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