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Modifications made up to subsection 5.2.2
[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-Comte, Belfort, France}
31 %\affiliation{\sup{2}Department of Computing, Main University, MySecondTown, MyCountry}
32 \email{ali.idness@edu.univ-fcomte.fr, $\lbrace$karine.deschinkel, michel.salomon, raphael.couturier$\rbrace$@univ-fcomte.fr}
33 %\email{\{f\_author, s\_author\}@ips.xyz.edu, t\_author@dc.mu.edu}
34 }
35
36 \keywords{Wireless   Sensor   Networks,   Area   Coverage,   Network   lifetime,
37 Optimization, Scheduling.}
38
39 \abstract{ One of the main research challenges faced in Wireless Sensor Networks
40   (WSNs) is to preserve continuously and effectively the coverage of an area (or
41   region) of interest  to be monitored, while simultaneously  preventing as much
42   as possible a network failure due to battery-depleted nodes.  In this paper we
43   propose a protocol, called Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol
44   (DiLCO), which maintains the coverage  and improves the lifetime of a wireless
45   sensor  network. As  a  first step  we  partition the  area  of interest  into
46   subregions using a classical  divide-and-conquer method. Our DiLCO protocol is
47   then distributed  on the sensor nodes in  each subregion in a  second step. To
48   fulfill  our   objective,  the   proposed  protocol  combines   two  effective
49   techniques:   a  leader   election   in  each   subregion,   followed  by   an
50   optimization-based node activity scheduling  performed by each elected leader.
51   This two-step process takes place periodically, in order to choose a small set
52   of nodes remaining  active for sensing during a time slot.   Each set is built
53   to ensure  coverage at  a low  energy cost, allowing  to optimize  the network
54   lifetime. More  precisely, a period  consists of four  phases: (i)~Information
55   Exchange,  (ii)~Leader   Election,  (iii)~Decision,  and   (iv)~Sensing.   The
56   decision process,  which result in  an activity scheduling vector,  is carried
57   out by a leader node through  the solving of an integer program. In comparison
58   with  some other  protocols, the  simulations  done using  the discrete  event
59   simulator OMNeT++ show that our approach  is able to increase the WSN lifetime
60   and provides improved coverage performance. }
61
62 \onecolumn \maketitle \normalsize \vfill
63
64 \section{\uppercase{Introduction}}
65 \label{sec:introduction}
66 \noindent 
67 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
68 consumption,  in order  to maximize  the network  lifetime, represent  the major
69 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
70 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
71 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
72 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
73 sensor field is  monitored.  The most discussed coverage  problems in literature
74 can  be classified into  three types  \cite{li2013survey}: area  coverage (where
75 every point inside an area is  to be monitored), target coverage (where the main
76 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets),
77 and  barrier coverage (to  prevent intruders  from entering  into the  region of
78 interest). On the one  hand we want to monitor the area  of interest in the most
79 efficient way~\cite{Nayak04}. On the other hand we want to use as less energy as
80 possible.  Sensor nodes  are  battery-powered  with no  means  of recharging  or
81 replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical environments) or
82 cost reasons.  Therefore, it  is desired  that the WSNs  are deployed  with high
83 densities so as to exploit the  overlapping sensing regions of some sensor nodes
84 to save energy by  turning off some of them during the  sensing phase to prolong
85 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 DiLCO protocol,  maintains the coverage and  improves the lifetime  in WSNs. The
90 area of  interest is  first divided into  subregions using  a divide-and-conquer
91 algorithm and  an activity scheduling  for sensor nodes  is then planned  by the
92 elected leader in each subregion. In fact,  the nodes in a subregion can be seen
93 as a cluster where each node sends  sensing data to the cluster head or the sink
94 node.  Furthermore, the  activities in a subregion/cluster can  continue even if
95 another cluster  stops due to too  many node failures.  Our Distributed Lifetime
96 Coverage Optimization (DILCO) protocol  considers periods, where a period starts
97 with  a  discovery phase  to  exchange information  between  sensors  of a  same
98 subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to
99 carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors
100 for the  sensing phase of the current  period is obtained by  solving an integer
101 program.
