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Chapter 5 modified by Ali
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3 %%       CHAPTER 06        %%
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6  \chapter{ Perimeter-based Coverage Optimization to Improve Lifetime in WSNs}
7 \label{ch6}
8
9
10 \section{Introduction}
11 \label{ch6:sec:01}
12
13 %The continuous progress in Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless communication hardware  has given rise to the opportunity to use large networks of tiny sensors, called Wireless Sensor Networks (WSN)~\cite{ref1,ref223}, to fulfill monitoring tasks. The features of a WSN made it suitable for a wide range of application  in areas such as business,  environment, health, industry, military, and so on~\cite{ref4}. These large number of applications have led to different design, management, and operational challenges in WSNs. The challenges become harder with considering into account the main limited capabilities of the sensor nodes such memory, processing, battery life,  bandwidth, and short radio ranges. One important feature that distinguish the WSN from the other types of wireless networks is the provision of the sensing capability for the sensor nodes \cite{ref224}.
14
15 %The sensor node consumes some energy both in performing the sensing task and in transmitting the sensed data to the sink. Therefore, it is required to activate as less number as possible of sensor nodes that can monitor the whole area of interest so as to reduce the data volume and extend the network lifetime. The sensing coverage is the most important task of the WSNs since sensing unit of the sensor node is responsible for measuring physical,  chemical, or  biological  phenomena in the sensing field. The main challenge of any sensing coverage problem is to discover the redundant sensor node and turn off those nodes in WSN \cite{ref225}. The redundant sensor node is a node whose sensing area is covered by its active neighbors. In previous works, several approaches are used to find out the redundant node such as Voronoi diagram method, sponsored sector, crossing coverage, and perimeter coverage. 
16
17 In this chapter,  we propose an approach called Perimeter-based Coverage Optimization
18 protocol (PeCO). 
19 %The PeCO protocol merges between two energy efficient mechanisms, which are used the main advantages of the centralized and distributed approaches and avoids the most of their disadvantages. An energy-efficient activity scheduling mechanism based new optimization model is performed by each leader in the subregions. 
20 The framework is similar to the one described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:03}, but in this approach, the optimization model is based on the perimeter coverage model in order to producing the optimal cover set of active sensors, which are taken the responsibility of sensing during the current period. 
21
22
23 The rest of the chapter is  organized as follows. The next section is devoted to the PeCO protocol description and section~\ref{ch6:sec:03} focuses on the
24 coverage model formulation which is used  to schedule the activation  of sensor
25 nodes based on perimeter coverage model.  Section~\ref{ch6:sec:04}  presents simulations
26 results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding
27 remarks   are  drawn in section~\ref{ch6:sec:05}.
28
29
30
31 \section{The PeCO Protocol Description}
32 \label{ch6:sec:02}
33
34 \noindent  In  this  section,  we  describe in  details  our  Lifetime  Coverage
35 Optimization protocol.  First we present the  assumptions we made and the models
36 we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the
37 background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm
38 executed by each node.
39
40
41
42 \subsection{Assumptions and Models}
43 \label{ch6:sec:02:01}
44 The PeCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:01}.
45
46 The PeCO protocol  uses the  same perimeter-coverage  model as  Huang and
47 Tseng in~\cite{ref133}. It  can be expressed as follows:  a sensor is
48 said to be a perimeter covered if all the points on its  perimeter are covered by
49 at least  one sensor  other than  itself.  They  proved that  a network  area is
50 $k$-covered if and only if each sensor in the network is $k$-perimeter-covered (perimeter covered by at least $k$ sensors).
51   
52 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  shows  the coverage  of  sensor  node~$0$. On  this
53 figure, we can  see that sensor~$0$ has  nine neighbors and we  have reported on
54 its  perimeter (the  perimeter  of the  disk  covered by  the  sensor) for  each
55 neighbor  the  two  points  resulting  from  intersection  of  the  two  sensing
56 areas. These points are denoted for  neighbor~$i$ by $iL$ and $iR$, respectively
57 for  left and  right from  neighbor  point of  view.  The  resulting couples  of
58 intersection points subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called
59 arcs.
60
61 \begin{figure}[ht!]
