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[ThesisAli.git] / CHAPITRE_06.tex
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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 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 coverage model formulation which is used  to schedule the activation  of sensor nodes based on perimeter coverage model.  Section~\ref{ch6:sec:04}  presents simulations results and discusses the comparison  with other approaches. Finally, concluding remarks   are  drawn in section~\ref{ch6:sec:05}.
24
25
26
27 \section{The PeCO Protocol Description}
28 \label{ch6:sec:02}
29
30 \noindent  In  this  section,  we  describe in  details  our  Lifetime  Coverage
31 Optimization protocol.  First we present the  assumptions we made and the models
32 we considered (in particular the perimeter coverage one), second we describe the
33 background idea of our protocol, and third  we give the outline of the algorithm
34 executed by each node.
35
36
37
38 \subsection{Assumptions and Models}
39 \label{ch6:sec:02:01}
40 The PeCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in section \ref{ch4:sec:02:01}.
41 The PeCO protocol  uses the  same perimeter-coverage  model as  Huang and Tseng in~\cite{ref133}. It  can be expressed as follows:  a sensor is said to be a perimeter covered if all the points on its  perimeter are covered by at least  one sensor  other than  itself.  They  proved that  a network  area is
42 $k$-covered if and only if each sensor in the network is $k$-perimeter-covered (perimeter covered by at least $k$ sensors).
43   
44 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  shows  the coverage  of  sensor  node~$0$. On  this figure, we can  see that sensor~$0$ has  nine neighbors and we  have reported on
45 its  perimeter (the  perimeter  of the  disk  covered by  the  sensor) for  each neighbor  the  two  points  resulting  from  intersection  of  the  two  sensing
46 areas. These points are denoted for  neighbor~$i$ by $iL$ and $iR$, respectively for  left and  right from  neighbor  point of  view.  The  resulting couples  of intersection points subdivide the perimeter of sensor~$0$ into portions called
47 arcs.
48
49 \begin{figure}[ht!]
50   \centering
51   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
52     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/pcm.jpg} & \raisebox{3.25cm}{(a)} \\
53     \includegraphics[width=95mm]{Figures/ch6/twosensors.jpg} & \raisebox{2.75cm}{(b)}
54   \end{tabular}
55   \caption{(a) Perimeter  coverage of sensor node  0 and (b) finding  the arc of
56     $u$'s perimeter covered by $v$.}
57   \label{pcm2sensors}
58 \end{figure} 
59
60 Figure~\ref{pcm2sensors}(b) describes the geometric information used to find the locations of the  left and right points of  an arc on the perimeter  of a sensor node~$u$ covered by a sensor node~$v$. Node~$v$ is supposed to be located on the
61 west  side of  sensor~$u$,  with  the following  respective  coordinates in  the sensing area~: $(v_x,v_y)$ and $(u_x,u_y)$. From the previous coordinates we can compute the euclidean distance between nodes~$u$ and $v$: $Dist(u,v)=\sqrt{\vert
62   u_x  - v_x  \vert^2 +  \vert u_y-v_y  \vert^2}$, while  the angle~$\alpha$  is obtained through  the formula: $$\alpha =  \arccos \left(\dfrac{Dist(u,v)}{2R_s}
63 \right).$$ The arc on the perimeter of~$u$ defined by the angular interval $[\pi
64   - \alpha,\pi + \alpha]$ is said to be perimeter-covered by sensor~$v$.
65
66 Every couple of intersection points is placed on the angular interval $[0,2\pi]$ in  a  counterclockwise manner,  leading  to  a  partitioning of  the  interval.