102
103 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
104 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
105 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
106 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
107 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
108 results. The paper  ends with conclusions and some  suggestions for further work
109 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
110
111 \section{\uppercase{Literature Review}}
112 \label{sec:Literature Review}
113 \noindent In this section, we summarize some related works regarding coverage lifetime maximization and scheduling, and distinguish our DiLCO protocol from the works presented in the literature. Some algorithms have been developed in ~\cite{yang2014energy,ChinhVu,vashistha2007energy,deschinkel2012column,shi2009,qu2013distributed,ling2009energy,xin2009area,cheng2014achieving,ling2009energy} to solve the area coverage problem so as to preserve coverage and prolong the network lifetime.
114
115
116 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
117 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
118 coverage of two adjacent points mathematically and then convert the problem of full area coverage into point coverage problem. They proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset
119 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
120
121
122 Vu et al.~\cite{ChinhVu} proposed a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-area coverage for the whole network. 
123
124  
125 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
126 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
127 algorithm contains two major parts: the first part aims at
128 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
129 energy by decreasing the sensing radius.
130
131 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
132 problem. By using this model, they are proposed  an  Energy-Efficient central-Scheduling greedy algorithm, which can reduces energy consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of sensor nodes to support the networks periodically. 
133
134 The work in~\cite{cheng2014achieving} presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
135
136  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
137 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
138 base station deduces the current sensing coverage requirement
139 from application or user request. It then applies the heuristic algorithm in order to produce the set of active nodes which take the mission of sensing during the current epoch.  After that, the produced schedule is sent to the sensor nodes in the network. 
140
141
142 \iffalse
143
144 The work in ~\cite{vu2009delaunay} considered the area coverage problem for variable sensing radii in WSNs by improving the energy balancing heuristic proposed in ~\cite{wang2007energy} so that  the area of interest can be full covered using Delaunay triangulation structure.
145
146 Diongue and Thiare~\cite{diongue2013alarm} proposed an energy aware sleep scheduling algorithm for lifetime maximization in wireless sensor networks (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to the weibull distribution. This work did not analyze the ALARM scheme under the coverage problem. 
147  
148
149 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
150 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
151 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
152 connection in the case which loose condition is not meet.
153 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
154 coverage. They are proposed a low-complexity heuristic algorithm to obtain full area information covers (FAIC), which they refer to as Grid Based FAIC (GB-FAIC) algorithm. Using these FAICs, they are obtained the optimal schedule for applying the sensing activity of sensor nodes  in order to
155 achieve increased sensing lifetime of the network. 
156
157
158 \fi
159   
160
161
162 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
163
164 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
165 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
166 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
167 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
168 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion, and (5) The improved energy consumption model.
169
170 \iffalse
171 The work presented in~\cite{luo2014parameterized,tian2014distributed} tries to solve the target coverage problem so as to extend the network lifetime since it is easy to verify the coverage status of discreet target.
172 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
173 The work proposed in~\cite{kim2013maximum} considers the barrier-coverage problem in WSNs. The final goal is to maximize the network lifetime such that any penetration of the intruder is detected.
174 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
175 In \cite{ChinhVu},  the authors propose a localized and distributed greedy algorithm named DESK for generating non-disjoint cover sets which provide the k-coverage for the whole network. 
176 Our Work in~\cite{idrees2014coverage} proposes a coverage optimization protocol to improve the lifetime in heterogeneous energy wireless sensor networks. In this work, the coverage protocol distributed in each sensor node in the subregion but the optimization take place over the the whole subregion. We are considered only distributing the coverage protocol over two subregions.  
177
178 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
179
180 The work proposed by \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in WSNs where each sensor has variable sensing radius. The final objective is to maximize the network coverage lifetime in WSNs.
181 \fi
182
183 \iffalse
184 Casta{\~n}o et al.~\cite{castano2013column} proposed a multilevel approach based on column generation (CG) to  extend the network lifetime with connectivity and coverage constraints. They are included  two heuristic methods  within the CG framework so as to accelerate the solution process. 
185 In \cite{diongue2013alarm}, diongue is proposed an energy Aware sLeep scheduling AlgoRithm for lifetime maximization in WSNs (ALARM) algorithm for coverage lifetime maximization in wireless sensor networks. ALARM is sensor node scheduling approach for lifetime maximization in WSNs in which it schedule redundant nodes according to the weibull distribution  taking into consideration frequent nodes failure.
