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First minor corrections in sections 1 and 2
[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4paper,twoside]{article}
2
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18
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22
23 \begin{document}
24
25 %\title{Authors' Instructions  \subtitle{Preparation of Camera-Ready Contributions to SCITEPRESS Proceedings} }
26
27 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol \\in Wireless Sensor Networks}
28
29 \author{\authorname{Ali Kadhum Idrees, Karine Deschinkel, Michel Salomon, and Rapha\"el Couturier}
30 \affiliation{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comte, Belfort, France}
31 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
32 \email{ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
33 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
34 }
35
36 \keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
37 Optimization, Scheduling.}
38
39 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
40   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
41   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
42   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
43   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
44   (DiLCO), which maintains the coverage  and improves the lifetime of a wireless
45   sensor  network. As  a  first step  we  partition the  area  of interest  into
46   subregions using a classical  divide-and-conquer method. Our DiLCO protocol is
47   then distributed  on the sensor nodes in  each subregion in a  second step. To
48   fulfill  our   objective,  the   proposed  protocol  combines   two  effective
49   techniques:   a  leader   election   in  each   subregion,   followed  by   an
50   optimization-based node activity scheduling  performed by each elected leader.
51   This two-step process takes place periodically, in order to choose a small set
52   of nodes remaining  active for sensing during a time slot.   Each set is built
53   to ensure  coverage at  a low  energy cost, allowing  to optimize  the network
54   lifetime. More  precisely, a period  consists of four  phases: (i)~Information
55   Exchange,  (ii)~Leader   Election,  (iii)~Decision,  and   (iv)~Sensing.   The
56   decision process, which results in  an activity scheduling vector,  is carried
57   out by a leader node through  the solving of an integer program. In comparison
58   with  some other  protocols, the  simulations  done using  the discrete  event
59   simulator OMNeT++ show that our approach  is able to increase the WSN lifetime
60   and provides improved coverage performance. }
61
62 \onecolumn \maketitle \normalsize \vfill
63
64 \section{\uppercase{Introduction}}
65 \label{sec:introduction}
66
67 \noindent 
68 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
69 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
70 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
71 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
72 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
73 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
74 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
75 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
76 use as less energy as possible.   Sensor nodes are battery-powered with no means
77 of recharging or replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical
78 environments)  or cost  reasons.  Therefore,  it is  desired that  the  WSNs are
79 deployed with high densities so as to exploit the overlapping sensing regions of
80 some sensor nodes to save energy by  turning off some of them during the sensing
81 phase to prolong the network lifetime.
82
83 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
84 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
85 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the
86 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
87 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
88 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
89 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
90 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
91 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
92 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
93 starts with a discovery phase to  exchange information between sensors of a same
94 subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to
95 carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors
96 for the  sensing phase of the current  period is obtained by  solving an integer
97 program. The  resulting activation  vector is broadcasted  by a leader  to every
98 node of its subregion.
99
100 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
101 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
102 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
103 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
104 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
105 results. The paper  ends with conclusions and some  suggestions for further work
106 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
107
108 \section{\uppercase{Literature Review}}
109 \label{sec:Literature Review}
110
111 \noindent In  this section, we  summarize some related works  regarding coverage
112 problem  and distinguish  our DiLCO  protocol from  the works  presented  in the
113 literature.
114
115 The most discussed coverage  problems in literature
116 can  be classified into  three types  \cite{li2013survey}: area  coverage (where
117 every point inside an area is  to be monitored), target coverage (where the main
118 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets),
119 and  barrier coverage (to  prevent intruders  from entering  into the  region of
120 interest). 
121 {\it In DiLCO  protocol, the area coverage, i.e. the coverage  of every point in
122   the sensing  region, is transformed  to the coverage  of a fraction  of points
123   called primary points. }
124
125 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
126 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
127 non-disjoint)  where each  set completely  covers a  region of  interest  and to
128 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
129 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
130 and the set of  active sensor nodes is decided at the  beginning of each period.
