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1 % This is IJUC.TEX the demonstration file of\r
2 % the LaTeX macro package for International Journal of Unconventional Computation,\r
3 % version 0.1 for LaTeX2e\r
4 \r
5 \documentclass{ijuc}\r
6 \usepackage[pdftex]{graphics}\r
7 \usepackage[linesnumbered,ruled,vlined,commentsnumbered]{algorithm2e}\r
8 \r
9 \begin{document}\r
10 \r
11 \title{Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}\r
12 \r
13 \author{Ali Kadhum Idrees\inst{1}\r
14 \and Karine Deschinkel\inst{1}\r
15 \and Michel Salomon\inst{1}\email{michel.salomon@univ-fcomte.fr}\r
16 \and Rapha\"el Couturier\inst{1}\r
17 }\r
18 \r
19 \institute{FEMTO-ST Institute, UMR 6174 CNRS, University of Franche-Comt\'e, France}\r
20 \r
21 \def\received{Received 21 October 2014}\r
22 \r
23 \maketitle\r
24 \r
25 \begin{abstract}\r
26 One of  the main  research challenges  faced in wireless  sensor networks  is to\r
27 preserve continuously and effectively the coverage  of an area of interest to be\r
28 monitored, while simultaneously preventing as much as possible a network failure\r
29 due  to battery-depleted  nodes.   In this  paper  we propose  a protocol  which\r
30 maintains the coverage  and improves the lifetime of  a wireless sensor network.\r
31 First,  we partition  the area  of interest  into subregions  using  a classical\r
32 divide-and-conquer method.  Our protocol is then distributed on the sensor nodes\r
33 in each  subregion in  a second  step.  To fulfill  our objective,  the proposed\r
34 protocol combines two techniques: a  leader election in each subregion, followed\r
35 by  an optimization-based  node activity  scheduling performed  by  each elected\r
36 leader.  This  two-step process takes  place periodically. The  simulations done\r
37 using the  discrete event simulator  OMNeT++ show that  our approach is  able to\r
38 increase the WSN lifetime and provides improved coverage performance.\r
39 \end{abstract}\r
40 \r
41 \keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,\r
42   Optimization, Scheduling.}\r
43 \r
44 \section{Introduction}\r
45 \label{sec:introduction}\r
46 \r
47 Energy efficiency  is a crucial issue  in Wireless Sensor  Networks (WSNs) since\r
48 sensory consumption, in  order to maximize the network  lifetime, represents the\r
49 major difficulty  when designing WSNs. As  a consequence, one  of the scientific\r
50 research  challenges in  WSNs, which  has been  addressed by  a large  amount of\r
51 literature  during  the  last few  years,  is  the  design of  energy  efficient\r
52 approaches  for   coverage  and  connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage\r
53 reflects  how well  a sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to\r
54 monitor the area  of interest in the most  efficient way~\cite{Nayak04}.  On the\r
55 other  hand we  want to  use as  little energy  as possible.   Sensor  nodes are\r
56 battery-powered  with  no means  of  recharging  or  replacing, usually  due  to\r
57 environmental (hostile or unpractical environments) or cost reasons.  Therefore,\r
58 it is desired  that the WSNs are  deployed with high densities so  as to exploit\r
59 the overlapping sensing  regions of some sensor nodes to  save energy by turning\r
60 off some of them during the sensing phase to prolong the network lifetime.\r
61 \r
62 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem\r
63 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the\r
64 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the\r
65 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first\r
66 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity\r
67 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each\r
68 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each\r
69 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the\r
70 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due\r
71 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period\r
72 starts with  a discovery  phase to exchange  information between sensors  of the\r
73 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the\r
74 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of\r
75 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving\r
76 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader\r
77 to every node of its subregion.\r
78 \r
79 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}\r
80 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes\r
81 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model\r
82 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of\r
83 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation\r
84 results. The paper ends with a conclusion and some suggestions for further work.\r
85 \r
86 \section{Literature Review}\r
87 \label{sec:Literature Review}\r
88 \r
89 In this section, we summarize  some related works regarding the coverage problem\r
90 and distinguish our DiLCO protocol from the works presented in the literature.\r
91 \r
92 The most discussed coverage problems  in literature can be classified into three\r
93 types \cite{li2013survey}:  area coverage \cite{Misra} where  every point inside\r
94 an area is to be  monitored, target coverage \cite{yang2014novel} where the main\r
95 objective is  to cover only a  finite number of discrete  points called targets,\r
