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1 \documentclass[a4,12pt]{article}
2
3
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20
21 %\subfigtopskip=0pt
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24
25
26
27 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
28
29 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
30
31 \author{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel,\\ Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier\\
32 %\affiliation{
33 FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e,\\
34  Belfort, France\\
35 %}
36 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
37 email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr,\\ $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
38 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
39
40 \begin{document}
41  \maketitle 
42 %\keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,Optimization, Scheduling.}
43
44 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
45   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
46   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
47   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
48   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
49   (DiLCO), which maintains the coverage and  improves the lifetime of a wireless
50   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
51   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
52   on  the sensor  nodes in  each subregion  in a  second step.   To fulfill  our
53   objective, the proposed  protocol combines two effective  techniques: a leader
54   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
55   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step process  takes
56   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
57   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
58   energy cost,  allowing to optimize  the network lifetime.  
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.
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 approaches (a distributed one,  DESK ~\cite{ChinhVu}, and a centralized
120 one called GAF  ~\cite{xu2001geography}) in order to  compare their performances
121 with our approach.  We also focus on performance analysis based on the number of
122 subregions. 
123 % MODIF - END
124
125 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
126 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
127 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
128 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
129 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
130 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
131 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
132
133 \section{\uppercase{Literature Review}}
134 \label{sec:Literature Review}
135
136 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
137 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
138 the literature.
139
140 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
141 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
142 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
143 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
144 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
145 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
146 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
147 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
148 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
149   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
150   fraction of points called primary points. }
151
152 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
153 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
154 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
155 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
156 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
157 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
158 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
159 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
160 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
161 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
162 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
163 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
164 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
165 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
166 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
167 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
168   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
169   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
170   task.}
171
172 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
173 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
174 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
175 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
176 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
177 certain         period         of         time.          The         centralized
178 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
179 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
180 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
181 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
182 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
183 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
184   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
185   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
186   selecting the active sensors for the current period.}
187
188 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
189 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
190 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
191 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
192 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
193 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
194 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
195 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
196 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
197 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
198 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
199 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
200 also                                                                        been
201 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
202   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
203   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
204   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
205   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
206
207 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
208 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
209
210 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
211 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
212 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
213 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
214 maximize the lifetime in the network.
215
216 \subsection{Assumptions and models}
217
218 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
219 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
220 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
221 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
222 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
223 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
224 location discovery algorithm. 
225
226 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
227 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
228 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
229 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
230 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
231 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
232 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
233 working nodes in the active mode.
234
235 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
236 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
237 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
238 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
239 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
240 less accurate according to the number of primary points.
241
242
243 \subsection{Main idea}
244 \label{main_idea}
245 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
246 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
247 executed   simultaneously  in   each   subregion.
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
261 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
262 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
263 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
264 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
265 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
266 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
267 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
268 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
269 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
270 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
271
272 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
273 %\begin{enumerate}[(a)]
274 \begin{itemize} 
275 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
276   subregion for information exchange.
277 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
278   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
279 \end{itemize}
280 %\end{enumerate}
281 and each sensor node will have five possible status in the network:
282 %\begin{enumerate}[(a)] 
283 \begin{itemize} 
284 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
285 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
286 \item ACTIVE: sensor is active;
287 \item SLEEP: sensor is turned off;
288 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
289 \end{itemize}
290 %\end{enumerate}
291
292 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
293 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
294 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
295 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
296 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
297 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
298 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
299 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
300 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
301 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
302 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
303 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
304 active in the next sensing phase. As leader, it 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.  Alternately, 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
309
310 \begin{algorithm}[h!]                
311
312   \BlankLine
313   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
314   
315   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
316       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
317       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
318       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
319       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
320       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
321       
322       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
323       \emph{LeaderID = Leader election}\;
324       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
325         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
326         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
327           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
328         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
329         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
330         \emph{Update $RE_j $}\;
331       }   
332       \Else{
333         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
334         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
335
336         \emph{Update $RE_j $}\;
337       }  
338       %  }
339   }
340   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
341   
342  %   \emph{return X} \;
343 \caption{DiLCO($s_j$)}
344 \label{alg:DiLCO}
345
346 \end{algorithm}
347
348 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
349 \label{cp}
350
351 % MODIF - BEGIN
352 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
353 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
354 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
355 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
356 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 $p$ :
357 \begin{equation}
358  \Theta_{p} = \left \{ 
359 \begin{array}{l l}
360   0 & \mbox{if the primary point}\\
361     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
362   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
363 \end{array} \right.
