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1 \documentclass[a4paper,twoside]{article}
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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 result 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 \noindent 
67 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
68 consumption,  in order  to maximize  the network  lifetime, represent  the major
69 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
70 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
71 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
72 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
73 sensor field is  monitored. On the one  hand we want to monitor the area  of interest in the most
74 efficient way~\cite{Nayak04}. On the other hand we want to use as less energy as
75 possible.  Sensor nodes  are  battery-powered  with no  means  of recharging  or
76 replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical environments) or
77 cost reasons.  Therefore, it  is desired  that the WSNs  are deployed  with high
78 densities so as to exploit the  overlapping sensing regions of some sensor nodes
79 to save energy by  turning off some of them during the  sensing phase to prolong
80 the network lifetime.
81
82 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
83 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
84 DiLCO protocol,  maintains the coverage and  improves the lifetime  in WSNs. The
85 area of  interest is  first divided into  subregions using  a divide-and-conquer
86 algorithm and  an activity scheduling  for sensor nodes  is then planned  by the
87 elected leader in each subregion. In fact,  the nodes in a subregion can be seen
88 as a cluster where each node sends  sensing data to the cluster head or the sink
89 node.  Furthermore, the  activities in a subregion/cluster can  continue even if
90 another cluster  stops due to too  many node failures.  Our Distributed Lifetime
91 Coverage Optimization (DILCO) protocol  considers periods, where a period starts
92 with  a  discovery phase  to  exchange information  between  sensors  of a  same
93 subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to
94 carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors
95 for the  sensing phase of the current  period is obtained by  solving an integer
96 program.
97
98 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
99 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
100 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
101 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
102 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
103 results. The paper  ends with conclusions and some  suggestions for further work
104 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
105
106 \section{\uppercase{Literature Review}}
107 \label{sec:Literature Review}
108 \noindent In this section, we summarize some related works regarding coverage problem , and distinguish our DiLCO protocol from the works presented in the literature.\\
109 The most discussed coverage  problems in literature
110 can  be classified into  three types  \cite{li2013survey}: area  coverage (where
111 every point inside an area is  to be monitored), target coverage (where the main
112 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets),
113 and  barrier coverage (to  prevent intruders  from entering  into the  region of
114 interest). 
115 {\it In DiLCO protocol, the area coverage, ie the coverage
116 of every point in the sensing region, is transformed to the coverage of a fraction of points called primary points. }
117
118 The major approach to extend network lifetime while preserving coverage is to divide/organize the sensors into a suitable number of set covers (disjoint or non-disjoint) where each set completely covers an interest region and to activate these set covers successively. The network activity can be planned in advance and scheduled for the entire network lifetime  or organized in periods, and the set of
119 active sensor nodes is decided at the beginning of each period.
120 Active node selection is determined based on the problem
121 requirements (e.g. area monitoring, connectivity, power
122 efficiency). Different methods has been proposed in literature.
123
124 {\it DiLCO protocol works in periods, each period contains a preliminary phase for information exchange and decisions, followed by a sensing phase  where 
125 one  cover  set  is in charge  of  the  sensing  task.}
126
127 Various approaches, including centralised, distributed and localized algorithms, have been proposed to extend the network lifetime. 
128 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
129 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
130
131 In distributed algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed}, information is disseminated throughout the network and sensors decide cooperatively by communicating with their neighbours which of them will remain in sleep mode for a certain period of time. 
132 The centralized algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high} always provide nearly
133 or close  to optimal solution since the  algorithm has global view  of the whole
134 network, but such a method has the disadvantage of requiring 
135 high communication costs,  since the  node (located at the base station) making the decision  needs information from all the  sensor nodes in the area. 
136
137 A large variety of coverage scheduling algorithms have been proposed in the literature. Many of the existing algorithms, dealing with the maximisation of the number of cover sets, are heuristics. These heuristics involve the construction of a cover set by including in priority the sensor nodes which cover critical targets, that is to say targets that are covered by the smallest number of sensors. Other approaches are based on mathematical programming formulations and dedicated techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization solver). The problem is formulated as an optimization problem (maximization of the lifetime, of the number of cover sets) under target coverage and energy constraints. Column  generation techniques,  well-known and widely practiced techniques for solving linear programs with too many variables, have been also used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
138
139 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. 
