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[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. As  a  first step  we  partition the  area  of interest  into
46   subregions using a classical  divide-and-conquer method. Our DiLCO protocol is
47   then distributed  on the sensor nodes in  each subregion in a  second step. To
48   fulfill  our   objective,  the   proposed  protocol  combines   two  effective
49   techniques:   a  leader   election   in  each   subregion,   followed  by   an
50   optimization-based node activity scheduling  performed by each elected leader.
51   This two-step process takes place periodically, in order to choose a small set
52   of nodes remaining  active for sensing during a time slot.   Each set is built
53   to ensure  coverage at  a low  energy cost, allowing  to optimize  the network
54   lifetime. More  precisely, a period  consists of four  phases: (i)~Information
55   Exchange,  (ii)~Leader   Election,  (iii)~Decision,  and   (iv)~Sensing.   The
56   decision process, which results in  an activity scheduling vector,  is carried
57   out by a leader node through  the solving of an integer program. In comparison
58   with  some other  protocols, the  simulations  done using  the discrete  event
59   simulator OMNeT++ show that our approach  is able to increase the WSN lifetime
60   and provides improved coverage performance. }
61
62 \onecolumn \maketitle \normalsize \vfill
63
64 \section{\uppercase{Introduction}}
65 \label{sec:introduction}
66
67 \noindent 
68 Energy efficiency is  a crucial issue in wireless  sensor networks since sensory
69 consumption, in  order to  maximize the network  lifetime, represents  the major
70 difficulty when designing WSNs. As a consequence, one of the scientific research
71 challenges in  WSNs, which has  been addressed by  a large amount  of literature
72 during the  last few  years, is  the design of  energy efficient  approaches for
73 coverage and connectivity~\cite{conti2014mobile}.   Coverage reflects how well a
74 sensor  field is  monitored. On  the one  hand we  want to  monitor the  area of
75 interest in the most efficient way~\cite{Nayak04}.  On the other hand we want to
76 use as less energy as possible.   Sensor nodes are battery-powered with no means
77 of recharging or replacing, usually due to environmental (hostile or unpractical
78 environments)  or cost  reasons.  Therefore,  it is  desired that  the  WSNs are
79 deployed with high densities so as to exploit the overlapping sensing regions of
80 some sensor nodes to save energy by  turning off some of them during the sensing
81 phase to prolong the network lifetime.
82
83 In this  paper we design  a protocol that  focuses on the area  coverage problem
84 with  the objective  of maximizing  the network  lifetime. Our  proposition, the
85 Distributed  Lifetime  Coverage  Optimization  (DILCO) protocol,  maintains  the
86 coverage  and improves  the lifetime  in  WSNs. The  area of  interest is  first
87 divided  into subregions using  a divide-and-conquer  algorithm and  an activity
88 scheduling  for sensor  nodes is  then  planned by  the elected  leader in  each
89 subregion. In fact, the nodes in a subregion can be seen as a cluster where each
90 node sends sensing data to the  cluster head or the sink node.  Furthermore, the
91 activities in a subregion/cluster can continue even if another cluster stops due
92 to too many node failures.  Our DiLCO protocol considers periods, where a period
93 starts with a discovery phase to  exchange information between sensors of a same
94 subregion, in order to choose in a suitable manner a sensor node (the leader) to
95 carry out the coverage strategy. In each subregion the activation of the sensors
96 for the  sensing phase of the current  period is obtained by  solving an integer
97 program. The  resulting activation  vector is broadcasted  by a leader  to every
98 node of its subregion.
99
100 The remainder  of the  paper continues with  Section~\ref{sec:Literature Review}
101 where a  review of some related  works is presented. The  next section describes
102 the  DiLCO  protocol,  followed   in  Section~\ref{cp}  by  the  coverage  model
103 formulation    which    is    used     to    schedule    the    activation    of
104 sensors. Section~\ref{sec:Simulation Results  and Analysis} shows the simulation
105 results. The paper  ends with conclusions and some  suggestions for further work
106 in Section~\ref{sec:Conclusion and Future Works}.
107
108 \section{\uppercase{Literature Review}}
109 \label{sec:Literature Review}
110
111 \noindent In  this section, we  summarize some related works  regarding coverage
112 problem  and distinguish  our DiLCO  protocol from  the works  presented  in the
113 literature.
114
115 The most discussed coverage  problems in literature
116 can  be classified into  three types  \cite{li2013survey}: area  coverage (where
117 every point inside an area is  to be monitored), target coverage (where the main
118 objective is to  cover only a finite number of  discrete points called targets),
119 and  barrier coverage (to  prevent intruders  from entering  into the  region of
120 interest). 
121 {\it In DiLCO  protocol, the area coverage, i.e. the coverage  of every point in
122   the sensing  region, is transformed  to the coverage  of a fraction  of points
123   called primary points. }
124
125 The major  approach to extend network  lifetime while preserving  coverage is to
126 divide/organize the  sensors into a suitable  number of set  covers (disjoint or
127 non-disjoint)  where each  set completely  covers a  region of  interest  and to
128 activate these set  covers successively. The network activity  can be planned in
129 advance and scheduled  for the entire network lifetime  or organized in periods,
130 and the set of  active sensor nodes is decided at the  beginning of each period.
131 Active node selection is determined based on the problem requirements (e.g. area
132 monitoring,  connectivity,  power   efficiency).  Different  methods  have  been
133 proposed in literature.
134 {\it DiLCO protocol  works in periods, where each  period contains a preliminary
135   phase  for information  exchange and  decisions, followed  by a  sensing phase
136   where one cover set is in charge of the sensing task.}
137
138 Various   approaches,   including   centralized,  distributed,   and   localized
139 algorithms, have been proposed to extend the network lifetime.
140 %For instance, in order to hide the occurrence of faults, or the sudden unavailability of
141 %sensor nodes, some distributed algorithms have been developed in~\cite{Gallais06,Tian02,Ye03,Zhang05,HeinzelmanCB02}. 
142 In       distributed      algorithms~\cite{yangnovel,ChinhVu,qu2013distributed},
143 information  is   disseminated  throughout   the  network  and   sensors  decide
144 cooperatively by communicating with their neighbors which of them will remain in
145 sleep    mode   for    a   certain    period   of    time.     The   centralized
146 algorithms~\cite{cardei2005improving,zorbas2010solving,pujari2011high}     always
147 provide nearly or close to optimal  solution since the algorithm has global view
148 of the whole  network, but such a method has the  disadvantage of requiring high
149 communication costs,  since the  node (located at  the base station)  making the
150 decision needs information from all the sensor nodes in the area.
