]> AND Private Git Repository - ThesisAli.git/blob - CHAPITRE_02.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
update by Ali
[ThesisAli.git] / CHAPITRE_02.tex
1 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
2 %%                          %%
3 %%       CHAPITRE 02        %%
4 %%                          %%
5 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
6
7 \chapter{Related Works on Coverage Problems}
8 \label{ch2}
9
10 \section{Introduction}
11 \label{ch2:sec:01}
12 The main objective of deploying a large number of wireless sensor nodes in the target area of interest is to construct a WSN, which is responsible for monitoring and observation the sensing field, and detecting the required important event in the area of interest. The coverage problem represents the principle requirement in these applications. The main question that shared by these applications is how can the deployed wireless sensor nodes monitor the physical phenomenon properly. The coverage can be considered as one of the QoS (Quality of Service) parameters, and it is closely related to energy consumption. It represents the sensing task supplied by the wireless sensors in WSNs. 
13
14
15 The energy resource limitation of wireless sensor nodes has been considered as a big challenge in order to operate the WSN with less energy consumption whilst fulfill the coverage requirement. The main objective of scattering the wireless sensor nodes over the area of interest is to collect the sensed data of the physical phenomena for processing or reporting, where there are two types of reporting for sensed data in WSNs~\cite{ref138} like event-driven and on-demand. In the latter, the monitoring base station start the reporting operation by transmitting a request to the wireless sensor nodes so as to send their sensed data to the base station; for example, the inventory tracking application. In the former, the reporting operation is triggered by one or more wireless sensor nodes within the physical phenomena by transmitting their sensed data to the controlling base station; for instance, the forest fire detection application. The hybrid scheme of the two types is more flexible. 
16
17 The ultimate goal of the coverage is to ensure that each point in the sensing field is within the sensing range of at least one sensor node. Some applications require high reliability to perform their tasks, so they need that every point in the sensing field is covered by more than one sensor node. In order to avoid the lack in monitoring the area of interest, it is necessary that the WSN are deployed with high density so as to exploit the overlapping among the sensor nodes and to prevent malfunction of sensor nodes in severe environments. The overlap can be exploited by choosing the minimum number of sensor nodes to perform the main tasks of the WSN in the sensing field and putting the rest sensor nodes in very low power sleep mode so as to prolong the network lifetime. This exploitation manner is called sensor activity scheduling that aims to set the activity state of each sensor node in the WSN so that the sensing field can be monitored for a long time as possible. The required level of coverage should be guaranteed by the activity-based scheduling scheme~\cite{ref139}. Many scheduling algorithms have been described in~\cite{ref58,ref57}.
18
19 %This dissertation focuses on the problem of covering the area of interest  as long as  possible. Several proposed approaches to extend the network lifetime whilst maintaining the coverage have been viewed in this chapter.  M. Cardei and J. Wu~\cite{ref113} have been surveyed the different coverage formulation models and their assumptions, as well as the solutions provided. In~\cite{ref105}, several coverage problems are presented from different angles, where the models and assumptions, as well as proposed solutions in the literatures, are described. In this dissertation, the main contribution of previous works that deal with  the coverage problem have been addressed. We end this chapter by focusing on two algorithms, GAF~\cite{GAF} and DESK~\cite{DESK}, since they have been used for comparison against our coverage protocols.
20
21
22 %\section{Coverage Algorithms} 
23 %\label{ch2:sec:02}
24
25 \indent  This chapter is dedicated to the various approaches proposed in the
26 literature for the coverage lifetime maximization problem,  where the objective
27 is to optimally schedule sensors' activities in order to extend network lifetime
28 in WSNs. 
29 In~\cite{ref105}, several coverage problems are presented from different angles, where the models and assumptions, as well as proposed solutions in the literatures, are described.
30 M. Cardei and J. Wu~\cite{ref113} survey the different coverage formulation models and their assumptions, as well as the solutions provided. They provide a taxonomy for coverage algorithms in WSNs according to several design choices:
31
32 \begin{enumerate} [(i)]
33 \item  Sensors scheduling algorithm implementation, i.e. centralized or distributed/localized algorithms.
34 \item The objective of sensor coverage, i.e. to maximize the network lifetime or
35   to minimize the number of active sensors during a sensing round.
36 \item The homogeneous or heterogeneous nature of the nodes, in terms of sensing or communication capabilities.
37 \item The node deployment method, which may be random or deterministic.
38 \item  Additional requirements for energy-efficient and connected coverage.
39 \end{enumerate}
40
41 From our point of view, the choice of non-disjoint or disjoint cover sets (sensors participate or not in many cover sets), coverage type ( area, target, or barrier), coverage ratio, coverage degree (how many sensors are required to cover a target or an area) can be added to the above list.
42
43
44 Once a sensor nodes are deployed, a coverage algorithm is run to schedule the sensor nodes into cover sets so as to maintain sufficient coverage in the area of interest and extend the network lifetime. The WSN applications require either complete or partial to  area coverage and for target coverage, all the target should be covered. This chapter concentrates only on area coverage and target coverage problems because it is possible to transform the area coverage problem to target ( or point) coverage problem and vice versa. We have excluded the barrier coverage problem from this discussion about the coverage problems because it is outside the scope of this dissertation. 
45 This dissertation focuses mainly on the area coverage problem, where the ultimate goal of the area coverage problem is to choose the minimum number of sensor nodes to cover the whole sensing field. 
46 %We have focused mainly on the area coverage problem. Therefore, we represent the sensing area of each sensor node in the sensing field as a set of  primary points and then achieving full area coverage by covering all the points in the sensing field. The ultimate goal of the area coverage problem is to choose the minimum number of sensor nodes to cover the whole sensing region and prolonging the lifetime of the WSN. 