364 \label{eq13} 
365 \end{equation}
366 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
367 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
368 In the same way, we define the  undercoverage variable
369 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
370 \begin{equation}
371 U_{p} = \left \{ 
372 \begin{array}{l l}
373   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
374   0 & \mbox{otherwise.}\\
375 \end{array} \right.
376 \label{eq14} 
377 \end{equation}
378 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
379 \begin{equation}
380 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
381 \end{equation}
382 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.
383 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
384 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
385 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
386 \left \{
387 \begin{array}{ll}
388 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
389 \textrm{subject to :}&\\
390 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
391 %\label{c1} 
392 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
393 %\label{c2}
394 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
395 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
396 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
397 \end{array}
398 \right.
399 \end{equation}
400 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
401 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
402 period.
403 % MODIF - END
404
405
406
407
408
409
410
411 \iffalse 
412
413 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
414 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
415 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
416 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
417 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
418 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
419 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
420 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
421
422 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
423 point $p$ is covered, that is:
424 \begin{equation}
425 \alpha_{jp} = \left \{ 
426 \begin{array}{l l}
427   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
428  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
429   0 & \mbox{otherwise.}\\
430 \end{array} \right.
431 %\label{eq12} 
432 \end{equation}
433 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
434 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
435 \begin{equation}
436 X_{j} = \left \{ 
437 \begin{array}{l l}
438   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
439   0 &  \mbox{otherwise.}\\
440 \end{array} \right.
441 %\label{eq11} 
442 \end{equation}
443 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
444 \begin{equation}
445  \Theta_{p} = \left \{ 
446 \begin{array}{l l}
447   0 & \mbox{if the primary point}\\
448     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
449   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
450 \end{array} \right.
451 \label{eq13} 
452 \end{equation}
453 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
454 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
455 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
456 \begin{equation}
457 U_{p} = \left \{ 
458 \begin{array}{l l}
459   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
460   0 & \mbox{otherwise.}\\
461 \end{array} \right.
462 \label{eq14} 
463 \end{equation}
464
465 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
466 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
467 \left \{
468 \begin{array}{ll}
469 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
470 \textrm{subject to :}&\\
471 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
472 %\label{c1} 
473 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
474 %\label{c2}
475 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
476 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
477 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
478 \end{array}
479 \right.
480 \end{equation}
481
482 \begin{itemize}
483 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
484   if yes and 0 if not);
485 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
486   are covering the primary point $p$;
487 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
488   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
489 \end{itemize}
490
491 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
492 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
493 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
494 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
495 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
496 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
497 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
498 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
499 period.
500
501 \fi
502
503 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
504 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
505 \noindent \subsection{Simulation framework}
506
507 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
508 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
509 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
510
511 \begin{table}[ht]
512 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
513 % title of Table
514 \centering
515 % used for centering table
516 \begin{tabular}{c|c}
517 % centered columns (4 columns)
518       \hline
519 %inserts double horizontal lines
520 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
521    
522 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
523 % inserts table
524 %heading
525 \hline
526 % inserts single horizontal line
527 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
528 % inserting body of the table
529 %\hline
530 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
531 %\hline
532 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
533 %\hline
534 Sensing Period & 60 Minutes \\
535 $E_{th}$ & 36 Joules\\
536 $R_s$ & 5~m   \\     
537 %\hline
538 $w_{\Theta}$ & 1   \\
539 % [1ex] adds vertical space
540 %\hline
541 $w_{U}$ & $|P|^2$
542 %inserts single line
543 \end{tabular}
544 \label{table3}
545 % is used to refer this table in the text
546 \end{table}
547
548 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
549 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
550 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
551 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
552 high coverage ratio.
553
554 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
555 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
556 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
557 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
558 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
559 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
560 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
561 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
562 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
563 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
564 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
565 second) by a node for each of its possible status.