140
141 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
142 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.
143
144 In ~\cite{chenait2013distributed}, the authors presented a coverage-guaranteed distributed sleep/wake scheduling
145 scheme so ass to prolong network lifetime while guaranteeing network coverage. This scheme mitigates scheduling process to be more stable by avoiding useless transitions between states without affecting the coverage level required by the application.
146
147 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.
148
149 In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
150 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
151 base station deduces the current sensing coverage requirement
152 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. 
153
154 {\it In DiLCO protocol, the area coverage is divided into several smaller subregions, and in each of which, a node called the leader is on charge for selecting the active sensors for the current period.} 
155
156 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
157 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
158 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
159 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
160
161 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.
162
163 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.
164
165 {\it In DiLCO protocol, each leader, in each subregion, solves an integer program with a double objective consisting in minimizing the overcoverage and limiting the undercoverage. This program is inspired from the work of \cite{pedraza2006} where the objective is to maximize the number of cover sets.} 
166  
167
168 \iffalse
169
170 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.
171
172
173 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
174 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
175 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
176 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
177
178
179 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. 
180
181  
182 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
183 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
184 algorithm contains two major parts: the first part aims at
185 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
186 energy by decreasing the sensing radius.
187
188 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
189 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. 
190
191 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.
192
193  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
194 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
195 base station deduces the current sensing coverage requirement
196 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. 
197 \fi
198
199 \iffalse
200
201 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.
202
203 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. 
204  
205
206 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
207 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
208 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
209 connection in the case which loose condition is not meet.
210 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
211 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
212 achieve increased sensing lifetime of the network. 
213
214
215
216   
217
218
219 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.
220
221 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
222 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
223 (2) The distributed dynamic leader election at each period by each sensor node in the subregion, 
224 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
225 (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.
226 \fi
227 \iffalse
228 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.
229 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
230 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.
231 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
232 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. 
233 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.  
234
235 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
236
237 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.
238
239
240
241 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. 
242 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.
243 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
244 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 ($k \geq 1$).
245 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.
246
247 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
248 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.
249 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.
250
251 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
252 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
253 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
254 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
255 (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,
256 (5) The improved energy consumption model.
257
258 \fi
259
260 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
261 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
262
263 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
264 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
265 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
266 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
267 maximize the lifetime in the network.
268 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
269 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
270 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
271 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
272 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
273 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
274 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
275 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
276 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
277 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
278 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
279 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
280 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
281 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
282 \fi
283
284 \subsection{Assumptions and models}
285
286 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
287 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
288 coverage ratio of the interested area at the starting. The nodes are supposed to
289 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
290 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
291 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
292 location discovery algorithm. 
293
294 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
295 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
296 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
297 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
298 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
299 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
300 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
301 working nodes in the active mode.
302
303 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
304 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
305 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
306 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
307 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
308 less accurate according to the number of primary points.
309
310 \iffalse
311 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
312 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
313 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
314 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
315 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
316 sensors, instead of using all the points in the area.
317
318 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
319 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
320 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
321 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
322 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
323 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
324 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
325 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
326 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
327 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
328 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
329 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
330 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
331 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
332 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
333 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
334 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
335
336  \begin{figure}[h!]
337 \centering
338  \begin{multicols}{3}
339 \centering
340 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
341 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
342 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
343 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
344 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
345 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
346 \end{multicols} 
347 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
348 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
349 \label{fig1}
350 \end{figure}
351
352 \fi
353
354 \subsection{The main idea}
355 \label{main_idea}
356
357 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
358 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
359 executed   simultaneously  in   each   subregion.
360
361 \begin{figure}[ht!]