131 Active node selection is determined based on the problem requirements (e.g. area
132 monitoring,  connectivity,  power   efficiency).  Different  methods  have  been
133 proposed in literature.
134 {\it DiLCO protocol  works in periods, where each  period contains a preliminary
135   phase  for information  exchange and  decisions, followed  by a  sensing phase
136   where one cover set is in charge of the sensing task.}
137
138 Various   approaches,   including   centralized,  distributed,   and   localized
139 algorithms, have been proposed to extend the network lifetime.
140 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
141 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
142 In       distributed      algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},
143 information  is   disseminated  throughout   the  network  and   sensors  decide
144 cooperatively by communicating with their neighbors which of them will remain in
145 sleep    mode   for    a   certain    period   of    time.     The   centralized
146 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
147 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
148 of the whole  network, but such a method has the  disadvantage of requiring high
149 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
150 decision needs information from all the sensor nodes in the area.
151
152 A large  variety of coverage scheduling  algorithms have been  proposed. Many of
153 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
154 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
155 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
156 to  say targets  that  are covered  by  the smallest  number  of sensors.  Other
157 approaches  are based  on  mathematical programming  formulations and  dedicated
158 techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization
159 solver).  The problem is formulated  as an optimization problem (maximization of
160 the  lifetime  or  number  of  cover  sets) under  target  coverage  and  energy
161 constraints.   Column  generation techniques,  well-known  and widely  practiced
162 techniques for solving  linear programs with too many  variables, have been also
163 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
164
165 Diongue  and  Thiare~\cite{diongue2013alarm}  proposed  an  energy  aware  sleep
166 scheduling  algorithm  for lifetime  maximization  in  wireless sensor  networks
167 (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to
168 the weibull distribution.  This work did not analyze the  ALARM scheme under the
169 coverage problem.
170
171 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be
172 changed  into a  set coverage  problem. By  using this  model, they  proposed an
173 Energy-Efficient central-Scheduling  greedy algorithm, which  can reduces energy
174 consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of
175 sensor nodes to support the networks periodically.
176
177 In ~\cite{chenait2013distributed},  the authors presented  a coverage-guaranteed
178 distributed  sleep/wake scheduling  scheme so  ass to  prolong  network lifetime
179 while guaranteeing network coverage. This scheme mitigates scheduling process to
180 be more stable by avoiding  useless transitions between states without affecting
181 the coverage level required by the application.
182
183 The work  in~\cite{cheng2014achieving} presented a  unified sensing architecture
184 for duty  cycled sensor  networks, called uSense,  which comprises  three ideas:
185 Asymmetric Architecture, Generic Switching  and Global Scheduling. The objective
186 is to provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
187
188 In~\cite{ling2009energy},  the  lifetime  of  a  sensor  node  is  divided  into
189 epochs. At  each epoch,  the base station  deduces the current  sensing coverage
190 requirement  from application  or user  request. It  then applies  the heuristic
191 algorithm in order to produce the set  of active nodes which take the mission of
192 sensing during the current epoch.  After  that, the produced schedule is sent to
193 the sensor nodes in the network.
194
195 {\it  In DiLCO  protocol,  the area  coverage  is divided  into several  smaller
196   subregions, and in  each of which, a  node called the leader is  on charge for
197   selecting the active sensors for the current period.}
198
199 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated  full area coverage problem under
200 the probabilistic  sensing model in the  sensor networks. They  have studied the
201 relationship between the coverage of two adjacent points mathematically and then
202 convert  the problem of  full area  coverage into  point coverage  problem. They
203 proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select
204 a subset of sensors to provide  probabilistic area coverage dynamically so as to
205 extend the network lifetime.
206
207 The work proposed by  \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in
208 WSNs where  each sensor has variable  sensing radius. The final  objective is to
209 maximize the network coverage lifetime in WSNs.