566
567 \begin{table}[ht]
568 \caption{Energy consumption model}
569 % title of Table
570 \centering
571 % used for centering table
572 {\scriptsize
573 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
574 % centered columns (4 columns)
575       \hline
576 %inserts double horizontal lines
577 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
578 \hline
579 % inserts single horizontal line
580 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
581 % inserting body of the table
582 \hline
583 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
584 \hline
585 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
586 \hline
587 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
588 %\hline
589 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
590  \hline
591 \end{tabular}
592 }
593
594 \label{table4}
595 % is used to refer this table in the text
596 \end{table}
597
598 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
599 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
600 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
601 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
602 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
603 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
604 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
605 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
606 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
607 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
608 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
609  equal to 0.2575~mW.
610
611 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
612 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
613 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
614 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
615 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
616 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
617 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
618 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
619 most 20 periods.
620
621 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
622 the efficiency of our approach:
623
624 %\begin{enumerate}[i)]
625 \begin{itemize}
626 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
627   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
628   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
629   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
630   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
631   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
632   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
633   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
634   event in the area that it monitors.
635      
636 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
637   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
638   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
639   coverage ratio: 
640 \begin{equation*}
641 \scriptsize
642 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
643 \end{equation*}
644 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
645 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
646 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
647 \times 26 = 1326$ grid points.
648
649 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
650   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
651   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
652   of EC can be expressed as follows:
653   \begin{equation*}
654     \scriptsize
655     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
656       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
657   \end{equation*}
658
659 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
660 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
661 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
662 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
663 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
664 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
665 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
666 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
667 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
668 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
669 (active and sleeping nodes).
670
671 \end{itemize}
672 %\end{enumerate}
673
674 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
675 \subsection{Performance analysis}
676 \label{sub1}
677
678 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
679 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
680 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
681 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
682 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
683 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
684 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
685
686 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
687 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
688 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
689 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
690 chosen to remain active during the sensing phase.
691
692 \subsubsection{Coverage ratio} 
693
694 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
695 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
696 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
697 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
698 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
699 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
700 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
701 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
702 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
703 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
704 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
705
706 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
707 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
708 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
709 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
710 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
711 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
712
713 \parskip 0pt    
714 \begin{figure}[t!]
715 \centering
716  \includegraphics[scale=0.45] {CR.pdf} 
717 \caption{Coverage ratio}
718 \label{fig3}
719 \end{figure} 
720
721
722 \subsubsection{Energy consumption}
723
724 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
725 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
726 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
727 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
728 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
729 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
730 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
731 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
732 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
733 used for the different performance metrics.
734
735 \begin{figure}[h!]
736 \centering
737 \includegraphics[scale=0.45]{EC.pdf} 
738 \caption{Energy consumption per period}
739 \label{fig95}
740 \end{figure} 
741
742 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
743 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
744 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
745 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
746 nodes set active  by DESK and GAF. 
747
748 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
749 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
750 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
751 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
752 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
753 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
754 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
755 approach has a reasonable energy overcost.
756
757 \subsubsection{Execution time}
758
759 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
760 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
761 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
762 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
763 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
764 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
765 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
766 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
767 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
768 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
769 Figure~\ref{fig8}.
770
771 \begin{figure}[h!]
772 \centering
773 \includegraphics[scale=0.45]{T.pdf}  
774 \caption{Execution time in seconds}
775 \label{fig8}
776 \end{figure} 
777
778 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
779 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
780 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
781 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
782 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
783 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
784 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
785 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
786 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
787 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
788 between execution time and coverage performance.
789
790 \subsubsection{Network lifetime}
791
792 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
793 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
794 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
795 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
796 network lifetime.
797
798 \begin{figure}[h!]
799 \centering
800 \includegraphics[scale=0.45]{LT.pdf}  
801 \caption{Network lifetime}
802 \label{figLT95}
803 \end{figure} 
804
805 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
806 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
807 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
808 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
809 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
810 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
811 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
812
813
814 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
815 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
816
817 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
818 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
819 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
820 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
821 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
822 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
823 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
824 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
825 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
826 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
827 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
828 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
829 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
830 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
831 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
832 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
833 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
834 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
835 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
836 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
837 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
838 optimal number of subregions will be investigated in the future.
839
840 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
841
842 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
843 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
844 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
845 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
846
847 %\vfill
848 \bibliographystyle{plain}
849 {\small
850 \bibliography{Example}}
851
852 %\vfill
853 \end{document}