47
48 Many centralized and distributed coverage algorithms for activity scheduling have been proposed in the literature and based on different assumptions and objectives. In centralized algorithms, a central controller makes all decisions and distributes the results to sensor nodes. The centralized algorithms have the advantage of requiring very low processing power from the sensor nodes which have usually limited processing capabilities.  On the contrary, the exchange of packets in large WSNs may consume a considerable amount of energy in a centralized approach compared to a distributed one. Moreover, centralized approaches usually suffer from the scalability and reliability problems, making them less competitive as the network size increases.
49
50 In a distributed algorithms, on the other hand, the decision process is localized in each individual sensor node, and the only information from neighboring nodes are used for the activity decision. Compared to centralized algorithms, distributed algorithms reduce the energy consumption required for radio communication and detection accuracy whilst increase the energy consumption for computation. Overall, distributed algorithms are more suitable for large-scale networks, but it can not give optimal (or near-optimal) solution based only on local information. Moreover, a recent study conducted in \cite{ref226} concludes that there is a threshold in terms of network size to switch from a distributed to a centralized algorithm. Table~\ref{Table0:ch2} shows a comparison between the centralized coverage algorithms and the distributed coverage algorithms.
51
52
53 \begin{table}[h]
54 \caption{Centralized Coverage Algorithms vs Distributed Coverage Algorithms}
55 \begin{center}
56 \begin{tabular}{ |p{3cm}|p{5cm}|p{5cm}|}
57 \hline
58       
59 \textbf{\begin{center} Characteristics \end{center}} & \textbf{\begin{center} Centralized Coverage Algorithms \end{center}} & \textbf{\begin{center} Distributed Coverage Algorithms \end{center}}\\ \hline
60      
61 \textbf{\begin{center} Computation \end{center}} & Require low processing power where the algorithm is executed only in one elected node. & Require large processing power due to execution the algorithm in every node in WSN. \\ \hline
62
63 \textbf{\begin{center} Communication \end{center}} & Sensor nodes communicate directly with the base station, therefore, they require low-power consumption for communication. & Sensor nodes require high power consumption for communication because of the frequent exchange of hello packets. \\ \hline
64
65 \textbf{\begin{center} Decision \end{center}} & Ensure nearly or close to optimal solution.  & Can not ensure optimal (or near-optimal) solution.\\ \hline
66
67 \textbf{\begin{center} Redundancy \end{center}} &  Provide less redundant active sensor nodes during monitoring the sensing field.  & Provide more redundant active sensor nodes during monitoring the sensing field.\\ \hline
68
69 \textbf{\begin{center} Energy Consumption \end{center}} & Energy consumption is large especially when the network size and/or density increase. & Energy consumption is low because they have lower communication cost. \\ \hline
70
71 \textbf{\begin{center} Scalability \end{center}} & Scalable only with dividing the sensing field into smaller subregions. & More scalable for large networks. \\ \hline
72
73 \textbf{\begin{center} Reliability \end{center}} & Less robust against sensor failure. & More robust against sensor failure. \\ \hline
74   
75 \end{tabular}
76 \end{center}
77 \label{Table0:ch2}
78 \end{table}
79
80
81 In this dissertation, the sensing field is divided into smaller subregions using divide-and-conquer method. The division continues until the distance between each two sensors inside the subregion is 3 or 2 hops maximum. This division makes our protocols more scalable for large networks, less energy consumer for communication, less processing power for decision, and more reliable against network failure. Our proposed protocols are distributed on the sensor nodes of the subregions. The protocols in each subregion work in independent and simultaneous way with the protocols in the other subregions. If the network disconnected in one subregion, it will not affect the other subregions of the sensing field.  There is no a fixed sensor node in the subregion for executing the optimization algorithm. Each period of the network lifetime, the sensor nodes in the subregion cooperate in order to select a sensor node to execute the optimization algorithm according to a predefined priority metrics. The local optimal schedule resulted from the optimization algorithm is applied within the subregion. The elected sensor node sends a packet to every sensor within the subregion to inform him to stay active or sleep during this period. Each optimization algorithm in a subregion provides locally optimal solution, so the solution for all the sensing field is near-optimal. 
82
83 Several algorithms to retain the coverage and maximize the network lifetime were proposed  in~\cite{ref113,ref101,ref103,ref105}. Table~\ref{Table1:ch2} summarized the main characteristics of some coverage approaches in previous literatures. In table~\ref{Table1:ch2}, the "SET K-COVER" characteristic refers to the maximum number of disjoint or non-disjoint sets of sensors such that each set cover can assure the coverage for the whole region. The K-COVER algorithm provides a solution with K cover sets in each execution. The k-coverage characteristic refers to that every point inside the monitored area is always covered by at least k active sensors.
84
85
86
87 \section{Centralized Algorithms}
88 \label{ch2:sec:02}
89 The major idea of most centralized algorithms is to divide/organize the sensors into a suitable number of cover sets, where each set completely covers an interest region and to activate these cover sets successively. The centralized algorithms always provide optimal or near-optimal solution since the algorithm has a global view of the whole network. Energy-efficient centralized approaches differ according to several criteria \cite{ref113}, such as the coverage objective (target coverage or area coverage), the node deployment method (random or deterministic), and the heterogeneity of sensor nodes (common sensing range, common battery lifetime). 
