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[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-Comte, 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. As  a  first step  we  partition the  area  of interest  into
46   subregions using a classical  divide-and-conquer method. Our DiLCO protocol is
47   then distributed  on the sensor nodes in  each subregion in a  second step. To
48   fulfill  our   objective,  the   proposed  protocol  combines   two  effective
49   techniques:   a  leader   election   in  each   subregion,   followed  by   an
50   optimization-based node activity scheduling  performed by each elected leader.
51   This two-step process takes place periodically, in order to choose a small set
52   of nodes remaining  active for sensing during a time slot.   Each set is built
53   to ensure  coverage at  a low  energy cost, allowing  to optimize  the network
54   lifetime. More  precisely, a period  consists of four  phases: (i)~Information
55   Exchange,  (ii)~Leader   Election,  (iii)~Decision,  and   (iv)~Sensing.   The
56   decision process, which results in  an activity scheduling vector,  is carried
57   out by a leader node through  the solving of an integer program. In comparison
58   with  some other  protocols, the  simulations  done using  the discrete  event
59   simulator OMNeT++ show that our approach  is able to increase the WSN lifetime
60   and provides 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 less energy as possible.   Sensor nodes are battery-powered with no means
77 of recharging or replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical
78 environments)  or cost  reasons.  Therefore,  it is  desired that  the  WSNs are
79 deployed with high densities so as to exploit the overlapping sensing regions of
80 some sensor nodes to save energy by  turning off some of them during the sensing
81 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 a same
94 subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to
95 carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors
96 for the  sensing phase of the current  period is obtained by  solving an integer
97 program. The  resulting activation  vector is broadcasted  by a leader  to every
98 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 conclusions 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 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 (where
117 every point inside an area is  to be monitored), target coverage (where the main
118 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets),
119 and  barrier coverage (to  prevent intruders  from entering  into the  region of
120 interest). 
121 {\it In DiLCO  protocol, the area coverage, i.e. the coverage  of every point in
122   the sensing  region, is transformed  to the coverage  of a fraction  of points
123   called primary points. }
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.
131 Active node selection is determined based on the problem requirements (e.g. area
132 monitoring,  connectivity,  power   efficiency).  Different  methods  have  been
133 proposed in literature.
134 {\it DiLCO protocol  works in periods, where each  period contains a preliminary
135   phase  for information  exchange and  decisions, followed  by a  sensing phase
136   where one cover set is in charge of the sensing task.}
137
138 Various   approaches,   including   centralized,  distributed,   and   localized
139 algorithms, have been proposed to extend the network lifetime.
140 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
141 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
142 In       distributed      algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},
143 information  is   disseminated  throughout   the  network  and   sensors  decide
144 cooperatively by communicating with their neighbors which of them will remain in
145 sleep    mode   for    a   certain    period   of    time.     The   centralized
146 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
147 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
148 of the whole  network, but such a method has the  disadvantage of requiring high
149 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
150 decision needs information from all the sensor nodes in the area.
151
152 A large  variety of coverage scheduling  algorithms have been  proposed. Many of
153 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
154 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
155 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
156 to  say targets  that  are covered  by  the smallest  number  of sensors.  Other
157 approaches  are based  on  mathematical programming  formulations and  dedicated
158 techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization
159 solver).  The problem is formulated  as an optimization problem (maximization of
160 the  lifetime  or  number  of  cover  sets) under  target  coverage  and  energy
161 constraints.   Column  generation techniques,  well-known  and widely  practiced
162 techniques for solving  linear programs with too many  variables, have been also
163 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
164
165 Diongue  and  Thiare~\cite{diongue2013alarm}  proposed  an  energy  aware  sleep
166 scheduling  algorithm  for lifetime  maximization  in  wireless sensor  networks
167 (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to
168 the weibull distribution.  This work did not analyze the  ALARM scheme under the
169 coverage problem.
170
171 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be
172 changed  into a  set coverage  problem. By  using this  model, they  proposed an
173 Energy-Efficient central-Scheduling  greedy algorithm, which  can reduces energy
174 consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of
175 sensor nodes to support the networks periodically.
