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