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no more rounds and no more iffalse.... and no more ali !!!
[Sensornets15.git] / Example.tex
1 \documentclass[a4paper,twoside]{article}
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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. More  precisely, a
54   period  consists   of  four  phases:   (i)~Information  Exchange,  (ii)~Leader
55   Election,  (iii)~Decision,  and  (iv)~Sensing.   The decision  process,  which
56   results in  an activity  scheduling vector,  is carried out  by a  leader node
57   through  the solving  of an  integer program.  In comparison  with  some other
58   protocols,  the simulations done  using the  discrete event  simulator OMNeT++
59   show  that our  approach is  able to  increase the  WSN lifetime  and provides
60   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 little energy  as possible.   Sensor nodes  are battery-powered  with no
77 means  of recharging  or replacing,  usually  due to  environmental (hostile  or
78 unpractical environments)  or cost reasons.   Therefore, it is desired  that the
79 WSNs are deployed  with high densities so as to  exploit the overlapping sensing
80 regions of some sensor  nodes to save energy by turning off  some of them during
81 the sensing 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 the
94 same  subregion, in order  to choose  in a  suitable manner  a sensor  node (the
95 leader) to carry out the coverage  strategy. In each subregion the activation of
96 the sensors for  the sensing phase of the current period  is obtained by solving
97 an integer program.  The resulting activation vector is  broadcast by a leader
98 to every 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 a conclusion 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 the 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 \cite{Misra} where
117 every point inside an area is  to be monitored, target coverage  \cite{yang2014novel} where the main
118 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets,
119 and  barrier coverage \cite{Kumar:2005}\cite{kim2013maximum} to  prevent intruders  from entering  into the  region of interest. In \cite{Deng2012} authors transform the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes and boundaries. 
120 {\it In DiLCO  protocol, the area coverage, i.e. the coverage  of every point in
121   the sensing  region, is transformed  to the coverage  of a fraction  of points
122   called primary points. }
123
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 \cite{ling2009energy}.
131 Active node selection is determined based on the problem requirements (e.g. area
132 monitoring,  connectivity,  power   efficiency). For instance, Jaggi et al. \cite{jaggi2006}
133 address the problem of maximizing network lifetime by dividing sensors into the maximum number of disjoint subsets such that each subset can ensure both coverage and connectivity. A greedy algorithm is applied once to solve this problem and the computed sets are activated in succession to achieve the desired network lifetime. 
134 Vu \cite{chin2007}, Padmatvathy et al. \cite{pc10}, propose algorithms working in a periodic fashion where a cover set is computed at the beginning of each period.
135 {\it Motivated by these works, DiLCO protocol  works in periods, where each  period contains a preliminary
136   phase  for information  exchange and  decisions, followed  by a  sensing phase
137   where one cover set is in charge of the sensing task.}
138
139 Various   approaches,   including   centralized,  or distributed
140 algorithms, have been proposed to extend the network lifetime.
141 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
142 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
143 In       distributed      algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},
144 information  is   disseminated  throughout   the  network  and   sensors  decide
145 cooperatively by communicating with their neighbors which of them will remain in
146 sleep    mode   for    a   certain    period   of    time.     The   centralized
147 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
148 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
149 of the whole  network. But such a method has the  disadvantage of requiring high
150 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
151 decision needs information from all the sensor nodes in the area and the amount of information can be huge.