176
177 In ~\cite{chenait2013distributed},  the authors presented  a coverage-guaranteed
178 distributed  sleep/wake scheduling  scheme so  ass to  prolong  network lifetime
179 while guaranteeing network coverage. This scheme mitigates scheduling process to
180 be more stable by avoiding  useless transitions between states without affecting
181 the coverage level required by the application.
182
183 The work  in~\cite{cheng2014achieving} presented a  unified sensing architecture
184 for duty  cycled sensor  networks, called uSense,  which comprises  three ideas:
185 Asymmetric Architecture, Generic Switching  and Global Scheduling. The objective
186 is to provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
187
188 In~\cite{ling2009energy},  the  lifetime  of  a  sensor  node  is  divided  into
189 epochs. At  each epoch,  the base station  deduces the current  sensing coverage
190 requirement  from application  or user  request. It  then applies  the heuristic
191 algorithm in order to produce the set  of active nodes which take the mission of
192 sensing during the current epoch.  After  that, the produced schedule is sent to
193 the sensor nodes in the network.
194
195 {\it  In DiLCO  protocol,  the area  coverage  is divided  into several  smaller
196   subregions, and in  each of which, a  node called the leader is  on charge for
197   selecting the active sensors for the current period.}
198
199 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated  full area coverage problem under
200 the probabilistic  sensing model in the  sensor networks. They  have studied the
201 relationship between the coverage of two adjacent points mathematically and then
202 convert  the problem of  full area  coverage into  point coverage  problem. They
203 proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select
204 a subset of sensors to provide  probabilistic area coverage dynamically so as to
205 extend the network lifetime.
206
207 The work proposed by  \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in
208 WSNs where  each sensor has variable  sensing radius. The final  objective is to
209 maximize the network coverage lifetime in WSNs.
210
211 {\it  In DiLCO  protocol,  each leader,  in  each subregion,  solves an  integer
212   program with a double objective  consisting in minimizing the overcoverage and
213   limiting  the  undercoverage.  This  program  is inspired  from  the  work  of
214   \cite{pedraza2006}  where the  objective is  to maximize  the number  of cover
215   sets.}
216  
217 \iffalse
218
219 Some algorithms have been developed in ~\cite{yang2014energy,ChinhVu,vashistha2007energy,deschinkel2012column,shi2009,qu2013distributed,ling2009energy,xin2009area,cheng2014achieving,ling2009energy} to solve the area coverage problem so as to preserve coverage and prolong the network lifetime.
220
221
222 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
223 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
224 coverage of two adjacent points mathematically and then convert the problem of full area coverage into point coverage problem. They proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset
225 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
226
227
228 Vu et al.~\cite{ChinhVu} proposed a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-area coverage for the whole network. 
229
230  
231 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
232 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
233 algorithm contains two major parts: the first part aims at
234 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
235 energy by decreasing the sensing radius.
236
237 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
238 problem. By using this model, they are proposed  an  Energy-Efficient central-Scheduling greedy algorithm, which can reduces energy consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of sensor nodes to support the networks periodically. 
239
240 The work in~\cite{cheng2014achieving} presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
241
242  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
243 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
244 base station deduces the current sensing coverage requirement
245 from application or user request. It then applies the heuristic algorithm in order to produce the set of active nodes which take the mission of sensing during the current epoch.  After that, the produced schedule is sent to the sensor nodes in the network. 
246 \fi
247
248 \iffalse
249
250 The work in ~\cite{vu2009delaunay} considered the area coverage problem for variable sensing radii in WSNs by improving the energy balancing heuristic proposed in ~\cite{wang2007energy} so that  the area of interest can be full covered using Delaunay triangulation structure.
251
252 Diongue and Thiare~\cite{diongue2013alarm} proposed an energy aware sleep scheduling algorithm for lifetime maximization in wireless sensor networks (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to the weibull distribution. This work did not analyze the ALARM scheme under the coverage problem. 
253  
254
255 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
256 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
257 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
258 connection in the case which loose condition is not meet.
259 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
260 coverage. They are proposed a low-complexity heuristic algorithm to obtain full area information covers (FAIC), which they refer to as Grid Based FAIC (GB-FAIC) algorithm. Using these FAICs, they are obtained the optimal schedule for applying the sensing activity of sensor nodes  in order to
261 achieve increased sensing lifetime of the network. 