62   \centering
63   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
64     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/pcm.jpg} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
65     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/twosensors.jpg} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
66   \end{tabular}
67   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
68     $u$'s perimeter covered by $v$.}
69   \label{pcm2sensors}
70 \end{figure} 
71
72 Figure~\ref{pcm2sensors}(b) describes the geometric information used to find the
73 locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor
74 node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
75 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the
76 sensing area~: $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$. From the previous coordinates we can
77 compute the euclidean distance between nodes~$u$ and $v$: $Dist(u,v)=\sqrt{\vert
78   u_x  - v_x  \vert^2 +  \vert u_y-v_y  \vert^2}$, while  the angle~$\alpha$  is
79 obtained through  the formula: $$\alpha =  \arccos \left(\dfrac{Dist(u,v)}{2R_s}
80 \right).$$ The arc on the perimeter of~$u$ defined by the angular interval $[\pi
81   - \alpha,\pi + \alpha]$ is said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
82
83 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi]$
84 in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
85 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of
86 sensor $0$ and  Figure~\ref{expcm} gives the position of the corresponding arcs
87 in  the interval  $[0,2\pi]$. More  precisely, we  can see  that the  points are
88 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective
89 positions. The intersection points are  then visited one after another, starting
90 from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of
91 coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The
92 maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For
93 example, 
94 between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$
95 (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{expcm}), which
96 means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
97 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of
98 coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
99 above is thus given by the sixth line of the table.
100
101
102 \begin{figure*}[t!]
103 \centering
104 \includegraphics[width=150.5mm]{Figures/ch6/expcm2.jpg}  
105 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
106 \label{expcm}
107 \end{figure*} 
108
109
110  \begin{table}[h!]
111  \caption{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0.}
112  \centering
113 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
114 \hline
115 \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Left \\ point \\ angle~$\alpha$ \end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ left \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Interval \\ right \\ point\end{tabular} & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Maximum \\ coverage\\  level\end{tabular} & \multicolumn{5}{c|}{\begin{tabular}[c]{@{}c@{}}Set of sensors\\ involved \\ in coverage interval\end{tabular}} \\ \hline
116 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
117 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
118 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
119 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
120 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
121 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
122 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
123 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
124 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
125 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
126 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
127 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
128 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
129 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
130 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
131 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
132 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
133 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
134 \end{tabular}
135
136 \label{my-label}
137 \end{table}
138
139
140 In the PeCO  protocol, the scheduling of the sensor  nodes' activities is formulated  as an integer program  based on  coverage intervals. The  formulation of  the coverage optimization problem is  detailed in~section~\ref{ch6:sec:03}.  Note that  when a sensor node  has a  part of  its sensing  range outside  the WSN  sensing field,  as in Figure~\ref{ex4pcm}, the maximum coverage level for  this arc is set to $\infty$ and  the  corresponding  interval  will  not   be  taken  into  account  by  the optimization algorithm.
141
142
143 \begin{figure}[h!]
144 \centering
145 \includegraphics[width=95.5mm]{Figures/ch6/ex4pcm.jpg}  
146 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
147 \label{ex4pcm}
148 \end{figure} 
149
150
151 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% This section deleted %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
152 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
153 \iffalse
154
155 \subsection{The Main Idea}
156 \label{ch6:sec:02:02}
157
158 \noindent The  WSN area of interest is, in a  first step, divided  into regular
159 homogeneous subregions  using a divide-and-conquer  algorithm. In a  second step
160 our  protocol  will  be  executed  in a distributed way in each subregion
161 simultaneously to schedule nodes' activities for one sensing period.
162
163 As  shown in  Figure~\ref{fig2}, node  activity  scheduling is  produced by  our protocol in a periodic manner. Each period is divided into 4 stages: Information (INFO)  Exchange,  Leader Election,  Decision  (the  result of  an  optimization problem),  and  Sensing.   For  each  period, there  is  exactly  one  set  cover responsible for  the sensing task.  Protocols  based on a periodic  scheme, like PeCO, are more  robust against an unexpected  node failure. On the  one hand, if a node failure is discovered before  taking the decision, the corresponding sensor
164 node will  not be considered  by the optimization  algorithm. On  the other hand, if the sensor failure happens after  the decision, the sensing task of the network will be temporarily affected: only  during the period of sensing until a new period starts, since a new set cover will take charge of the sensing task in the next period. The energy consumption and some other constraints can easily be taken  into  account since  the  sensors  can  update  and then  exchange  their information (including their  residual energy) at the beginning  of each period. However, the pre-sensing  phases (INFO Exchange, Leader  Election, and Decision)
165 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor the area.