186 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
187 approach (CWSC) to maintain k-coverage and connectivity. This approach try to select the minimum number of connected sensor nodes that can provide k-coverage ($k \geq 1$).
188 In~\cite{cheng2014achieving}, the authors are presented a unified sensing architecture for duty cycled sensor networks, called uSense, which comprises three ideas: Asymmetric Architecture, Generic Switching and Global Scheduling. The objective is to  provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
189
190 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
191 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. %They are designed $\varepsilon-$full area coverage optimization (FCO) algorithm to select a subset of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
192 In \cite{xu2001geography}, Xu et al. proposed a Geographical Adaptive Fidelity (GAF) algorithm, which uses geographic location information to divide the area of interest into fixed square grids. Within each grid, it keeps only one node staying awake to take the responsibility of sensing and communication.
193
194 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
195 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
196 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
197 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
198 (4) The activity scheduling based optimization on the subregion, which are based on  the primary point coverage model to activate as less number as possible of sensor nodes  to take the mission of the coverage in each subregion,
199 (5) The improved energy consumption model.
200
201 \fi
202
203 \section{ The DiLCO Protocol Description}
204 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
205
206 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
207 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
208 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
209 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
210 maximize the lifetime in the network.
211 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
212 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
213 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
214 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
215 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
216 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
217 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
218 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
219 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
220 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
221 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
222 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
223 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
224 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
225 \fi
226
227 \subsection{ Assumptions and models}
228
229 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
230 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
231 coverage ratio of the interested area at the starting. The nodes are supposed to
232 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
233 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
234 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
235 location discovery algorithm. 
236
237 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
238 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
239 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
240 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
241 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
242 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
243 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
244 working nodes in the active mode.
245
246 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
247 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
248 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
249 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
250 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
251 less accurate according to the number of primary points.
252
253 \iffalse
254 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
255 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
256 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
257 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
258 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
259 sensors, instead of using all the points in the area.
260
261 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
262 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
263 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
264 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
265 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
266 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
267 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
268 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
269 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
270 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
271 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
272 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
273 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
274 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
275 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
276 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
277 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
278
279  \begin{figure}[h!]
280 \centering
281  \begin{multicols}{3}
282 \centering
283 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
284 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
285 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
286 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
287 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
288 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
289 \end{multicols} 
290 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
291 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
292 \label{fig1}
293 \end{figure}
294
295 \fi
296
297 \subsection{The main idea}
298 \label{main_idea}
299
300 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
301 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
302 executed   simultaneously  in   each   subregion.
303
304 \begin{figure}[ht!]
305 \centering
306 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
307 \caption{DiLCO protocol}
308 \label{fig2}
309 \end{figure} 
310
311 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
312 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
313 Leader Election ,  Decision, and Sensing. For each period  there will be exactly
314 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
315 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
316 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
317 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
318 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
319 region  of interest,  it will  only  affect the  quality of  coverage until  the
320 definition of a new cover set  in the next period.  Constraints, like the energy
321 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
322 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
323 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
324 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
325 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
326
327 During the excution of the DiLCO protocol, two kinds of packets will be used:
328 %\begin{enumerate}[(a)]
329 \begin{itemize} 
330 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
331   subregion for information exchange.
332 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
333   to inform them to be stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
334 \end{itemize}
335 %\end{enumerate}
336 and each sensor node will have five possible status in the network:
337 %\begin{enumerate}[(a)] 
338 \begin{itemize} 
339 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
340 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
341 \item ACTIVE: sensor is active;
342 \item SLEEP: sensor is turned off;
343 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
344 \end{itemize}
345 %\end{enumerate}
346
347 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
348 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
349 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
350 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
351 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
352 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
353 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
354 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
355 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
356 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
357 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
358 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
359 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
360 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
361 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
362 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
363
364 \iffalse
365 \subsubsection{Information Exchange Phase}
366
367 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
368 the number of neighbours  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
369 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
370 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
371 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
372 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
373 active mode.
374
375 \subsubsection{Leader Election Phase}
376 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
377 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
378 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
379 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
380 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
381 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
382 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
383 number  of neighbours,  larger remaining  energy, and  then in  case of
384 equality, larger index. 
