]> AND Private Git Repository - Sensornets15.git/blob - Example.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
New modifications
[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4,12pt]{article}
2
3
4 \usepackage[paper=a4paper,dvips,top=1.5cm,left=1.5cm,right=1.5cm,foot=1cm,bottom=1.5cm]{geometry}
5 \usepackage{epsfig}
6 \usepackage{subfigure}
7 %\usepackage{calc}
8 \usepackage{amssymb}
9 %\usepackage{amstext}
10 %\usepackage{amsmath}
11 %\usepackage{amsthm}
12 %\usepackage{multicol}
13 %\usepackage{pslatex}
14 %\usepackage{apalike}
15 %\usepackage{SCITEPRESS}
16 \usepackage[small]{caption}
17 \usepackage{color}
18 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}
19 \usepackage{mathtools}  
20
21 %\subfigtopskip=0pt
22 %\subfigcapskip=0pt
23 %\subfigbottomskip=0pt
24
25
26
27 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
28
29 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\
30   in Wireless Sensor Networks}
31
32 \author{Ali Kadhum Idrees$^{a,b}$, Karine Deschinkel$^{a}$,\\ Michel Salomon$^{a}$, and Rapha\"el Couturier$^{a}$\\
33 $^{a}$FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, \\ University  Bourgogne  Franche-Comt\'e, Belfort, France\\
34 $^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}}\\
35 email: ali.idness@edu.univ-fcomte.fr,\\ $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
36
37 %\author{Ali   Kadhum   Idrees$^{a,b}$,   Karine  Deschinkel$^{a}$,\\  Michel Salomon$^{a}$,   and  Rapha\"el   Couturier   $^{a}$  \\   
38 %$^{a}${\em{FEMTO-ST Institute,  UMR  6174  CNRS,   University  Bourgogne  Franche-Comt\'e,\\ Belfort, France}} \\ 
39 %$^{b}${\em{Department of Computer Science, University of Babylon, Babylon, Iraq}} }
40
41 \begin{document}
42  \maketitle 
43 %\keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,Optimization, Scheduling.}
44
45 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
46   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
47   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
48   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
49   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
50   (DiLCO), which maintains the coverage and  improves the lifetime of a wireless
51   sensor network. First, we partition the area of interest into subregions using
52   a classical divide-and-conquer method.  Our DiLCO protocol is then distributed
53   on  the sensor  nodes in  each subregion  in a  second step.   To fulfill  our
54   objective, the proposed  protocol combines two effective  techniques: a leader
55   election in  each subregion, followed  by an optimization-based  node activity
56   scheduling  performed by  each elected  leader.  This  two-step process  takes
57   place periodically, in  order to choose a small set  of nodes remaining active
58   for sensing during a time slot.  Each set is built to ensure coverage at a low
59   energy cost,  allowing to optimize  the network lifetime.  
60 %More  precisely, a
61   %period  consists  of  four   phases:  (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
62   %Election,  (iii)~Decision, and  (iv)~Sensing.   The  decision process,  which
63 %  results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
64 %  through the solving of an integer program.
65 % MODIF - BEGIN
66   Simulations are conducted using the discret event simulator
67   OMNET++.  We  refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for
68   the energy consumption  and the computation time.   In comparison with
69   two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN
70   lifetime and provides improved coverage performance. }
71 % MODIF - END
72
73 %\onecolumn
74
75
76 %\normalsize \vfill
77
78 \section{\uppercase{Introduction}}
79 \label{sec:introduction}
80
81 \noindent 
82 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless sensor  networks since sensory
83 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
84 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
85 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
86 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
87 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.  Coverage  reflects how well a
88 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
89 interest in the most  efficient way~\cite{Nayak04}, \textcolor{blue}{which means
90   that we want to maintain the best coverage as long as possible}.  On the other
91 hand  we  want  to  use  as   little  energy  as  possible.   Sensor  nodes  are
92 battery-powered  with  no means  of  recharging  or  replacing, usually  due  to
93 environmental (hostile or unpractical environments) or cost reasons.  Therefore,
94 it is desired  that the WSNs are  deployed with high densities so  as to exploit
95 the overlapping sensing  regions of some sensor nodes to  save energy by turning
96 off  some   of  them   during  the   sensing  phase   to  prolong   the  network
97 lifetime.  \textcolor{blue}{A WSN  can  use  various types  of  sensors such  as
98   \cite{ref17,ref19}:  thermal, seismic,  magnetic, visual,  infrared, acoustic,
99   and  radar.  These  sensors  are   capable  of  observing  different  physical
100   conditions  such  as:  temperature,   humidity,  pressure,  speed,  direction,
101   movement, light,  soil makeup,  noise levels, presence  or absence  of certain
102   kinds  of  objects,   and  mechanical  stress  levels   on  attached  objects.
