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[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4,12pt]{article}
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3
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20
21 %\subfigtopskip=0pt
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24
25
26
27 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
28
29 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\
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. Simulations are conducted using the discrete event simulator OMNET++. We refer to the characterictics  of a Medusa II  sensor for the energy consumption  and the computation time.   In comparison with two other existing  methods, our approach is able to  increase the WSN lifetime and provides improved coverage performances. }
60
61
62 %\onecolumn
63
64
65 %\normalsize \vfill
66
67 \section{\uppercase{Introduction}}
68 \label{sec:introduction}
69
70 \noindent 
71 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless sensor  networks since sensory
72 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
73 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
74 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
75 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
76 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.  Coverage  reflects how well a
77 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
78 interest in the most  efficient way~\cite{Nayak04}, which means
79   that we want to maintain the best coverage as long as possible.  On the other
80 hand  we  want  to  use  as   little  energy  as  possible.   Sensor  nodes  are
81 battery-powered  with  no means  of  recharging  or  replacing, usually  due  to
82 environmental (hostile or unpractical environments) or cost reasons.  Therefore,
83 it is desired  that the WSNs are  deployed with high densities so  as to exploit
84 the overlapping sensing  regions of some sensor nodes to  save energy by turning
85 off  some   of  them   during  the   sensing  phase   to  prolong   the  network
86 lifetime.  A WSN  can  use  various types  of  sensors such  as
87   \cite{ref17,ref19}:  thermal, seismic,  magnetic, visual,  infrared, acoustic,
88   and  radar.  These  sensors  are   capable  of  observing  different  physical
89   conditions  such  as:  temperature,   humidity,  pressure,  speed,  direction,
90   movement, light,  soil makeup,  noise levels, presence  or absence  of certain
91   kinds  of  objects,   and  mechanical  stress  levels   on  attached  objects.
92   Consequently, there is a wide  range of WSN applications such as~\cite{ref22}:
93   health-care, environment, agriculture, public safety, military, transportation
94   systems, and industry applications.
95
96 In this  paper we design  a protocol that focuses  on the area  coverage problem
97 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
98 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization (DiLCO)  protocol,  maintains  the
99 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
100 divided into  subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
101 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
102 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
103 node sends sensing data to the cluster  head or the sink node.  Furthermore, the
104 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
105 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
106 starts with  a discovery phase  to exchange  information between sensors  of the
107 same subregion,  in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
108 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
109 the sensors for the  sensing phase of the current period  is obtained by solving
110 an integer program.  The resulting activation vector is broadcast by a leader to
111 every node of its subregion.
112
113 % MODIF - BEGIN
114 Our previous  paper ~\cite{idrees2014coverage} relies almost  exclusively on the
115 framework of the  DiLCO approach and the coverage problem  formulation.  In this
116 paper  we   made  more  realistic   simulations  by  taking  into   account  the
117 characteristics of  a Medusa II sensor  ~\cite{raghunathan2002energy} to measure
118 the energy consumption and the computation  time.  We have implemented two other
119 existing and distributed approaches (DESK ~\cite{ChinhVu}, and
120 GAF ~\cite{xu2001geography})  in order  to compare  their performances  with our
121 approach. We focused  on DESK and GAF protocols  for two reasons.
122   First our protocol is inspired by both  of them: DiLCO uses a regular division
123   of the  area of interest  as in GAF  and a temporal  division in rounds  as in
124   DESK.  Second, DESK  and GAF are well-known protocols, easy  to implement, and
125   often  used  as references  for  comparison.  We  also focus  on  performance
126 analysis based on the number of subregions.
127 % MODIF - END
128
129 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
130 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
131 the  DiLCO  protocol,  followed  in   Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
132 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
133 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results and  Analysis} shows the simulation
134 results. The paper ends with a  conclusion and some suggestions for further work
135 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
136
137 \section{\uppercase{Literature Review}}
138 \label{sec:Literature Review}
139
140 \noindent  In  this section,  we  summarize  some  related works  regarding  the
141 coverage problem and distinguish our  DiLCO protocol from the works presented in
142 the literature.
143
144 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three
145 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside
146 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main
147 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,
148 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders
149 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform
150 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the
151 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes
152 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of
153   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a
154   fraction of points called primary points. }
155
156 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
157 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
158 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to
159 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
160 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
161 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period
162 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem
163 requirements  (e.g.  area   monitoring,  connectivity,  power  efficiency).  For
164 instance,  Jaggi  et al.  \cite{jaggi2006}  address  the  problem of  maximizing
165 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets
166 so that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy
167 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are
168 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu
169 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a
170 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.