67 Figure~\ref{pcm2sensors}(a)  illustrates  the arcs  for  the  nine neighbors  of sensor $0$ and  Figure~\ref{expcm} gives the position of the corresponding arcs in  the interval  $[0,2\pi]$. More  precisely, we  can see  that the  points are
68 ordered according  to the  measures of  the angles  defined by  their respective positions. The intersection points are  then visited one after another, starting from the first  intersection point  after  point~zero,  and  the maximum  level  of coverage is determined  for each interval defined by two  successive points. The maximum  level of  coverage is  equal to  the number  of overlapping  arcs.  For example, 
69 between~$5L$  and~$6L$ the maximum  level of  coverage is equal  to $3$ (the value is highlighted in yellow  at the bottom of Figure~\ref{expcm}), which means that at most 2~neighbors can cover  the perimeter in addition to node $0$. 
70 Table~\ref{my-label} summarizes for each coverage  interval the maximum level of coverage and  the sensor  nodes covering the  perimeter.  The  example discussed
71 above is thus given by the sixth line of the table.
72
73
74 \begin{figure*}[t!]
75 \centering
76 \includegraphics[width=150.5mm]{Figures/ch6/expcm2.jpg}  
77 \caption{Maximum coverage levels for perimeter of sensor node $0$.}
78 \label{expcm}
79 \end{figure*} 
80
81
82  \begin{table}[h!]
83  \caption{Coverage intervals and contributing sensors for sensor node 0.}
84  \centering
85 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}
86 \hline
87 \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
88 0.0291    & 1L                                                                        & 2L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    &                      \\ \hline
89 0.104     & 2L                                                                        & 3R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 1                     & 3                    & 4                    & 2                    \\ \hline
90 0.3168    & 3R                                                                        & 4R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 1                     & 4                    & 2                    &                      \\ \hline
91 0.6752    & 4R                                                                        & 1R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 1                     & 2                    &                      &                      \\ \hline
92 1.8127    & 1R                                                                        & 5L                                                        & 2                                                                     & 0                     & 2                     &                      &                      &                      \\ \hline
93 1.9228    & 5L                                                                        & 6L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    &                      &                      \\ \hline
94 2.3959    & 6L                                                                        & 2R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 2                     & 5                    & 6                    &                      \\ \hline
95 2.4258    & 2R                                                                        & 7L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    &                      &                      \\ \hline
96 2.7868    & 7L                                                                        & 8L                                                        & 4                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    &                      \\ \hline
97 2.8358    & 8L                                                                        & 5R                                                        & 5                                                                     & 0                     & 5                     & 6                    & 7                    & 8                    \\ \hline
98 2.9184    & 5R                                                                        & 7R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 7                    & 8                    &                      \\ \hline
99 3.3301    & 7R                                                                        & 9R                                                        & 3                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    &                      &                      \\ \hline
100 3.9464    & 9R                                                                        & 6R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 6                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
101 4.767     & 6R                                                                        & 3L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 8                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
102 4.8425    & 3L                                                                        & 8R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 8                    & 9                    &                      \\ \hline
103 4.9072    & 8R                                                                        & 4L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 9                    &                      &                      \\ \hline
104 5.3804    & 4L                                                                        & 9R                                                        & 4                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    & 9                    &                      \\ \hline
105 5.9157    & 9R                                                                        & 1L                                                        & 3                                                                     & 0                     & 3                     & 4                    &                      &                      \\ \hline
106 \end{tabular}
107
108 \label{my-label}
109 \end{table}
110
111
112 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.
113
114
115 \begin{figure}[h!]
116 \centering
117 \includegraphics[width=95.5mm]{Figures/ch6/ex4pcm.jpg}  
118 \caption{Sensing range outside the WSN's area of interest.}
119 \label{ex4pcm}
120 \end{figure} 
121
122
123 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% This section deleted %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
124 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
125 \iffalse
126
127 \subsection{The Main Idea}
128 \label{ch6:sec:02:02}
129
130 \noindent The  WSN area of interest is, in a  first step, divided  into regular
131 homogeneous subregions  using a divide-and-conquer  algorithm. In a  second step
132 our  protocol  will  be  executed  in a distributed way in each subregion
133 simultaneously to schedule nodes' activities for one sensing period.