210
211 {\it  In DiLCO  protocol,  each leader,  in  each subregion,  solves an  integer
212   program with a double objective  consisting in minimizing the overcoverage and
213   limiting  the  undercoverage.  This  program  is inspired  from  the  work  of
214   \cite{pedraza2006}  where the  objective is  to maximize  the number  of cover
215   sets.}
216  
217
218 \iffalse
219
220 Some algorithms have been developed in ~\cite{yang2014energy,ChinhVu,vashistha2007energy,deschinkel2012column,shi2009,qu2013distributed,ling2009energy,xin2009area,cheng2014achieving,ling2009energy} to solve the area coverage problem so as to preserve coverage and prolong the network lifetime.
221
222
223 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
224 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
225 coverage of two adjacent points mathematically and then convert the problem of full area coverage into point coverage problem. They proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset
226 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
227
228
229 Vu et al.~\cite{ChinhVu} proposed a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-area coverage for the whole network. 
230
231  
232 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
233 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
234 algorithm contains two major parts: the first part aims at
235 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
236 energy by decreasing the sensing radius.
237
238 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
239 problem. By using this model, they are proposed  an  Energy-Efficient central-Scheduling greedy algorithm, which can reduces energy consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of sensor nodes to support the networks periodically. 
240
241 The work in~\cite{cheng2014achieving} presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
242
243  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
244 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
245 base station deduces the current sensing coverage requirement
246 from application or user request. It then applies the heuristic algorithm in order to produce the set of active nodes which take the mission of sensing during the current epoch.  After that, the produced schedule is sent to the sensor nodes in the network. 
247 \fi
248
249 \iffalse
250
251 The work in ~\cite{vu2009delaunay} considered the area coverage problem for variable sensing radii in WSNs by improving the energy balancing heuristic proposed in ~\cite{wang2007energy} so that  the area of interest can be full covered using Delaunay triangulation structure.
252
253 Diongue and Thiare~\cite{diongue2013alarm} proposed an energy aware sleep scheduling algorithm for lifetime maximization in wireless sensor networks (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to the weibull distribution. This work did not analyze the ALARM scheme under the coverage problem. 
254  
255
256 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
257 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
258 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
259 connection in the case which loose condition is not meet.
260 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
261 coverage. They are proposed a low-complexity heuristic algorithm to obtain full area information covers (FAIC), which they refer to as Grid Based FAIC (GB-FAIC) algorithm. Using these FAICs, they are obtained the optimal schedule for applying the sensing activity of sensor nodes  in order to
262 achieve increased sensing lifetime of the network. 
263
264
265
266   
267
268
269 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
270
271 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
272 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
273 (2) The distributed dynamic leader election at each period by each sensor node in the subregion, 
274 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
275 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion, and (5) The improved energy consumption model.
276 \fi
277 \iffalse
278 The work presented in~\cite{luo2014parameterized,tian2014distributed} tries to solve the target coverage problem so as to extend the network lifetime since it is easy to verify the coverage status of discreet target.
279 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
280 The work proposed in~\cite{kim2013maximum} considers the barrier-coverage problem in WSNs. The final goal is to maximize the network lifetime such that any penetration of the intruder is detected.
281 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
282 In \cite{ChinhVu},  the authors propose a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-coverage for the whole network. 
283 Our Work in~\cite{idrees2014coverage} proposes a coverage optimization protocol to improve the lifetime in heterogeneous energy wireless sensor networks. In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We are considered only distributing the coverage protocol over two subregions.  
284
285 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
286
287 The work proposed by \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in WSNs where each sensor has variable sensing radius. The final objective is to maximize the network coverage lifetime in WSNs.
288
289
290
291 Casta{\~n}o et al.~\cite{castano2013column} proposed a multilevel approach based on column generation (CG) to  extend the network lifetime with connectivity and coverage constraints. They are included  two heuristic methods  within the CG framework so as to accelerate the solution process. 
292 In \cite{diongue2013alarm}, diongue is proposed an energy Aware sLeep scheduling AlgoRithm for lifetime maximization in WSNs (ALARM) algorithm for coverage lifetime maximization in wireless sensor networks. ALARM is sensor node scheduling approach for lifetime maximization in WSNs in which it schedule redundant nodes according to the weibull distribution  taking into consideration frequent nodes failure.
