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[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4paper,twoside]{article}
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18
19 \subfigtopskip=0pt
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22
23 \begin{document}
24
25 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
26
27 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\in Wireless Sensor Networks}
28
29 \author{\authorname{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
30 \affiliation{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e, Belfort, France}
31 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
32 \email{ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
33 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
34 }
35
36 \keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
37 Optimization, Scheduling.}
38
39 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
40   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
41   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
42   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
43   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
44   (DiLCO), which maintains the coverage and  improves the lifetime of a wireless
45   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
46   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
47   on  the sensor  nodes in  each subregion  in a  second step.   To fulfill  our
48   objective, the proposed  protocol combines two effective  techniques: a leader
49   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
50   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step process  takes
51   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
52   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
53   energy cost,  allowing to optimize  the network lifetime.  %More  precisely, a
54   %period  consists  of  four   phases:  (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
55   %Election,  (iii)~Decision, and  (iv)~Sensing.   The  decision process,  which
56   results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
57   through the solving of an integer program.
58 % MODIF - BEGIN
59   Simulations are conducted using the discret event simulator
60   OMNET++.  We  refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for
61   the energy consumption  and the computation time.   In comparison with
62   two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN
63   lifetime and provides improved coverage performance. }
64 % MODIF - END
65
66 \onecolumn \maketitle \normalsize \vfill
67
68 \section{\uppercase{Introduction}}
69 \label{sec:introduction}
70
71 \noindent 
72 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
73 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
74 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
75 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
76 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
77 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
78 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
79 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
80 use  as little energy  as possible.   Sensor nodes  are battery-powered  with no
81 means  of recharging  or replacing,  usually  due to  environmental (hostile  or
82 unpractical environments)  or cost reasons.   Therefore, it is desired  that the
83 WSNs are deployed  with high densities so as to  exploit the overlapping sensing
84 regions of some sensor  nodes to save energy by turning off  some of them during
85 the sensing phase to prolong the network lifetime.
86
87 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
88 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
89 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the
90 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
91 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
92 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
93 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
94 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
95 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
96 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
97 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the
98 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
99 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
100 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
101 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
102 to every node of its subregion. 
103
104 % MODIF - BEGIN
105 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
106 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
107 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
108 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
109 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
110 existing approaches (a distributed one,  DESK ~\cite{ChinhVu}, and a centralized
111 one called GAF  ~\cite{xu2001geography}) in order to  compare their performances
112 with our approach.  We also focus on performance analysis based on the number of
113 subregions. }
114 % MODIF - END
115
116 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
117 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
118 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
119 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
120 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
121 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
122 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
123
124 \section{\uppercase{Literature Review}}
125 \label{sec:Literature Review}
126
127 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
128 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
129 the literature.
130
131 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
132 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
133 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
134 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
135 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
136 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
137 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
138 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
139 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
140   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
141   fraction of points called primary points. }
142
143 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
144 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
145 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
146 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
147 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
148 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
149 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
150 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
151 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
152 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
153 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
154 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
155 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
156 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
157 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
158 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
159   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
160   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
161   task.}
162
163 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
164 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
165 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
166 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
167 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
168 certain         period         of         time.          The         centralized
169 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
170 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
171 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
172 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
173 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
174 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
175   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
176   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
177   selecting the active sensors for the current period.}
178
179 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
180 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
181 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
182 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
183 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
184 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
185 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
186 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
187 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
188 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
189 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
190 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
191 also                                                                        been
192 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
193   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
194   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
195   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
196   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
197
198 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
199 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
200
201 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
202 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
203 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
204 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
205 maximize the lifetime in the network.
206
207 \subsection{Assumptions and models}
208
209 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
210 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
211 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
212 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
213 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
214 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
215 location discovery algorithm. 
216
217 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
218 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
219 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
220 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
221 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
222 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
223 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
224 working nodes in the active mode.
225
226 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
227 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
228 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
229 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
230 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
231 less accurate according to the number of primary points.
232
233
234 \subsection{Main idea}
235 \label{main_idea}
236 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
237 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
238 executed   simultaneously  in   each   subregion.
239
240 \begin{figure}[ht!]
241 \centering
242 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
243 \caption{DiLCO protocol}
244 \label{fig2}
245 \end{figure} 
246
247 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
248 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
249 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
250 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
251 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
252 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
253 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
254 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
255 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
256 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
257 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
258 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
259 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
260 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
261 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
262
263 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
264 %\begin{enumerate}[(a)]
265 \begin{itemize} 
266 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
267   subregion for information exchange.
268 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
269   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
270 \end{itemize}
271 %\end{enumerate}
272 and each sensor node will have five possible status in the network:
273 %\begin{enumerate}[(a)] 
274 \begin{itemize} 
275 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
276 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
277 \item ACTIVE: sensor is active;
278 \item SLEEP: sensor is turned off;
279 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
280 \end{itemize}
281 %\end{enumerate}
282
283 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
284 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
285 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
286 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
287 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
288 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
289 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
290 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
291 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
292 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
293 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
294 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
295 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
296 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
297 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
298 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
299
300
301 \begin{algorithm}[h!]                