134
135 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
136 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)
137 are energy consuming, even for nodes that will not join the set cover to monitor the area.
138
139 \begin{figure}[t!]
140 \centering
141 \includegraphics[scale=0.80]{Figures/ch6/Model.pdf}  
142 \caption{PeCO protocol.}
143 \label{fig2}
144 \end{figure} 
145
146 \fi
147 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
148 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
149
150 \subsection{PeCO Protocol Algorithm}
151 \label{ch6:sec:02:03}
152
153
154 \noindent The  pseudocode implementing the protocol on a node is  given below.
155 More  precisely,  Algorithm~\ref{alg:PeCO}  gives  a brief  description  of  the
156 protocol applied by a sensor node $s_j$ where $j$ is the node index in the WSN.
157
158 \begin{algorithm}[h!]                
159  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
160 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
161   \BlankLine
162   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
163   
164   \If{ $RE_k \geq E_{th}$ }{
165       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
166       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in subregion}\;
167       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in subregion}\; 
168       \emph{Update A.CurrentSize}\;
169       \emph{LeaderID = Leader election}\;
170       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
171          \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
172          
173       \If{$ s_j.ID $ is Not previously selected as a Leader }{
174           \emph{ Execute the perimeter coverage model}\;
175          % \emph{ Determine the segment points using perimeter coverage model}\;
176       }
177       
178       \If{$ (s_j.ID $ is the same Previous Leader) And (A.CurrentSize = A.PreviousSize)}{
179       
180          \emph{ Use the same previous cover set for current sensing stage}\;
181       }
182       \Else{
183             \emph{Update $a^j_{ik}$; prepare data for IP~Algorithm}\;
184             \emph{$\left\{\left(X_{1},\dots,X_{k},\dots,X_{A}\right)\right\}$ = Execute Integer Program Algorithm($A$)}\;
185             \emph{A.PreviousSize = A.CurrentSize}\;
186            }
187       
188         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
189         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion}\;
190         \emph{Update $RE_j $}\;
191       }   
192       \Else{
193         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
194         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
195         \emph{Update $RE_j $}\;
196       }  
197   }
198   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing stage}
199 \caption{PeCO($s_j$)}
200 \label{alg:PeCO}
201 \end{algorithm}
202
203 In this  algorithm, A.CurrentSize and A.PreviousSize  respectively represent the
204 current number and  the previous number of living nodes in  the subnetwork of the
205 subregion.  Initially, the sensor node checks its remaining energy $RE_j$, which
206 must be greater than a threshold $E_{th}$ in order to participate in the current
207 period.  Each  sensor node  determines its position  and its subregion  using an
208 embedded  GPS or a  location discovery  algorithm. After  that, all  the sensors
209 collect position coordinates,  remaining energy, sensor node ID,  and the number
210 of their  one-hop live  neighbors during the  information exchange.  The sensors
211 inside a same region cooperate to elect a leader. The selection criteria for the
212 leader, in order of priority,  are larger numbers of neighbors, larger remaining
213 energy, and  then in case  of equality, larger  index.  Once chosen,  the leader
214 collects information to formulate and  solve the integer program which allows to
215 construct the set of active sensors in the sensing stage.
216
217
218
219 \section{Perimeter-based Coverage Problem Formulation}
220 \label{ch6:sec:03}
221
222
223 \noindent In this  section, the coverage model is  mathematically formulated. We
224 start  with a  description of  the notations  that will  be used  throughout the
225 section.
226
227 First, we have the following sets:
228 \begin{itemize}
229 \item $J$ represents the set of WSN sensor nodes;
230 \item $A \subseteq J $ is the subset of alive sensors;
231 \item  $I_j$  designates  the  set  of  coverage  intervals  (CI)  obtained  for
232   sensor~$j$.