293 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
294 approach (CWSC) to maintain k-coverage and connectivity. This approach try to select the minimum number of connected sensor nodes that can provide k-coverage ($k \geq 1$).
295 In~\cite{cheng2014achieving}, the authors are presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
296
297 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
298 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. %They are designed $\varepsilon-$full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
299 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
300
301 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
302 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
303 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
304 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
305 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion,
306 (5) The improved energy consumption model.
307
308 \fi
309
310 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
311 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
312
313 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
314 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
315 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
316 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
317 maximize the lifetime in the network.
318 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
319 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
320 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
321 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
322 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
323 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
324 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
325 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
326 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
327 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
328 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
329 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
330 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
331 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
332 \fi
333
334 \subsection{Assumptions and models}
335
336 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
337 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
338 coverage ratio of the interested area at the starting. The nodes are supposed to
339 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
340 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
341 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
342 location discovery algorithm. 
343
344 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
345 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
346 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
347 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
348 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
349 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
350 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
351 working nodes in the active mode.
352
353 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
354 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
355 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
356 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
357 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
358 less accurate according to the number of primary points.
359
360 \iffalse
361 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
362 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
363 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
364 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
365 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
366 sensors, instead of using all the points in the area.
367
368 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
369 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
370 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
371 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
372 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
373 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
374 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
375 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
376 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
377 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
378 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
379 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
380 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
381 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
382 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
383 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
384 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
385
386  \begin{figure}[h!]
387 \centering
388  \begin{multicols}{3}
389 \centering
390 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
391 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
392 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
393 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
394 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
395 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
396 \end{multicols} 
397 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
398 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
399 \label{fig1}
400 \end{figure}
401
402 \fi
403
404 \subsection{The main idea}
405 \label{main_idea}
406
407 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
408 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
409 executed   simultaneously  in   each   subregion.
410
411 \begin{figure}[ht!]
412 \centering
413 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
414 \caption{DiLCO protocol}
415 \label{fig2}
416 \end{figure} 
417
418 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
419 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
420 Leader Election ,  Decision, and Sensing. For each period  there will be exactly
421 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
422 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
423 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
424 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
425 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
426 region  of interest,  it will  only  affect the  quality of  coverage until  the
427 definition of a new cover set  in the next period.  Constraints, like the energy
428 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
429 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
430 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
431 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
432 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
433
434 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packets will be used:
435 %\begin{enumerate}[(a)]
436 \begin{itemize} 
437 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
438   subregion for information exchange.
439 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
440   to inform them to be stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
441 \end{itemize}
442 %\end{enumerate}
443 and each sensor node will have five possible status in the network:
444 %\begin{enumerate}[(a)] 
445 \begin{itemize} 
446 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
447 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
448 \item ACTIVE: sensor is active;
449 \item SLEEP: sensor is turned off;
450 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
451 \end{itemize}
452 %\end{enumerate}
453
454 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
455 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
456 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
457 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
458 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
459 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
460 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
461 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
462 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
463 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
464 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
465 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
466 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
467 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
468 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
469 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
470
471 \iffalse
472 \subsubsection{Information Exchange Phase}
473
474 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
475 the number of neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
476 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
477 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
478 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
479 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
480 active mode.
481
482 \subsubsection{Leader Election Phase}
483 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
484 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
485 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
486 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
487 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
488 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
489 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
490 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
491 equality, larger index. 
492
493 \subsubsection{Decision phase}
494 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
495 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
496 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
497 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
498
499
500 \subsubsection{Sensing phase}
501
502 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
503 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
504 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
505 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
506 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
507 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
508 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
509 obtained.
510
511 \fi
512
513
514 \iffalse
515 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
516 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
517 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
518
519 \begin{algorithm}[h!]                