385
386 \subsubsection{Decision phase}
387 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
388 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
389 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
390 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
391
392
393 \subsubsection{Sensing phase}
394
395 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
396 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
397 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
398 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
399 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
400 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
401 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
402 obtained.
403
404 \fi
405
406
407 \iffalse
408 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
409 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
410 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
411
412 \begin{algorithm}[h!]                
413  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
414 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
415   \BlankLine
416   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
417   
418   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
419       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
420       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
421       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
422       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
423       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
424       
425       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
426       \emph{LeaderID = Leader election}\;
427       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
428         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
429         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
430           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
431         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
432         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
433         \emph{Update $RE_j $}\;
434       }   
435       \Else{
436         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
437         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
438         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
439         \emph{Update $RE_j $}\;
440       }  
441       %  }
442   }
443   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
444   
445  %   \emph{return X} \;
446 \caption{DiLCO($s_j$)}
447 \label{alg:DiLCO}
448
449 \end{algorithm}
450
451 \iffalse
452 The DiLCO protocol work in rounds and executed at each sensor node in the network , each sensor node can still sense data while being in
453 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
454 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
455 Initially, the sensor node check it's remaining energy in order to participate in the current round. Each sensor node determines it's position and it's subregion based Embedded GPS  or Location Discovery Algorithm. After that, All the sensors collect position coordinates, current remaining energy, sensor node id, and the number of its one-hop live neighbors during the information exchange. It stores this information into a list L.
456 The sensor node enter in listening mode waiting to receive ActiveSleep packet from the leader to take the decision. Each sensor node will execute the Algorithm~1 to know who is the leader. After that, if the sensor node is leader, It will execute the integer program algorithm ( see section~\ref{cp}) to optimize the coverage and the lifetime in it's subregion. After the decision, the optimization approach will select the set of sensor nodes to take the mission of coverage during the sensing phase. The leader will send ActiveSleep packet to each sensor node in the subregion to inform him to it's status during the period of sensing, either Active or sleep until the starting of next round. Based on the decision, the leader as other nodes in subregion, either go to be active or go to be sleep during current sensing phase. the other nodes in the same subregion will stay in listening mode waiting the ActiveSleep packet from the leader. After finishing the time period for sensing, all the sensor nodes in the same subregion will start new round by executing the DiLCO protocol and the lifetime in the subregion will continue until all the sensor nodes are died or the network becomes disconnected in the subregion.
457 \fi
458
459
460 \section{Coverage problem formulation}
461 \label{cp}
462
463 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
464 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
465 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
466 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
467 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
468 model, we  consider binary  variable $X_{j}$ which  determine the  activation of
469 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
470 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
471
472 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
473 point $p$ is covered, that is:
474 \begin{equation}
475 \alpha_{jp} = \left \{ 
476 \begin{array}{l l}
477   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
478  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
479   0 & \mbox{otherwise.}\\
480 \end{array} \right.
481 %\label{eq12} 
482 \end{equation}
483 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
484 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
485 \begin{equation}
486 X_{j} = \left \{ 
487 \begin{array}{l l}
488   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
489   0 &  \mbox{otherwise.}\\
490 \end{array} \right.
491 %\label{eq11} 
492 \end{equation}
493 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
494 \begin{equation}
495  \Theta_{p} = \left \{ 
496 \begin{array}{l l}
497   0 & \mbox{if the primary point}\\
498     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
499   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
500 \end{array} \right.
501 \label{eq13} 
502 \end{equation}
503 \noindent More precisely, $\Theta_{p}$ represents the number of active
504 sensor  nodes  minus  one  that  cover the  primary  point  $p$.\\
505 The Undercoverage variable $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined
506 by:
507 \begin{equation}
508 U_{p} = \left \{ 
509 \begin{array}{l l}
510   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
511   0 & \mbox{otherwise.}\\
512 \end{array} \right.
513 \label{eq14} 
514 \end{equation}
515
516 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
517 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
518 \left \{
519 \begin{array}{ll}
520 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
521 \textrm{subject to :}&\\
522 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
523 %\label{c1} 
524 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
525 %\label{c2}
526 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
527 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
528 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
529 \end{array}
530 \right.