152 {\it  In order to be suitable for large-scale network,  in the DiLCO  protocol,  the area  coverage  is divided  into several  smaller
153   subregions, and in  each  one, a  node called the leader is  in charge for
154   selecting the active sensors for the current period.}
155
156 A large  variety of coverage scheduling  algorithms has been  developed. Many of
157 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
158 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
159 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
160 to  say targets  that  are covered  by  the smallest  number  of sensors \cite{berman04,zorbas2010solving}.  Other
161 approaches  are based  on  mathematical programming  formulations~\cite{cardei2005energy,5714480,pujari2011high,Yang2014} and  dedicated
162 techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization
163 solver).  The problem is formulated  as an optimization problem (maximization of
164 the  lifetime  or  number  of  cover  sets) under  target  coverage  and  energy
165 constraints.   Column  generation techniques,  well-known  and widely  practiced
166 techniques for solving  linear programs with too many  variables, have also been 
167 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}. {\it  In DiLCO  protocol,  each leader,  in  each subregion,  solves an  integer
168   program with a double objective  consisting in minimizing the overcoverage and
169   limiting  the  undercoverage.  This  program  is inspired  from  the  work  of
170   \cite{pedraza2006}  where the  objective is  to maximize  the number  of cover
171   sets.}
172
173
174
175
176 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
177 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
178
179 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
180 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
181 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
182 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
183 maximize the lifetime in the network.
184
185
186 \subsection{Assumptions and models}
187
188 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
189 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
190 coverage ratio of the interested area at the start. The nodes are supposed to
191 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
192 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
193 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
194 location discovery algorithm. 
195
196 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
197 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
198 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
199 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
200 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
201 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
202 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
203 working nodes in the active mode.
204
205 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
206 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
207 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
208 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
209 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
210 less accurate according to the number of primary points.
211
212
213 \subsection{Main idea}
214 \label{main_idea}
215
216 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
217 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
218 executed   simultaneously  in   each   subregion.
219
220 \begin{figure}[ht!]
221 \centering
222 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
223 \caption{DiLCO protocol}
224 \label{fig2}
225 \end{figure} 
226
227 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
228 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
229 Leader Election,  Decision, and Sensing. For  each period there  will be exactly
230 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
231 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
232 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
233 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
234 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
235 region of  interest, it will only affect  the quality of the  coverage until the
236 definition of  a new  cover set  in the next  period.  Constraints,  like energy
237 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
238 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
239 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
240 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
241 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
242
243 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packet will be used:
244 %\begin{enumerate}[(a)]
245 \begin{itemize} 
246 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
247   subregion for information exchange.
248 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
249   to inform them to stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
250 \end{itemize}
251 %\end{enumerate}
252 and each sensor node will have five possible status in the network:
253 %\begin{enumerate}[(a)] 
254 \begin{itemize} 
255 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
256 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
257 \item ACTIVE: sensor is active;
258 \item SLEEP: sensor is turned off;
259 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
260 \end{itemize}
261 %\end{enumerate}
262
263 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
264 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
265 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
266 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
267 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
268 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
269 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
270 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
271 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
272 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
273 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
274 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
275 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
276 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
277 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
278 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
279
280
281
282
283
284 \begin{algorithm}[h!]                
285
286   \BlankLine
287   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
288   
289   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
290       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
291       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
292       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
293       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
294       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
295       
296       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
297       \emph{LeaderID = Leader election}\;
298       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
299         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
300         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
301           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
302         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
303         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
304         \emph{Update $RE_j $}\;
305       }   
306       \Else{
307         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
308         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
309
310         \emph{Update $RE_j $}\;
311       }  
312       %  }
313   }
314   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
315   
316  %   \emph{return X} \;
317 \caption{DiLCO($s_j$)}
318 \label{alg:DiLCO}
319
320 \end{algorithm}
321
322 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
323 \label{cp}
324
325 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
326 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
327 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
328 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
329 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
330 model, we consider that the binary variable $X_{j}$ determines the activation of
331 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
332 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
333
334 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
335 point $p$ is covered, that is:
336 \begin{equation}
337 \alpha_{jp} = \left \{ 
338 \begin{array}{l l}
339   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
340  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
341   0 & \mbox{otherwise.}\\
342 \end{array} \right.
343 %\label{eq12} 
344 \end{equation}
345 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
346 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
347 \begin{equation}
348 X_{j} = \left \{ 
349 \begin{array}{l l}
350   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
351   0 &  \mbox{otherwise.}\\
352 \end{array} \right.
353 %\label{eq11} 
354 \end{equation}
355 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
356 \begin{equation}
357  \Theta_{p} = \left \{ 
358 \begin{array}{l l}
359   0 & \mbox{if the primary point}\\
360     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
361   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
362 \end{array} \right.