362 \centering
363 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
364 \caption{DiLCO protocol}
365 \label{fig2}
366 \end{figure} 
367
368 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
369 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
370 Leader Election ,  Decision, and Sensing. For each period  there will be exactly
371 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
372 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
373 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
374 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
375 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
376 region  of interest,  it will  only  affect the  quality of  coverage until  the
377 definition of a new cover set  in the next period.  Constraints, like the energy
378 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
379 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
380 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
381 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
382 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
383
384 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packets will be used:
385 %\begin{enumerate}[(a)]
386 \begin{itemize} 
387 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
388   subregion for information exchange.
389 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
390   to inform them to be stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
391 \end{itemize}
392 %\end{enumerate}
393 and each sensor node will have five possible status in the network:
394 %\begin{enumerate}[(a)] 
395 \begin{itemize} 
396 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
397 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
398 \item ACTIVE: sensor is active;
399 \item SLEEP: sensor is turned off;
400 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
401 \end{itemize}
402 %\end{enumerate}
403
404 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
405 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
406 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
407 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
408 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
409 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
410 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
411 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
412 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
413 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
414 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
415 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
416 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
417 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
418 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
419 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
420
421 \iffalse
422 \subsubsection{Information Exchange Phase}
423
424 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
425 the number of neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
426 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
427 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
428 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
429 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
430 active mode.
431
432 \subsubsection{Leader Election Phase}
433 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
434 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
435 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
436 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
437 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
438 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
439 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
440 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
441 equality, larger index. 
442
443 \subsubsection{Decision phase}
444 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
445 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
446 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
447 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
448
449
450 \subsubsection{Sensing phase}
451
452 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
453 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
454 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
455 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
456 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
457 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
458 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
459 obtained.
460
461 \fi
462
463
464 \iffalse
465 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
466 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
467 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
468
469 \begin{algorithm}[h!]                
470  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
471 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
472   \BlankLine
473   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
474   
475   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
476       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
477       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
478       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
479       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
480       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
481       
482       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
483       \emph{LeaderID = Leader election}\;
484       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
485         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
486         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
487           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
488         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
489         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
490         \emph{Update $RE_j $}\;
491       }   
492       \Else{
493         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
494         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
495         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
496         \emph{Update $RE_j $}\;
497       }  
498       %  }
499   }
500   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
501   
502  %   \emph{return X} \;
503 \caption{DiLCO($s_j$)}
504 \label{alg:DiLCO}
505
506 \end{algorithm}
507
508 \iffalse
509 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
510 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
511 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
512 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.
513 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.
514 \fi
515
516
517 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
518 \label{cp}
519
520 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
521 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
522 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
523 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
524 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
525 model, we  consider binary  variable $X_{j}$ which  determine the  activation of
526 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
527 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
528
529 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
530 point $p$ is covered, that is:
531 \begin{equation}
532 \alpha_{jp} = \left \{ 
533 \begin{array}{l l}
534   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
535  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
536   0 & \mbox{otherwise.}\\
537 \end{array} \right.
538 %\label{eq12} 
539 \end{equation}
540 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
541 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
542 \begin{equation}
543 X_{j} = \left \{ 
544 \begin{array}{l l}
545   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
546   0 &  \mbox{otherwise.}\\
547 \end{array} \right.
548 %\label{eq11} 
549 \end{equation}
550 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
551 \begin{equation}
552  \Theta_{p} = \left \{ 
553 \begin{array}{l l}
554   0 & \mbox{if the primary point}\\
555     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
556   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
557 \end{array} \right.
558 \label{eq13} 
559 \end{equation}
560 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
561 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
562 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
563 by:
564 \begin{equation}
565 U_{p} = \left \{ 
566 \begin{array}{l l}
567   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
568   0 & \mbox{otherwise.}\\
569 \end{array} \right.
570 \label{eq14} 
571 \end{equation}
572
573 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
574 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
575 \left \{
576 \begin{array}{ll}
577 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
578 \textrm{subject to :}&\\
579 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
580 %\label{c1} 
581 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
582 %\label{c2}
583 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
584 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
585 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
586 \end{array}
587 \right.
588 \end{equation}
589
590 \begin{itemize}
591 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
592   if yes and 0 if not);
593 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
594   are covering the primary point $p$;
595 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
596   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
597 \end{itemize}
598
599 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
600 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
601 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
602 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
603 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
604 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
605 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
606 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
607 period.