233 \end{itemize}
234 $I_j$ refers to the set of  coverage intervals which have been defined according
235 to the  method introduced in section~\ref{ch6:sec:02:01}. For a coverage  interval $i$,
236 let $a^j_{ik}$ denotes  the indicator function of whether  sensor~$k$ is involved
237 in coverage interval~$i$ of sensor~$j$, that is:
238 \begin{equation}
239 a^j_{ik} = \left \{ 
240 \begin{array}{lll}
241   1 & \mbox{if sensor $k$ is involved in the } \\
242         &       \mbox{coverage interval $i$ of sensor $j$}, \\
243   0 & \mbox{otherwise.}\\
244 \end{array} \right.
245 %\label{eq12} 
246 \notag
247 \end{equation}
248 Note that $a^k_{ik}=1$ by definition of the interval.
249
250 Second,  we define  several binary  and integer  variables.  Hence,  each binary
251 variable $X_{k}$  determines the activation of  sensor $k$ in the  sensing phase
252 ($X_k=1$ if  the sensor $k$  is active or 0  otherwise).  $M^j_i$ is  an integer
253 variable  which  measures  the  undercoverage  for  the  coverage  interval  $i$
254 corresponding to  sensor~$j$. In  the same  way, the  overcoverage for  the same
255 coverage interval is given by the variable $V^j_i$.
256
257 If we decide to sustain a level of coverage equal to $l$ all along the perimeter
258 of sensor  $j$, we have  to ensure  that at least  $l$ sensors involved  in each
259 coverage  interval $i  \in I_j$  of  sensor $j$  are active.   According to  the
260 previous notations, the number of active sensors in the coverage interval $i$ of
261 sensor $j$  is given by  $\sum_{k \in A} a^j_{ik}  X_k$.  To extend  the network
262 lifetime,  the objective  is to  activate a  minimal number  of sensors  in each
263 period to  ensure the  desired coverage  level. As the  number of  alive sensors
264 decreases, it becomes impossible to reach  the desired level of coverage for all
265 coverage intervals. Therefore, we use variables  $M^j_i$ and $V^j_i$ as a measure
266 of the  deviation between  the desired  number of active  sensors in  a coverage
267 interval and  the effective  number. And  we try  to minimize  these deviations,
268 first to  force the  activation of  a minimal  number of  sensors to  ensure the
269 desired coverage level, and if the desired level cannot be completely satisfied,
270 to reach a coverage level as close as possible to the desired one.
271
272 Our coverage optimization problem can then be mathematically expressed as follows: 
273 %Objective:
274 \begin{equation} %\label{eq:ip2r}
275 \left \{
276 \begin{array}{ll}
277 \min \sum_{j \in J} \sum_{i \in I_j} (\alpha^j_i ~ M^j_i + \beta^j_i ~ V^j_i )&\\
278 \textrm{subject to :}&\\
279 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) + M^j_i  \geq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in J\\
280 %\label{c1} 
281 \sum_{k \in A} ( a^j_{ik} ~ X_{k}) - V^j_i  \leq l \quad \forall i \in I_j, \forall j \in J\\
282 % \label{c2}
283 % \Theta_{p}\in \mathbb{N}, &\forall p \in P\\
284 % U_{p} \in \{0,1\}, &\forall p \in P\\
285 X_{k} \in \{0,1\}, \forall k \in A
286 \end{array}
287 \right.
288 \notag
289 \end{equation}
290 $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$  are nonnegative weights selected  according to the
291 relative importance of satisfying the associated level of coverage. For example,
292 weights associated with  coverage intervals of a specified part  of a region may
293 be  given by a  relatively larger  magnitude than  weights associated  with another
294 region. This kind of an integer program is inspired from the model developed for
295 brachytherapy treatment planning  for optimizing dose  distribution
296 \cite{0031-9155-44-1-012}. The integer  program must be solved by  the leader in
297 each subregion at the beginning of  each sensing phase, whenever the environment
298 has  changed (new  leader,  death of  some  sensors). Note  that  the number  of
299 constraints in the model is constant  (constraints of coverage expressed for all
300 sensors), whereas the number of variables $X_k$ decreases over periods, since we
301 consider only alive  sensors (sensors with enough energy to  be alive during one
302 sensing phase) in the model.