96 and barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to prevent intruders\r
97 from entering into the region  of interest. In \cite{Deng2012} authors transform\r
98 the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the\r
99 intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes\r
100 and boundaries.  {\it In DiLCO protocol, the area coverage, i.e. the coverage of\r
101   every  point in  the  sensing region,  is  transformed to  the  coverage of  a\r
102   fraction of points called primary points. }\r
103 \r
104 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to\r
105 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or\r
106 non-disjoint), where  each set  completely covers a  region of interest,  and to\r
107 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in\r
108 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,\r
109 and the set  of active sensor nodes  is decided at the beginning  of each period\r
110 \cite{ling2009energy}.  Active node selection is determined based on the problem\r
111 requirements  (e.g.   area  monitoring,  connectivity, power  efficiency).   For\r
112 instance,  Jaggi et  al.   \cite{jaggi2006} address  the  problem of  maximizing\r
113 network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets\r
114 such  that each  subset  can ensure  both  coverage and  connectivity. A  greedy\r
115 algorithm  is applied  once to  solve  this problem  and the  computed sets  are\r
116 activated  in   succession  to  achieve   the  desired  network   lifetime.   Vu\r
117 \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a\r
118 periodic fashion where a cover set  is computed at the beginning of each period.\r
119 {\it  Motivated by  these works,  DiLCO protocol  works in  periods,  where each\r
120   period contains  a preliminary phase  for information exchange  and decisions,\r
121   followed by a  sensing phase where one  cover set is in charge  of the sensing\r
122   task.}\r
123 \r
124 Various approaches, including centralized,  or distributed algorithms, have been\r
125 proposed     to    extend    the     network    lifetime.      In    distributed\r
126 algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},       information      is\r
127 disseminated  throughout  the  network   and  sensors  decide  cooperatively  by\r
128 communicating with their neighbors which of them will remain in sleep mode for a\r
129 certain         period         of         time.          The         centralized\r
130 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always\r
131 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view\r
132 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high\r
133 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the\r
134 decision needs information from all the  sensor nodes in the area and the amount\r
135 of  information can  be huge.   {\it  In order  to be  suitable for  large-scale\r
136   network,  in the DiLCO  protocol, the  area coverage  is divided  into several\r
137   smaller subregions, and in each one, a node called the leader is in charge for\r
138   selecting the active sensors for the current period.}\r
139 \r
140 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of\r
141 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover\r
142 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set\r
143 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is\r
144 to  say   targets  that   are  covered  by   the  smallest  number   of  sensors\r
145 \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other  approaches are based  on mathematical\r
146 programming formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014}\r
147 and dedicated  techniques (solving with a  branch-and-bound algorithms available\r
148 in optimization solver).   The problem is formulated as  an optimization problem\r
149 (maximization of the lifetime or number of cover sets) under target coverage and\r
150 energy  constraints.   Column   generation  techniques,  well-known  and  widely\r
151 practiced techniques for  solving linear programs with too  many variables, have\r
152 also                                                                         been\r
153 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it In DiLCO\r
154   protocol, each  leader, in  each subregion, solves  an integer program  with a\r
155   double objective  consisting in minimizing  the overcoverage and  limiting the\r
156   undercoverage.  This  program is inspired from the  work of \cite{pedraza2006}\r
157   where the objective is to maximize the number of cover sets.}\r
158 \r
159 \section{Description of the DiLCO protocol}\r
160 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}\r
161 \r
162 In this  section, we introduce the  DiLCO protocol which is  distributed on each\r
163 subregion in  the area of  interest.  It is  based on two  efficient techniques:\r
164 network leader election and sensor activity scheduling for coverage preservation\r
165 and  energy  conservation,  applied  periodically to  efficiently  maximize  the\r
166 lifetime in the network.\r
167 \r
168 \subsection{Assumptions and models}\r
169 \r
170 We consider a sensor network  composed of static nodes distributed independently\r
171 and  uniformly at random.   A high  density deployment  ensures a  high coverage\r