302
303   \BlankLine
304   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
305   
306   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
307       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
308       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
309       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
310       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
311       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
312       
313       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
314       \emph{LeaderID = Leader election}\;
315       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
316         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
317         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
318           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
319         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
320         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
321         \emph{Update $RE_j $}\;
322       }   
323       \Else{
324         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
325         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
326
327         \emph{Update $RE_j $}\;
328       }  
329       %  }
330   }
331   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
332   
333  %   \emph{return X} \;
334 \caption{DiLCO($s_j$)}
335 \label{alg:DiLCO}
336
337 \end{algorithm}
338
339 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
340 \label{cp}
341
342 % MODIF - BEGIN
343 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
344 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
345 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
346 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
347 and the set of sensors by $J$. As we consider a boolean disk coverage model, we use the boolean indicator $\alpha_{jp}$ which is equal to 1 if the primary point $p$ is in the sensing range of the sensor $j$. The binary variable $X_j$ represents the activation or not of the sensor $j$. So we can express the number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$ by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$. We deduce the overcoverage denoted by $\Theta_p$ of the primary point $p$ :
348 \begin{equation}
349  \Theta_{p} = \left \{ 
350 \begin{array}{l l}
351   0 & \mbox{if the primary point}\\
352     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
353   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
354 \end{array} \right.
355 \label{eq13} 
356 \end{equation}
357 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
358 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
359 In the same way, we define the  undercoverage variable
360 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
361 \begin{equation}
362 U_{p} = \left \{ 
363 \begin{array}{l l}
364   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
365   0 & \mbox{otherwise.}\\
366 \end{array} \right.
367 \label{eq14} 
368 \end{equation}
369 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
370 \begin{equation}
371 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
372 \end{equation}
373 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.
374 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
375 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
376 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
377 \left \{
378 \begin{array}{ll}
379 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
380 \textrm{subject to :}&\\
381 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
382 %\label{c1} 
383 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
384 %\label{c2}
385 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
386 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
387 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
388 \end{array}
389 \right.
390 \end{equation}
391 The objective function is a weighted sum of overcoverage and undercoverage. The goal is to limit the overcoverage in order to activate a minimal number of sensors while simultaneously preventing undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
392 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
393 period.
394 % MODIF - END
395
396
397
398
399
400
401
402 \iffalse 
403
404 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
405 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
406 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
407 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
408 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
409 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
410 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
411 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
412
413 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
414 point $p$ is covered, that is:
415 \begin{equation}
416 \alpha_{jp} = \left \{ 
417 \begin{array}{l l}
418   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
419  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
420   0 & \mbox{otherwise.}\\
421 \end{array} \right.
422 %\label{eq12} 
423 \end{equation}
424 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
425 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
426 \begin{equation}
427 X_{j} = \left \{ 
428 \begin{array}{l l}
429   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
430   0 &  \mbox{otherwise.}\\
431 \end{array} \right.
432 %\label{eq11} 
433 \end{equation}
434 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
435 \begin{equation}
436  \Theta_{p} = \left \{ 
437 \begin{array}{l l}
438   0 & \mbox{if the primary point}\\
439     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
440   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
441 \end{array} \right.
442 \label{eq13} 
443 \end{equation}
444 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
445 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
446 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
447 \begin{equation}
448 U_{p} = \left \{ 
449 \begin{array}{l l}
450   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
451   0 & \mbox{otherwise.}\\
452 \end{array} \right.
453 \label{eq14} 
454 \end{equation}
455
456 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
457 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
458 \left \{
459 \begin{array}{ll}
460 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
461 \textrm{subject to :}&\\
462 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
463 %\label{c1} 
464 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
465 %\label{c2}
466 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
467 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
468 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
469 \end{array}
470 \right.
471 \end{equation}
472
473 \begin{itemize}
474 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
475   if yes and 0 if not);
476 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
477   are covering the primary point $p$;
478 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
479   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
480 \end{itemize}
481
482 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
483 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
484 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
485 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
486 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
487 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
488 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
489 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
490 period.
491
492 \fi
493
494 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
495 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
496 \noindent \subsection{Simulation framework}
497
498 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
499 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
500 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
501
502 \begin{table}[ht]
503 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
504 % title of Table
505 \centering
506 % used for centering table
507 \begin{tabular}{c|c}
508 % centered columns (4 columns)
509       \hline
510 %inserts double horizontal lines
511 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
512    
513 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
514 % inserts table
515 %heading
516 \hline
517 % inserts single horizontal line
518 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
519 % inserting body of the table
520 %\hline
521 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
522 %\hline
523 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
524 %\hline
525 Sensing Period & 60 Minutes \\
526 $E_{th}$ & 36 Joules\\
527 $R_s$ & 5~m   \\     
528 %\hline
529 $w_{\Theta}$ & 1   \\
530 % [1ex] adds vertical space
531 %\hline
532 $w_{U}$ & $|P|^2$
533 %inserts single line
534 \end{tabular}
535 \label{table3}
536 % is used to refer this table in the text
537 \end{table}
538
539 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
540 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
541 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
542 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
543 high coverage ratio.