262
263
264
265   
266
267
268 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
269
270 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
271 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
272 (2) The distributed dynamic leader election at each period by each sensor node in the subregion, 
273 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
274 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion, and (5) The improved energy consumption model.
275 \fi
276 \iffalse
277 The work presented in~\cite{luo2014parameterized,tian2014distributed} tries to solve the target coverage problem so as to extend the network lifetime since it is easy to verify the coverage status of discreet target.
278 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
279 The work proposed in~\cite{kim2013maximum} considers the barrier-coverage problem in WSNs. The final goal is to maximize the network lifetime such that any penetration of the intruder is detected.
280 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
281 In \cite{ChinhVu},  the authors propose a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-coverage for the whole network. 
282 Our Work in~\cite{idrees2014coverage} proposes a coverage optimization protocol to improve the lifetime in heterogeneous energy wireless sensor networks. In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We are considered only distributing the coverage protocol over two subregions.  
283
284 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
285
286 The work proposed by \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in WSNs where each sensor has variable sensing radius. The final objective is to maximize the network coverage lifetime in WSNs.
287
288
289
290 Casta{\~n}o et al.~\cite{castano2013column} proposed a multilevel approach based on column generation (CG) to  extend the network lifetime with connectivity and coverage constraints. They are included  two heuristic methods  within the CG framework so as to accelerate the solution process. 
291 In \cite{diongue2013alarm}, diongue is proposed an energy Aware sLeep scheduling AlgoRithm for lifetime maximization in WSNs (ALARM) algorithm for coverage lifetime maximization in wireless sensor networks. ALARM is sensor node scheduling approach for lifetime maximization in WSNs in which it schedule redundant nodes according to the weibull distribution  taking into consideration frequent nodes failure.
292 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
293 approach (CWSC) to maintain k-coverage and connectivity. This approach try to select the minimum number of connected sensor nodes that can provide k-coverage ($k \geq 1$).
294 In~\cite{cheng2014achieving}, the authors are presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
295
296 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
297 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. %They are designed $\varepsilon-$full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
298 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
299
300 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
301 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
302 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
303 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
304 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion,
305 (5) The improved energy consumption model.
306
307 \fi
308
309 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
310 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
311
312 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
313 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
314 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
315 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
316 maximize the lifetime in the network.
317 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
318 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
319 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
320 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
321 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
322 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
323 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
324 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
325 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
326 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
327 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
328 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
329 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
330 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
331 \fi
332
333 \subsection{Assumptions and models}
334
335 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
336 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
337 coverage ratio of the interested area at the starting. The nodes are supposed to
338 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
339 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
340 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
341 location discovery algorithm. 
342
343 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
344 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
345 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
346 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
347 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
348 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
349 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
350 working nodes in the active mode.
351
352 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
353 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
354 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
355 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
356 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
357 less accurate according to the number of primary points.
358
359 \iffalse
360 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
361 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
362 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
363 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
364 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
365 sensors, instead of using all the points in the area.
366
367 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
368 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
369 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
370 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
371 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
372 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
373 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
374 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
375 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
376 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
377 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
378 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
379 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
380 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
381 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
382 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
383 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
384
385  \begin{figure}[h!]
386 \centering
387  \begin{multicols}{3}
388 \centering
389 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
390 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
391 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
392 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
393 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
394 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
395 \end{multicols} 
396 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
397 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
398 \label{fig1}
399 \end{figure}
400
401 \fi
402
403 \subsection{The main idea}
404 \label{main_idea}
405
406 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
407 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
408 executed   simultaneously  in   each   subregion.
409
410 \begin{figure}[ht!]
411 \centering
412 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
413 \caption{DiLCO protocol}
414 \label{fig2}
415 \end{figure} 
416
417 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
418 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
419 Leader Election ,  Decision, and Sensing. For each period  there will be exactly
420 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
421 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
422 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
423 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
424 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
425 region  of interest,  it will  only  affect the  quality of  coverage until  the
426 definition of a new cover set  in the next period.  Constraints, like the energy
427 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
428 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
429 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
430 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
431 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
432
433 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packets will be used:
434 %\begin{enumerate}[(a)]
435 \begin{itemize} 
436 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
437   subregion for information exchange.