103   Consequently, there is a wide  range of WSN applications such as~\cite{ref22}:
104   health-care, environment, agriculture, public safety, military, transportation
105   systems, and industry applications.}
106
107 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
108 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
109 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DiLCO) protocol,  maintains  the
110 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
111 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
112 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
113 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
114 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
115 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
116 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
117 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the
118 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
119 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
120 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
121 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
122 to every node of its subregion. 
123
124 % MODIF - BEGIN
125 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
126 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
127 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
128 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
129 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
130 existing \textcolor{blue}{and distributed approaches} (DESK ~\cite{ChinhVu}, and
131 GAF ~\cite{xu2001geography})  in order  to compare  their performances  with our
132 approach.   We  also focus  on  performance  analysis  based  on the  number  of
133 subregions.
134 % MODIF - END
135
136 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
137 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
138 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
139 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
140 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
141 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
142 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
143
144 \section{\uppercase{Literature Review}}
145 \label{sec:Literature Review}
146
147 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
148 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
149 the literature.
150
151 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
152 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
153 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
154 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
155 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
156 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
157 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
158 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
159 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
160   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
161   fraction of points called primary points. }
162
163 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
164 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
165 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
166 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
167 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
168 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
169 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
170 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
171 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
172 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
173 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
174 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
175 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
176 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
177 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
178 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
179   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
180   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
181   task.}
182
183 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
184 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
185 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
186 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
187 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
188 certain         period         of         time.          The         centralized
189 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
190 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
191 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
192 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
193 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
194 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
195   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
196   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
197   selecting the active sensors for the current period.}
198
199 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
200 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
201 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
202 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
203 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
204 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
205 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
206 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
207 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
208 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
209 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
210 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
211 also                                                                        been
212 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
213   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
214   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
215   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
216   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
217
218 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
219 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
220
221 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
222 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
223 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
224 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
225 maximize the lifetime in the network.
226
227 \subsection{Assumptions and models}
228
229 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
230 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
231 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
232 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
233 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
234 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
235 location discovery algorithm. 
236
237 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
238 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
239 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
240 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
241 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
242 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
243 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
244 working nodes in the active mode.
245
246 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
247 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
248 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
249 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
250 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
251 less accurate according to the number of primary points.
252
253
254 \subsection{Main idea}
255 \label{main_idea}
256 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
257 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
258 executed   simultaneously  in   each   subregion. \textcolor{blue}{Sensor nodes  are assumed to
259 be deployed  almost uniformly over the  region and the subdivision of the area of interest is regular.}
260
261 \begin{figure}[ht!]
262 \centering
263 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
264 \caption{DiLCO protocol}
265 \label{fig2}
266 \end{figure} 
267
268 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
269 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
270 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
271 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
272 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node failures.
273 % \textcolor{blue}{Many WSN applications have communication requirements that are periodic and known previously such as collecting temperature statistics at regular intervals. This periodic nature can be used to provide a regular schedule to sensor nodes and thus avoid a sensor failure. If the period time increases, the reliability and energy consumption are decreased and vice versa}. 
274 First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
275 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
276 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
277 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
278 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
279 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
280 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
281 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
282 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
283 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
284
285 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
286 %\begin{enumerate}[(a)]
287 \begin{itemize} 
288 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
289   subregion for information exchange.