90
91 The first algorithms proposed in the literature consider that the cover sets are disjoint: a sensor  node  appears  in  exactly one of the generated cover sets~\cite{ref114,ref115,ref116}. For  instance,  Slijepcevic  and  Potkonjak \cite{ref116} propose an algorithm, which allocates sensor nodes in mutually independent sets to monitor an area divided into  several fields.  Their algorithm builds  a cover  set by including in  priority the sensor  nodes, which cover  critical fields, that  is to  say, fields  that are  covered by  the smallest  number of sensors. The time complexity of  their heuristic is $O(n^2)$ where $n$ is the number of  sensors. M. Cardei et al.~\cite{ref227}, suggest a graph coloring technique to achieve energy savings by organizing the sensor nodes into a maximum number of disjoint dominating sets, which are activated successively. They have defined the maximum disjoint dominating sets problem and they have produced a heuristic that computes the disjoint cover sets so as to monitor the area of interest. The dominating sets do not guarantee the coverage of the whole region of interest. Abrams et al.~\cite{ref114} design three  approximation algorithms  for a  variation of  the  set k-cover  problem, where  the objective is to partition the sensors into covers such that the number of covers that  include an area, summed over  all areas, is maximized.
92 Their work builds upon previous work in~\cite{ref116} and the generated cover sets do not provide complete coverage of the monitoring zone.
93
94
95 The authors in~\cite{ref115} propose a heuristic  to compute  the  disjoint  set covers  (DSC).  In order  to compute the maximum number of  covers, they first transform DSC into a maximum-flow problem, which  is then formulated  as a  mixed integer programming  problem (MIP).  Based on  the solution  of the  MIP, they design a heuristic to compute  the final number of covers. The results show  a slight  performance  improvement  in terms  of  the number  of produced  DSC in comparison  to~\cite{ref116}, but it incurs  higher execution  time due to  the complexity of  the mixed integer programming solving. Zorbas  et  al.  \cite{ref228}  present  B\{GOP\},  a  centralized target coverage  algorithm  introducing   sensor   candidate  categorization depending on their  coverage status and the notion  of critical target to  call  targets   that  are  associated  with  a   small  number  of sensors. The total running time of their heuristic is $0(m n^2)$ where
96 $n$ is the number of sensors  and $m$ the number of targets. Compared to    algorithm's    results of  Slijepcevic and    Potkonjak \cite{ref116},  their   heuristic  produces  more cover sets with a slight growth rate in execution time. L. Liu et al.~\cite{ref150} formulate the maximum disjoint sets for maintaining target coverage and connectivity problem in WSN.  They propose a graph theoretical framework to study the joint problem of connectivity and coverage in a WSN with random deployment of nodes with no restrictions on the sensing and communication ranges of nodes. They propose heuristic algorithms to find the suitable number of nodes to guarantee connectivity and coverage while  maximizing network lifetime.
97 %This work did not take into account the sensor node failure, which is an unpredictable event because the two solutions are full centralized algorithms. 
98 Y. Li et al.~\cite{ref142} present a framework with heuristic strategies to solve the area coverage problem. The framework converts any complete coverage problem to a partial coverage one with any coverage ratio. They execute a complete coverage algorithm to find a full coverage sets with virtual radii and transforming the coverage sets to a partial coverage sets by adjusting sensing radii . This framework has four strategies, two of them are designed for the network where the sensors have fixed sensing range and the other two are  for the network where the sensors have adjustable sensing range. The properties of the algorithms can be maintained by this framework and the transformation process has a low execution time. The simulation results validate the efficiency of the four proposed strategies. More recently, Deschinkel and Hakem \cite{229} introduce a near-optimal heuristic algorithm for solving the target coverage problem in WSN. The sensor nodes are organized into disjoint cover sets by the resolution of an integer programming problem. Each cover set is capable of monitoring all the targets of the region of interest. Those covers sets are scheduled periodically. Their algorithm  is able to construct the different cover sets in parallel. The results show that their algorithm achieves near-optimal solutions compared to the optimal ones obtained by the exact method.
99
100
101
102 In the case of non-disjoint algorithms~\cite{ref117}, sensors may participate in more than one  cover set. In some cases, this may prolong the lifetime of the network in comparison  to the disjoint cover set algorithms, but designing  algorithms for  non-disjoint cover  sets generally  induces  a higher order  of complexity. Moreover, in  case of a sensor's  failure, non-disjoint scheduling  policies are less resilient and reliable because a sensor may be involved in more than one cover sets. For instance,  Cardei et al.~\cite{ref167}
103 present a  linear programming (LP)  solution and a greedy  approach to
104 extend the  sensor network lifetime  by organizing the sensors  into a
105 maximal  number of  non-disjoint cover  sets. Simulation  results show
106 that by allowing sensors to  participate in multiple sets, the network
107 lifetime increases compared with related work~\cite{ref115}. The authors in~\cite{ref148}, address the problem of minimum cost area coverage in which full coverage is performed by using the minimum number of sensors for an arbitrary geometric shape region. A geometric solution to the minimum cost coverage problem under a deterministic deployment is proposed. The probabilistic coverage solution which provides a relationship between the probability of coverage and the number of randomly deployed sensors in an arbitrarily-shaped region is suggested. The authors explained that with a random deployment about seven times more nodes are required to supply full coverage compared to deterministic deployment. The work in~\cite{ref144} address the area coverage problem by proposing a geometrically based activity scheduling scheme, named GAS, to fully cover the area of interest in WSNs. The authors deal with a small area, called target area coverage, which can be monitored by a single sensor instead of area coverage, which focuses on a large area that should be monitored by many sensors cooperatively. They explained that GAS is capable to monitor the target area by using a few sensors as possible and it can produce as many cover sets as possible. A novel area coverage method to divide the sensors called node coverage grouping (NCG) is suggested~\cite{ref147}. The sensors in the connectivity group are within sensing range of each other, and the data collected by them in the same group are supposed to be similar. They proved that dividing N sensors via NCG into connectivity groups is an NP-hard problem. So, a heuristic algorithm of NCG with time complexity of $O(n^3)$ is proposed.