151
152 A large  variety of coverage scheduling  algorithms have been  proposed. Many of
153 the existing  algorithms, dealing with the  maximization of the  number of cover
154 sets, are heuristics.  These heuristics  involve the construction of a cover set
155 by including in priority the sensor  nodes which cover critical targets, that is
156 to  say targets  that  are covered  by  the smallest  number  of sensors.  Other
157 approaches  are based  on  mathematical programming  formulations and  dedicated
158 techniques (solving with a branch-and-bound algorithms available in optimization
159 solver).  The problem is formulated  as an optimization problem (maximization of
160 the  lifetime  or  number  of  cover  sets) under  target  coverage  and  energy
161 constraints.   Column  generation techniques,  well-known  and widely  practiced
162 techniques for solving  linear programs with too many  variables, have been also
163 used~\cite{castano2013column,rossi2012exact,deschinkel2012column}.
164
165 % ***** Part which must be rewritten - Start
166
167 % Start of Ali's papers catalog => there's no link between them or with our work
168 % (use of subregions; optimization based method; etc.)
169
170 Diongue  and  Thiare~\cite{diongue2013alarm}  proposed  an  energy  aware  sleep
171 scheduling  algorithm  for lifetime  maximization  in  wireless sensor  networks
172 (ALARM).  The proposed approach permits to schedule redundant nodes according to
173 the weibull distribution.  This work did not analyze the  ALARM scheme under the
174 coverage problem.
175
176 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be
177 changed  into a  set coverage  problem. By  using this  model, they  proposed an
178 Energy-Efficient central-Scheduling  greedy algorithm, which  can reduces energy
179 consumption and increases network lifetime, by selecting a appropriate subset of
180 sensor nodes to support the networks periodically.
181
182 In ~\cite{chenait2013distributed},  the authors presented  a coverage-guaranteed
183 distributed  sleep/wake scheduling  scheme so  ass to  prolong  network lifetime
184 while guaranteeing network coverage. This scheme mitigates scheduling process to
185 be more stable by avoiding  useless transitions between states without affecting
186 the coverage level required by the application.
187
188 The work  in~\cite{cheng2014achieving} presented a  unified sensing architecture
189 for duty  cycled sensor  networks, called uSense,  which comprises  three ideas:
190 Asymmetric Architecture, Generic Switching  and Global Scheduling. The objective
191 is to provide a flexible and efficient coverage in sensor networks.
192
193 In~\cite{ling2009energy},  the  lifetime  of  a  sensor  node  is  divided  into
194 epochs. At  each epoch,  the base station  deduces the current  sensing coverage
195 requirement  from application  or user  request. It  then applies  the heuristic
196 algorithm in order to produce the set  of active nodes which take the mission of
197 sensing during the current epoch.  After  that, the produced schedule is sent to
198 the sensor nodes in the network.
199
200 % What is the link between the previous work and this paragraph about DiLCO ?
201
202 {\it  In DiLCO  protocol,  the area  coverage  is divided  into several  smaller
203   subregions, and in  each of which, a  node called the leader is  on charge for
204   selecting the active sensors for the current period.}
205
206 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated  full area coverage problem under
207 the probabilistic  sensing model in the  sensor networks. They  have studied the
208 relationship between the coverage of two adjacent points mathematically and then
209 convert  the problem of  full area  coverage into  point coverage  problem. They
210 proposed $\varepsilon$-full area coverage optimization (FCO) algorithm to select
211 a subset of sensors to provide  probabilistic area coverage dynamically so as to
212 extend the network lifetime.
213
214 The work proposed by  \cite{qu2013distributed} considers the coverage problem in
215 WSNs where  each sensor has variable  sensing radius. The final  objective is to
216 maximize the network coverage lifetime in WSNs.
217
218 % Same remark, no link with the two previous citations...
219 {\it  In DiLCO  protocol,  each leader,  in  each subregion,  solves an  integer
220   program with a double objective  consisting in minimizing the overcoverage and
221   limiting  the  undercoverage.  This  program  is inspired  from  the  work  of
222   \cite{pedraza2006}  where the  objective is  to maximize  the number  of cover
223   sets.}
224  
225 % ***** Part which must be rewritten - End
226
227 \iffalse
228
229 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.
230
231
232 Yang et al.~\cite{yang2014energy} investigated full area coverage problem
233 under the probabilistic sensing model in the sensor networks. They have studied the relationship between the
234 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
235 of sensors to provide probabilistic area coverage dynamically so as to extend the network lifetime.
236
237
238 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. 
239
240  
241 Qu et al.~\cite{qu2013distributed} developed a distributed algorithm using  adjustable sensing sensors
242 for maintaining the full coverage of such sensor networks. The
243 algorithm contains two major parts: the first part aims at
244 providing $100\%$ coverage and the second part aims at saving
245 energy by decreasing the sensing radius.
246
247 Shi et al.~\cite{shi2009} modeled the Area Coverage Problem (ACP), which will be changed into a set coverage
248 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. 
249
250 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.
251
252  In~\cite{ling2009energy}, the lifetime of
253 a sensor node is divided into epochs. At each epoch, the
254 base station deduces the current sensing coverage requirement
255 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. 
256 \fi
257
258 \iffalse
259
260 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.
261
262 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. 
263  
264
265 In~\cite{xin2009area}, the authors proposed a circle intersection localized coverage algorithm
266 to maintain connectivity  based  on loose connectivity critical condition
267 . By using the connected coverage node set, it can maintain network
268 connection in the case which loose condition is not meet.
269 The authors in ~\cite{vashistha2007energy} addressed the full area coverage problem using information
270 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
271 achieve increased sensing lifetime of the network. 
272
273
274
275   
276
277
278 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.
279
280 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
281 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
282 (2) The distributed dynamic leader election at each period by each sensor node in the subregion, 
283 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
284 (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.
285 \fi
286 \iffalse
287 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.
288 %Je ne comprends pas la phrase ci-dessus
289 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.
290 %inutile de parler de ce papier car il concerne barrier coverage
291 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. 
292 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.  
293
294 The work presented in ~\cite{Zhang} focuses on a distributed clustering method, which aims to extend the network lifetime, while the coverage is ensured.