171 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each
172   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,
173   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing
174   task.}
175
176 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been
177 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed
178 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is
179 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by
180 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a
181 certain         period         of         time.          The         centralized
182 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
183 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
184 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
185 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
186 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount
187 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale
188   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several
189   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for
190   selecting the active sensors for the current period.}
191
192 % MODIF - BEGIN
193  Our approach to select the leader node in a subregion is quite
194   different   from    cluster   head    selection   methods   used    in   LEACH
195   \cite{DBLP:conf/hicss/HeinzelmanCB00}         or          its         variants
196   \cite{ijcses11}. Contrary  to LEACH, the division  of the area of  interest is
197   supposed to be performed before the  leader election. Moreover, we assume that
198   the sensors are deployed almost uniformly  and with high density over the area
199   of interest, so  that the division is  fixed and regular.  As  in LEACH, our
200   protocol works in round fashion.  In each round, during the pre-sensing phase,
201   nodes make autonomous  decisions. In LEACH, each sensor elects  itself to be a
202   cluster head,  and each non-cluster  head will  determine its cluster  for the
203   round. In  our protocol, nodes in  the same subregion select  their leader. In
204   both protocols,  the amount  of remaining  energy in each  node is  taken into
205   account  to promote  the nodes  that have  the most  energy to  become leader.
206   Contrary to  the LEACH protocol  where all sensors  will be active  during the
207   sensing-phase, our protocol  allows to deactivate a subset  of sensors through
208   an optimization process which significantly reduces  the energy consumption.
209 % MODIF - END
210
211 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
212 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
213 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
214 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
215 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors
216 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical
217 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}
218 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available
219 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem
220 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and
221 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely
222 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have
223 also                                                                        been
224 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO
225   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a
226   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the
227   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}
228   where the objective is to maximize the number of cover sets.}
229
230 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
231 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
232
233 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
234 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
235 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
236 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
237 maximize the lifetime in the network.
238
239 \subsection{Assumptions and models}
240
241 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
242 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
243 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
244 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
245 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
246 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
247 location discovery algorithm. 
248
249 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
250 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
251 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
252 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
253 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
254 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous
255 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
256 working nodes in the active mode.
257
258 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
259 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
260 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
261 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
262 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
263 less accurate according to the number of primary points.
264
265 \subsection{Main idea}
266 \label{main_idea}
267 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
268 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
269 executed  simultaneously in  each subregion. Sensor nodes  are
270   assumed to be deployed almost uniformly over the region and the subdivision of
271   the area of interest is regular.
272
273 \begin{figure}[ht!]
274 \centering
275 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
276 \caption{DiLCO protocol}
277 \label{fig2}
278 \end{figure} 
279
280 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
281 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
282 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
283 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
284 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node failures.
285 % \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}. 
286 First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
287 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
288 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
289 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
290 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
291 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
292 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
293 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
294 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
295 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
296
297 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
298 %\begin{enumerate}[(a)]
299 \begin{itemize} 
300 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
301   subregion for information exchange.
302 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
303   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
304 \end{itemize}
305 %\end{enumerate}
306 and each sensor node will have five possible status in the network:
307 %\begin{enumerate}[(a)] 
308 \begin{itemize} 
309 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
310 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
311 \item ACTIVE: sensor is active;
312 \item SLEEP: sensor is turned off;
313 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
314 \end{itemize}
315 %\end{enumerate}
316
317 An outline of the protocol  implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
318 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
319 sensor node  indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
320 enough  energy (its energy  should  be  greater than  a  fixed
321   treshold $E_{th}$) to  stay active during the next sensing  phase. If yes, it
322 exchanges information with all the other  nodes belonging to the same subregion:
323 it collects from each node  its position coordinates, remaining energy ($RE_j$),
324 ID,  and the  number of  one-hop neighbors  still alive.  INFO
325   packet contains two parts: header and payload data. The sensor ID is included
326   in  the header,  where the  header  size is  8  bits. The  data part  includes
327   position coordinates (64 bits), remaining energy  (32 bits), and the number of
328   one-hop live neighbors (8 bits). Therefore the  size of the INFO packet is 112
329   bits. Once the  first phase is completed,  the nodes of a  subregion choose a
330 leader to  take the  decision based  on the  following criteria  with decreasing
331 importance: larger  number of  neighbors, larger remaining  energy, and  then in
332 case of equality,  larger index.  After that,  if the sensor node  is leader, it
333 will  solve an  integer program  (see Section~\ref{cp}).  This
334   integer program  contains boolean variables  $X_j$ where ($X_j=1$)  means that
335   sensor $j$ will be active in the  next sensing phase. Only sensors with enough
336   remaining energy are  involved in the integer  program ($J$ is the  set of all
337   sensors  involved).  As  the  leader consumes  energy  (computation energy  is
338   denoted by $E^{comp}$) to solve the  optimization problem, it will be included
339   in the integer program only if it has enough energy to achieve the computation
340   and to  stay alive during the  next sensing phase, that  is to say if  $RE_j >
341   E^{comp}+E_{th}$. Once  the optimization problem  is solved, each  leader will
342   send an ActiveSleep packet to each sensor in the same subregion to indicate it
343   if it has to be active or not.  Otherwise, if the sensor is not the leader, it
344   will wait for the ActiveSleep packet to  know its state for the coming sensing
345   phase.