303
304 \section{Performance Evaluation and Analysis}
305 \label{ch6:sec:04}
306
307 \subsection{Simulation Settings}
308 \label{ch6:sec:04:01}
309
310 The WSN  area of interest is  supposed to be divided  into 16~regular subregions. The simulation  parameters are summarized in Table~\ref{tablech4}.
311 %Table~\ref{table3} gives the chosen parameters settings.
312 %\begin{table}[ht]
313 %\caption{Relevant parameters for network initialization.}
314 %\centering
315 %\begin{tabular}{c|c}
316 %\hline
317 %Parameter & Value  \\ [0.5ex]
318 %\hline
319 %Sensing field & $(50 \times 25)~m^2 $   \\
320 %WSN size &  100, 150, 200, 250, and 300~nodes   \\
321 %Initial energy  & in range 500-700~Joules  \\  
322 %Sensing period & duration of 60 minutes \\
323 %$E_{th}$ & 36~Joules\\
324 %$R_s$ & 5~m   \\     
325 %$\alpha^j_i$ & 0.6   \\
326 %$\beta^j_i$ & 0.4
327 %\end{tabular}
328 %\label{table3}
329 %\end{table}
330 To obtain experimental results which are relevant,  simulations  with  five different node densities going from  100 to 300~nodes were performed considering each time 25~randomly  generated networks. The nodes are deployed  on a field of
331 interest of $(50 \times 25)~m^2 $ in such a way that they cover the field with a high coverage ratio. 
332 %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.
333
334
335 The values  of $\alpha^j_i$ and  $\beta^j_i$ have been chosen to ensure a good network coverage and a longer WSN lifetime as shown in Table \ref{my-beta-alfa}.  We have given a higher priority to the undercoverage  (by  setting  the  $\alpha^j_i$ with  a  larger  value  than $\beta^j_i$)  so as  to prevent  the non-coverage  for the  interval~$i$ of  the
336 sensor~$j$.  On the  other hand,  we have assigned to
337 $\beta^j_i$ a value which is slightly lower so as to minimize the number of active sensor nodes which contribute in covering the interval.
338
339 \begin{table}[h]
340 \centering
341 \caption{The impact of $\alpha^j_i$ and $\beta^j_i$ on PeCO's  performance for 200 deployed nodes}
342 \label{my-beta-alfa}
343 \begin{tabular}{|c|c|c|c|}
344 \hline
345 $\alpha^j_i$ & $\beta^j_i$ & $Lifetime_{50}$ & $Lifetime_{95}$ \\ \hline
346 0.0 & 1.0 & 151 & 0 \\ \hline
347 0.1 & 0.9 & 145 & 0 \\ \hline
348 0.2 & 0.8 & 140 & 0 \\ \hline
349 0.3 & 0.7 & 134 & 0 \\ \hline
350 0.4 & 0.6 & 125 & 0 \\ \hline
351 0.5 & 0.5 & 118 & 30 \\ \hline
352 0.6 & 0.4 & 94 & 57 \\ \hline
353 0.7 & 0.3 & 97 & 49 \\ \hline
354 0.8 & 0.2 & 90 & 52 \\ \hline
355 0.9 & 0.1 & 77 & 50 \\ \hline
356 1.0 & 0.0 & 60 & 44 \\ \hline
357 \end{tabular}
358 \end{table}
359
360 With the performance metrics, described in 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 section \ref{ch4:sec:04:02}. In addition, we use the same energy consumption model, presented in section \ref{ch4:sec:04:03}.