531 \end{equation}
532
533 \begin{itemize}
534 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
535   if yes and 0 if not);
536 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
537   are covering the primary point $p$;
538 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
539   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
540 \end{itemize}
541
542 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
543 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
544 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
545 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
546 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
547 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
548 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
549 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
550 period.
551
552 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
553 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
554 \noindent \subsection{Simulation framework}
555
556 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
557 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
558 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
559
560 \begin{table}[ht]
561 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
562 % title of Table
563 \centering
564 % used for centering table
565 \begin{tabular}{c|c}
566 % centered columns (4 columns)
567       \hline
568 %inserts double horizontal lines
569 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
570    
571 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
572 % inserts table
573 %heading
574 \hline
575 % inserts single horizontal line
576 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
577 % inserting body of the table
578 %\hline
579 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
580 %\hline
581 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
582 %\hline
583 Sensing Period & 60 Minutes \\
584 $E_{th}$ & 36 Joules\\
585 $R_s$ & 5~m   \\     
586 %\hline
587 $w_{\Theta}$ & 1   \\
588 % [1ex] adds vertical space
589 %\hline
590 $w_{U}$ & $|P|^2$
591 %inserts single line
592 \end{tabular}
593 \label{table3}
594 % is used to refer this table in the text
595 \end{table}
596
597 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
598 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
599 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
600 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
601 high coverage ratio.
602
603 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
604 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
605 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
606 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
607 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
608 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
609 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
610 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
611 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
612 all the other unit  can be be switched off to save  energy according to the node
613 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
614 second) by a node for each of its possible status.
615
616 \begin{table}[ht]
617 \caption{Energy consumption model}
618 % title of Table
619 \centering
620 % used for centering table
621 {\scriptsize
622 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
623 % centered columns (4 columns)
624       \hline
625 %inserts double horizontal lines
626 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
627 \hline
628 % inserts single horizontal line
629 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
630 % inserting body of the table
631 \hline
632 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
633 \hline
634 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
635 \hline
636 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
637 %\hline
638 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
639  \hline
640 \end{tabular}
641 }
642
643 \label{table4}
644 % is used to refer this table in the text
645 \end{table}
646
647 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
648 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
649 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
650 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
651 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
652 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
653 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
654 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
655 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
656 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
657 24~bits. The energy required to send or receive a 1-bit is equal to $0.2575 mW$.
658
659 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
660 interval  $[500-700]$.   If  it's  energy   provision  reaches  a   value  below
661 $E_{th}=36$~Joules, the minimum  energy needed for a node  to stay active during
662 one period,  it will no  more participate in  the coverage task. This  value has
663 been computed  by multiplying the energy  consumed in active state  (9.72 mW) by
664 the time in  second for one round (3600 seconds).  According  to the interval of
665 initial energy, a sensor may be active during at most 20 rounds.
666
667 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
668 the efficiency of our approach:
669
670 %\begin{enumerate}[i)]
671 \begin{itemize}
672   
673 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
674   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
675   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
676   coverage ratio: 
677 \begin{equation*}
678 \scriptsize
679 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
680 \end{equation*}
681 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
682 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is  total number  of grid
683 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
684 \times 26 = 1326$ grid points.
685 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
686 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
687 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
688 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
689
690 \iffalse
691
692 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
693 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
694 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
695 \begin{equation*}
696 \scriptsize
697 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
698 \end{equation*}
699 Where: $A_r^t$ is the number of active sensors in the subregion $r$ during round $t$ in the current sensing phase, $S$ is the total number of sensors in the network, and $R$ is the total number of the subregions in the network.
700
701 \fi
702
703 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
704   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
705   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
706   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
707   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
708   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
709   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
710   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
711   event in the area that it monitors.
712  
713 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  Energy Consumption (EC)  can be seen  as the
714   total   energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
715   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
716   of EC can be expressed as follows:
717  \begin{equation*}
718 \scriptsize
719 \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
720 \end{equation*}
721
722 %\begin{equation*}
723 %\scriptsize
724 %\mbox{EC} =  \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^c_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D %E^l_d$}}{\mbox{$D$}} + \frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^a_d$}}{\mbox{$D$}} + %\frac{\mbox{$\sum\limits_{d=1}^D E^s_d$}}{\mbox{$D$}}.