172 ratio  of the  interested area  at the  start. The  nodes are  supposed  to have\r
173 homogeneous characteristics from a communication and a processing point of view,\r
174 whereas they have heterogeneous energy  provisions.  Each node has access to its\r
175 location thanks, either to a hardware component (like a GPS unit), or a location\r
176 discovery algorithm.\r
177 \r
178 We consider a  boolean disk coverage model which is the  most widely used sensor\r
179 coverage model  in the literature. Thus,  since a sensor has  a constant sensing\r
180 range $R_s$,  every space  points within a  disk centered  at a sensor  with the\r
181 radius of the sensing range is said to be covered by this sensor. We also assume\r
182 that   the  communication   range  $R_c   \geq  2R_s$.    In  fact,   Zhang  and\r
183 Hou~\cite{Zhang05} proved  that if the transmission range  fulfills the previous\r
184 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the\r
185 working nodes in the active mode.\r
186 \r
187 For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary\r
188 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,\r
189 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk\r
190 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its\r
191 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or\r
192 less accurate according to the number of primary points.\r
193 \r
194 \subsection{Main idea}\r
195 \label{main_idea}\r
196 \r
197 We start  by applying  a divide-and-conquer algorithm  to partition the  area of\r
198 interest into smaller areas called  subregions and then our protocol is executed\r
199 simultaneously in each subregion.\r
200 \r
201 \begin{figure}[ht!]\r
202 \begin{center}\r
203 \scalebox{0.5}{\includegraphics{FirstModel.pdf}}\r
204 \end{center}\r
205 \caption{DiLCO protocol.}\r
206 \label{fig2}\r
207 \end{figure}\r
208 \r
209 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic\r
210 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,\r
211 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly\r
212 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is\r
213 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node\r
214 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or\r
215 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling\r
216 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the\r
217 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the\r
218 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy\r
219 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update\r
220 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the\r
221 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and\r
222 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be\r
223 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.\r
224 \r
225 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:\r
226 %\begin{enumerate}[(a)]\r
227 \begin{itemize} \r
228 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same\r
229   subregion for information exchange.\r
230 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion\r
231   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.\r
232 \end{itemize}\r
233 %\end{enumerate}\r
234 and each sensor node will have five possible status in the network:\r
235 %\begin{enumerate}[(a)] \r
236 \begin{itemize} \r
237 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);\r
238 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;\r
239 \item ACTIVE: sensor is active;\r
240 \item SLEEP: sensor is turned off;\r
241 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.\r
242 \end{itemize}\r
243 %\end{enumerate}\r
244 \r
245 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}\r
246 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a\r
247 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has\r
248 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges\r
249 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it\r
250 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,\r
251 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is\r
252 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based\r
253 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of\r
254 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.\r
255 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program\r
256 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be\r
257 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet\r
258 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or\r
259 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the\r
260 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.\r
261 \r
262 \r
263 \begin{algorithm}         \r
264 \r
265   \BlankLine\r
266   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; \r
267   \r
268   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{\r
269       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;\r
270       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;\r
271       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; \r
272       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;\r
273       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;\r
274       \r
275       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{\r
276       \emph{LeaderID = Leader election}\;\r