166
167 \begin{figure}[t!]
168 \centering
169 \includegraphics[scale=0.80]{Figures/ch6/Model.pdf}  
170 \caption{PeCO protocol.}
171 \label{fig2}
172 \end{figure} 
173
174 \fi
175 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
176 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
177
178 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
179 \label{ch6:sec:02:03}
180
181
182 \noindent The  pseudocode implementing the protocol on a node is  given below.
183 More  precisely,  Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives  a brief  description  of  the
184 protocol applied by a sensor node $s_j$ where $j$ is the node index in the WSN.
185
186 \begin{algorithm}[h!]                
187  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
188 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
189   \BlankLine
190   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
191   
192   \If{ $RE_k \geq E_{th}$ }{
193       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
194       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion}\;
195       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion}\; 
196       \emph{Update A.CurrentSize}\;
197       \emph{LeaderID = Leader election}\;
198       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
199          \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
200          
201       \If{$ s_j.ID $ is Not previously selected as a Leader }{
202           \emph{ Execute the perimeter coverage model}\;
203          % \emph{ Determine the segment points using perimeter coverage model}\;
204       }
205       
206       \If{$ (s_j.ID $ is the same Previous Leader) And (A.CurrentSize = A.PreviousSize)}{
207       
208          \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage}\;
209       }
210       \Else{
211             \emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm}\;
212             \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{A}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($A$)}\;
213             \emph{A.PreviousSize = A.CurrentSize}\;
214            }
215       
216         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
217         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion}\;
218         \emph{Update $RE_j $}\;
219       }   
220       \Else{
221         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
222         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
223         \emph{Update $RE_j $}\;
224       }  
225   }
226   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing stage}
227 \caption{PeCO($s_j$)}
228 \label{alg:PeCO}
229 \end{algorithm}
230
231 In this  algorithm, A.CurrentSize and A.PreviousSize  respectively represent the
232 current number and  the previous number of living nodes in  the subnetwork of the
233 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_j$, which
234 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current
235 period.  Each  sensor node  determines its position  and its subregion  using an
236 embedded  GPS or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors
237 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number
238 of their  one-hop live  neighbors during the  information exchange.  The sensors
239 inside a same region cooperate to elect a leader. The selection criteria for the
240 leader, in order of priority,  are larger numbers of neighbors, larger remaining
241 energy, and  then in case  of equality, larger  index.  Once chosen,  the leader
242 collects information to formulate and  solve the integer program which allows to
243 construct the set of active sensors in the sensing stage.
244
245
246
247 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
248 \label{ch6:sec:03}
249
250
251 \noindent In this  section, the coverage model is  mathematically formulated. We
252 start  with a  description of  the notations  that will  be used  throughout the
253 section.
254
255 First, we have the following sets:
256 \begin{itemize}
257 \item $J$ represents the set of WSN sensor nodes;
258 \item $A \subseteq J $ is the subset of alive sensors;
259 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
260   sensor~$j$.
261 \end{itemize}
262 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
263 to the  method introduced in  subsection~\ref{ch6:sec:02:01}. For a coverage  interval $i$,
264 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
265 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
266 \begin{equation}
267 a^j_{ik} = \left \{ 
268 \begin{array}{lll}
269   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
270         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
271   0 & \mbox{otherwise.}\\
272 \end{array} \right.
273 %\label{eq12} 
274 \notag
275 \end{equation}
276 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
277
278 Second,  we define  several binary  and integer  variables.  Hence,  each binary
279 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase
280 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  an integer
281 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$
282 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same
283 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.
284
285 If we decide to sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter
286 of sensor  $j$, we have  to ensure  that at least  $l$ sensors involved  in each
287 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$  are active.   According to  the
288 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of
289 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network
290 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each
291 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors
292 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all
293 coverage intervals. Therefore, we use variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ as a measure
294 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage
295 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,
296 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the
297 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,
298 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.
299
300 Our coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: 
301 %Objective:
302 \begin{equation} %\label{eq:ip2r}
303 \left \{
304 \begin{array}{ll}
305 \min \sum_{j \in J} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\
306 \textrm{subject to :}&\\
307 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in J\\
308 %\label{c1} 
309 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in J\\
310 % \label{c2}
311 % \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
312 % U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P\\
313 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A
314 \end{array}
315 \right.