295
296 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.
297
298
299
300 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. 
301 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.
302 Yu et al.~\cite{yu2013cwsc} presented a connected k-coverage working sets construction
303 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 ($k \geq 1$).
304 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.
305
306 In~\cite{yang2013energy}, the authors are investigated full area coverage problem
307 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.
308 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.
309
310 The main contributions of our DiLCO Protocol can be summarized as follows:
311 (1) The distributed optimization over the subregions in the area of interest, 
312 (2) The distributed dynamic leader election at each round by each sensor node in the subregion, 
313 (3) The primary point coverage model to represent each sensor node in the network, 
314 (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,
315 (5) The improved energy consumption model.
316
317 \fi
318
319 \section{\uppercase{Description of the DiLCO protocol}}
320 \label{sec:The DiLCO Protocol Description}
321
322 \noindent In this section, we  introduce the DiLCO protocol which is distributed
323 on  each subregion  in  the area  of interest.   It  is based  on two  efficient
324 techniques: network leader election  and sensor activity scheduling for coverage
325 preservation  and  energy  conservation,  applied  periodically  to  efficiently
326 maximize the lifetime in the network.
327 \iffalse  The main  features of  our DiLCO  protocol: i)It  divides the  area of
328 interest  into subregions  by using  divide-and-conquer concept,  ii)It requires
329 only the  information of  the nodes  within the subregion,  iii) it  divides the
330 network lifetime into rounds, iv)It based on the autonomous distributed decision
331 by  the nodes in  the subregion  to elect  the Leader,  v)It apply  the activity
332 scheduling  based optimization  on  the  subregion, vi)  it  achieves an  energy
333 consumption balancing  among the nodes  in the subregion by  selecting different
334 nodes as a leader during the  network lifetime, vii) It uses the optimization to
335 select the best  representative set of sensors in the  subregion by optimize the
336 coverage and the  lifetime over the area of interest,  viii)It uses our proposed
337 primary point coverage model, which represent the sensing range of the sensor as
338 a set of points, which are used by the our optimization algorithm, ix) It uses a
339 simple  energy model that  takes communication,  sensing and  computation energy
340 consumptions into account to evaluate the performance of our protocol. 
341 \fi
342
343 \subsection{Assumptions and models}
344
345 \noindent  We consider  a sensor  network composed  of static  nodes distributed
346 independently and uniformly at random.  A high density deployment ensures a high
347 coverage ratio of the interested area at the starting. The nodes are supposed to
348 have homogeneous characteristics from a  communication and a processing point of
349 view, whereas they  have heterogeneous energy provisions.  Each  node has access
350 to its location thanks,  either to a hardware component (like a  GPS unit), or a
351 location discovery algorithm. 
352
353 \indent We consider a boolean disk  coverage model which is the most widely used
354 sensor coverage  model in the  literature. Thus, since  a sensor has  a constant
355 sensing range $R_s$, every space points  within a disk centered at a sensor with
356 the radius of  the sensing range is said  to be covered by this  sensor. We also
357 assume  that  the communication  range  $R_c \geq  2R_s$.   In  fact, Zhang  and
358 Zhou~\cite{Zhang05} proved that if  the transmission range fulfills the previous
359 hypothesis, a complete coverage of  a convex area implies connectivity among the
360 working nodes in the active mode.
361
362 \indent  For  each  sensor  we  also  define a  set  of  points  called  primary
363 points~\cite{idrees2014coverage} to  approximate the area  coverage it provides,
364 rather  than  working  with  a   continuous  coverage.   Thus,  a  sensing  disk
365 corresponding to  a sensor node is covered  by its neighboring nodes  if all its
366 primary points are covered. Obviously,  the approximation of coverage is more or
367 less accurate according to the number of primary points.
368
369 \iffalse
370 By  knowing the  position (point  center: ($p_x,p_y$))  of  a wireless
371 sensor node  and its $R_s$,  we calculate the primary  points directly
372 based on the proposed model. We  use these primary points (that can be
373 increased or decreased if necessary)  as references to ensure that the
374 monitored  region  of interest  is  covered  by  the selected  set  of
375 sensors, instead of using all the points in the area.
376
377 \indent  We can  calculate  the positions of the selected primary
378 points in the circle disk of the sensing range of a wireless sensor
379 node (see figure~\ref{fig1}) as follows:\\
380 $(p_x,p_y)$ = point center of wireless sensor node\\  
381 $X_1=(p_x,p_y)$ \\ 
382 $X_2=( p_x + R_s * (1), p_y + R_s * (0) )$\\           
383 $X_3=( p_x + R_s * (-1), p_y + R_s * (0)) $\\
384 $X_4=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (1) )$\\
385 $X_5=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (-1 )) $\\
386 $X_6= ( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0)) $\\
387 $X_7=( p_x + R_s *  (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (0))$\\
388 $X_8=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
389 $X_9=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $\\
390 $X_{10}=( p_x + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
391 $X_{11}=( p_x + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2}), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
392 $X_{12}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{\sqrt{2}}{2})) $\\
393 $X_{13}=( p_x + R_s * (0), p_y + R_s * (\frac{-\sqrt{2}}{2})) $.
394
395  \begin{figure}[h!]
396 \centering
397  \begin{multicols}{3}
398 \centering
399 %\includegraphics[scale=0.20]{fig21.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a)
400 %\includegraphics[scale=0.20]{fig22.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
401 \includegraphics[scale=0.25]{principles13.pdf}%\\~ ~ ~ ~ ~(c)
402 %\includegraphics[scale=0.10]{fig25.pdf}\\~ ~ ~(d)
403 %\includegraphics[scale=0.10]{fig26.pdf}\\~ ~ ~(e)
404 %\includegraphics[scale=0.10]{fig27.pdf}\\~ ~ ~(f)
405 \end{multicols} 
406 \caption{Wireless Sensor Node represented by 13 primary points}
407 %\caption{Wireless Sensor Node represented by (a)5, (b)9 and (c)13 primary points respectively}
408 \label{fig1}
409 \end{figure}
410
411 \fi
412
413 \subsection{The main idea}
414 \label{main_idea}
415
416 \noindent We start  by applying a divide-and-conquer algorithm  to partition the
417 area of interest  into smaller areas called subregions and  then our protocol is
418 executed   simultaneously  in   each   subregion.
419
420 \begin{figure}[ht!]