108 For some applications, such as monitoring an ecosystem with extremely diversified environment, it might be premature assumption that sensors near to each other sense similar data. The problem of k-coverage  over the area of interest in WSNs was addressed in~\cite{ref152}. It is mathematically formulated and the spatial sensor density for full k-coverage is determined. The relation between the communication range and the sensing range is constructed by this work to retain the k-coverage and connectivity in WSN. After that, four configuration protocols are proposed for treating the k-coverage in WSNs. Simulation results show that their protocols outperform an existing distributed k-coverage configuration protocol. The work presented in~\cite{ref151} solves the area coverage and connectivity problem in sensor networks in an integrated way. The network lifetime is divided into a fixed number of rounds. A coverage bitmap of sensors of the domain is generated in each round and based on this bitmap,  it is decided which sensors stay active or go to sleep. They checked the connection of the graph via laplacian of the adjacency graph of active sensors in each round. The generation of coverage bitmap by using  Minkowski technique, the network is able to providing the desired ratio of coverage. They defined the connected coverage problem as an optimization problem and a centralized genetic algorithm is used to find the solution. 
109
110 Recent studies show an increasing interest in the use of exact schemes to solve optimization problems in WSN \cite{ref230,ref231,ref121,ref122,ref120}. Column Generation (CG) has been widely used to address different versions of maximum network lifetime problem (MLP). CG decomposes the problem into a restricted master problem (RMP) and a pricing subproblem (PS). The former maximizes lifetime using an incomplete set of columns, and the latter is used to identify new profitable columns.  A. Rossi et al.~\cite{ref121} introduce an efficient implementation of a genetic algorithm based on CG to extend the lifetime and maximize target coverage in wireless sensor networks under bandwidth constraints. The authors show that the use of metaheuristic methods to solve PS in the context of CG allows to obtain optimal solutions quite fast and to produce high-quality solutions when the algorithm is stopped before returning an optimal solution. More recently, F. Castano et al. \cite{ref120} address the maximum network lifetime and the target coverage problem in WSNs with connectivity and coverage constraints. They consider two cases to schedule the activity of a set of sensor nodes, keeping them connected while network lifetime is maximized.  First, the full coverage of the targets is required, and second only a fraction of the targets has to be monitored at any instant of time. They propose an exact approach based on column generation and boosted by a greedy randomized adaptive search procedure (GRASP) and a variable neighborhood search (VNS) to address both of these problems. Finally, a multiphase framework combining these two approaches is constructed by sequentially using these two heuristics at each iteration of the column generation algorithm. The results show that combining the two heuristic methods enhances the results significantly. 
111
112 More recently, the authors in~\cite{ref118}, consider an area coverage optimization algorithm based on linear programming approach to select the minimum number of working sensor nodes, in order to preserve a  maximum coverage and to extend the lifetime of the network. The experimental results show that linear programming can provide a fewest number of active nodes and maximize the network lifetime coverage. M. Rebai et al.~\cite{ref141}, formulate the problem of full grid area coverage problem using two integer linear programming models: the first, a model that takes into account only the overall coverage constraint; the second, both the connectivity and the full grid coverage constraints are taken into consideration. This work does not take into account the energy constraint. H. Cheng et al.~\cite{ref119} define a heuristic area coverage algorithm called Cover Sets Balance  (CSB), which  chooses  a set  of  active nodes  using  the tuple  (data coverage range, residual  energy).  Then, they introduce  a new Correlated Node Set Computing (CNSC) algorithm to  find the correlated node set for a given node. After that, they propose a High Residual Energy  First (HREF) node selection algorithm to minimize the number of active nodes so as to prolong the network lifetime. X. Liu et al.~\cite{ref143} explain that in some applications of WSNs such as structural health monitoring (SHM) and volcano monitoring, the traditional coverage model which is a geographic area defined for individual sensors is not always valid. For this reason, they define a generalized area coverage model, which is not required to have the coverage area of individual nodes, but only based on a function to determine whether a set of sensor nodes is capable of satisfy the requested monitoring task for a certain area. They propose two approaches for dividing the deployed nodes into suitable cover sets.
113
114
115   
116 %Various centralized  methods  based on column generation approaches have also been proposed in~\cite{ref120,ref121,ref122}.
117
118
119
120 \section{Distributed Algorithms}
121 \label{ch2:sec:03}
122
123 %In distributed and localized coverage  algorithms, the required  computation to schedule the  activity of  sensor nodes  will be done  by the  cooperation among neighboring nodes. These  algorithms may require more computation  power for the processing by the cooperating sensor nodes, but they are more scalable for large WSNs. 
124
125 Many distributed algorithms have been  developed to perform the scheduling so as to preserve coverage, see for example \cite{ref123,ref124,ref125,ref126,ref109,ref127,ref128,ref97}. Localized and distributed algorithms generally result in non-disjoint set covers.
126
127 X. Deng et al. \cite{ref133} formulate the area coverage problem as a decision problem, whose goal is to determine whether every point in the area of interest is monitored by at least k sensors. The authors prove that  if  the perimeters  of sensors are sufficiently  covered it will be  the case for the  whole area. They provide an algorithm in $O(nd~log~d)$  time to compute the perimeter coverage of each  sensor,  where  $d$  denotes  the maximum  number  of  sensors  that  are neighboring  to  a  sensor and  $n$  is  the  total  number of  sensors  in  the network. Their solutions can be translated to distributed protocols to solve the coverage problem.