277       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{\r
278         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;\r
279         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =\r
280           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;\r
281         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;\r
282         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;\r
283         \emph{Update $RE_j $}\;\r
284       }   \r
285       \Else{\r
286         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;\r
287         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;\r
288 \r
289         \emph{Update $RE_j $}\;\r
290       }  \r
291       %  }\r
292   }\r
293   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}\r
294  %   \emph{return X} \;\r
295 \caption{DiLCO($s_j$)}\r
296 \label{alg:DiLCO}\r
297 \end{algorithm}\r
298 \r
299 \section{Coverage problem formulation}\r
300 \label{cp}\r
301 \r
302 Our  model  is based  on  the model  proposed  by  \cite{pedraza2006} where  the\r
303 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish\r
304 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage\r
305 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary\r
306 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our\r
307 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of\r
308 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.\r
309 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.\r
310 \r
311 Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary point $p$\r
312 is covered, that is:\r
313 \begin{equation}\r
314 \alpha_{jp} = \left \{ \r
315 \begin{array}{l l}\r
316   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\\r
317  & \mbox{by sensor node $j$}, \\\r
318   0 & \mbox{otherwise.}\\\r
319 \end{array} \right.\r
320 %\label{eq12} \r
321 \end{equation}\r
322 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be\r
323 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:\r
324 \begin{equation}\r
325 X_{j} = \left \{ \r
326 \begin{array}{l l}\r
327   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\\r
328   0 &  \mbox{otherwise.}\\\r
329 \end{array} \right.\r
330 %\label{eq11} \r
331 \end{equation}\r
332 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:\r
333 \begin{equation}\r
334  \Theta_{p} = \left \{ \r
335 \begin{array}{l l}\r
336   0 & \mbox{if the primary point}\\\r
337     & \mbox{$p$ is not covered,}\\\r
338   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\\r
339 \end{array} \right.\r
340 \label{eq13} \r
341 \end{equation}\r
342 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor\r
343 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable\r
344 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:\r
345 \begin{equation}\r
346 U_{p} = \left \{ \r
347 \begin{array}{l l}\r
348   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\\r
349   0 & \mbox{otherwise.}\\\r
350 \end{array} \right.\r
351 \label{eq14} \r
352 \end{equation}\r
353 \r
354 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:\r
355 \begin{equation} \label{eq:ip2r}\r
356 \left \{\r
357 \begin{array}{ll}\r
358 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\\r
359 \textrm{subject to :}&\\\r
360 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\\r
361 %\label{c1} \r
362 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\\r
363 %\label{c2}\r
364 \Theta_{p}\in N, &\forall p \in P\\\r
365 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P\\\r
366 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J\r
367 \end{array}\r
368 \right.\r
369 \end{equation}\r
370 \r
371 \begin{itemize}\r
372 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1\r
373   if yes and 0 if not);\r
374 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that\r
375   are covering the primary point $p$;\r
376 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point\r
377   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).\r
378 \end{itemize}\r
379 \r
380 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be\r
381 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage\r
382 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking\r
383 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the\r
384 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,\r
385 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the\r
386 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen to\r
387 guarantee that the maximum number of points are covered during each period.\r
388 \r
389 \section{Protocol evaluation}\r
390 \label{sec:Simulation Results and Analysis}\r
391 \r
392 \subsection{Simulation framework}\r
393 \r
394 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete event\r
395 simulator  OMNeT++   \cite{varga}  to  run  different   series  of  simulations.\r
396 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.\r
397 \r
398 \begin{table}\r
399 \caption{Relevant parameters for network initializing.}\r
400 % title of Table\r
401 \centering\r
402 % used for centering table\r
403 \begin{tabular}{c|c}\r
404 % centered columns (4 columns)\r
405 \hline\r
406 %inserts double horizontal lines\r
407 Parameter & Value  \\ [0.5ex]\r
408 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]\r
409 % inserts table\r
410 %heading\r
411 \hline\r
412 % inserts single horizontal line\r