421 \centering
422 \includegraphics[width=75mm]{FirstModel.pdf} % 70mm
423 \caption{DiLCO protocol}
424 \label{fig2}
425 \end{figure} 
426
427 As  shown  in Figure~\ref{fig2},  the  proposed  DiLCO  protocol is  a  periodic
428 protocol where  each period is  decomposed into 4~phases:  Information Exchange,
429 Leader Election ,  Decision, and Sensing. For each period  there will be exactly
430 one  cover  set  in charge  of  the  sensing  task.   A periodic  scheduling  is
431 interesting  because it  enhances the  robustness  of the  network against  node
432 failures. First,  a node  that has not  enough energy  to complete a  period, or
433 which fails before  the decision is taken, will be  excluded from the scheduling
434 process. Second,  if a node  fails later, whereas  it was supposed to  sense the
435 region  of interest,  it will  only  affect the  quality of  coverage until  the
436 definition of a new cover set  in the next period.  Constraints, like the energy
437 consumption, can be easily taken into consideration since the sensors can update
438 and exchange their  information during the first phase.  Let  us notice that the
439 phases  before  the sensing  one  (Information  Exchange,  Leader Election,  and
440 Decision) are  energy consuming for all the  nodes, even nodes that  will not be
441 retained by the leader to keep watch over the corresponding area.
442
443 During the execution of the DiLCO protocol, two kinds of packets will be used:
444 %\begin{enumerate}[(a)]
445 \begin{itemize} 
446 \item INFO  packet: sent  by each  sensor node to  all the  nodes inside  a same
447   subregion for information exchange.
448 \item ActiveSleep packet:  sent by the leader to all the  nodes in its subregion
449   to inform them to be stay Active or to go Sleep during the sensing phase.
450 \end{itemize}
451 %\end{enumerate}
452 and each sensor node will have five possible status in the network:
453 %\begin{enumerate}[(a)] 
454 \begin{itemize} 
455 \item LISTENING: sensor is waiting for a decision (to be active or not);
456 \item COMPUTATION: sensor applies the optimization process as leader;
457 \item ACTIVE: sensor is active;
458 \item SLEEP: sensor is turned off;
459 \item COMMUNICATION: sensor is transmitting or receiving packet.
460 \end{itemize}
461 %\end{enumerate}
462
463 An outline of the  protocol implementation is given by Algorithm~\ref{alg:DiLCO}
464 which describes  the execution of  a period  by a node  (denoted by $s_j$  for a
465 sensor  node indexed by  $j$). At  the beginning  a node  checks whether  it has
466 enough energy to stay active during the next sensing phase. If yes, it exchanges
467 information  with  all the  other  nodes belonging  to  the  same subregion:  it
468 collects from each node its position coordinates, remaining energy ($RE_j$), ID,
469 and  the number  of  one-hop neighbors  still  alive. Once  the  first phase  is
470 completed, the nodes  of a subregion choose a leader to  take the decision based
471 on  the  following  criteria   with  decreasing  importance:  larger  number  of
472 neighbors, larger remaining energy, and  then in case of equality, larger index.
473 After that,  if the sensor node is  leader, it will execute  the integer program
474 algorithm (see Section~\ref{cp})  which provides a set of  sensors planned to be
475 active in the next sensing phase. As leader, it will send an Active-Sleep packet
476 to each sensor  in the same subregion to  indicate it if it has to  be active or
477 not.  Alternately, if  the  sensor  is not  the  leader, it  will  wait for  the
478 Active-Sleep packet to know its state for the coming sensing phase.
479
480 \iffalse
481 \subsubsection{Information Exchange Phase}
482
483 Each sensor node $j$ sends its position, remaining energy $RE_j$, and
484 the number of neighbors  $NBR_j$ to all wireless sensor nodes in
485 its subregion by using an INFO packet and then listens to the packets
486 sent from  other nodes.  After that, each  node will  have information
487 about  all the  sensor  nodes in  the  subregion.  In  our model,  the
488 remaining energy corresponds to the time that a sensor can live in the
489 active mode.
490
491 \subsubsection{Leader Election Phase}
492 This  step includes choosing  the Wireless  Sensor Node  Leader (WSNL),
493 which  will  be  responsible  for executing  the coverage  algorithm.  Each
494 subregion  in  the   area  of  interest  will  select   its  own  WSNL
495 independently  for each  round.  All the  sensor  nodes cooperate  to
496 select WSNL.  The nodes in the  same subregion will  select the leader
497 based on  the received  information from all  other nodes in  the same
498 subregion.  The selection criteria  in order  of priority  are: larger
499 number  of neighbors,  larger remaining  energy, and  then in  case of
500 equality, larger index. 
501
502 \subsubsection{Decision phase}
503 The  WSNL will  solve an  integer  program (see  section~\ref{cp})  to
504 select which sensors will be  activated in the following sensing phase
505 to cover  the subregion.  WSNL will send  Active-Sleep packet  to each
506 sensor in the subregion based on the algorithm's results.
507
508
509 \subsubsection{Sensing phase}
510
511 Active sensors in the round will  execute their sensing task to preserve maximal
512 coverage in the  region of interest. We  will assume that the cost  of keeping a
513 node awake  (or asleep)  for sensing task  is the  same for all  wireless sensor
514 nodes in the network.  Each sensor will receive an Active-Sleep packet from WSNL
515 informing it to stay  awake or to go to sleep for a time  equal to the period of
516 sensing until starting a new round.  Algorithm 1, which will be executed by each
517 node  at the  beginning of  a  round, explains  how the  Active-Sleep packet  is
518 obtained.
519
520 \fi
521
522
523 \iffalse
524 \subsection{DiLCO protocol Algorithm}
525 we  first show  the pseudo-code  of DiLCO  protocol, which  is executed  by each
526 sensor in the subregion and then describe it in more detail.  \fi
527
528 \begin{algorithm}[h!]                
529  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
530 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
531   \BlankLine
532   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
533   
534   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
535       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
536       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
537       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
538       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
539       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
540       
541       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
542       \emph{LeaderID = Leader election}\;
543       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
544         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
545         \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{J}\right)\right\}$ =
546           Execute Integer Program Algorithm($J$)}\;
547         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
548         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion} \;
549         \emph{Update $RE_j $}\;
550       }   
551       \Else{
552         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
553         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
554         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
555         \emph{Update $RE_j $}\;
556       }  
557       %  }
558   }
559   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
560   
561  %   \emph{return X} \;
562 \caption{DiLCO($s_j$)}
563 \label{alg:DiLCO}
564
565 \end{algorithm}
566
567 \iffalse
568 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
569 LISTENING mode. Thus, by entering the LISTENING mode at the beginning of each round,
570 sensor nodes still executing sensing task while participating in the leader election and decision phases. More specifically, The DiLCO protocol algorithm works as follow: 
571 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.