608
609 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
610 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
611 \noindent \subsection{Simulation framework}
612
613 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
614 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
615 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
616
617 \begin{table}[ht]
618 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
619 % title of Table
620 \centering
621 % used for centering table
622 \begin{tabular}{c|c}
623 % centered columns (4 columns)
624       \hline
625 %inserts double horizontal lines
626 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
627    
628 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
629 % inserts table
630 %heading
631 \hline
632 % inserts single horizontal line
633 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
634 % inserting body of the table
635 %\hline
636 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
637 %\hline
638 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
639 %\hline
640 Sensing Period & 60 Minutes \\
641 $E_{th}$ & 36 Joules\\
642 $R_s$ & 5~m   \\     
643 %\hline
644 $w_{\Theta}$ & 1   \\
645 % [1ex] adds vertical space
646 %\hline
647 $w_{U}$ & $|P|^2$
648 %inserts single line
649 \end{tabular}
650 \label{table3}
651 % is used to refer this table in the text
652 \end{table}
653
654 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
655 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
656 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
657 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
658 high coverage ratio.
659
660 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
661 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
662 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
663 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
664 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
665 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
666 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
667 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
668 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
669 all the other unit  can be be switched off to save  energy according to the node
670 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
671 second) by a node for each of its possible status.
672
673 \begin{table}[ht]
674 \caption{Energy consumption model}
675 % title of Table
676 \centering
677 % used for centering table
678 {\scriptsize
679 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
680 % centered columns (4 columns)
681       \hline
682 %inserts double horizontal lines
683 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
684 \hline
685 % inserts single horizontal line
686 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
687 % inserting body of the table
688 \hline
689 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
690 \hline
691 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
692 \hline
693 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
694 %\hline
695 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
696  \hline
697 \end{tabular}
698 }
699
700 \label{table4}
701 % is used to refer this table in the text
702 \end{table}
703
704 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
705 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
706 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
707 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
708 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
709 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
710 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
711 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
712 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
713 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
714 24~bits. The energy required to send or receive a 1-bit is equal to $0.2575 mW$.
715
716 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
717 interval  $[500-700]$.   If  it's  energy   provision  reaches  a   value  below
718 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
719 one period,  it will no  more participate in  the coverage task. This  value has
720 been computed  by multiplying the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by
721 the time in  second for one round (3600 seconds).  According  to the interval of
722 initial energy, a sensor may be active during at most 20 rounds.
723
724 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
725 the efficiency of our approach:
726
727 %\begin{enumerate}[i)]
728 \begin{itemize}
729 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
730   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
731   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
732   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
733   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
734   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
735   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
736   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
737   event in the area that it monitors.
738   
739     
740 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
741   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
742   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
743   coverage ratio: 
744 \begin{equation*}
745 \scriptsize
746 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
747 \end{equation*}
748 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
749 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is  total number  of grid
750 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
751 \times 26 = 1326$ grid points.
752 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
753 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
754 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
755 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
756
757 \iffalse
758
759 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
760 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
761 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
762 \begin{equation*}
763 \scriptsize
764 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
765 \end{equation*}
766 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.
767
768 \fi
769
770 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
771   total   energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
772   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
773   of EC can be expressed as follows:
774   \begin{equation*}
775     \scriptsize
776     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
777       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
778   \end{equation*}
779
780 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total  energy consumed by
781 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
782 factors. The  first one , denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represent the
783 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
784 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
785 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
786 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
787 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
788 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
789 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
790
791
792 \iffalse 
793 \item {{\bf Execution Time}:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
794 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
795 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
796 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
797  
798 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation
799 ends  when the  sensor network  becomes
800 disconnected (some nodes are dead and are not able to send information to the base station). We report the number of simulations that are stopped due to network disconnections and for which round it occurs.
801
802 \fi
803
804 \end{itemize}
805 %\end{enumerate}
806
807
808 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
809 \subsection{Performance analysis}
810 \label{sub1}
811
812 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
813 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
814 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
815 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
816 without  partitioning  the  area  of  interest,  case  which  corresponds  to  a
817 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
818 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
819
820 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
821 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
822 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
823 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
824 chosen to remain active during the sensing phase.