128
129 Distributed  algorithms typically operate in rounds for a predetermined duration. At the beginning of each  round, a sensor exchanges information with its neighbors and makes a  decision to either remain turned on or  to go to sleep for  the round. This decision is  basically made on simple greedy criteria like the largest uncovered area \cite{ref130} or maximum uncovered targets \cite{ref131}. 
130 Cho et al.~\cite{ref145} propose a distributed node scheduling protocol, which can retain sensing coverage needed by applications and increase network lifetime via putting in sleep mode some redundant nodes. In this work, the effective sensing area (ESA) concept of a sensor node is used, which refers to the sensing area that is not overlapping with another sensor's sensing area. A sensor node can determine whether it will be active or turned off by computing its ESA. The suggested work permits sensor nodes to be in sleep mode opportunistically whilst fulfill the needed sensing coverage. The authors in~\cite{ref146}, define a maximum sensing coverage region problem (MSCR) in WSNs and then propose a distributed algorithm to solve it. The maximum observed area is fully covered by a minimum active sensors. In this work, the major property is to get rid of the redundant sensors  in high-density WSNs and putting them in sleep mode, and choosing a smaller number of active sensors so as to ensure the full area is k-covered, and all events appearing in that area can be precisely and timely detected. This algorithm minimizes the total energy consumption and increases the network lifetime. The Distributed  Adaptive Sleep  Scheduling  Algorithm (DASSA) \cite{ref127} does not require location information of sensors while  maintaining connectivity and  satisfying a user-defined coverage target. In DASSA, nodes use the residual energy levels and feedback from the sink for scheduling the activity  of their neighbors. This feedback mechanism reduces the randomness  in scheduling  that would otherwise occur due to the absence of location information.
131 A graph theoretical framework for connectivity-based area coverage with configurable coverage granularity was proposed~\cite{ref149}. A new coverage criterion and scheduling approach is proposed based on cycle partition. This method is capable of build a sparse coverage set in distributed way by means of only connectivity information. This work considers only the communication range of the sensor is smaller two times the sensing range of sensor. Shibo et al.~\cite{ref137} express that the area coverage problem as a  minimum  weight submodular set cover problem  and propose a Distributed Truncated Greedy Algorithm (DTGA) to solve it. They take  advantage from both temporal and spatial correlations between  data sensed by different sensors, and leverage prediction, to improve  the lifetime. The authors in \cite{ref160}, design an energy-efficient approach to area coverage problems by transforming the area coverage problem to the target coverage problem taking into account the  intersection points among disks of sensors nodes or between disk of sensor nodes and boundaries. They proposed two mechanisms for the converted target coverage problems to produce cover sets covering the sensing
132 field completely. Simulations results show that this approach can prolong the lifetime of the network compared with other works.
133
134 The works presented in~\cite{ref134,ref135,ref136} focus on coverage-aware, distributed energy-efficient, and distributed clustering methods respectively, which aim at extending the network lifetime, while the coverage is ensured.
135
136 In this dissertation, we focused in more detail on two distributed coverage algorithms, GAF and DESK because we compared our proposed coverage optimization protocols with them during performance evaluation.
137  
138
139 \subsection{GAF}
140 \label{ch2:sec:03:1}
141
142 Xu et al. \cite{GAF} develop an algorithm, called Geographical Adaptive Fidelity (GAF). It 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. Each sensor node uses its GPS to associate itself with a point in the grid.Figure~\ref{gaf1} gives an example of fixed square grid in GAF.
143
144 \begin{figure}[h!]
145 \centering
146 \includegraphics[scale=0.4]{Figures/ch2/GAF1.eps} 
147 \caption{ Example of fixed square grid in GAF.}
148 \label{gaf1}
149 \end{figure}
150
151 For two adjacent grids, (for example, A and B in figure~\ref{gaf1}) all sensor nodes inside A can communicate with sensor nodes inside B and vice versa. Therefore, all the sensor nodes are equivalent from the point of view the routing. The size of the fixed grid is based on the radio communication range $R_c$. It is supposed that the fixed grid is square with $r$ units on a side as shown in figure~\ref{gaf1}. The distance between the farthest two possible sensor nodes in two adjacent grids such as, B and C in figure~\ref{gaf1}, should not be greater than the radio communication range $R_c$. For instance, the sensor node \textbf{2} of grid B can communicate with the sensor node \textbf{5} of grid C So, 
152
153
154 \begin{eqnarray}
155 Distance(2,5)  \leq  R_c 
156 \end{eqnarray}
157
158 \begin{eqnarray}
159 r^2 + \left(2r \right)^2 \leq R_c^2 
160 \end{eqnarray}
161 or
162 \begin{eqnarray}
163 r \leq \dfrac{R_c}{\sqrt{5}} 
164 \end{eqnarray}
165
166 The sensor nodes in GAF can be in one of the three states: active, sleep, or discovery. Figure~\ref{gaf2} shows the state transition diagram. Each sensor node is initiated with discovery state. 
167 In discovery state, the radio of each sensor node is turned on. Thereafter, the discovery messages are exchanged among the sensor nodes within the same grid. The discovery message consists of four fields, node id, grid id, estimated node active time (enat), and node state. The node uses its location and grid size to determine the grid id.   
168
169 \begin{figure}[h!]