572 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.
573 \fi
574
575
576 \section{\uppercase{Coverage problem formulation}}
577 \label{cp}
578
579 \indent Our model is based on the model proposed by \cite{pedraza2006} where the
580 objective is  to find a  maximum number of  disjoint cover sets.   To accomplish
581 this goal,  the authors proposed  an integer program which  forces undercoverage
582 and overcoverage of targets to become minimal at the same time.  They use binary
583 variables $x_{jl}$ to  indicate if sensor $j$ belongs to cover  set $l$.  In our
584 model, we  consider binary  variable $X_{j}$ which  determine the  activation of
585 sensor $j$  in the sensing  phase. We also  consider primary points  as targets.
586 The set of primary points is denoted by $P$ and the set of sensors by $J$.
587
588 \noindent Let $\alpha_{jp}$ denote the indicator function of whether the primary
589 point $p$ is covered, that is:
590 \begin{equation}
591 \alpha_{jp} = \left \{ 
592 \begin{array}{l l}
593   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
594  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
595   0 & \mbox{otherwise.}\\
596 \end{array} \right.
597 %\label{eq12} 
598 \end{equation}
599 The  number of  active sensors  that cover  the primary  point $p$  can  then be
600 computed by $\sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j}$ where:
601 \begin{equation}
602 X_{j} = \left \{ 
603 \begin{array}{l l}
604   1& \mbox{if sensor $j$  is active,} \\
605   0 &  \mbox{otherwise.}\\
606 \end{array} \right.
607 %\label{eq11} 
608 \end{equation}
609 We define the Overcoverage variable $\Theta_{p}$ as:
610 \begin{equation}
611  \Theta_{p} = \left \{ 
612 \begin{array}{l l}
613   0 & \mbox{if the primary point}\\
614     & \mbox{$p$ is not covered,}\\
615   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{j} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
616 \end{array} \right.
617 \label{eq13} 
618 \end{equation}
619 \noindent More  precisely, $\Theta_{p}$ represents  the number of  active sensor
620 nodes minus  one that  cover the primary  point~$p$. The  Undercoverage variable
621 $U_{p}$ of the primary point $p$ is defined by:
622 \begin{equation}
623 U_{p} = \left \{ 
624 \begin{array}{l l}
625   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered,} \\
626   0 & \mbox{otherwise.}\\
627 \end{array} \right.
628 \label{eq14} 
629 \end{equation}
630
631 \noindent Our coverage optimization problem can then be formulated as follows:
632 \begin{equation} \label{eq:ip2r}
633 \left \{
634 \begin{array}{ll}
635 \min \sum_{p \in P} (w_{\theta} \Theta_{p} + w_{U} U_{p})&\\
636 \textrm{subject to :}&\\
637 \sum_{j \in J}  \alpha_{jp} X_{j} - \Theta_{p}+ U_{p} =1, &\forall p \in P\\
638 %\label{c1} 
639 %\sum_{t \in T} X_{j,t} \leq \frac{RE_j}{e_t} &\forall j \in J \\
640 %\label{c2}
641 \Theta_{p}\in \mathbb{N} , &\forall p \in P\\
642 U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P \\
643 X_{j} \in \{0,1\}, &\forall j \in J
644 \end{array}
645 \right.
646 \end{equation}
647
648 \begin{itemize}
649 \item $X_{j}$ :  indicates whether or not the sensor $j$  is actively sensing (1
650   if yes and 0 if not);
651 \item $\Theta_{p}$  : {\it overcoverage}, the  number of sensors  minus one that
652   are covering the primary point $p$;
653 \item $U_{p}$ : {\it undercoverage},  indicates whether or not the primary point
654   $p$ is being covered (1 if not covered and 0 if covered).
655 \end{itemize}
656
657 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
658 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
659 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
660 positive values. Two objectives can be noticed in our model. First, we limit the
661 overcoverage of primary  points to activate as few  sensors as possible. Second,
662 to  avoid   a  lack  of  area   monitoring  in  a  subregion   we  minimize  the
663 undercoverage. Both  weights $w_\theta$  and $w_U$ must  be carefully  chosen in
664 order to  guarantee that the  maximum number of  points are covered  during each
665 period.
666
667 \section{\uppercase{Protocol evaluation}}  
668 \label{sec:Simulation Results and Analysis}
669 \noindent \subsection{Simulation framework}
670
671 To assess the performance of our DiLCO protocol, we have used the discrete
672 event simulator OMNeT++ \cite{varga} to run different series of simulations.
673 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters setting.
674
675 \begin{table}[ht]
676 \caption{Relevant parameters for network initializing.}
677 % title of Table
678 \centering
679 % used for centering table
680 \begin{tabular}{c|c}
681 % centered columns (4 columns)
682       \hline
683 %inserts double horizontal lines
684 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
685    
686 %Case & Strategy (with Two Leaders) & Strategy (with One Leader) & Simple Heuristic \\ [0.5ex]
687 % inserts table
688 %heading
689 \hline
690 % inserts single horizontal line
691 Sensing  Field  & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
692 % inserting body of the table
693 %\hline
694 Nodes Number &  50, 100, 150, 200 and 250~nodes   \\
695 %\hline
696 Initial Energy  & 500-700~joules  \\  
697 %\hline
698 Sensing Period & 60 Minutes \\
699 $E_{th}$ & 36 Joules\\
700 $R_s$ & 5~m   \\     
701 %\hline
702 $w_{\Theta}$ & 1   \\
703 % [1ex] adds vertical space
704 %\hline
705 $w_{U}$ & $|P|^2$
706 %inserts single line
707 \end{tabular}
708 \label{table3}
709 % is used to refer this table in the text
710 \end{table}
711
712 Simulations with five  different node densities going from  50 to 250~nodes were
713 performed  considering  each  time  25~randomly generated  networks,  to  obtain
714 experimental results  which are relevant. The  nodes are deployed on  a field of
715 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
716 high coverage ratio.