438 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
439   to inform them to be stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
440 \end{itemize}
441 %\end{enumerate}
442 and each sensor node will have five possible status in the network:
443 %\begin{enumerate}[(a)] 
444 \begin{itemize} 
445 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
446 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
447 \item ACTIVE: sensor is active;
448 \item SLEEP: sensor is turned off;
449 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
450 \end{itemize}
451 %\end{enumerate}
452
453 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
454 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
455 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
456 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
457 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
458 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
459 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
460 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
461 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
462 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
463 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
464 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
465 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
466 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
467 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
468 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
469
470 \iffalse
471 \subsubsection{Information Exchange Phase}
472
473 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
474 the number of neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
475 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
476 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
477 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
478 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
479 active mode.
480
481 \subsubsection{Leader Election Phase}
482 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
483 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
484 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
485 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
486 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
487 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
488 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
489 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
490 equality, larger index. 
491
492 \subsubsection{Decision phase}
493 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
494 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
495 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
496 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
497
498
499 \subsubsection{Sensing phase}
500
501 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
502 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
503 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
504 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
505 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
506 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
507 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
508 obtained.
509
510 \fi
511
512
513 \iffalse
514 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
515 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
516 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
517
518 \begin{algorithm}[h!]                
519  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
520 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
521   \BlankLine
522   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
523   
524   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
525       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
526       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
527       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
528       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
529       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
530       
531       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
532       \emph{LeaderID = Leader election}\;
533       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
534         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
535         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
536           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
537         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
538         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
539         \emph{Update $RE_j $}\;
540       }   
541       \Else{
542         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
543         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
544         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
545         \emph{Update $RE_j $}\;
546       }  
547       %  }
548   }
549   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
550   
551  %   \emph{return X} \;
552 \caption{DiLCO($s_j$)}
553 \label{alg:DiLCO}
554
555 \end{algorithm}
556
557 \iffalse
558 The DiLCO protocol work in rounds and executed at each sensor node in the network , each sensor node can still sense data while being in
559 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
560 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
561 Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list L.
562 The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader to take the decision. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will select the set of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's status during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next round. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, all the sensor nodes in the same subregion will start new round by executing the DiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
563 \fi
564
565
566 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
567 \label{cp}
568
569 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
570 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
571 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
572 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
573 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
574 model, we  consider binary  variable $X_{j}$ which  determine the  activation of
575 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
576 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
577
578 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
579 point $p$ is covered, that is:
580 \begin{equation}
581 \alpha_{jp} = \left \{ 
582 \begin{array}{l l}
583   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
584  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
585   0 & \mbox{otherwise.}\\
586 \end{array} \right.
587 %\label{eq12} 
588 \end{equation}
589 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
590 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
591 \begin{equation}
592 X_{j} = \left \{ 
593 \begin{array}{l l}
594   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
595   0 &  \mbox{otherwise.}\\
596 \end{array} \right.
597 %\label{eq11} 
598 \end{equation}
599 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
600 \begin{equation}
601  \Theta_{p} = \left \{ 
602 \begin{array}{l l}
603   0 & \mbox{if the primary point}\\
604     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
605   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
606 \end{array} \right.
607 \label{eq13} 
608 \end{equation}
609 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
610 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
611 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
612 \begin{equation}
613 U_{p} = \left \{ 
614 \begin{array}{l l}
615   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
616   0 & \mbox{otherwise.}\\
617 \end{array} \right.
618 \label{eq14} 
619 \end{equation}
620
621 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
622 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
623 \left \{
624 \begin{array}{ll}
625 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
626 \textrm{subject to :}&\\
627 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
628 %\label{c1} 
629 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
630 %\label{c2}
631 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
632 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
633 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
634 \end{array}
635 \right.
636 \end{equation}
637
638 \begin{itemize}
639 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
640   if yes and 0 if not);
641 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
642   are covering the primary point $p$;
643 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
644   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
645 \end{itemize}
646
647 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
648 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
649 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
650 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
651 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
652 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
653 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
654 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
655 period.