346 %which provides a set of  sensors planned to be
347 %active in the next sensing phase.
348
349 \begin{algorithm}[h!]                
350
351   \BlankLine
352   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
353   
354   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
355       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
356       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
357       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
358       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
359       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
360       
361       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
362       \emph{LeaderID = Leader election}\;
363       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
364         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
365         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
366           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
367         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
368         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
369         \emph{Update $RE_j $}\;
370       }   
371       \Else{
372         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
373         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
374
375         \emph{Update $RE_j $}\;
376       }  
377       %  }
378   }
379   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
380   
381  %   \emph{return X} \;
382 \caption{DiLCO($s_j$)}
383 \label{alg:DiLCO}
384
385 \end{algorithm}
386
387 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
388 \label{cp}
389
390 % MODIF - BEGIN
391 We formulate the coverage optimization problem with an integer program.
392 The objective function consists in minimizing the undercoverage and the overcoverage of the area as suggested in \cite{pedraza2006}. 
393 The area coverage problem is expressed as the coverage of a fraction of points called primary points. 
394 Details on the choice and the number of primary points can be found in \cite{idrees2014coverage}. The set of primary points is denoted by $P$
395 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 $p$ :
396 \begin{equation}
397  \Theta_{p} = \left \{ 
398 \begin{array}{l l}
399   0 & \mbox{if the primary point}\\
400     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
401   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
402 \end{array} \right.
403 \label{eq13} 
404 \end{equation}
405 More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
406 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$.
407 In the same way, we define the  undercoverage variable
408 $U_{p}$ of the primary point $p$ as:
409 \begin{equation}
410 U_{p} = \left \{ 
411 \begin{array}{l l}
412   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
413   0 & \mbox{otherwise.}\\
414 \end{array} \right.
415 \label{eq14} 
416 \end{equation}
417 There is, of course, a relationship between the three variables $X_j$, $\Theta_p$, and $U_p$ which can be formulated as follows :
418 \begin{equation}
419 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, \forall p \in P
420 \end{equation}
421 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.
422 On the contrary, if the point $p$ is covered, $U_p=0$, and $\Theta_{p}=\left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp}  X_{j} \right)- 1$. 
423 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
424 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
425 \left \{
426 \begin{array}{ll}
427 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
428 \textrm{subject to :}&\\
429 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
430 %\label{c1} 
431 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
432 %\label{c2}
433 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
434 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
435 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
436 \end{array}
437 \right.
438 \end{equation}
439 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.  By
440     choosing  $w_{U}$ much  larger than $w_{\theta}$,  the coverage  of a
441     maximum of  primary points  is ensured.  Then for the  same number  of covered
442     primary points,  the solution  with a  minimal number  of active  sensors is
443     preferred. 
444 %Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
445 %order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
446 %period.
447 % MODIF - END
448
449 \iffalse 
450
451 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
452 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
453 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
454 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
455 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
456 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
457 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
458 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
459
460 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
461 point $p$ is covered, that is:
462 \begin{equation}
463 \alpha_{jp} = \left \{ 
464 \begin{array}{l l}
465   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
466  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
467   0 & \mbox{otherwise.}\\
468 \end{array} \right.