717
718 We chose as energy consumption model the one proposed proposed by~\cite{ChinhVu}
719 and based on ~\cite{raghunathan2002energy} with slight modifications. The energy
720 consumed by  the communications  is added  and the part  relative to  a variable
721 sensing range is removed. We also assume that the nodes have the characteristics
722 of the  Medusa II sensor  node platform \cite{raghunathan2002energy}.   A sensor
723 node typically  consists of  four units: a  MicroController Unit, an  Atmels AVR
724 ATmega103L in  case of Medusa II,  to perform the  computations; a communication
725 (radio) unit able to send and  receive messages; a sensing unit to collect data;
726 a power supply  which provides the energy consumed by  node. Except the battery,
727 all the other unit  can be be switched off to save  energy according to the node
728 status.   Table~\ref{table4} summarizes  the energy  consumed (in  milliWatt per
729 second) by a node for each of its possible status.
730
731 \begin{table}[ht]
732 \caption{Energy consumption model}
733 % title of Table
734 \centering
735 % used for centering table
736 {\scriptsize
737 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
738 % centered columns (4 columns)
739       \hline
740 %inserts double horizontal lines
741 Sensor status & MCU   & Radio & Sensing & Power (mW) \\ [0.5ex]
742 \hline
743 % inserts single horizontal line
744 Listening & ON & ON & ON & 20.05 \\
745 % inserting body of the table
746 \hline
747 Active & ON & OFF & ON & 9.72 \\
748 \hline
749 Sleep & OFF & OFF & OFF & 0.02 \\
750 \hline
751 Computation & ON & ON & ON & 26.83 \\
752 %\hline
753 %\multicolumn{4}{|c|}{Energy needed to send/receive a 1-bit} & 0.2575\\
754  \hline
755 \end{tabular}
756 }
757
758 \label{table4}
759 % is used to refer this table in the text
760 \end{table}
761
762 Less  influent  energy consumption  sources  like  when  turning on  the  radio,
763 starting the sensor node, changing the status of a node, etc., will be neglected
764 for the  sake of simplicity. Each node  saves energy by switching  off its radio
765 once it has  received its decision status from the  corresponding leader (it can
766 be itself).  As explained previously in subsection~\ref{main_idea}, two kinds of
767 packets  for communication  are  considered  in our  protocol:  INFO packet  and
768 ActiveSleep  packet. To  compute the  energy  needed by  a node  to transmit  or
769 receive such  packets, we  use the equation  giving the  energy spent to  send a
770 1-bit-content   message  defined   in~\cite{raghunathan2002energy}   (we  assume
771 symmetric  communication costs), and  we set  their respective  size to  112 and
772 24~bits. The energy required to send  or receive a 1-bit-content message is thus
773 is equal to 0.2575 mW.
774
775 Each node has an initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the
776 interval  $[500-700]$.  If  it's  energy  provision reaches  a  value below  the
777 threshold  $E_{th}=36$~Joules, the  minimum energy  needed  for a  node to  stay
778 active during one period, it will no more participate in the coverage task. This
779 value  corresponds  to the  energy  needed by  the  sensing  phase, obtained  by
780 multiplying the energy consumed in active  state (9.72 mW) by the time in seconds
781 for one period (3600 seconds), and  adding the energy for the pre-sensing phases.
782 According to  the interval of initial energy,  a sensor may be  active during at
783 most 20 rounds.
784
785 In the simulations,  we introduce the following performance  metrics to evaluate
786 the efficiency of our approach:
787
788 %\begin{enumerate}[i)]
789 \begin{itemize}
790 \item {{\bf Network Lifetime}:} we define the network lifetime as the time until
791   the  coverage  ratio  drops  below  a  predefined  threshold.   We  denote  by
792   $Lifetime_{95}$ (respectively $Lifetime_{50}$) the amount of time during which
793   the  network can  satisfy an  area coverage  greater than  $95\%$ (respectively
794   $50\%$). We assume that the sensor  network can fulfill its task until all its
795   nodes have  been drained of their  energy or it  becomes disconnected. Network
796   connectivity  is crucial because  an active  sensor node  without connectivity
797   towards a base  station cannot transmit any information  regarding an observed
798   event in the area that it monitors.
799   
800     
801 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} it measures how well the WSN is able to 
802   observe the area of interest. In our case, we discretized the sensor field
803   as a regular grid, which yields the following equation to compute the
804   coverage ratio: 
805 \begin{equation*}
806 \scriptsize
807 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n$}}{\mbox{$N$}} \times 100.
808 \end{equation*}
809 where  $n$ is  the number  of covered  grid points  by active  sensors  of every
810 subregions during  the current  sensing phase  and $N$ is  total number  of grid
811 points in  the sensing field. In  our simulations, we have  a layout of  $N = 51
812 \times 26 = 1326$ grid points.
813 %The accuracy of this method depends on the distance between grids. In our
814 %simulations, the sensing field has been divided into 50 by 25 grid points, which means
815 %there are $51 \times 26~ = ~ 1326$ points in total.
816 % Therefore, for our simulations, the error in the coverage calculation is less than ~ 1 $\% $.
817
818 \iffalse
819
820 \item{{\bf Number of Active Sensors Ratio(ASR)}:} It is important to have as few active nodes as possible in each round,
821 in  order to  minimize  the communication  overhead  and maximize  the
822 network lifetime. The Active Sensors Ratio is defined as follows:
823 \begin{equation*}
824 \scriptsize
825 \mbox{ASR}(\%) =  \frac{\sum\limits_{r=1}^R \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$S$}} \times 100 .
826 \end{equation*}
827 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.
828
829 \fi
830
831 \item {{\bf  Energy Consumption}:}  energy consumption (EC)  can be seen  as the
832   total   energy   consumed   by   the   sensors   during   $Lifetime_{95}$   or
833   $Lifetime_{50}$, divided  by the number of periods.  Formally, the computation
834   of EC can be expressed as follows:
835   \begin{equation*}
836     \scriptsize
837     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m  
838       + E^{a}_m+E^{s}_m \right)}{M},
839   \end{equation*}
840
841 where $M$  corresponds to the number  of periods.  The total  energy consumed by
842 the  sensors (EC)  comes  through  taking into  consideration  four main  energy
843 factors. The  first one , denoted $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$, represent the
844 energy consumption  spent by  all the nodes  for wireless  communications during
845 period $m$.   $E^{\scriptsize \mbox{list}}_m$,  the next factor,  corresponds to
846 the  energy consumed by  the sensors  in LISTENING  status before  receiving the
847 decision to  go active or  sleep in period $m$.  $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$
848 refers to the energy needed by all the leader nodes to solve the integer program
849 during a period.  Finally, $E^a_{m}$ and $E^s_{m}$ indicate  the energy consumed
850 by the whole network in the sensing phase (active and sleeping nodes).