520  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
521 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
522   \BlankLine
523   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
524   
525   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
526       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
527       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
528       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
529       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
530       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
531       
532       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
533       \emph{LeaderID = Leader election}\;
534       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
535         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
536         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
537           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
538         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
539         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
540         \emph{Update $RE_j $}\;
541       }   
542       \Else{
543         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
544         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
545         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
546         \emph{Update $RE_j $}\;
547       }  
548       %  }
549   }
550   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
551   
552  %   \emph{return X} \;
553 \caption{DiLCO($s_j$)}
554 \label{alg:DiLCO}
555
556 \end{algorithm}
557
558 \iffalse
559 The DiLCO protocol work in rounds and executed at each sensor node in the network , each sensor node can still sense data while being in
560 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
561 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
562 Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list L.
563 The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader to take the decision. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will select the set of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's status during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next round. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, all the sensor nodes in the same subregion will start new round by executing the DiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
564 \fi
565
566
567 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
568 \label{cp}
569
570 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
571 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
572 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
573 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
574 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
575 model, we  consider binary  variable $X_{j}$ which  determine the  activation of
576 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
577 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
578
579 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
580 point $p$ is covered, that is:
581 \begin{equation}
582 \alpha_{jp} = \left \{ 
583 \begin{array}{l l}
584   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
585  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
586   0 & \mbox{otherwise.}\\
587 \end{array} \right.
588 %\label{eq12} 
589 \end{equation}
590 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
591 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
592 \begin{equation}
593 X_{j} = \left \{ 
594 \begin{array}{l l}
595   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
596   0 &  \mbox{otherwise.}\\
597 \end{array} \right.
598 %\label{eq11} 
599 \end{equation}
600 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
601 \begin{equation}
602  \Theta_{p} = \left \{ 
603 \begin{array}{l l}
604   0 & \mbox{if the primary point}\\
605     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
606   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
607 \end{array} \right.
608 \label{eq13} 
609 \end{equation}
610 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
611 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
612 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
613 \begin{equation}
614 U_{p} = \left \{ 
615 \begin{array}{l l}
616   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
617   0 & \mbox{otherwise.}\\
618 \end{array} \right.
619 \label{eq14} 
620 \end{equation}
621
622 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
623 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
624 \left \{
625 \begin{array}{ll}
626 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
627 \textrm{subject to :}&\\
628 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
629 %\label{c1} 
630 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
631 %\label{c2}
632 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
633 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
634 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
635 \end{array}
636 \right.
637 \end{equation}
638
639 \begin{itemize}
640 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
641   if yes and 0 if not);
642 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
643   are covering the primary point $p$;
644 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
645   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
646 \end{itemize}
647
648 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
649 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
650 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
651 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
652 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
653 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
654 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
655 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
656 period.
657
658 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
659 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
660 \noindent \subsection{Simulation framework}
661
662 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
663 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
664 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
665
666 \begin{table}[ht]
667 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
668 % title of Table
669 \centering
670 % used for centering table
671 \begin{tabular}{c|c}
672 % centered columns (4 columns)
673       \hline
674 %inserts double horizontal lines
675 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
676    
677 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
678 % inserts table
679 %heading
680 \hline
681 % inserts single horizontal line
682 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
683 % inserting body of the table
684 %\hline
685 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
686 %\hline
687 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
688 %\hline
689 Sensing Period & 60 Minutes \\
690 $E_{th}$ & 36 Joules\\
691 $R_s$ & 5~m   \\     
692 %\hline
693 $w_{\Theta}$ & 1   \\
694 % [1ex] adds vertical space
695 %\hline
696 $w_{U}$ & $|P|^2$
697 %inserts single line
698 \end{tabular}
699 \label{table3}
700 % is used to refer this table in the text
701 \end{table}
702
703 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
704 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
705 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
706 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
707 high coverage ratio.
708
709 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
710 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
711 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
712 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
713 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
714 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
715 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
716 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
717 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
718 all the other unit  can be be switched off to save  energy according to the node
719 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
720 second) by a node for each of its possible status.