170 \centering
171 \includegraphics[scale=0.4]{Figures/ch2/GAF2.eps} 
172 \caption{ Example of fixed square grid in GAF.}
173 \label{gaf2}
174 \end{figure}
175
176 The sensor node sets a timer to $T_d$ seconds after entering in the discovery state. As soon as the timer fires, the sensor node broadcasts its discovery message and enters the active state. The active sensor node sets a timeout value $T_a$ to define how long it can stay in the active state. After $T_a$, the sensor node will return to the discovery state. Whilst, during its active state, it re-broadcasts its discovery message at intervals $T_d$ periodically. The sensor node with discovery or active state can change its state to sleep when it detects that some other equivalent node will handle routing inside the grid. The sensor nodes in the sleeping state wake up after a sleeping time $T_s$ and go back to the discovery state. In GAF, load balancing is performed by means of periodic election of the leader (i.e., the active node that handle the routing inside the fixed grid). Inside each fixed square grid, sensor nodes collaborate with each other to play different roles. For example, nodes will elect
177 one sensor node (based on the remaining energy of sensor nodes inside the fixed square grid) to stay awake for a certain period of time, and then the rest go to sleep. This sensor node is responsible for monitoring and reporting data to the base station on behalf of the nodes
178 in the square grid. 
179 %A rank-based election algorithm has been used to elect the leader. It is based on the remaining energy of sensor nodes inside the fixed square grid so as to extend the network lifetime.
180
181 \subsection{DESK}
182 \label{ch2:sec:03:2}
183
184 The authors in~\cite{DESK} design a novel distributed heuristic, called Distributed Energy-efficient Scheduling for k-coverage (DESK), which  ensures that the energy consumption  among the sensors is balanced  and the lifetime  maximized  while  the coverage  requirement  is satisfied. This heuristic  works in  rounds, requires  only  one-hop neighbor information, and each  sensor decides its status (active or  sleep) based on the perimeter coverage model from~\cite{ref133}. 
185
186 DESK is based on the result from \cite{ref133}. In \cite{ref133}, the whole area is k-covered if and only if the perimeters of all sensors are k-covered. The coverage level of perimeter of a sensor $s_i$ is determined by calculating the angle corresponding to the arc that each of its neighbors covers its perimeter. Figure~\ref{figp}~(a) illuminates such arcs whilst figure~\ref{figp}~(b) shows the angles corresponding with those arcs, which were posted into the range [0,2$ \pi $]. According to figure~\ref{figp}~(b), the coverage level of sensor $s_i$ can be calculated via traversing the range from 0 to  2$ \pi $.
187
188
189 \begin{figure}[h!]
190   \centering
191   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
192     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch2/P22.jpg} & \raisebox{3cm}{(a)} \\  
193     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch2/P11.jpg} & \raisebox{3cm}{(b)}
194   \end{tabular}
195   \caption{Determining the perimeter-coverage of $s_i$’s perimeter.}
196   \label{figp}
197 \end{figure} 
198
199
200
201 \begin{figure}[h!]
202 \centering
203 \includegraphics[scale=0.45]{Figures/ch2/DESK.eps} 
204 \caption{ DESK network time line.}
205 \label{desk}
206 \end{figure}
207
208 Figure~\ref{desk} shows the DESK network time line. DESK works into rounds fashion. The network lifetime is divided into R rounds. Each round consists of two phases: decision phase and sensing phase. The length of round is dRound that means each sensor node executes this algorithm every dRound unit of time. The decision phase at the starting of each round should be taken within W unit of time, where $W<< dRound$ as shown in figure~\ref{desk}. All the sensor nodes should be temporarily awakened in the decision phase so as to decide its status. Every sensor node $s_i$ decides its status to be active or sleep after $w_i$ of waiting time. The waiting time $w_i$ is dynamic and it can be changed at any time based on the status of its sensor neighbors, the remaining energy $e_i$ of $s_i$, and its contribution $c_i$ in the coverage level of the network, where $c_i$ is defined as the number of the neighbors $n_i$ who need $s_i$ to be active. The waiting time is defined as follow
209
210 \begin{equation}
211 w_{i} = \left \{ 
212 \begin{array}{ll}
213   \dfrac{\eta}{n_i^\alpha l(e_i,r_i)^\beta} * W + z & \mbox{If $e_i \geq e_{threshold}$} \\
214   W & \mbox{Otherwise.}\\
215 \end{array} \right.
216 %\label{eq12} 
217 \notag
218 \end{equation} 
219
220 Where $\alpha, \beta,$ and $\eta$ are constant, z is a random number between [0; d], where d is a time slot, to avoid the case where two sensors having the same $w_i$ to be active at the same time. $l(e_i, r_i)$ is the function computing the lifetime of sensor $s_i$ in terms of its current remaining energy $e_i$ and its sensing range $r_i$. 
221 DESK uses two types of messages, mACTIVATE message by which a sensor informs others that it becomes active, and mASK2SLEEP by which a sensor suggests a neighbor to go to sleep due to its uselessness. The concept of uselessness or a redundant neighbor refers to one that does not contribute to the perimeter coverage of the considered sensor.   This means that the segment of the perimeter of the considered sensor overlapping with that neighbor is already covered by active sensors.