851
852
853 \iffalse 
854 \item {{\bf  Execution Time}:}  a sensor node  has limited energy  resources and
855   computing power, therefore it is important that the proposed algorithm has the
856   shortest possible execution  time. The energy of a sensor  node must be mainly
857   used for the sensing phase, not for the pre-sensing ones.
858  
859 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} A simulation ends when the sensor network
860   becomes disconnected (some nodes are dead and are not able to send information
861   to the base station). We report the number of simulations that are stopped due
862   to network disconnections and for which round it occurs.
863
864 \fi
865
866 \end{itemize}
867 %\end{enumerate}
868
869
870 %\subsection{Performance Analysis for different subregions}
871 \subsection{Performance analysis}
872 \label{sub1}
873
874 In this subsection, we first focus  on the performance of our DiLCO protocol for
875 different numbers  of subregions.  We consider partitions  of the WSN  area into
876 $2$, $4$, $8$, $16$, and $32$ subregions. Thus the DiLCO protocol is declined in
877 five versions:  DiLCO-2, DiLCO-4,  DiLCO-8, DiLCO-16, and  DiLCO-32. Simulations
878 without  partitioning  the  area  of  interest,  case  which  corresponds  to  a
879 centralized  approach, are  not presented  because they  require  high execution
880 times to solve the integer program and therefore consume too much energy.
881
882 We compare our protocol to two  other approaches. The first one, called DESK and
883 proposed  by ~\cite{ChinhVu}  is a  fully distributed  coverage  algorithm.  The
884 second one, called GAF  ~\cite{xu2001geography}, consists in dividing the region
885 into fixed  squares.  During the decision  phase, in each square,  one sensor is
886 chosen to remain active during the sensing phase.
887
888 \subsubsection{Coverage ratio} 
889
890 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. It
891 can  be seen  that both  DESK and  GAF provide  a little  better  coverage ratio
892 compared to DiLCO  in the first thirty periods. This can  be easily explained by
893 the number of  active nodes: the optimization process  of our protocol activates
894 less nodes  than DESK  or GAF, resulting  in a  slight decrease of  the coverage
895 ratio. In case of DiLCO-2  (respectively DiLCO-4), the coverage ratio exhibits a
896 fast decrease  with the number  of periods and  reaches zero value  in period~18
897 (respectively 46), whereas  the other versions of DiLCO, DESK,  and GAF ensure a
898 coverage ratio above  50\% for subsequent periods.  We  believe that the results
899 obtained with these two methods can be explained by a high consumption of energy
900 and we will check this assumption in the next subsection.
901
902 Concerning  DiLCO-8, DiLCO-16,  and  DiLCO-32,  these methods  seem  to be  more
903 efficient than DESK  and GAF, since they can provide the  same level of coverage
904 (except in the first periods where  DESK and GAF slightly outperform them) for a
905 greater number  of periods. In fact, when  our protocol is applied  with a large
906 number of subregions (from 8 to 32~regions), it activates a restricted number of
907 nodes, and thus allow to extend the network lifetime.
908
909 \parskip 0pt    
910 \begin{figure}[t!]
911 \centering
912  \includegraphics[scale=0.45] {R/CR.pdf} 
913 \caption{Coverage ratio}
914 \label{fig3}
915 \end{figure} 
916
917 %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,
918 %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
919 %slightly more efficient than other protocols, because they subdivides
920 %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.%
921
922 \subsubsection{Energy consumption}
923
924 Based on  the results shown in  Figure~\ref{fig3}, we focus on  the DiLCO-16 and
925 DiLCO-32 versions of our protocol,  and we compare their energy consumption with
926 the DESK and GAF approaches. For each sensor node we measure the energy consumed
927 according to its successive status,  for different network densities.  We denote
928 by $\mbox{\it  Protocol}/50$ (respectively $\mbox{\it  Protocol}/95$) the amount
929 of energy consumed  while the area coverage is  greater than $50\%$ (repectively
930 $95\%$),  where  {\it  Protocol}  is  one  of the  four  protocols  we  compare.
931 Figure~\ref{fig95} presents  the energy consumptions observed  for network sizes
932 going from 50  to 250~nodes. Let us  notice that the same network  sizes will be
933 used for the different performance metrics.
934
935 \begin{figure}[h!]
936 \centering
937 \includegraphics[scale=0.45]{R/EC.pdf} 
938 \caption{Energy consumption}
939 \label{fig95}
940 \end{figure} 
941
942 The  results  depict the  good  performance of  the  different  versions of  our
943 protocol.   Indeed,  the protocols  DiLCO-16/50,  DiLCO-32/50, DiLCO-16/95,  and
944 DiLCO-32/95  consume less  energy than  their DESK  and GAF  counterparts  for a
945 similar level of area coverage.   This observation reflects the larger number of
946 nodes set active by DESK and GAF.
947
948
949 %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. 
950 %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.  
951
952 \subsubsection{Execution time}
953
954 Another interesting point to investigate  is the evolution of the execution time
955 with the size of the WSN and  the number of subregions. Therefore, we report for
956 every version of  our protocol the average execution times  in seconds needed to
957 solve the optimization problem for  different WSN sizes. The execution times are
958 obtained on a laptop DELL  which has an Intel Core~i3~2370~M~(2.4~GHz) dual core
959 processor and a MIPS rating equal to 35330. The corresponding execution times on
960 a MEDUSA II sensor node are then  extrapolated according to the MIPS rate of the
961 Atmels  AVR  ATmega103L  microcontroller  (6~MHz),  which  is  equal  to  6,  by
962 multiplying    the    laptop     times    by    $\left(\frac{35330}{2}    \times
963 \frac{1}{6}\right)$.  The  expected times  on  a  sensor  node are  reported  on
964 Figure~\ref{fig8}.
965
966 \begin{figure}[h!]