316 \notag
317 \end{equation}
318 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
319 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
320 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
321 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another
322 region. This kind of an integer program is inspired from the model developed for
323 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution
324 \cite{0031-9155-44-1-012}. The integer  program must be solved by  the leader in
325 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment
326 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of
327 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all
328 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since we
329 consider only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one
330 sensing phase) in the model.
331
332 \section{Performance Evaluation and Analysis}
333 \label{ch6:sec:04}
334
335 \subsection{Simulation Settings}
336 \label{ch6:sec:04:01}
337
338 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions. %and we use the same energy consumption than in our previous work~\cite{Idrees2}.
339 Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
340
341 \begin{table}[ht]
342 \caption{Relevant parameters for network initialization.}
343 % title of Table
344 \centering
345 % used for centering table
346 \begin{tabular}{c|c}
347 % centered columns (4 columns)
348 \hline
349 Parameter & Value  \\ [0.5ex]
350    
351 \hline
352 % inserts single horizontal line
353 Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
354
355 WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\
356 %\hline
357 Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  
358 %\hline
359 Sensing period & duration of 60 minutes \\
360 $E_{th}$ & 36~Joules\\
361 $R_s$ & 5~m   \\     
362 %\hline
363 $\alpha^j_i$ & 0.6   \\
364 % [1ex] adds vertical space
365 %\hline
366 $\beta^j_i$ & 0.4
367 %inserts single line
368 \end{tabular}
369 \label{table3}
370 % is used to refer this table in the text
371 \end{table}
372
373
374 To obtain experimental results which are relevant,  simulations  with  five
375 different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering
376 each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
377 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a
378 high coverage ratio. 
379 %Each node has an  initial energy level, in Joules, which is randomly drawn in the interval $[500-700]$. If its energy provision reaches a value below  the threshold $E_{th}=36$~Joules,  the minimum energy needed  for a node  to stay  active during  one period,  it will no more  participate in the coverage task. This value corresponds to the energy needed by the sensing phase, obtained by multiplying the energy consumed in active state (9.72 mW) with the time in seconds for one  period (3600 seconds), and  adding the energy  for the pre-sensing phases. According  to the interval of initial energy,  a sensor may be active during at most 20 periods.
380
381
382 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been  chosen to ensure  a good
383 network coverage and a longer WSN lifetime.  We have given a higher priority to
384 the undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than
385 $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the
386 sensor~$j$.  On the  other hand,  we have assigned to
387 $\beta^j_i$ a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute in covering the interval.
388
389 With the performance metrics, described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}, we evaluate the efficiency of our approach. We use the modeling language and the optimization solver which are mentioned in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:02}. In addition, we use the same energy consumption model, presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:03}.
390
391
392 \subsection{Simulation Results}
393 \label{ch6:sec:04:02}
394
395 In  order  to  assess and  analyze  the  performance  of  our protocol  we  have implemented PeCO protocol in  OMNeT++~\cite{ref158} simulator.  Besides PeCO, three other protocols,  described in  the next paragraph,  will  be  evaluated for comparison purposes. 
396 %The simulations were run  on a laptop DELL with an Intel Core~i3~2370~M (2.4~GHz) processor (2  cores) whose MIPS  (Million Instructions Per Second) rate  is equal to 35330. To  be consistent with the use  of a sensor node based on  Atmels AVR ATmega103L microcontroller (6~MHz) having  a MIPS rate equal to 6, the original execution time  on the laptop is  multiplied by 2944.2 $\left(\frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$.  The modeling  language for Mathematical Programming (AMPL)~\cite{AMPL} is  employed to generate the integer program instance  in a  standard format, which  is then read  and solved  by the optimization solver  GLPK (GNU  linear Programming Kit  available in  the public domain) \cite{glpk} through a Branch-and-Bound method.