222
223
224
225 Typically, the algorithm works as follows. At the beginning of each round, no sensors are active. All sensors are in listening mode, i.e. all wait for the time to make a decision while still doing sensing job. All the sensor nodes collect the information (coordinates, current residual energy, and sensing range) from the one-hop neighbors. Each sensor stores this information into a list L in the increasing order of the angle $\alpha $ . Each sensor node set its timer to $w_i$ and initially it is proposed that all of its neighbors need it to join the network. When the sensor node $s_j$ joins the network, it broadcasts a mACTIVATE message to inform all of its 1-hop neighbors about its status change. Its neighbors execute the perimeter coverage model to recalculate its coverage level. If it finds any neighbor u that is useless in covering its perimeter, i.e., the perimeter that u covers is covered by other active neighbors, it will send mASK2SLEEP message to that sensor u. When the sensor node receives  mASK2SLEEP message, it updates its counter $n_i$, contribution $c_i$ to coverage level, and recalculate waiting time $w_i$. It then
226 check if its $n_i$ is decreased to 0 or not. If $n_i$ of a sensor node is 0 (i.e., it receives mASK2SLEEP message from all of its neighbors), then it will send message mGOSLEEP to all of its neighbors telling them that it is about to go to sleep, and set a timer $R_i$ for waking up in next round and at last go to sleep. If the sensor node receives  mGOSLEEP message, it removes the neighbor sending that message out of its list L. All the sensors have to decide its status in the decision phase. After that, the active sensors perform the sensing task during the sensing phase.
227 The period the average 
228
229
230 \begin{table} 
231
232 \begin{flushleft}
233 \centering
234 \caption{Main characteristics of some coverage approaches in previous literatures.} 
235     \begin{tabular}{@{} cl*{13}c @{}}
236         & & \multicolumn{10}{c}{Characteristics} \\[2ex]
237         \multicolumn{2}{c}{\footnotesize Coverage Approach} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Distributed} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Centralized} & \mcrot{1}{l}{50}{ \footnotesize Area coverage} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Target coverage} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize k-coverage} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Heterogeneous nodes}& \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Homogeneous nodes} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Disjoint sets} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Non-Disjoint sets} & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize SET K-COVER } & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Work in Rounds}  & \mcrot{1}{l}{50}{\footnotesize Adjustable Radius}  \\
238         \cmidrule[1pt]{2-14}
239
240
241 & \tiny Z. Abrams et al. (2004)~\cite{ref114}   & \OK &\OK & \OK &   &  &  &\OK & \OK &  & \OK &  &  &\\
242
243 & \tiny M. Cardei and D. Du (2005)~\cite{ref115} &  & \OK &   & \OK &  &  & \OK & \OK &  & \OK &  &  &\\
244
245 & \tiny S. Slijepcevic and M. Potkonjak (2001)~\cite{ref116} & & \OK & \OK &  & & & \OK & \OK &  & \OK &  &  &\\
246
247 & \tiny Manjun and A. K. Pujari (2011)~\cite{ref117} &  & \OK &   & \OK &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
248
249 & \tiny M. Yang and J. Liu (2014)~\cite{ref118} &  & \OK & \OK &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  & \\
250
251 & \tiny S. Wang et al. (2010)~\cite{ref144}     &  & \OK & \OK &   &  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \\
252
253 & \tiny C. Lin et al. (2010)~\cite{ref147}    &  & \OK  & \OK  &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  & \\
254
255 & \tiny S. A. R. Zaidi et al. (2009)~\cite{ref148}  &  & \OK  & \OK  &  &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  & \\
256
257 & \tiny Y. Li et al. (2011)~\cite{ref142} &   & \OK  & \OK  &  &  & \OK & \OK & \OK &  & \OK & & \OK &\\
258
259 & \tiny H. M. Ammari and S. K. Das (2012)~\cite{ref152} & \OK & \OK & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
260
261 & \tiny L. Liu et al. (2010)~\cite{ref150}  &  & \OK  &   & \OK  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &  &\\
262
263 & \tiny H. Cheng et al. (2014)~\cite{ref119}   &  &  \OK & \OK  &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
264
265 & \tiny M. Rebai et al. (2014)~\cite{ref141}  &  & \OK & \OK  &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
266
267 & \tiny L. Aslanyan et al. (2013)~\cite{ref151} &  & \OK  & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK & \OK & \OK &  &\\
268
269 & \tiny X. Liu et al. (2014)~\cite{ref143}  &  & \OK  & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK & \OK & \OK &  &\\
270
271 & \tiny F. Castano et al. (2013)~\cite{ref120} &  & \OK &   &  \OK &  &  & \OK &  & \OK & \OK &  &  &\\
272
273 & \tiny A. Rossi et al. (2012)~\cite{ref121}  &  & \OK &  & \OK &  & \OK & \OK &  & \OK & \OK &  & \OK &\\
274
275 & \tiny K. Deschinkel et al. (2012)~\cite{ref122} &  & \OK  &   & \OK &  &  & \OK &  & \OK & \OK &  &  &\\
276
277
278
279 & \tiny  A. Gallais et al. (2008)~\cite{ref123} & \OK & & \OK & &  & \OK & \OK &  & \OK &  & \OK & \OK &\\
280
281 & \tiny  D. Tian and N. D. Georganas (2002)~\cite{ref124} & \OK & & \OK & & & & \OK & & \OK & & \OK &  &\\
282
283 & \tiny  F. Ye et al. (2003)~\cite{ref125}  & \OK &   &  \OK &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
284
285 & \tiny  H. Zhang and J. C. Hou (2005)~\cite{ref126}  & \OK & & \OK & & & & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
286
287 & \tiny  W. B. Heinzelman et al. (2002)~\cite{ref109}  & \OK & & \OK & & & & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
288
289 & \tiny  T. Yardibi and E. Karasan (2010)~\cite{ref127} & \OK & & \OK & & & & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
290
291 & \tiny  S. K. Prasad and A. Dhawan (2007)~\cite{ref128} & \OK & &  & \OK & & & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
292
293 & \tiny  S. Misra et al. (2011)~\cite{ref97} & \OK &   & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
294
295 & \tiny  P. Berman et al. (2005)~\cite{ref130}  & \OK & \OK & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK & \OK &  &\\
296
297 & \tiny  J. Lu and T. Suda (2003)~\cite{ref131} & \OK &   &  \OK &   &  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
298
299
300