967 \centering
968 \includegraphics[scale=0.45]{R/T.pdf}  
969 \caption{Execution time in seconds}
970 \label{fig8}
971 \end{figure} 
972
973 Figure~\ref{fig8} shows that DiLCO-32 has very low execution times in comparison
974 with  other DiLCO  versions, because  the activity  scheduling is  tackled  by a
975 larger  number of  leaders and  each  leader solves  an integer  problem with  a
976 limited number  of variables and  constraints.  Conversely, DiLCO-2  requires to
977 solve an optimization problem with half of the network nodes and thus presents a
978 high execution time.  Nevertheless if  we refer to Figure~\ref{fig3}, we observe
979 that DiLCO-32  is slightly less efficient  than DilCO-16 to maintain  as long as
980 possible high  coverage. In fact excessive  subdivision of the  area of interest
981 prevents   to  ensure   good  coverage   especially  on   the  borders   of  the
982 subregions. Thus,  the optimal number of  subregions can be seen  as a trade-off
983 between execution time and coverage performance.
984
985 %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.
986
987 \subsubsection{Network lifetime}
988
989 In the next figure, the network lifetime is illustrated. Obviously, the lifetime
990 increases with  the network  size, whatever the  considered protocol,  since the
991 correlated node  density also  increases.  A high  network density means  a high
992 node redundancy  which allows  to turn-off  many nodes and  thus to  prolong the
993 network lifetime.
994
995 \begin{figure}[h!]
996 \centering
997 \includegraphics[scale=0.45]{R/LT.pdf}  
998 \caption{Network lifetime}
999 \label{figLT95}
1000 \end{figure} 
1001
1002 As  highlighted by  Figure~\ref{figLT95},  when the  coverage  level is  relaxed
1003 ($50\%$) the network lifetime also  improves. This observation reflects the fact
1004 that  the higher  the coverage  performance, the  more nodes  must be  active to
1005 ensure the  wider monitoring.  For a  same level of  coverage, DiLCO outperforms
1006 DESK and GAF for the lifetime of  the network. More specifically, if we focus on
1007 the larger level  of coverage ($95\%$) in case of  our protocol, the subdivision
1008 in $16$~subregions seems to be the most appropriate.
1009
1010 % with  our DiLCO-16/50, DiLCO-32/50, DiLCO-16/95 and DiLCO-32/95 protocols
1011 % that leads to the larger lifetime improvement in comparison with other approaches. By choosing the best 
1012 % suited nodes, for each round, to cover the area of interest and by
1013 % 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
1014 % independently and simultaneously, is the most relevant way to maximize the lifetime of a network.
1015
1016 \section{\uppercase{Conclusion and future work}}
1017 \label{sec:Conclusion and Future Works} 
1018
1019 A crucial problem in WSN is  to schedule the sensing activities of the different
1020 nodes  in order to  ensure both  coverage of  the area  of interest  and longest
1021 network lifetime. The inherent limitations of sensor nodes, in energy provision,
1022 communication and computing capacities,  require protocols that optimize the use
1023 of  the  available resources  to  fulfill the  sensing  task.   To address  this
1024 problem, this paper proposes a  two-step approach. Firstly, the field of sensing
1025 is  divided into  smaller  subregions using  the  concept of  divide-and-conquer
1026 method. Secondly,  a distributed  protocol called Distributed  Lifetime Coverage
1027 Optimization is applied in each  subregion to optimize the coverage and lifetime
1028 performances.   In a subregion,  our protocol  consists to  elect a  leader node
1029 which will then perform a sensor activity scheduling. The challenges include how
1030 to  select   the  most  efficient  leader   in  each  subregion   and  the  best
1031 representative set of active nodes to ensure a high level of coverage. To assess
1032 the performance of our approach, we  compared it with two other approaches using
1033 many performance metrics  like coverage ratio or network  lifetime. We have also
1034 study the  impact of the  number of subregions  chosen to subdivide the  area of
1035 interest,  considering  different  network  sizes.  The  experiments  show  that
1036 increasing the  number of subregions improves  the lifetime. The  more there are
1037 subregions,  the  more  the  network  is  robust  against  random  disconnection
1038 resulting from dead nodes.  However, for  a given sensing field and network size
1039 there is an optimal number of  subregions.  Therefore, in case of our simulation
1040 context  a subdivision in  $16$~subregions seems  to be  the most  relevant. The
1041 optimal number of subregions will be investigated in the future.
1042
1043 \iffalse
1044 \noindent In this paper, we have  addressed the problem of the coverage and the lifetime
1045 optimization in wireless  sensor networks. This is a key issue as
1046 sensor nodes have limited resources in terms of memory,  energy and
1047 computational power. To cope with this problem, the field of sensing
1048 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.
1049 The proposed protocol combines two efficient techniques:  network
1050 leader election and sensor activity scheduling, where the challenges
1051 include how to select the  most efficient leader in each subregion and
1052 the best representative active nodes that will optimize the network lifetime
1053 while  taking the responsibility of covering the corresponding
1054 subregion. The network lifetime in each subregion is divided into
1055 rounds, each round consists  of four phases: (i) Information Exchange,
1056 (ii) Leader Election, (iii) an optimization-based Decision in order to
1057 select the  nodes remaining  active for  the  last phase,  and  (iv)
1058 Sensing.  The  simulations show the relevance  of the proposed DiLCO
1059 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
1060 dealing with large and dense wireless sensor networks, a distributed
1061 approach like the one we are proposed allows to reduce the difficulty of a
1062 single global optimization problem by partitioning it in many smaller
1063 problems, one per subregion, that can be solved more easily.
1064
1065 In future work, we plan to study  and propose a coverage optimization protocol, which
1066 computes  all active sensor schedules in one time, using
1067 optimization  methods. \iffalse The round  will still consist of 4 phases, but the
1068   decision phase will compute the schedules for several sensing phases
1069   which, aggregated together, define a kind of meta-sensing phase.
1070 The computation of all cover sets in one time is far more
1071 difficult, but will reduce the communication overhead. \fi
1072 \fi
1073
1074 \section*{\uppercase{Acknowledgements}}
1075
1076 \noindent  As  a Ph.D.  student,  Ali Kadhum  IDREES  would  like to  gratefully
1077 acknowledge  the University  of Babylon  - IRAQ  for the  financial  support and
1078 Campus France for the received support.
1079
1080 %\vfill
1081 \bibliographystyle{apalike}
1082 {\small
1083 \bibliography{Example}}
1084
1085 %\vfill
1086 \end{document}