825
826 \subsubsection{Coverage ratio} 
827
828 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
829 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a little  better  coverage ratio
830 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
831 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
832 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
833 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
834 fast decrease with  the number of periods and reaches zero  value in period {\bf
835   18} (respectively {\bf 46}), whereas the  other versions of DiLCO, DESK, and GAF
836 ensure a coverage  ratio above 50\% for subsequent periods.  We believe that the
837 results obtained with  these two methods can be explained  by a high consumption
838 of energy and we will check this assumption in the next subsection.
839
840 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
841 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
842 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
843 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
844 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
845 nodes, and thus allow to extend the network lifetime.
846
847 \parskip 0pt    
848 \begin{figure}[t!]
849 \centering
850  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
851 \caption{Coverage ratio}
852 \label{fig3}
853 \end{figure} 
854
855 %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,
856 %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
857 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
858 %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.%
859
860 \subsubsection{Energy consumption}
861
862 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
863 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
864 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
865 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
866 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
867 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
868 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
869 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
870 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
871 used for the different performance metrics.
872
873 \begin{figure}[h!]
874 \centering
875 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
876 \caption{Energy consumption}
877 \label{fig95}
878 \end{figure} 
879
880 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
881 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
882 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
883 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
884 nodes set active by DESK and GAF.
885
886
887 %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. 
888 %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.  
889
890 \subsubsection{Execution time}
891
892 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
893 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
894 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
895 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
896 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
897 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
898 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
899 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
900 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
901 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
902 Figure~\ref{fig8}.
903
904 \begin{figure}[h!]
905 \centering
906 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
907 \caption{Execution time in seconds}
908 \label{fig8}
909 \end{figure} 
910
911 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
912 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
913 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
914 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
915 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
916 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
917 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
918 possible high  coverage. In fact excessive  subdivision of the  area of interest
919 prevents   to  ensure   good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
920 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
921 between execution time and coverage performance.
922
923 %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.
924
925 \subsubsection{Network lifetime}
926
927 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
928 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
929 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
930 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
931 network lifetime.
932
933 \begin{figure}[h!]
934 \centering
935 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
936 \caption{Network lifetime}
937 \label{figLT95}
938 \end{figure} 
939
940 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
941 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
942 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
943 ensure the  wider monitoring.  For a  same level of  coverage, DiLCO outperforms
944 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
945 the larger level  of coverage ($95\%$) in case of  our protocol, the subdivision
946 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
947
948 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
949 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
950 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
951 % 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
952 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
953
954 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
955 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
956
957 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
958 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longest
959 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
960 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
961 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
962 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
963 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
964 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
965 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
966 performances.   In a subregion,  our protocol  consists to  elect a  leader node
967 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
968 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
969 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
970 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
971 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
972 study the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
973 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
974 increasing the  number of subregions allows  to improves the  lifetime. The more
975 there  are   subregions,  the  more   the  network  is  robust   against  random
976 disconnection resulting from dead nodes.  However, for a given sensing field and
977 network size  there is an optimal  number of subregions.  Therefore,  in case of
978 our simulation  context a  subdivision in $16$~subregions  seems to be  the most
979 relevant. The optimal number of subregions will be investigated in the future.
980
981 \iffalse
982 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
983 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
984 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
985 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
986 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.
987 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
988 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
989 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
990 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
991 while  taking the responsibility of covering the corresponding
992 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
993 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
994 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
995 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
996 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
997 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
998 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
999 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1000 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1001 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1002
1003 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1004 computes  all active sensor schedules in one time, using
1005 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
1006   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1007   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1008 The computation of all cover sets in one time is far more
1009 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
1010 \fi
1011
1012 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
1013
1014 \noindent  As  a Ph.D.  student,  Ali Kadhum  IDREES  would  like to  gratefully
1015 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
1016 Campus France for the received support.
1017
1018 %\vfill
1019 \bibliographystyle{apalike}
1020 {\small
1021 \bibliography{Example}}
1022
1023 %\vfill
1024 \end{document}