363 \label{eq13} 
364 \end{equation}
365 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
366 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
367 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
368 \begin{equation}
369 U_{p} = \left \{ 
370 \begin{array}{l l}
371   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
372   0 & \mbox{otherwise.}\\
373 \end{array} \right.
374 \label{eq14} 
375 \end{equation}
376
377 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
378 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
379 \left \{
380 \begin{array}{ll}
381 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
382 \textrm{subject to :}&\\
383 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
384 %\label{c1} 
385 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
386 %\label{c2}
387 \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
388 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
389 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
390 \end{array}
391 \right.
392 \end{equation}
393
394 \begin{itemize}
395 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
396   if yes and 0 if not);
397 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
398   are covering the primary point $p$;
399 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
400   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
401 \end{itemize}
402
403 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
404 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
405 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
406 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
407 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
408 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
409 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
410 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
411 period.
412
413 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
414 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
415 \noindent \subsection{Simulation framework}
416
417 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
418 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
419 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
420
421 \begin{table}[ht]
422 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
423 % title of Table
424 \centering
425 % used for centering table
426 \begin{tabular}{c|c}
427 % centered columns (4 columns)
428       \hline
429 %inserts double horizontal lines
430 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
431    
432 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
433 % inserts table
434 %heading
435 \hline
436 % inserts single horizontal line
437 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
438 % inserting body of the table
439 %\hline
440 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
441 %\hline
442 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
443 %\hline
444 Sensing Period & 60 Minutes \\
445 $E_{th}$ & 36 Joules\\
446 $R_s$ & 5~m   \\     
447 %\hline
448 $w_{\Theta}$ & 1   \\
449 % [1ex] adds vertical space
450 %\hline
451 $w_{U}$ & $|P|^2$
452 %inserts single line
453 \end{tabular}
454 \label{table3}
455 % is used to refer this table in the text
456 \end{table}
457
458 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
459 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
460 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
461 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
462 high coverage ratio.
463
464 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
465 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
466 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
467 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
468 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
469 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
470 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
471 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
472 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
473 all the other unit  can be switched off to save  energy according to the node
474 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
475 second) by a node for each of its possible status.
476
477 \begin{table}[ht]
478 \caption{Energy consumption model}
479 % title of Table
480 \centering
481 % used for centering table
482 {\scriptsize
483 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
484 % centered columns (4 columns)
485       \hline
486 %inserts double horizontal lines
487 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
488 \hline
489 % inserts single horizontal line
490 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
491 % inserting body of the table
492 \hline
493 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
494 \hline
495 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
496 \hline
497 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
498 %\hline
499 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
500  \hline
501 \end{tabular}
502 }
503
504 \label{table4}
505 % is used to refer this table in the text
506 \end{table}
507
508 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
509 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
510 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
511 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
512 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
513 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
514 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
515 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
516 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
517 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
518 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
519  equal to 0.2575 mW.
520
521 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
522 interval  $[500-700]$.  If  its  energy  provision reaches  a  value below  the
523 threshold  $E_{th}=36$~Joules, the  minimum energy  needed  for a  node to  stay
524 active during one period, it will no longer take part in the coverage task. This
525 value  corresponds  to the  energy  needed by  the  sensing  phase, obtained  by
526 multiplying the energy consumed in active  state (9.72 mW) by the time in seconds
527 for one period (3,600 seconds), and  adding the energy for the pre-sensing phases.
528 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
529 most 20 periods.
530
531 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
532 the efficiency of our approach:
533
534 %\begin{enumerate}[i)]
535 \begin{itemize}
536 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
537   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
538   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
539   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
540   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
541   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
542   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
543   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
544   event in the area that it monitors.
545   
546     
547 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
548   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
549   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
550   coverage ratio: 
551 \begin{equation*}
552 \scriptsize
553 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
554 \end{equation*}
555 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
556 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is the total number  of grid
557 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
558 \times 26 = 1326$ grid points.