290 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
291   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
292 \end{itemize}
293 %\end{enumerate}
294 and each sensor node will have five possible status in the network:
295 %\begin{enumerate}[(a)] 
296 \begin{itemize} 
297 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
298 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
299 \item ACTIVE: sensor is active;
300 \item SLEEP: sensor is turned off;
301 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
302 \end{itemize}
303 %\end{enumerate}
304
305 An outline of the protocol  implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
306 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
307 sensor node  indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
308 enough  energy  \textcolor{blue}{(its energy  should  be  greater than  a  fixed
309   treshold $E_{th}$)} to  stay active during the next sensing  phase. If yes, it
310 exchanges information with all the other  nodes belonging to the same subregion:
311 it collects from each node  its position coordinates, remaining energy ($RE_j$),
312 ID,  and the  number of  one-hop neighbors  still alive.   \textcolor{blue}{INFO
313   packet contains two parts: header and  data payload. The sensor ID is included
314   in  the header,  where the  header  size is  8  bits. The  data part  includes
315   position coordinates (64 bits), remaining energy  (32 bits), and the number of
316   one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the  size of the INFO packet is 112
317   bits.} Once the  first phase is completed,  the nodes of a  subregion choose a
318 leader to  take the  decision based  on the  following criteria  with decreasing
319 importance: larger  number of  neighbors, larger remaining  energy, and  then in
320 case of equality,  larger index.  After that,  if the sensor node  is leader, it
321 will  solve an  integer program  (see Section~\ref{cp}).   \textcolor{blue}{This
322   integer program  contains boolean variables  $X_j$ where ($X_j=1$)  means that
323   sensor $j$ will be active in the  next sensing phase. Only sensors with enough
324   remaining energy are  involved in the integer  program ($J$ is the  set of all
325   sensors  involved).  As  the  leader consumes  energy  (computation energy  is
326   denoted by $E^{comp}$) to solve the  optimization problem, it will be included
327   in the integer program only if it has enough energy to achieve the computation
328   and to  stay alive during the  next sensing phase, that  is to say if  $RE_j >
329   E^{comp}+E_{th}$. Once  the optimization problem  is solved, each  leader will
330   send an ActiveSleep packet to each sensor in the same subregion to indicate it
331   if it has to be active or not.  Otherwise, if the sensor is not the leader, it
332   will wait for the ActiveSleep packet to  know its state for the coming sensing
333   phase.}
334 %which provides a set of  sensors planned to be
335 %active in the next sensing phase.
336
337 \begin{algorithm}[h!]                
338
339   \BlankLine
340   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
341   
342   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
343       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
344       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
345       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
346       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
347       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
348       
349       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
350       \emph{LeaderID = Leader election}\;
351       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
352         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
353         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
354           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
355         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
356         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
357         \emph{Update $RE_j $}\;
358       }   
359       \Else{
360         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
361         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
362
363         \emph{Update $RE_j $}\;
364       }  
365       %  }
366   }
367   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
368   
369  %   \emph{return X} \;
370 \caption{DiLCO($s_j$)}
371 \label{alg:DiLCO}
372
373 \end{algorithm}
374
375 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
376 \label{cp}
377
378 % MODIF - BEGIN
379 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
380 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
381 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
382 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
383 and the set of alive sensors by $J$. As we consider a boolean disk coverage model, we use the boolean indicator $\alpha_{jp}$ which is equal to 1 if the primary point $p$ is in the sensing range of the sensor $j$. The binary variable $X_j$ represents the activation or not of the sensor $j$. So we can express the number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$ by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$. We deduce the overcoverage denoted by $\Theta_p$ of the primary point $p$ :
384 \begin{equation}
385  \Theta_{p} = \left \{ 
386 \begin{array}{l l}
387   0 & \mbox{if the primary point}\\
388     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
389   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
390 \end{array} \right.
391 \label{eq13} 
392 \end{equation}
393 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
394 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
395 In the same way, we define the  undercoverage variable
396 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
397 \begin{equation}
398 U_{p} = \left \{ 
399 \begin{array}{l l}
400   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
401   0 & \mbox{otherwise.}\\
402 \end{array} \right.
403 \label{eq14} 
404 \end{equation}
405 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
406 \begin{equation}
407 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
408 \end{equation}
409 If the point $p$ is not covered, $U_p=1$,  $\sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j}=0$ and $\Theta_{p}=0$ by definition, so the equality is satisfied.