721
722 \begin{table}[ht]
723 \caption{Energy consumption model}
724 % title of Table
725 \centering
726 % used for centering table
727 {\scriptsize
728 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
729 % centered columns (4 columns)
730       \hline
731 %inserts double horizontal lines
732 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
733 \hline
734 % inserts single horizontal line
735 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
736 % inserting body of the table
737 \hline
738 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
739 \hline
740 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
741 \hline
742 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
743 %\hline
744 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
745  \hline
746 \end{tabular}
747 }
748
749 \label{table4}
750 % is used to refer this table in the text
751 \end{table}
752
753 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
754 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
755 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
756 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
757 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
758 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
759 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
760 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
761 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
762 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
763 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
764 is equal to 0.2575 mW.
765
766 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
767 interval  $[500-700]$.  If  it's  energy  provision reaches  a  value below  the
768 threshold  $E_{th}=36$~Joules, the  minimum energy  needed  for a  node to  stay
769 active during one period, it will no more participate in the coverage task. This
770 value  corresponds  to the  energy  needed by  the  sensing  phase, obtained  by
771 multiplying the energy consumed in active  state (9.72 mW) by the time in seconds
772 for one period (3600 seconds), and  adding the energy for the pre-sensing phases.
773 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
774 most 20 rounds.
775
776 In the simulations,  we introduce the follow80ing performance  metrics to evaluate
777 the efficiency of our approach:
778
779 %\begin{enumerate}[i)]
780 \begin{itemize}
781 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
782   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
783   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
784   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
785   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
786   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
787   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
788   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
789   event in the area that it monitors.
790   
791     
792 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
793   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
794   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
795   coverage ratio: 
796 \begin{equation*}
797 \scriptsize
798 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
799 \end{equation*}
800 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
801 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is  total number  of grid
802 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
803 \times 26 = 1326$ grid points.
804 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
805 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
806 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
807 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
808
809 \iffalse
810
811 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
812 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
813 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
814 \begin{equation*}
815 \scriptsize
816 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
817 \end{equation*}
818 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
819
820 \fi
821
822 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
823   total   energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
824   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
825   of EC can be expressed as follows:
826   \begin{equation*}
827     \scriptsize
828     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
829       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
830   \end{equation*}
831
832 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total  energy consumed by
833 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
834 factors. The  first one , denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represent the
835 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
836 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
837 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
838 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
839 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
840 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
841 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
842
843
844 \iffalse 
845 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
846   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
847   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
848   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
849  
850 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation ends when the sensor network
851   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
852   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
853   to network disconnections and for which round it occurs.
854
855 \fi
856
857 \end{itemize}
858 %\end{enumerate}
859
860
861 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
862 \subsection{Performance analysis}
863 \label{sub1}
864
865 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
866 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
867 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
868 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
869 without  partitioning  the  area  of  interest,  case  which  corresponds  to  a
870 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
871 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
872
873 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
874 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
875 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
876 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
877 chosen to remain active during the sensing phase.
878
879 \subsubsection{Coverage ratio} 
880
881 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
882 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a little  better  coverage ratio
883 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
884 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
885 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
886 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
887 fast decrease  with the number  of periods and  reaches zero value  in period~18
888 (respectively 46), whereas  the other versions of DiLCO, DESK,  and GAF ensure a
889 coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We  believe that the results
890 obtained with these two methods can be explained by a high consumption of energy
891 and we will check this assumption in the next subsection.
892
893 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
894 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
895 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
896 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
897 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
898 nodes, and thus allow to extend the network lifetime.
899
900 \parskip 0pt    
901 \begin{figure}[t!]
902 \centering
903  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
904 \caption{Coverage ratio}
905 \label{fig3}
906 \end{figure} 
907
908 %As shown in the figure ~\ref{fig3}, as the number of subregions increases,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of periods. Coverage ratio decreases when the number of periods increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
909 %thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to  ensure the coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are
910 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
911 %the area of interest into 8, 16 and 32~subregions if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.%
912
913 \subsubsection{Energy consumption}
914
915 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
916 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
917 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
918 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
919 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
920 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
921 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
922 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
923 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
924 used for the different performance metrics.