361
362
363 \subsection{Simulation Results}
364 \label{ch6:sec:04:02}
365
366 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. 
367 %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.
368 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 ($l=1$).
369
370
371
372 \subsubsection{Coverage Ratio}
373 \label{ch6:sec:04:02:01}
374
375 Figure~\ref{fig333}  shows the  average coverage  ratio for  200 deployed  nodes obtained with the  four protocols. DESK, GAF, and DiLCO  provide a slightly better
376 coverage ratio with respectively 99.99\%,  99.91\%, and 99.02\%, compared to the 98.76\%
377 produced by  PeCO for the  first periods. This  is due to  the fact that  at the
378 beginning the DiLCO protocol  puts to  sleep status  more redundant  sensors (which
379 slightly decreases the coverage ratio), while the three other protocols activate
380 more sensor  nodes. Later, when the  number of periods is  beyond~70, it clearly
381 appears that  PeCO provides a better  coverage ratio and keeps  a coverage ratio
382 greater  than 50\%  for  longer periods  (15  more compared  to  DiLCO, 40  more
383 compared to DESK). The energy saved by  PeCO in the early periods allows later a
384 substantial increase of the coverage performance.
385
386 \parskip 0pt    
387 \begin{figure}[h!]
388 \centering
389  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch6/R/CR.eps} 
390 \caption{Coverage ratio for 200 deployed nodes.}
391 \label{fig333}
392 \end{figure} 
393
394
395
396 \subsubsection{Active Sensors Ratio}
397 \label{ch6:sec:04:02:02}
398
399 Having the less active sensor nodes in  each period is essential to minimize the
400 energy consumption  and thus to  maximize the network  lifetime.  Figure~\ref{fig444}
401 shows the  average active nodes ratio  for 200 deployed nodes.   We observe that
402 DESK and  GAF have 30.36  \% and  34.96 \% active  nodes for the  first fourteen
403 rounds and  DiLCO and PeCO  protocols compete perfectly  with only 17.92  \% and
404 20.16 \% active  nodes during the same  time interval. As the  number of periods
405 increases, PeCO protocol  has a lower number of active  nodes in comparison with
406 the three other approaches, while keeping a greater coverage ratio as shown in
407 Figure \ref{fig333}.
408
409 \begin{figure}[h!]
410 \centering
411 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/ASR.eps}  
412 \caption{Active sensors ratio for 200 deployed nodes.}
413 \label{fig444}
414 \end{figure} 
415
416 \subsubsection{The Energy Consumption}
417 \label{ch6:sec:04:02:03}
418
419 We studied the effect of the energy  consumed by the WSN during the communication,
420 computation, listening, active, and sleep status for different network densities
421 and  compared  it for  the  four  approaches.  Figures~\ref{fig3EC}(a)  and  (b)
422 illustrate  the  energy   consumption  for  different  network   sizes  and  for
423 $Lifetime95$ and  $Lifetime50$. The results show  that our PeCO protocol  is the
424 most competitive  from the energy  consumption point of  view. As shown  in both
425 figures, PeCO consumes much less energy than the three other methods.  One might
426 think that the  resolution of the integer  program is too costly  in energy, but
427 the  results show  that it  is very  beneficial to  lose a  bit of  time in  the
428 selection of  sensors to  activate.  Indeed the  optimization program  allows to
429 reduce significantly the number of active  sensors and so the energy consumption
430 while keeping a good coverage level.
431
432 \begin{figure}[h!]