410 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
411 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
412 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
413 \left \{
414 \begin{array}{ll}
415 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
416 \textrm{subject to :}&\\
417 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
418 %\label{c1} 
419 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
420 %\label{c2}
421 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
422 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
423 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
424 \end{array}
425 \right.
426 \end{equation}
427 The objective function is a weighted sum of overcoverage and undercoverage. The goal is to limit the overcoverage in order to activate a minimal number of sensors while simultaneously preventing undercoverage.  \textcolor{blue}{ By
428     choosing  $w_{U}$ much  larger than $w_{\theta}$,  the coverage  of a
429     maximum of  primary points  is ensured.  Then for the  same number  of covered
430     primary points,  the solution  with a  minimal number  of active  sensors is
431     preferred. }
432 %Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
433 %order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
434 %period.
435 % MODIF - END
436
437
438
439
440
441
442
443 \iffalse 
444
445 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
446 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
447 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
448 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
449 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
450 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
451 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
452 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
453
454 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
455 point $p$ is covered, that is:
456 \begin{equation}
457 \alpha_{jp} = \left \{ 
458 \begin{array}{l l}
459   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
460  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
461   0 & \mbox{otherwise.}\\
462 \end{array} \right.
463 %\label{eq12} 
464 \end{equation}
465 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
466 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
467 \begin{equation}
468 X_{j} = \left \{ 
469 \begin{array}{l l}
470   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
471   0 &  \mbox{otherwise.}\\
472 \end{array} \right.
473 %\label{eq11} 
474 \end{equation}
475 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
476 \begin{equation}
477  \Theta_{p} = \left \{ 
478 \begin{array}{l l}
479   0 & \mbox{if the primary point}\\
480     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
481   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
482 \end{array} \right.
483 \label{eq13} 
484 \end{equation}
485 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
486 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
487 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
488 \begin{equation}
489 U_{p} = \left \{ 
490 \begin{array}{l l}
491   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
492   0 & \mbox{otherwise.}\\
493 \end{array} \right.
494 \label{eq14} 
495 \end{equation}
496
497 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
498 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
499 \left \{
500 \begin{array}{ll}
501 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
502 \textrm{subject to :}&\\
503 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
504 %\label{c1} 
505 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
506 %\label{c2}
507 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
508 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
509 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
510 \end{array}
511 \right.
512 \end{equation}
513
514 \begin{itemize}
515 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
516   if yes and 0 if not);
517 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
518   are covering the primary point $p$;
519 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
520   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
521 \end{itemize}
522
523 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
524 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
525 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
526 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
527 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
528 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
529 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
530 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
531 period.
532
533 \fi
534
535 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
536 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
537 \noindent \subsection{Simulation framework}
538
539 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
540 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
541 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
542
543 \begin{table}[ht]
544 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
545 % title of Table
546 \centering
547 % used for centering table
548 \begin{tabular}{c|c}
549 % centered columns (4 columns)
550       \hline
551 %inserts double horizontal lines
552 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
553    
554 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
555 % inserts table
556 %heading
557 \hline
558 % inserts single horizontal line
559 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
560 % inserting body of the table
561 %\hline
562 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
563 %\hline
564 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
565 %\hline
566 Sensing Period & 60 Minutes \\
567 $E_{th}$ & 36 Joules\\
568 $R_s$ & 5~m   \\     
569 %\hline
570 $w_{\Theta}$ & 1   \\
571 % [1ex] adds vertical space
572 %\hline
573 $w_{U}$ & $|P|^2$
574 %inserts single line
575 \end{tabular}
576 \label{table3}
577 % is used to refer this table in the text
578 \end{table}
579
580 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
581 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
582 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
583 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
584 high coverage ratio.
585
586 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
587 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
588 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
589 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
590 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
591 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
592 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
593 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
594 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
595 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
596 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
597 second) by a node for each of its possible status.