413 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\\r
414 % inserting body of the table\r
415 %\hline\r
416 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\\r
417 %\hline\r
418 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  \r
419 %\hline\r
420 Sensing Period & 60 Minutes \\\r
421 $E_{th}$ & 36 Joules\\\r
422 $R_s$ & 5~m   \\     \r
423 %\hline\r
424 $w_{\Theta}$ & 1   \\\r
425 % [1ex] adds vertical space\r
426 %\hline\r
427 $w_{U}$ & $|P|^2$\r
428 %inserts single line\r
429 \end{tabular}\r
430 \label{table3}\r
431 % is used to refer this table in the text\r
432 \end{table}\r
433 \r
434 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were\r
435 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain\r
436 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of\r
437 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a\r
438 high coverage ratio.\r
439 \r
440 We  chose as  energy  consumption  model the  one  proposed proposed  \linebreak\r
441 by~\cite{ChinhVu}  and   based  on  ~\cite{raghunathan2002energy}   with  slight\r
442 modifications. The energy  consumed by the communications is  added and the part\r
443 relative to a  variable sensing range is removed. We also  assume that the nodes\r
444 have   the   characteristics   of   the   Medusa   II   sensor   node   platform\r
445 \cite{raghunathan2002energy}.  A sensor node typically consists of four units: a\r
446 MicroController Unit, an Atmels AVR ATmega103L  in case of Medusa II, to perform\r
447 the  computations;  a  communication  (radio)  unit able  to  send  and  receive\r
448 messages; a  sensing unit  to collect  data; a power  supply which  provides the\r
449 energy consumed by node. Except the  battery, all the other unit can be switched\r
450 off to save energy according  to the node status.  Table~\ref{table4} summarizes\r
451 the energy consumed (in milliWatt per second) by a node for each of its possible\r
452 status.\r
453 \r
454 \begin{table}\r
455 \caption{Energy consumption model.}\r
456 % title of Table\r
457 \centering\r
458 % used for centering table\r
459 {\scriptsize\r
460 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}\r
461 % centered columns (4 columns)\r
462 \hline\r
463 %inserts double horizontal lines\r
464 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]\r
465 \hline\r
466 % inserts single horizontal line\r
467 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\\r
468 % inserting body of the table\r
469 \hline\r
470 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\\r
471 \hline\r
472 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\\r
473 \hline\r
474 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\\r
475 %\hline\r
476 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\\r
477  \hline\r
478 \end{tabular}\r
479 }\r
480 \label{table4}\r
481 \end{table}\r
482 \r
483 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,\r
484 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected\r
485 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio\r
486 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can\r
487 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of\r
488 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and\r
489 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or\r
490 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a\r
491 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume\r
492 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and\r
493 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus\r
494  equal to 0.2575~mW.\r
495 \r
496 Each node  has an initial  energy level, in  Joules, which is randomly  drawn in\r
497 $[500-700]$.   If its  energy  provision  reaches a  value  below the  threshold\r
498 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during\r
499 one  period, it  will  no longer  take part  in  the coverage  task. This  value\r
500 corresponds to the  energy needed by the sensing  phase, obtained by multiplying\r
501 the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by  the time in seconds  for one\r
502 period  (3,600 seconds),  and  adding  the energy  for  the pre-sensing  phases.\r
503 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at\r
504 most 20 periods.\r
505 \r
506 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate\r
507 the efficiency of our approach:\r
508 \r
509 \begin{itemize}\r
510 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until\r
511   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by\r
512   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which\r
513   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively\r
514   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its\r
515   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network\r
516   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity\r
517   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed\r
518   event in the area that it monitors.\r
519      \r
520 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to \r
521   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field\r
522   as a regular grid, which yields the following equation to compute the\r
523   coverage ratio: \r
524   $$\r
525     \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100,\r
526   $$\r
527   where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every\r