656
657 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
658 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
659 \noindent \subsection{Simulation framework}
660
661 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
662 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
663 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
664
665 \begin{table}[ht]
666 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
667 % title of Table
668 \centering
669 % used for centering table
670 \begin{tabular}{c|c}
671 % centered columns (4 columns)
672       \hline
673 %inserts double horizontal lines
674 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
675    
676 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
677 % inserts table
678 %heading
679 \hline
680 % inserts single horizontal line
681 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
682 % inserting body of the table
683 %\hline
684 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
685 %\hline
686 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
687 %\hline
688 Sensing Period & 60 Minutes \\
689 $E_{th}$ & 36 Joules\\
690 $R_s$ & 5~m   \\     
691 %\hline
692 $w_{\Theta}$ & 1   \\
693 % [1ex] adds vertical space
694 %\hline
695 $w_{U}$ & $|P|^2$
696 %inserts single line
697 \end{tabular}
698 \label{table3}
699 % is used to refer this table in the text
700 \end{table}
701
702 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
703 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
704 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
705 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
706 high coverage ratio.
707
708 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
709 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
710 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
711 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
712 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
713 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
714 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
715 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
716 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
717 all the other unit  can be be switched off to save  energy according to the node
718 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
719 second) by a node for each of its possible status.
720
721 \begin{table}[ht]
722 \caption{Energy consumption model}
723 % title of Table
724 \centering
725 % used for centering table
726 {\scriptsize
727 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
728 % centered columns (4 columns)
729       \hline
730 %inserts double horizontal lines
731 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
732 \hline
733 % inserts single horizontal line
734 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
735 % inserting body of the table
736 \hline
737 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
738 \hline
739 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
740 \hline
741 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
742 %\hline
743 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
744  \hline
745 \end{tabular}
746 }
747
748 \label{table4}
749 % is used to refer this table in the text
750 \end{table}
751
752 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
753 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
754 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
755 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
756 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
757 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
758 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
759 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
760 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
761 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
762 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
763 is equal to 0.2575 mW.
764
765 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
766 interval  $[500-700]$.  If  it's  energy  provision reaches  a  value below  the
767 threshold  $E_{th}=36$~Joules, the  minimum energy  needed  for a  node to  stay
768 active during one period, it will no more participate in the coverage task. This
769 value  corresponds  to the  energy  needed by  the  sensing  phase, obtained  by
770 multiplying the energy consumed in active  state (9.72 mW) by the time in seconds
771 for one period (3600 seconds), and  adding the energy for the pre-sensing phases.
772 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
773 most 20 rounds.
774
775 In the simulations,  we introduce the follow80ing performance  metrics to evaluate
776 the efficiency of our approach:
777
778 %\begin{enumerate}[i)]
779 \begin{itemize}
780 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
781   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
782   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
783   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
784   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
785   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
786   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
787   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
788   event in the area that it monitors.
789   
790     
791 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
792   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
793   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
794   coverage ratio: 
795 \begin{equation*}
796 \scriptsize
797 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
798 \end{equation*}
799 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
800 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is  total number  of grid
801 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
802 \times 26 = 1326$ grid points.
803 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
804 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
805 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
806 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
807
808 \iffalse
809
810 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
811 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
812 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
813 \begin{equation*}
814 \scriptsize
815 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
816 \end{equation*}
817 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
818
819 \fi
820
821 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
822   total   energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
823   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
824   of EC can be expressed as follows:
825   \begin{equation*}
826     \scriptsize
827     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
828       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
829   \end{equation*}
830
831 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total  energy consumed by
832 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
833 factors. The  first one , denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represent the
834 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
835 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
836 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
837 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
838 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
839 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
840 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
841
842
843 \iffalse 
844 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
845   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
846   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
847   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
848  
849 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation ends when the sensor network
850   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
851   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
852   to network disconnections and for which round it occurs.
853
854 \fi
855
856 \end{itemize}
857 %\end{enumerate}
858
859
860 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
861 \subsection{Performance analysis}
862 \label{sub1}
863
864 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
865 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
866 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
867 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
868 without  partitioning  the  area  of  interest,  case  which  corresponds  to  a
869 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
870 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
871
872 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
873 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
874 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
875 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
876 chosen to remain active during the sensing phase.
877
878 \subsubsection{Coverage ratio} 
879
880 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
881 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a little  better  coverage ratio
882 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
883 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
884 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
885 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
886 fast decrease  with the number  of periods and  reaches zero value  in period~18
887 (respectively 46), whereas  the other versions of DiLCO, DESK,  and GAF ensure a
888 coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We  believe that the results
889 obtained with these two methods can be explained by a high consumption of energy
890 and we will check this assumption in the next subsection.