925
926 \begin{figure}[h!]
927 \centering
928 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
929 \caption{Energy consumption}
930 \label{fig95}
931 \end{figure} 
932
933 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
934 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
935 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
936 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
937 nodes set active by DESK and GAF.
938
939
940 %In fact,  a distributed  method on the subregions greatly reduces the number of communications and the time of listening so thanks to the partitioning of the initial network into several independent subnetworks. 
941 %As shown in Figures~\ref{fig95} and ~\ref{fig50} , DiLCO-2 consumes more energy than the other versions of DiLCO, especially for large sizes of network. This is easy to understand since the bigger the number of sensors involved in the integer program, the larger the time computation to solve the optimization problem as well as the higher energy consumed during the communication.  
942
943 \subsubsection{Execution time}
944
945 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
946 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
947 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
948 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
949 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
950 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
951 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
952 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
953 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
954 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
955 Figure~\ref{fig8}.
956
957 \begin{figure}[h!]
958 \centering
959 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
960 \caption{Execution time in seconds}
961 \label{fig8}
962 \end{figure} 
963
964 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
965 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
966 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
967 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
968 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
969 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
970 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
971 possible high  coverage. In fact excessive  subdivision of the  area of interest
972 prevents   to  ensure   good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
973 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
974 between execution time and coverage performance.
975
976 %The DiLCO-32 has more suitable times in the same time it turn on redundent nodes more.  We think that in distributed fashion the solving of the  optimization problem in a subregion can be tackled by sensor nodes. Overall, to be able to deal  with very large networks,  a distributed method is clearly required.
977
978 \subsubsection{Network lifetime}
979
980 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
981 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
982 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
983 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
984 network lifetime.
985
986 \begin{figure}[h!]
987 \centering
988 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
989 \caption{Network lifetime}
990 \label{figLT95}
991 \end{figure} 
992
993 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
994 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
995 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
996 ensure the  wider monitoring.  For a  same level of  coverage, DiLCO outperforms
997 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
998 the larger level  of coverage ($95\%$) in case of  our protocol, the subdivision
999 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
1000
1001 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
1002 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
1003 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
1004 % letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds. Comparison shows that our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols, which are used distributed optimization over the subregions, are the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
1005 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1006
1007 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
1008 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
1009
1010 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
1011 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longest
1012 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
1013 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
1014 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
1015 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
1016 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
1017 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
1018 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
1019 performances.   In a subregion,  our protocol  consists to  elect a  leader node
1020 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
1021 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
1022 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
1023 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
1024 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
1025 study the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
1026 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
1027 increasing the  number of subregions allows  to improves the  lifetime. The more
1028 there  are   subregions,  the  more   the  network  is  robust   against  random
1029 disconnection resulting from dead nodes.  However, for a given sensing field and
1030 network size  there is an optimal  number of subregions.  Therefore,  in case of
1031 our simulation  context a  subdivision in $16$~subregions  seems to be  the most
1032 relevant. The optimal number of subregions will be investigated in the future.
1033
1034 \iffalse
1035 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1036 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1037 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1038 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1039 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
1040 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
1041 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
1042 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1043 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1044 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1045 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1046 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1047 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1048 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1049 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1050 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time, and the number of stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
1051 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1052 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1053 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1054 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1055
1056 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1057 computes  all active sensor schedules in one time, using
1058 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
1059   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1060   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1061 The computation of all cover sets in one time is far more
1062 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
1063 \fi
1064
1065 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
1066
1067 \noindent  As  a Ph.D.  student,  Ali Kadhum  IDREES  would  like to  gratefully
1068 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
1069 Campus France for the received support.
1070
1071 %\vfill
1072 \bibliographystyle{apalike}
1073 {\small
1074 \bibliography{Example}}
1075
1076 %\vfill
1077 \end{document}