469 %\label{eq12} 
470 \end{equation}
471 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
472 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
473 \begin{equation}
474 X_{j} = \left \{ 
475 \begin{array}{l l}
476   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
477   0 &  \mbox{otherwise.}\\
478 \end{array} \right.
479 %\label{eq11} 
480 \end{equation}
481 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
482 \begin{equation}
483  \Theta_{p} = \left \{ 
484 \begin{array}{l l}
485   0 & \mbox{if the primary point}\\
486     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
487   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
488 \end{array} \right.
489 \label{eq13} 
490 \end{equation}
491 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
492 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
493 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
494 \begin{equation}
495 U_{p} = \left \{ 
496 \begin{array}{l l}
497   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
498   0 & \mbox{otherwise.}\\
499 \end{array} \right.
500 \label{eq14} 
501 \end{equation}
502
503 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
504 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
505 \left \{
506 \begin{array}{ll}
507 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
508 \textrm{subject to :}&\\
509 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
510 %\label{c1} 
511 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
512 %\label{c2}
513 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
514 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
515 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
516 \end{array}
517 \right.
518 \end{equation}
519
520 \begin{itemize}
521 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
522   if yes and 0 if not);
523 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
524   are covering the primary point $p$;
525 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
526   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
527 \end{itemize}
528
529 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
530 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
531 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
532 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
533 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
534 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
535 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
536 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
537 period.
538
539 \fi
540
541 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
542 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
543 \noindent \subsection{Simulation framework}
544
545 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
546 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
547 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
548
549 \begin{table}[ht]
550 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
551 % title of Table
552 \centering
553 % used for centering table
554 \begin{tabular}{c|c}
555 % centered columns (4 columns)
556       \hline
557 %inserts double horizontal lines
558 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
559    
560 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
561 % inserts table
562 %heading
563 \hline
564 % inserts single horizontal line
565 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
566 % inserting body of the table
567 %\hline
568 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
569 %\hline
570 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
571 %\hline
572 Sensing Period & 60 Minutes \\
573 $E_{th}$ & 36 Joules\\
574 $R_s$ & 5~m   \\     
575 %\hline
576 $w_{\Theta}$ & 1   \\
577 % [1ex] adds vertical space
578 %\hline
579 $w_{U}$ & $|P|^2$
580 %inserts single line
581 \end{tabular}
582 \label{table3}
583 % is used to refer this table in the text
584 \end{table}
585
586 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
587 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
588 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
589 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
590 high coverage ratio.
591
592 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
593 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
594 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
595 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
596 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
597 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
598 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
599 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
600 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
601 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
602 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
603 second) by a node for each of its possible status.
604
605 \begin{table}[ht]
606 \caption{Energy consumption model}
607 % title of Table
608 \centering
609 % used for centering table
610 {\scriptsize
611 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
612 % centered columns (4 columns)
613       \hline
614 %inserts double horizontal lines
615 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
616 \hline
617 % inserts single horizontal line
618 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
619 % inserting body of the table
620 \hline
621 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
622 \hline
623 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
624 \hline
625 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
626 %\hline
627 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
628  \hline
629 \end{tabular}
630 }
631
632 \label{table4}
633 % is used to refer this table in the text
634 \end{table}
635
636 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
637 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
638 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
639 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
640 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
641 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
642 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
643 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
644 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
645 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
646 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
647  equal to 0.2575~mW.
648
649 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in
650 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold
651 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
652 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value
653 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying
654 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one
655 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.
656 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
657 most 20 periods.
658
659 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
660 the efficiency of our approach:
661
662 %\begin{enumerate}[i)]
663 \begin{itemize}
664 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
665   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
666   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
667   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
668   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
669   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
670   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
671   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
672   event in the area that it monitors.
673      
674 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
675   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
676   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
677   coverage ratio: 
678 \begin{equation*}
679 \scriptsize
680 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
681 \end{equation*}
682 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
683 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
684 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
685 \times 26 = 1326$ grid points.
686
687 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
688   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   
689   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
690   of EC can be expressed as follows:
691   \begin{equation*}
692     \scriptsize
693     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
694       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
695   \end{equation*}
696
697 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy
698 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
699 energy   factors.  The  first   one,  denoted   $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
700 represents  the  energy  consumption  spent   by  all  the  nodes  for  wireless
701 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
702 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
703 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
704 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
705 nodes  to solve the  integer program  during a  period.  Finally,  $E^a_{m}$ and
706 $E^s_{m}$ indicate the energy consumed by the whole network in the sensing phase
707 (active and sleeping nodes).