598
599 \begin{table}[ht]
600 \caption{Energy consumption model}
601 % title of Table
602 \centering
603 % used for centering table
604 {\scriptsize
605 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
606 % centered columns (4 columns)
607       \hline
608 %inserts double horizontal lines
609 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
610 \hline
611 % inserts single horizontal line
612 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
613 % inserting body of the table
614 \hline
615 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
616 \hline
617 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
618 \hline
619 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
620 %\hline
621 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
622  \hline
623 \end{tabular}
624 }
625
626 \label{table4}
627 % is used to refer this table in the text
628 \end{table}
629
630 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
631 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
632 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
633 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
634 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
635 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
636 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
637 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
638 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
639 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
640 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
641  equal to 0.2575~mW.
642
643 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
644 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
645 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
646 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
647 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
648 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
649 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
650 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
651 most 20 periods.
652
653 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
654 the efficiency of our approach:
655
656 %\begin{enumerate}[i)]
657 \begin{itemize}
658 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
659   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
660   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
661   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
662   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
663   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
664   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
665   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
666   event in the area that it monitors.
667      
668 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
669   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
670   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
671   coverage ratio: 
672 \begin{equation*}
673 \scriptsize
674 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
675 \end{equation*}
676 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
677 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
678 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
679 \times 26 = 1326$ grid points.
680
681 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
682   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
683   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
684   of EC can be expressed as follows:
685   \begin{equation*}
686     \scriptsize
687     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
688       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
689   \end{equation*}
690
691 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
692 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
693 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
694 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
695 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
696 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
697 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
698 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
699 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
700 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
701 (active and sleeping nodes).
702
703 \end{itemize}
704 %\end{enumerate}
705
706 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
707 \subsection{Performance analysis}
708 \label{sub1}
709
710 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
711 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
712 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
713 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
714 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
715 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
716 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
717
718 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
719 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
720 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
721 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
722 chosen to remain active during the sensing phase.
723
724 \subsubsection{Coverage ratio} 
725
726 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
727 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
728 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
729 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
730 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
731 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
732 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
733 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
734 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
735 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
736 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
737
738 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
739 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
740 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
741 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
742 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
743 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
744
745 \parskip 0pt    
746 \begin{figure}[t!]
747 \centering
748  \includegraphics[scale=0.45] {CR.pdf} 
749 \caption{Coverage ratio}
750 \label{fig3}
751 \end{figure} 
752
753
754 \subsubsection{Energy consumption}
755
756 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
757 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
758 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
759 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
760 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
761 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
762 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
763 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
764 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
765 used for the different performance metrics.
766
767 \begin{figure}[h!]
768 \centering
769 \includegraphics[scale=0.45]{EC.pdf} 
770 \caption{Energy consumption per period}
771 \label{fig95}
772 \end{figure} 
773
774 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
775 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
776 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
777 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
778 nodes set active  by DESK and GAF. 
779
780 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
781 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
782 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
783 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
784 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
785 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
786 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
787 approach has a reasonable energy overcost.
788
789 \subsubsection{Execution time}
790
791 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
792 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
793 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
794 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
795 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
796 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
797 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
798 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
799 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
800 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
801 Figure~\ref{fig8}.
802
803 \begin{figure}[h!]
804 \centering
805 \includegraphics[scale=0.45]{T.pdf}  
806 \caption{Execution time in seconds}
807 \label{fig8}
808 \end{figure} 
809
810 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
811 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
812 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
813 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
814 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
815 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
816 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
817 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
818 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
819 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
820 between execution time and coverage performance.
821
822 \subsubsection{Network lifetime}
823
824 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
825 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
826 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
827 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
828 network lifetime.
829
830 \begin{figure}[h!]
831 \centering
832 \includegraphics[scale=0.45]{LT.pdf}  
833 \caption{Network lifetime}
834 \label{figLT95}
835 \end{figure} 
836
837 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
838 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
839 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
840 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
841 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
842 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
843 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
844
845
846 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
847 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
848
849 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
850 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
851 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
852 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
853 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
854 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
855 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
856 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
857 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
858 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
859 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
860 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
861 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
862 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
863 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
864 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
865 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
866 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
867 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
868 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
869 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
870 optimal number of subregions will be investigated in the future.
871
872 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
873
874 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
875 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
876 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
877 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
878
879 %\vfill
880 \bibliographystyle{plain}
881 {\small
882 \bibliography{Example}}
883
884 %\vfill
885 \end{document}