559 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
560 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
561 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
562 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
563
564
565
566 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
567   total amount of  energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
568   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
569   of EC can be expressed as follows:
570   \begin{equation*}
571     \scriptsize
572     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
573       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
574   \end{equation*}
575
576 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total amount of energy consumed by
577 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
578 factors. The  first one, denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represents the
579 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
580 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
581 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
582 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
583 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
584 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
585 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
586
587
588
589
590 \end{itemize}
591 %\end{enumerate}
592
593
594 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
595 \subsection{Performance analysis}
596 \label{sub1}
597
598 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
599 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
600 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
601 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
602 without  partitioning  the  area  of  interest,  cases  which  correspond  to  a
603 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
604 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
605
606 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
607 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
608 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
609 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
610 chosen to remain active during the sensing phase.
611
612 \subsubsection{Coverage ratio} 
613
614 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
615 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a   coverage ratio which is slightly better
616 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
617 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
618 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
619 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
620 fast decrease  with the number  of periods and  reaches zero value  in period~18
621 (respectively 46), whereas  the other versions of DiLCO, DESK,  and GAF ensure a
622 coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We  believe that the results
623 obtained with these two methods can be explained by a high consumption of energy
624 and we will check this assumption in the next subsection.
625
626 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
627 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
628 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
629 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
630 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
631 nodes, and thus enables the extension of the network lifetime.
632
633 \parskip 0pt    
634 \begin{figure}[t!]
635 \centering
636  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
637 \caption{Coverage ratio}
638 \label{fig3}
639 \end{figure} 
640
641
642 \subsubsection{Energy consumption}
643
644 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
645 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
646 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
647 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
648 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
649 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
650 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
651 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
652 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
653 used for the different performance metrics.
654
655 \begin{figure}[h!]
656 \centering
657 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
658 \caption{Energy consumption}
659 \label{fig95}
660 \end{figure} 
661
662 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
663 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
664 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
665 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
666 nodes set active by DESK and GAF.
667
668
669 %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. 
670 %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.  
671
672 \subsubsection{Execution time}
673
674 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
675 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
676 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
677 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
678 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
679 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
680 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
681 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
682 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
683 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
684 Figure~\ref{fig8}.
685
686 \begin{figure}[h!]
687 \centering
688 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
689 \caption{Execution time in seconds}
690 \label{fig8}
691 \end{figure} 
692
693 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
694 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
695 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
696 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
697 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
698 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
699 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
700 possible high  coverage. In fact an excessive  subdivision of the  area of interest
701 prevents it  to  ensure a  good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
702 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
703 between execution time and coverage performance.
704
705 %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.
706
707 \subsubsection{Network lifetime}
708
709 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
710 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
711 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
712 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
713 network lifetime.
714
715 \begin{figure}[h!]
716 \centering
717 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
718 \caption{Network lifetime}
719 \label{figLT95}
720 \end{figure} 
721
722 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
723 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
724 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
725 ensure the  wider monitoring.  For a  similar level of  coverage, DiLCO outperforms
726 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
727 the larger level  of coverage ($95\%$) in the case of  our protocol, the subdivision
728 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
729
730
731
732 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
733 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
734
735 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
736 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longer
737 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
738 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
739 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
740 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
741 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
742 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
743 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
744 performances.   In a subregion,  our protocol  consists in  electing a  leader node
745 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
746 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
747 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
748 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
749 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
750 studied the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
751 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
752 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more subregions there are,  the  more robust  the  network  is   against  random  disconnection
753 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
754 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
755 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
756 optimal number of subregions will be investigated in the future.
757
758
759
760 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
761
762 \noindent  As a  Ph.D.   student, Ali  Kadhum  IDREES would  like to  gratefully
763 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
764 Campus France for  the received support. This paper is  also partially funded by
765 the Labex ACTION program (contract ANR-11-LABX-01-01).
766
767 %\vfill
768 \bibliographystyle{apalike}
769 {\small
770 \bibliography{Example}}
771
772 %\vfill
773 \end{document}