301 & \tiny  J. Cho et al. (2007)~\cite{ref145}  & \OK &   &  \OK &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
302
303 & \tiny  V. T. Quang and T. Miyoshi (2008)~\cite{ref146}  & \OK &   & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
304
305 %\rot{\rlap{Some Proposed Coverage Protocols in previous literatures}} 
306
307 & \tiny  D. Dong et al. (2012)~\cite{ref149}  & \OK &  & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
308
309 & \tiny  B. Wang et al. (2012)~\cite{ref134}  & \OK &  & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
310
311 & \tiny  Z. Liu et al. (2012)~\cite{ref135}   & \OK &  & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
312
313 & \tiny  L. Zhang et al. (2013)~\cite{ref136} & \OK &   & \OK &   &  & \OK & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
314
315 & \tiny  S. He et al. (2012)~\cite{ref137}   & \OK & \OK  & \OK  &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
316
317 & \tiny  Y. Xu et al. (2001)~\cite{GAF}   & \OK &   & \OK  &   &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
318
319 & \tiny  C. Vu et al. (2006)~\cite{DESK}  & \OK &   & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &\\
320
321 & \tiny  X. Deng et al. (2012)~\cite{ref160}  & \OK &   & \OK &  &  &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
322
323 & \tiny  X. Deng et al. (2005)~\cite{ref133}  & \OK &   & \OK &  & \OK &  & \OK &  & \OK &  &  &  &\\
324
325 &\textbf{\textcolor{red}{ \tiny DiLCO Protocol (2014)}}                  &  \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}  & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &  &   &\textbf{\textcolor{red}{\OK}}  &    &  \\
326
327 &\textbf{\textcolor{red}{ \tiny MuDiLCO Protocol (2014)}}                  &  \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}  & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &  & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}  &\textbf{\textcolor{red}{\OK}}  &    &  \\
328
329 &\textbf{\textcolor{red}{ \tiny PeCO Protocol (2015)}}                  &  \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &   & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}  & \textbf{\textcolor{red}{\OK}}   &   &  &   &\textbf{\textcolor{red}{\OK}}  &    &  \\
330
331         \cmidrule[1pt]{2-14}
332     \end{tabular}
333     \end{flushleft}
334     
335
336 \label{Table1:ch2}
337
338 \end{table}
339
340
341
342
343 \section{Conclusion}
344 \label{ch2:sec:05}
345 This chapter describes some coverage proposed problems in the literature, with their assumptions and proposed solutions.
346 The coverage problem is considered as an essential requirement for many applications in WSNs because the better coverage of an area of interest provides better sensing measurements of the physical phenomenon. Therefore, many extensive researches have been focused on that problem. These researches aim at designing mechanisms that efficiently manage or schedule the sensors after deployment, since sensor nodes have a limited battery life.
347 Many coverage algorithms for maintaining the coverage and improving the network lifetime in WSNs were proposed. On one hand, the full centralized coverage algorithms provide optimal or near optimal solution with low computation power but they deplete the battery power due to the communication overhead, as well as they are not scalable for large size networks. On the other hand, the distributed coverage algorithms provide a lower quality solution in comparison with centralized approaches and consume more power for computation but they are reliable, scalable, and provide low communication overhead in WSNs. 
348 %Whatever the case, this would result in a lower lifetime coverage in WSNs.  
349 As shown in table \ref{Table0:ch2}, each of the two coverage approaches has advantages and disadvantages. Therefore, each approach can be used based on the application requirements. We conclude from this chapter that it is desirable to introduce an hybrid approach that take into account the advantages of both centralized and distributed coverage approaches. This hybrid approaches can provide a good quality coverage and prolong the network lifetime.
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368 %Many coverage algorithms for maintaining the coverage and improving the network lifetime in WSNs were proposed. On one hand, the centralized coverage algorithms provide optimal or near optimal solution with low computation power but they deplete the battery power due to the communication overhead, as well as they are not scalable for large size networks. On the other hand, the distributed coverage algorithms provide a lower quality solution in comparison with centralized approaches and consume more power for computation but they are reliable, scalable, and provide low communication overhead on the WSNs.   
369  %none of them ensure the coverage for the sensing field with optimal minimum number of active sensor nodes, and for a long time as possible. In full centralized algorithms, the optimal solutions can be given by using optimization approaches, but in the same time, a high energy is consumed for the execution time of the algorithm and the communications among the sensors in the sensing field. Therefore, the  full centralized approaches are not a good candidate to be used especially in large WSNs. Whilst, a fully distributed algorithms can not give optimal solutions because these algorithms use only local information of the neighboring sensors, but in the same time, the energy consumption during the communications and executing the algorithm is highly lower. Whatever the case, this would result in a shorter lifetime coverage in WSNs
370
371
372 % Several centralized approaches have been demonstrated, where they are concentrated on modeling the coverage problem and provide the maximum cover set so as to extend the network lifetime. The proposed algorithms are executed in a central node and based on global information. The central node transmits the resulted schedule to other nodes in the network. Even if the centralized algorithms have been produced optimal or near optimal solutions, It seems to be difficult and unpractical to apply the full centralized approaches in WSNs. On the other hand, many distributed algorithms have been described. These approaches seem to be more realistic to be used in WSNs from point of view of designer, but they can not assure optimal or near optimal solutions so as to extend the network lifetime as long time as possible. 
373
374
375
376