528   subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid\r
529   points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51\r
530   \times 26 = 1326$ grid points.\r
531 \r
532 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the\r
533   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   \r
534   or $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation\r
535   of EC can be expressed as follows:\r
536   $$\r
537     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{com}_m+E^{list}_m+E^{comp}_m  \r
538       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},\r
539   $$\r
540 where $M$  corresponds to  the number  of periods.  The  total amount  of energy\r
541 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main\r
542 energy  factors.  The  first  one, denoted  $E^{com}_m$,  represents the  energy\r
543 consumption spent  by all  the nodes for  wireless communications  during period\r
544 $m$.  $E^{list}_m$, the  next factor, corresponds to the  energy consumed by the\r
545 sensors in LISTENING status before receiving  the decision to go active or sleep\r
546 in period $m$.  $E^{comp}_m$ refers to the energy needed by all the leader nodes\r
547 to solve the integer program  during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$\r
548 indicate the energy  consumed by the whole network in  the sensing phase (active\r
549 and sleeping nodes).\r
550 \end{itemize}\r
551 \r
552 \subsection{Performance analysis}\r
553 \label{sub1}\r
554 \r
555 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for\r
556 different numbers  of subregions.  We consider  partitions of the  WSN area into\r
557 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in\r
558 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations\r
559 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a\r
560 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution\r
561 times to solve the integer program and thus consume too much energy.\r
562 \r
563 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and\r
564 proposed  by~\cite{ChinhVu}, is  a  fully distributed  coverage algorithm.   The\r
565 second one,  called GAF~\cite{xu2001geography}, consists in  dividing the region\r
566 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is\r
567 chosen to remain active during the sensing phase.\r
568 \r
569 \subsubsection{Coverage ratio} \r
570 \r
571 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It\r
572 can be seen  that both DESK and  GAF provide a coverage ratio  which is slightly\r
573 better  compared to  DiLCO in  the  first thirty  periods.  This  can be  easily\r
574 explained  by  the number  of  active nodes:  the  optimization  process of  our\r
575 protocol activates less  nodes than DESK or GAF, resulting  in a slight decrease\r
576 of the coverage  ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage\r
577 ratio exhibits a fast decrease with the number of periods and reaches zero value\r
578 in period~18 (respectively  46), whereas the other versions  of DiLCO, DESK, and\r
579 GAF ensure a coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We believe that\r
580 the  results  obtained  with these  two  methods  can  be  explained by  a  high\r
581 consumption of energy and we will check this assumption in the next subsection.\r
582 \r
583 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more\r
584 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage\r
585 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a\r
586 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large\r
587 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of\r
588 nodes, and thus enables the extension of the lifetime.\r
589    \r
590 \begin{figure}\r
591 \begin{center}\r
592 \scalebox{0.5}{\includegraphics{R/CR.pdf}}\r
593 \end{center}\r
594 \caption{Coverage ratio}\r
595 \label{fig3}\r
596 \end{figure} \r
597 \r
598 \subsubsection{Energy consumption}\r
599 \r
600 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and\r
601 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with\r
602 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed\r
603 according to its successive status,  for different network densities.  We denote\r
604 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount\r
605 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively\r
606 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.\r
607 Figure~\ref{fig95}  presents the  energy  consumptions per  period observed  for\r
608 network sizes  going from 50 to 250~nodes.  Let us notice that  the same network\r
609 sizes will be used for the different performance metrics.\r
610 \r
611 \begin{figure}\r
612 \begin{center}\r
613 \scalebox{0.5}{\includegraphics{R/EC.pdf}}\r
614 \end{center}\r
615 \caption{Energy consumption per period.}\r
616 \label{fig95}\r
617 \end{figure} \r
618 \r
619 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our\r
620 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and\r
621 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a\r
622 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of\r
623 nodes set active  by DESK and GAF. \r
624 \r
625 % New paragraph - Michel\r
626 Now, if we consider a same  protocol, we can notice that the average consumption\r
627 per  period increases slightly  for our  protocol when  increasing the  level of\r