708
709 \end{itemize}
710 %\end{enumerate}
711
712 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
713 \subsection{Performance analysis}
714 \label{sub1}
715
716 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
717 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
718 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
719 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
720 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
721 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
722 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
723
724 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
725 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
726 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
727 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
728 chosen to remain active during the sensing phase.
729
730 \subsubsection{Coverage ratio} 
731
732 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
733 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly
734 better  compared to  DiLCO  in the  first  thirty periods.  This  can be  easily
735 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our
736 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease
737 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage
738 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value
739 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and
740 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that
741 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high
742 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.
743
744 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
745 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
746 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
747 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
748 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
749 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
750
751 \parskip 0pt    
752 \begin{figure}[t!]
753 \centering
754  \includegraphics[scale=0.475] {CR.pdf} 
755 \caption{Coverage ratio}
756 \label{fig3}
757 \end{figure} 
758
759
760 \subsubsection{Energy consumption}
761
762 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
763 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
764 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
765 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
766 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
767 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
768 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
769 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
770 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
771 used for the different performance metrics.
772
773 \begin{figure}[h!]
774 \centering
775 \includegraphics[scale=0.475]{EC.pdf} 
776 \caption{Energy consumption per period}
777 \label{fig95}
778 \end{figure} 
779
780 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
781 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
782 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
783 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
784 nodes set active  by DESK and GAF. 
785
786 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption
787 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of
788 coverage and the number of node,  whereas it increases more largely for DESK and
789 GAF.  In case of DiLCO, it means that even if a larger network allows to improve
790 the number of periods with a  minimum coverage level value, this improvement has
791 a  higher energy  cost  per period  due  to communication  overhead  and a  more
792 difficult optimization problem.   However, in comparison with DESK  and GAF, our
793 approach has a reasonable energy overcost.
794
795 \subsubsection{Execution time}
796
797 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
798 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
799 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
800 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
801 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
802 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
803 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
804 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
805 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
806 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
807 Figure~\ref{fig8}.
808
809 \begin{figure}[h!]
810 \centering
811 \includegraphics[scale=0.475]{T.pdf}  
812 \caption{Execution time in seconds}
813 \label{fig8}
814 \end{figure} 
815
816 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
817 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled by  a
818 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
819 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
820 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
821 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
822 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
823 possible high coverage. In fact an excessive subdivision of the area of interest
824 prevents  it  to  ensure a  good  coverage  especially  on  the borders  of  the
825 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
826 between execution time and coverage performance.
827
828 \subsubsection{Network lifetime}
829
830 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
831 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
832 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
833 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
834 network lifetime.
835
836 \begin{figure}[h!]
837 \centering
838 \includegraphics[scale=0.475]{LT.pdf}  
839 \caption{Network lifetime}
840 \label{figLT95}
841 \end{figure} 
842
843 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
844 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
845 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
846 ensure the wider monitoring.  For a similar level of coverage, DiLCO outperforms
847 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
848 the  larger  level  of coverage  ($95\%$)  in  the  case  of our  protocol,  the
849 subdivision in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
850
851
852 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
853 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
854
855 A crucial problem in WSN is to  schedule the sensing activities of the different
856 nodes  in order  to ensure  both coverage  of the  area of  interest and  longer
857 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
858 communication and computing capacities, require  protocols that optimize the use
859 of  the available  resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
860 problem, this paper proposes a two-step  approach. Firstly, the field of sensing
861 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
862 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
863 Optimization is applied in each subregion  to optimize the coverage and lifetime
864 performances.  In a  subregion, our protocol consists in electing  a leader node
865 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
866 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion  and   the  best
867 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
868 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
869 many performance metrics  like coverage ratio or network lifetime.  We have also
870 studied the impact of  the number of subregions chosen to  subdivide the area of
871 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
872 increasing the number  of subregions improves the lifetime.  The more subregions
873 there are, the more robust the network is against random disconnection resulting
874 from dead nodes.  However,  for a given sensing field and  network size there is
875 an optimal number of subregions.  Therefore, in case of our simulation context a
876 subdivision in $16$~subregions seems to be the most relevant. The optimal number
877 of subregions will be investigated in the future.
878
879 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
880
881 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
882 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
883 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
884 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
885
886 %\vfill
887 \bibliographystyle{plain}
888 {\small
889 \bibliography{biblio}}
890
891 %\vfill
892 \end{document}