544
545 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
546 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
547 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
548 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
549 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
550 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
551 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
552 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
553 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
554 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
555 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
556 second) by a node for each of its possible status.
557
558 \begin{table}[ht]
559 \caption{Energy consumption model}
560 % title of Table
561 \centering
562 % used for centering table
563 {\scriptsize
564 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
565 % centered columns (4 columns)
566       \hline
567 %inserts double horizontal lines
568 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
569 \hline
570 % inserts single horizontal line
571 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
572 % inserting body of the table
573 \hline
574 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
575 \hline
576 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
577 \hline
578 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
579 %\hline
580 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
581  \hline
582 \end{tabular}
583 }
584
585 \label{table4}
586 % is used to refer this table in the text
587 \end{table}
588
589 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
590 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
591 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
592 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
593 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
594 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
595 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
596 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
597 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
598 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
599 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
600  equal to 0.2575~mW.
601
602 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
603 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
604 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
605 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
606 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
607 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
608 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
609 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
610 most 20 periods.
611
612 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
613 the efficiency of our approach:
614
615 %\begin{enumerate}[i)]
616 \begin{itemize}
617 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
618   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
619   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
620   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
621   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
622   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
623   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
624   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
625   event in the area that it monitors.
626      
627 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
628   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
629   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
630   coverage ratio: 
631 \begin{equation*}
632 \scriptsize
633 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
634 \end{equation*}
635 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
636 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
637 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
638 \times 26 = 1326$ grid points.
639
640 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
641   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
642   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
643   of EC can be expressed as follows:
644   \begin{equation*}
645     \scriptsize
646     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
647       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
648   \end{equation*}
649
650 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
651 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
652 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
653 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
654 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
655 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
656 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
657 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
658 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
659 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
660 (active and sleeping nodes).
661
662 \end{itemize}
663 %\end{enumerate}
664
665 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
666 \subsection{Performance analysis}
667 \label{sub1}
668
669 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
670 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
671 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
672 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
673 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
674 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
675 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
676
677 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
678 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
679 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
680 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
681 chosen to remain active during the sensing phase.
682
683 \subsubsection{Coverage ratio} 
684
685 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
686 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
687 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
688 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
689 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
690 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
691 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
692 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
693 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
694 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
695 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
696
697 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
698 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
699 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
700 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
701 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
702 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
703
704 \parskip 0pt    
705 \begin{figure}[t!]
706 \centering
707  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
708 \caption{Coverage ratio}
709 \label{fig3}
710 \end{figure} 
711
712
713 \subsubsection{Energy consumption}
714
715 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
716 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
717 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
718 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
719 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
720 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
721 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
722 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
723 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
724 used for the different performance metrics.
725
726 \begin{figure}[h!]
727 \centering
728 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
729 \caption{Energy consumption per period}
730 \label{fig95}
731 \end{figure} 
732
733 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
734 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
735 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
736 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
737 nodes set active  by DESK and GAF. 
738
739 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
740 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
741 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
742 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
743 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
744 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
745 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
746 approach has a reasonable energy overcost.
747
748 \subsubsection{Execution time}
749
750 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
751 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
752 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
753 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
754 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
755 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
756 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
757 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
758 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
759 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
760 Figure~\ref{fig8}.
761
762 \begin{figure}[h!]
763 \centering
764 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
765 \caption{Execution time in seconds}
766 \label{fig8}
767 \end{figure} 
768
769 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
770 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
771 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
772 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
773 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
774 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
775 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
776 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
777 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
778 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
779 between execution time and coverage performance.
780
781 \subsubsection{Network lifetime}
782
783 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
784 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
785 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
786 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
787 network lifetime.
788
789 \begin{figure}[h!]
790 \centering
791 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
792 \caption{Network lifetime}
793 \label{figLT95}
794 \end{figure} 
795
796 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
797 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
798 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
799 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
800 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
801 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
802 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
803
804
805 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
806 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
807
808 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
809 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
810 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
811 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
812 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
813 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
814 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
815 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
816 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
817 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
818 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
819 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
820 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
821 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
822 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
823 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
824 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
825 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
826 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
827 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
828 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
829 optimal number of subregions will be investigated in the future.
830
831 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
832
833 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
834 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
835 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
836 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
837
838 %\vfill
839 \bibliographystyle{apalike}
840 {\small
841 \bibliography{Example}}
842
843 %\vfill
844 \end{document}