433   \centering
434   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
435     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\
436     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/EC50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
437   \end{tabular}
438   \caption{Energy consumption per period for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
439   \label{fig3EC}
440 \end{figure} 
441
442
443
444 \subsubsection{The Network Lifetime}
445 \label{ch6:sec:04:02:04}
446
447 We observe the superiority of PeCO and DiLCO protocols in comparison with the
448 two    other   approaches    in    prolonging   the    network   lifetime.    In
449 Figures~\ref{fig3LT}(a)  and (b),  $Lifetime95$ and  $Lifetime50$ are  shown for
450 different  network  sizes.   As  highlighted  by  these  figures,  the  lifetime
451 increases with the size  of the network, and it is clearly   largest for DiLCO
452 and PeCO  protocols.  For instance,  for a  network of 300~sensors  and coverage
453 ratio greater than 50\%, we can  see on Figure~\ref{fig3LT}(b) that the lifetime
454 is about twice longer with  PeCO compared to DESK protocol.  The performance
455 difference    is    more    obvious   in    Figure~\ref{fig3LT}(b)    than    in
456 Figure~\ref{fig3LT}(a) because the gain induced  by our protocols increases with
457  time, and the lifetime with a coverage  of 50\% is far  longer than with
458 95\%. 
459
460 \begin{figure} [p]
461   \centering
462   \begin{tabular}{@{}cr@{}}
463     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT95.eps} & \raisebox{4cm}{(a)} \\  
464     \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LT50.eps} & \raisebox{4cm}{(b)}
465   \end{tabular}
466   \caption{Network Lifetime for (a)~$Lifetime_{95}$ and (b)~$Lifetime_{50}$.}
467   \label{fig3LT}
468 \end{figure} 
469
470 Figure~\ref{figLTALL}  compares  the  lifetime  coverage of  our  protocols  for
471 different coverage  ratios. We denote by  Protocol/50, Protocol/80, Protocol/85,
472 Protocol/90, and  Protocol/95 the amount  of time  during which the  network can
473 satisfy an area coverage greater than $50\%$, $80\%$, $85\%$, $90\%$, and $95\%$
474 respectively, where the term Protocol refers to  DiLCO  or PeCO.  Indeed there  are applications
475 that do not require a 100\% coverage of  the area to be monitored. PeCO might be
476 an interesting  method since  it achieves  a good balance  between a  high level
477 coverage ratio and network lifetime. PeCO always outperforms DiLCO for the three
478 lower  coverage  ratios,  moreover  the   improvements  grow  with  the  network
479 size. DiLCO is better  for coverage ratios near 100\%, but in  that case PeCO is
480 not ineffective for the smallest network sizes.
481
482 \begin{figure} [p]
483 \centering \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch6/R/LTa.eps}
484 \caption{Network lifetime for different coverage ratios.}
485 \label{figLTALL}
486 \end{figure}
487
488
489  %\FloatBarrier
490 \section{Conclusion} 
491 \label{ch6:sec:05}
492
493 In this chapter, we have studied the problem of  Perimeter-based Coverage Optimization in
494 WSNs. We have designed  a new protocol, called Perimeter-based  Coverage Optimization, which
495 schedules nodes'  activities (wake up  and sleep  stages) with the  objective of
496 maintaining a  good coverage ratio  while maximizing the network  lifetime. This
497 protocol is  applied in a distributed  way in regular subregions  obtained after
498 partitioning the area of interest in a preliminary step. It works in periods and
499 is based on the resolution of an integer program to select the subset of sensors
500 operating in active status for each period. Our work is original in so far as it
501 proposes for  the first  time an  integer program  scheduling the  activation of
502 sensors  based on  their perimeter  coverage level,  instead of  using a  set of
503 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
504 energy consumption.
505
506 We plan to extend our framework so that the schedules are planned for multiple
507 sensing periods.
508 %in order to compute all active sensor schedules in only one step for many periods;
509 We also want  to improve our integer program to  take into account heterogeneous
510 sensors  from both  energy  and node  characteristics point of views.
511 %the third, we are investigating new optimization model based on the sensing range so as to maximize the lifetime coverage in WSN;
512 Finally,  it   would  be   interesting  to  implement   our  protocol   using  a
513 sensor-testbed to evaluate it in real world applications.