725 %\end{equation*}
726
727 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total  energy consumed by
728 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
729 factors. The  first one , denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represent the
730 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
731 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
732 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
733 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
734 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
735 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
736 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
737
738 \iffalse 
739 \item {{\bf Execution Time}:} a  sensor  node has  limited  energy  resources  and computing  power,
740 therefore it is important that the proposed algorithm has the shortest
741 possible execution  time. The energy of  a sensor node  must be mainly
742 used   for  the  sensing   phase,  not   for  the   pre-sensing  ones.   
743  
744 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation
745 ends  when the  sensor network  becomes
746 disconnected (some nodes are dead and are not able to send information to the base station). We report the number of simulations that are stopped due to network disconnections and for which round it occurs.
747
748 \fi
749
750 \end{itemize}
751 %\end{enumerate}
752
753
754 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
755 \subsection{Performance Analysis}
756 \label{sub1}
757
758 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
759 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
760 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
761 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
762 without  partitioning  the  area  of  interest,  case  which  corresponds  to  a
763 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
764 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
765
766 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
767 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
768 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
769 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
770 chosen to remain active during the sensing phase.
771
772 \subsubsection{Coverage Ratio} 
773
774 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
775 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a little  better  coverage ratio
776 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
777 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
778 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
779 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
780 fast decrease with  the number of periods and reaches zero  value in period {\bf
781   X} (respectively {\bf Y}), whereas the  other versions of DiLCO, DESK, and GAF
782 ensure a coverage  ratio above 50\% for subsequent periods.  We believe that the
783 results obtained with  these two methods can be explained  by a high consumption
784 of energy and we will check this assumption in the next subsection.
785
786 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
787 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
788 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
789 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
790 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
791 nodes, and thus allow to extend the network lifetime.
792
793 \parskip 0pt    
794 \begin{figure}[t!]
795 \centering
796  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
797 \caption{The Coverage Ratio}
798 \label{fig3}
799 \end{figure} 
800
801 %As shown in the figure ~\ref{fig3}, as the number of subregions increases,  the coverage preservation for area of interest increases for a larger number of periods. Coverage ratio decreases when the number of periods increases due to dead nodes. Although  some nodes are dead,
802 %thanks to  DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols,  other nodes are  preserved to  ensure the coverage. Moreover, when  we have a dense sensor network, it leads to maintain the  coverage for a larger number of rounds. DiLCO-8,  DiLCO-16 and  DiLCO-32 protocols are
803 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
804 %the area of interest into 8, 16 and 32~subregions if one of the subregions becomes disconnected, the coverage may be still ensured in the remaining subregions.%
805
806 \subsubsection{Energy Consumption}
807
808 % MICHEL - TO BE CONTINUED
809
810 Based on  previous results in  figure~\ref{fig3}, we keep DiLCO-16  and DiLCO-32
811 and we  compare their performances in  terms of energy consumption  with the two
812 other  approaches. We  measure the  energy consumed  by the  sensors  during the
813 communication,  listening, computation,  active, and  sleep modes  for different
814 network  densities.  Figure~\ref{fig95} illustrates  the energy  consumption for
815 different network sizes.
816 % for $Lifetime95$ and $Lifetime50$. 
817 We  denote by  $DiLCO-/50$ (respectively  $DiLCO-/95$) as  the amount  of energy
818 consumed  during which the  network can  satisfy an  area coverage  greater than
819 $50\%$ (repectively  $95\%$) and  we refer  to the same  definition for  the two
820 other approaches.
821 \begin{figure}[h!]
822 \centering
823 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
824 \caption{The Energy Consumption}
825 \label{fig95}
826 \end{figure} 
827
828 The  results show  that  DiLCO-16/50, DiLCO-32/50,  DiLCO-16/95 and  DiLCO-32/95
829 protocols  are  the  most  competitive  from the  energy  consumption  point  of
830 view. The  other approaches have a  high energy consumption due  to activating a
831 larger number of redundant nodes.
832
833
834 %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. 
835 %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.  