628 coverage and the number of nodes, whereas it increases more largely for DESK and\r
629 GAF. That means even if a larger network allows to improve the number of periods\r
630 with a minimum  coverage level value, this improvement has  a higher energy cost\r
631 per  period due  to communication  overhead  and a  more difficult  optimization\r
632 problem.   However,  in  comparison  with  DESK  and GAF,  our  approach  has  a\r
633 reasonable energy overcost.\r
634 \r
635 \subsubsection{Execution time}\r
636 \r
637 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time\r
638 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for\r
639 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to\r
640 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are\r
641 obtained on a laptop DELL which  has an Intel Core~i3~2370~M (2.4~GHz) dual core\r
642 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on\r
643 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the\r
644 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by\r
645 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times\r
646 \frac{1}{6}\right)$.\r
647 % The expected times on a sensor node are reported on Figure~\ref{fig8}.\r
648 \r
649 \begin{figure}\r
650 \begin{center}\r
651 \scalebox{0.5}{\includegraphics{R/T.pdf}}\r
652 \end{center}\r
653 \caption{Execution time in seconds.}\r
654 \label{fig8}\r
655 \end{figure} \r
656 \r
657 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison\r
658 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a\r
659 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a\r
660 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to\r
661 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a\r
662 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe\r
663 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as\r
664 possible high coverage. In fact an excessive subdivision of the area of interest\r
665 prevents  it  to  ensure a  good  coverage  especially  on  the borders  of  the\r
666 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off\r
667 between execution time and coverage performance.\r
668 \r
669 \subsubsection{Network lifetime}\r
670 \r
671 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime\r
672 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the\r
673 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high\r
674 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the\r
675 network lifetime.\r
676 \r
677 \begin{figure}\r
678 \begin{center}\r
679 \scalebox{0.5}{\includegraphics{R/LT.pdf}}\r
680 \end{center}\r
681 \caption{Network lifetime.}\r
682 \label{figLT95}\r
683 \end{figure} \r
684 \r
685 \newpage\r
686 \r
687 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed\r
688 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact\r
689 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to\r
690 ensure the wider monitoring.  For a similar level of coverage, DiLCO outperforms\r
691 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on\r
692 the  larger  level  of coverage  ($95\%$)  in  the  case  of our  protocol,  the\r
693 subdivision in $16$~subregions seems to be the most appropriate.\r
694 \r
695 \section{Conclusion and future work}\r
696 \label{sec:Conclusion and Future Works} \r
697 \r
698 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different\r
699 nodes  in order  to ensure  both coverage  of the  area of  interest  and longer\r
700 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,\r
701 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use\r
702 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this\r
703 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing\r
704 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer\r
705 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage\r
706 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime\r
707 performances.  In a  subregion, our protocol consists in  electing a leader node\r
708 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how\r
709 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best\r
710 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess\r
711 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using\r
712 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also\r
713 studied the impact  of the number of subregions chosen to  subdivide the area of\r
714 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that\r
715 increasing the number  of subregions improves the lifetime.  The more subregions\r
716 there are, the more robust the network is against random disconnection resulting\r
717 from dead nodes.   However, for a given sensing field and  network size there is\r
718 an optimal number of subregions.  Therefore, in case of our simulation context a\r
719 subdivision in $16$~subregions seems to be the most relevant. The optimal number\r
720 of subregions will be investigated in the future.\r
721 \r
722 \section{Acknowledgments}\r
723 \r
724 As a Ph.D.  student, Ali Kadhum  IDREES would like to gratefully acknowledge the\r
725 University of Babylon - IRAQ for the financial support and Campus France for the\r
726 received  support. This  paper  is also  partially  funded by  the Labex  ACTION\r
727 program (contract ANR-11-LABX-01-01).\r
728 \r
729 \bibliography{Example}\r
730 \r
731 \end{document}\r