397 As said previously, the PeCO is  compared with three other approaches. The first one,  called  DESK,  is  a  fully distributed  coverage  algorithm  proposed  by \cite{DESK}. The second one,  called GAF~\cite{GAF}, consists in dividing  the monitoring  area into  fixed  squares. Then,  during the  decision phase, in each square, one sensor is  chosen to remain active during the sensing phase. The last  one, the DiLCO protocol~\cite{Idrees2}, is  an improved version of a research work we presented in~\cite{ref159}. Let us notice that PeCO and  DiLCO protocols are  based on the  same framework. In  particular, the choice for the simulations of a partitioning in 16~subregions was chosen because it corresponds to the configuration producing the better results for DiLCO. The protocols are distinguished from one another by the formulation  of the integer program providing the set of sensors which have to be activated in each sensing phase. DiLCO protocol tries to satisfy the coverage of a set of primary points, whereas PeCO protocol objective is to reach a desired level of coverage for each sensor perimeter. In our experimentations, we chose a level of coverage equal to one ($l=1$).
398
399
400
401 \subsubsection{Coverage Ratio}
402 \label{ch6:sec:04:02:01}
403
404 Figure~\ref{fig333}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes
405 obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better
406 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%
407 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the
408 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which
409 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate
410 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly
411 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio
412 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more
413 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a
414 substantial increase of the coverage performance.
415
416 \parskip 0pt    
417 \begin{figure}[h!]
418 \centering
419  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch6/R/CR.eps} 
420 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
421 \label{fig333}
422 \end{figure} 
423
424
425
426 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
427 \label{ch6:sec:04:02:02}
428
429 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
430 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{fig444}
431 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that
432 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen
433 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92  \% and
434 20.16 \% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods
435 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with
436 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in
437 Figure \ref{fig333}.
438
439 \begin{figure}[h!]
440 \centering
441 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/ASR.eps}  
442 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
443 \label{fig444}
444 \end{figure} 
445
446 \subsubsection{The Energy Consumption}
447 \label{ch6:sec:04:02:03}
448
449 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,
450 computation, listening, active, and sleep status for different network densities
451 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{fig3EC}(a)  and  (b)
452 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for
453 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the
454 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both
455 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might
456 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but
457 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the
458 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to
459 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption
460 while keeping a good coverage level.
461
462 \begin{figure}[h!]
463   \centering
464   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
465     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\
466     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
467   \end{tabular}
468   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
469   \label{fig3EC}
470 \end{figure} 
471
472
473
474 \subsubsection{The Network Lifetime}
475 \label{ch6:sec:04:02:04}
476
477 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the
478 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In
479 Figures~\ref{fig3LT}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for
480 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime
481 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO
482 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage
483 ratio greater than 50\%, we can  see on Figure~\ref{fig3LT}(b) that the lifetime
484 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance
485 difference    is    more    obvious   in    Figure~\ref{fig3LT}(b)    than    in
486 Figure~\ref{fig3LT}(a) because the gain induced  by our protocols increases with
487  time, and the lifetime with a coverage  of 50\% is far  longer than with
488 95\%. 
489
490 \begin{figure} [p]
491   \centering
492   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
493     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\  
494     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
495   \end{tabular}
496   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
497   \label{fig3LT}
498 \end{figure} 
499
500 Figure~\ref{figLTALL}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for
501 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,
502 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can
503 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$
504 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications
505 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be
506 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level
507 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three
508 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network
509 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is
510 not ineffective for the smallest network sizes.
511
512 \begin{figure} [p]
513 \centering \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LTa.eps}
514 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
515 \label{figLTALL}
516 \end{figure}
517
518
519  %\FloatBarrier
520 \section{Conclusion} 
521 \label{ch6:sec:05}
522
523 In this chapter, we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in
524 WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which
525 schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of
526 maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This
527 protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after
528 partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and
529 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors
530 operating in active status for each period. Our work is original in so far as it
531 proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of
532 sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of
533 targets/points to be covered. We  have carried out  several simulations  to  evaluate the  proposed protocol. The simulation  results  show   that  PeCO  is  more   energy-efficient  than  other approaches, with respect to lifetime,  coverage ratio, active sensors ratio, and
534 energy consumption.
535
536 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple
537 sensing periods.
538 %in order to compute all active sensor schedules in only one step for many periods;
539 We also want  to improve our integer program to  take into account heterogeneous
540 sensors  from both  energy  and node  characteristics point of views.
541 %the third, we are investigating new optimization model based on the sensing range so as to maximize the lifetime coverage in WSN;
542 Finally,  it   would  be   interesting  to  implement   our  protocol   using  a
543 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.