836
837 \subsubsection{Execution Time}
838 We observe the impact of the network size and of the number of subregions on the computation time. We report the average execution times in seconds needed to solve the optimization problem for the different approaches and various numbers of sensors. 
839 The original execution time is computed on a laptop DELL with intel Core i3 2370 M (2.4 GHz) processor (2 cores) and the MIPS (Million Instructions Per Second) rate equal to 35330. To be consistent with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6 MHz) and a MIPS rate equal to 6 to run the optimization resolution, this time is multiplied by 2944.2 $\left( \frac{35330}{2} \times \frac{1}{6}\right)$ and reported on Figure~\ref{fig8}.
840
841 \begin{figure}[h!]
842 \centering
843 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
844 \caption{Execution Time (in seconds)}
845 \label{fig8}
846 \end{figure} 
847
848
849 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison with other DiLCO versions, because the activity scheduling is tackled by a larger number of leaders  and each leader solves an integer problem with a limited number of variables and constraints. Conversely, DiLCO-2 requires to solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents  a high execution time. Nevertheless if we refer to figure~\ref{fig3}, we observe that DiLCO-32 is slightly less efficient than DilCO-16 to maintain as long as possible high coverage. Excessive subdivision of the area of interest prevents to ensure good coverage especially on the borders of the subregions.
850
851 %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.
852
853
854 \subsubsection{The Network Lifetime}
855 In figure~\ref{figLT95}, network lifetime is illustrated for different network sizes. The term $/50$ (respectively  $/95$) next to the name of the method refers to the amount of time during which the network can satisfy an area coverage greater than $50\%$ ($Lifetime50$)(repectively $95\%$ ($Lifetime95$)) 
856
857 \begin{figure}[h!]
858 \centering
859 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
860 \caption{The Network Lifetime}
861 \label{figLT95}
862 \end{figure} 
863
864
865 As highlighted by figure~\ref{figLT95}, the network lifetime obviously
866 increases when the size of the network increases. For the same level of coverage, DiLCO outperforms DESK and GAF for the lifetime of the network. If we focus on level of coverage greater than $95\%$, The subdivision in $16$ subregions seems to be the most appropriate. 
867
868
869 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
870 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
871 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
872 % letting the other ones sleep in order to be used later in next rounds. Comparison shows that our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols, which are used distributed optimization over the subregions, are the best one because it is robust to network disconnection during the network lifetime as well as it consume less energy in comparison with other approaches. It also means that distributing the protocol in each node and subdividing the sensing field into many subregions, which are managed
873 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
874
875
876
877
878 \section{\uppercase{Conclusion and Future Works}}
879 \label{sec:Conclusion and Future Works}
880 In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
881 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
882 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
883 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
884 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
885 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
886 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
887 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
888 the best representative set of active nodes to ensure a high level of coverage.
889 We have compared this method with two other approaches using many metrics as coverage ratio, execution time, lifetime.
890 Some experiments have been performed to study the choice of the number of
891 subregions  which subdivide  the  sensing field,  considering different  network
892 sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network
893 lifetime. Moreover,  it makes  the DiLCO protocol  more robust  against random
894 network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  much subdivisions
895 reduces the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between
896 the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve
897 it. Therefore, the subdivision in $16$ subregions seems to be the most appropriate. 
898 \iffalse
899 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
900 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
901 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
902 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
903 is divided into smaller subregions using the concept of divide-and-conquer method, and then a DiLCO protocol for optimizing the coverage and lifetime performances in each subregion.
904 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
905 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
906 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
907 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
908 while  taking the responsibility of covering the corresponding
909 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
910 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
911 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
912 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
913 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
914 protocol in terms of lifetime, coverage ratio, active sensors ratio, energy consumption, execution time, and the number of stopped simulation runs due to network disconnection. Indeed, when
915 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
916 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
917 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
918 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
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920 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
921 computes  all active sensor schedules in one time, using
922 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
923   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
924   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
925 The computation of all cover sets in one time is far more
926 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
927 \fi
928 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
929 \noindent As a Ph.D. student, Ali Kadhum IDREES would like to gratefully acknowledge the University of Babylon - IRAQ for the financial support and Campus France for the received support.
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936 \bibliographystyle{apalike}
937 {\small
938 \bibliography{Example}}
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942 \end{document}