891
892 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
893 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
894 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
895 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
896 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
897 nodes, and thus allow to extend the network lifetime.
898
899 \parskip 0pt    
900 \begin{figure}[t!]
901 \centering
902  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
903 \caption{Coverage ratio}
904 \label{fig3}
905 \end{figure} 
906
907 %As shown in the figure ~\ref{fig3}, as the number of subregions increases,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of periods. Coverage ratio decreases when the number of periods increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
908 %thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to  ensure the coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are
909 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
910 %the area of interest into 8, 16 and 32~subregions if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.%
911
912 \subsubsection{Energy consumption}
913
914 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
915 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
916 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
917 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
918 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
919 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
920 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
921 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
922 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
923 used for the different performance metrics.
924
925 \begin{figure}[h!]
926 \centering
927 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
928 \caption{Energy consumption}
929 \label{fig95}
930 \end{figure} 
931
932 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
933 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
934 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
935 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
936 nodes set active by DESK and GAF.
937
938
939 %In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number of communications and the time of listening so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks. 
940 %As shown in Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig50} , DiLCO-2 consumes more energy than the other versions of DiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem as well as the higher energy consumed during the communication.  
941
942 \subsubsection{Execution time}
943
944 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
945 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
946 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
947 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
948 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
949 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
950 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
951 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
952 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
953 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
954 Figure~\ref{fig8}.
955
956 \begin{figure}[h!]
957 \centering
958 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
959 \caption{Execution time in seconds}
960 \label{fig8}
961 \end{figure} 
962
963 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
964 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
965 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
966 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
967 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
968 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
969 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
970 possible high  coverage. In fact excessive  subdivision of the  area of interest
971 prevents   to  ensure   good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
972 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
973 between execution time and coverage performance.
974
975 %The DiLCO-32 has more suitable times in the same time it turn on redundent nodes more.  We think that in distributed fashion the solving of the  optimization problem in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal  with very large networks,  a distributed method is clearly required.
976
977 \subsubsection{Network lifetime}
978
979 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
980 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
981 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
982 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
983 network lifetime.
984
985 \begin{figure}[h!]
986 \centering
987 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
988 \caption{Network lifetime}
989 \label{figLT95}
990 \end{figure} 
991
992 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
993 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
994 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
995 ensure the  wider monitoring.  For a  same level of  coverage, DiLCO outperforms
996 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
997 the larger level  of coverage ($95\%$) in case of  our protocol, the subdivision
998 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
999
1000 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
1001 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
1002 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
1003 % letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds. Comparison shows that our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols, which are used distributed optimization over the subregions, are the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
1004 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1005
1006 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
1007 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
1008
1009 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
1010 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longest
1011 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
1012 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
1013 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
1014 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
1015 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
1016 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
1017 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
1018 performances.   In a subregion,  our protocol  consists to  elect a  leader node
1019 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
1020 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
1021 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
1022 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
1023 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
1024 study the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
1025 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
1026 increasing the  number of subregions allows  to improves the  lifetime. The more
1027 there  are   subregions,  the  more   the  network  is  robust   against  random
1028 disconnection resulting from dead nodes.  However, for a given sensing field and
1029 network size  there is an optimal  number of subregions.  Therefore,  in case of
1030 our simulation  context a  subdivision in $16$~subregions  seems to be  the most
1031 relevant. The optimal number of subregions will be investigated in the future.
1032
1033 \iffalse
1034 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1035 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1036 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1037 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1038 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
1039 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
1040 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
1041 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1042 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1043 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1044 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1045 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1046 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1047 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1048 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1049 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time, and the number of stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
1050 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1051 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1052 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1053 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1054
1055 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1056 computes  all active sensor schedules in one time, using
1057 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
1058   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1059   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1060 The computation of all cover sets in one time is far more
1061 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
1062 \fi
1063
1064 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
1065
1066 \noindent  As  a Ph.D.  student,  Ali Kadhum  IDREES  would  like to  gratefully
1067 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
1068 Campus France for the received support.
1069
1070 %\vfill
1071 \bibliographystyle{apalike}
1072 {\small
1073 \bibliography{Example}}
1074
1075 %\vfill
1076 \end{document}