
752 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
753 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
754 nodes set active  by DESK and GAF. 
755
756 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
757 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
758 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
759 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
760 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
761 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
762 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
763 approach has a reasonable energy overcost.
764
765 \subsubsection{Execution time}
766
767 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
768 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
769 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
770 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
771 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
772 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
773 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
774 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
775 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
776 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
777 Figure~\ref{fig8}.
778
779 \begin{figure}[h!]
780 \centering
781 \includegraphics[scale=0.45]{T.pdf}  
782 \caption{Execution time in seconds}
783 \label{fig8}
784 \end{figure} 
785
786 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
787 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
788 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
789 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
790 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
791 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
792 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
793 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
794 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
795 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
796 between execution time and coverage performance.
797
798 \subsubsection{Network lifetime}
799
800 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
801 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
802 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
803 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
804 network lifetime.
805
806 \begin{figure}[h!]
807 \centering
808 \includegraphics[scale=0.45]{LT.pdf}  
809 \caption{Network lifetime}
810 \label{figLT95}
811 \end{figure} 
812
813 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
814 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
815 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
816 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
817 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
818 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
819 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
820
821
822 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
823 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
824
825 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
826 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
827 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
828 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
829 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
830 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
831 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
832 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
833 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
834 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
835 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
836 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
837 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
838 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
839 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
840 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
841 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
842 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
843 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
844 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
845 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
846 optimal number of subregions will be investigated in the future.
847
848 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
849
850 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
851 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
852 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
853 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
854
855 %\vfill
856 \bibliographystyle{plain}
857 {\small
858 \bibliography{Example}}
859
860 %\vfill
861 \end{document}