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[ThesisAli.git] / CHAPITRE_05.tex
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3 %%       CHAPTER 05        %%
4 %%                          %%
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7 \chapter{Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization Protocol in Wireless Sensor Networks}
8 \label{ch5}
9
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11 \section{Introduction}
12 \label{ch5:sec:01}
13
14 %The fast  developments of low-cost  sensor devices  and  wireless communications have allowed the emergence of WSNs. A WSN includes a large number of small, limited-power sensors that  can sense, process, and transmit data over a wireless  communication. They communicate  with each other by using multi-hop wireless communications and cooperate together  to monitor the area of interest, so that  each measured data can be  reported to a monitoring  center called sink for further  analysis~\cite{ref222}.  There  are several fields  of application covering  a wide  spectrum for a  WSN, including health, home, environmental, military, and industrial applications~\cite{ref19}.
15
16 %On the one hand sensor nodes run on batteries with limited capacities, and it is often  costly  or  simply  impossible  to  replace  and/or  recharge  batteries, especially in remote and hostile environments. Obviously, to achieve a long life of the  network it is important  to conserve battery  power. Therefore, lifetime optimization is one of the most critical issues in wireless sensor networks. On the other hand we must guarantee  coverage over the area of interest. To fulfill these two objectives, the main idea  is to take advantage of overlapping sensing regions to turn-off redundant sensor nodes  and thus save energy. In this paper, we concentrate  on the area coverage  problem, with the  objective of maximizing the network lifetime by using an optimized multiround scheduling.
17 We study the problem of designing an energy-efficient optimization algorithm that divides the sensor nodes in a WSN into multiple cover sets such that the area of interest is monitored as long as possible. Providing multiple cover sets can be used to improve the energy efficiency of WSNs. Therefore, in order to increase the longevity of the WSN and conserve the energy, it can be useful to provide multiple cover sets in one time and schedule them for multiple rounds, so that the battery life of a sensor is not wasted due to the repeated execution of the coverage optimization algorithm, as well as the information exchange and leader election.
18
19 The MuDiLCO protocol (for Multiround Distributed Lifetime Coverage Optimization protocol) presented in this chapter is an extension of the approach introduced in chapter 4. Simulation results have shown that it was more interesting to divide the area into several subregions, given the computation complexity. Compared to our protocol in chapter 4, in this one we study the possibility of dividing the sensing phase into multiple rounds. In fact, in this chapter we make a multiround optimization while it was a single round optimization in our protocol in chapter 4.
20
21
22 The remainder of the chapter continues with section \ref{ch5:sec:02} where a detail of MuDiLCO Protocol is presented. The next section describes the Primary Points based Multiround Coverage Problem formulation  which is used to schedule the activation of sensors in T cover sets. Section \ref{ch5:sec:04} shows the simulation
23 results. The chapter ends with a conclusion and some suggestions for further work.
24
25
26  
27
28
29 \section{MuDiLCO Protocol Description}
30 \label{ch5:sec:02}
31 \noindent In this section, we introduce the MuDiLCO protocol which is distributed on each subregion in the area of interest. It is based on two energy-efficient
32 mechanisms: subdividing the area of interest into several subregions (like cluster architecture) using divide and conquer method, where the sensor nodes cooperate within each subregion as independent group in order to achieve a network leader election; and sensor activity scheduling for maintaining the coverage and prolonging the network lifetime, which are applied periodically. MuDiLCO protocol uses the same assumptions and network model that presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:01} and it uses the primary point coverage model which is described in the same chapter, section \ref{ch4:sec:02:02}.
33
34  
35 \subsection{Background Idea and Algorithm}
36 \label{ch5:sec:02:02}
37 The area of  interest can be divided using  the divide-and-conquer strategy into
38 smaller  areas,  called  subregions,  and  then our MuDiLCO  protocol will be
39 implemented in each subregion in a distributed way.
40
41 As can be seen  in Figure~\ref{fig2},  our protocol  works in  periods fashion,
42 where  each is  divided  into 4  phases: Information~Exchange,  Leader~Election,
43 Decision, and Sensing. The information exchange among wireless sensor nodes is described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:03:01}. The leader election in each subregion is explained in chapter 4, section \ref{ch4:sec:02:03:02}, but the difference in that the elected leader in each subregion is for each period. In decision phase, each WSNL will solve an integer  program to select which  cover sets  will be
44 activated in  the following  sensing phase  to cover the  subregion to  which it belongs.  The integer  program will produce $T$ cover sets,  one for each round. The WSNL will send an Active-Sleep  packet to each sensor in the subregion based on the algorithm's results, indicating if the sensor should be active or not in
45 each round  of the  sensing phase. Each sensing phase is itself divided into $T$ rounds
46 and for each round a set of sensors (a cover set) is responsible for the sensing
47 task. Each sensor node in the subregion will
48 receive an Active-Sleep packet from WSNL, informing it to stay awake or to go to
49 sleep for  each round of the sensing  phase.  Algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, which
50 will be  executed by each node  at the beginning  of a period, explains  how the
51 Active-Sleep packet is obtained. In this way, a multiround optimization  process is performed  during each
52 period  after  Information~Exchange  and  Leader~Election phases,  in  order  to
53 produce $T$ cover sets that will take the mission of sensing for $T$ rounds.
54 \begin{figure}[ht!]
55 \centering \includegraphics[width=160mm]{Figures/ch5/GeneralModel.jpg} % 70mm  Modelgeneral.pdf
56 \caption{The MuDiLCO protocol scheme executed on each node}
57 \label{fig2}
58 \end{figure} 
59
60
61 This protocol minimizes the impact of unexpected node failure (not due to batteries running out of energy), because it works in periods. 
62
63 On the one hand, if a node failure is detected before making the decision, the node will not participate during this phase, and, on the other hand, if the node failure occurs after the decision, the sensing  task of the network will be temporarily affected:  only during  the period of sensing until a new period starts.
64
65 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 (Information  Exchange, Leader  Election, and  Decision) are energy  consuming for some  nodes, even  when they  do not  join the  network to monitor the area.
66
67  
68
69 \begin{algorithm}[h!]                
70  % \KwIn{all the parameters related to information exchange}
71 %  \KwOut{$winer-node$ (: the id of the winner sensor node, which is the leader of current round)}
72   \BlankLine
73   %\emph{Initialize the sensor node and determine it's position and subregion} \; 
74   
75   \If{ $RE_j \geq E_{th}$ }{
76       \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
77       \emph{Send $INFO()$ packet to other nodes in the subregion}\;
78       \emph{Wait $INFO()$ packet from other nodes in the subregion}\; 
79       %\emph{UPDATE $RE_j$ for every sent or received INFO Packet}\;
80       %\emph{ Collect information and construct the list L for all nodes in the subregion}\;
81       
82       %\If{ the received INFO Packet = No. of nodes in it's subregion -1  }{
83       \emph{LeaderID = Leader election}\;
84       \If{$ s_j.ID = LeaderID $}{
85         \emph{$s_j.status$ = COMPUTATION}\;
86         \emph{$\left\{\left(X_{1,k},\dots,X_{T,k}\right)\right\}_{k \in J}$ =
87           Execute Integer Program Algorithm($T,J$)}\;
88         \emph{$s_j.status$ = COMMUNICATION}\;
89         \emph{Send $ActiveSleep()$ to each node $k$ in subregion a packet \\
90           with vector of activity scheduling $(X_{1,k},\dots,X_{T,k})$}\;
91         \emph{Update $RE_j $}\;
92       }   
93       \Else{
94         \emph{$s_j.status$ = LISTENING}\;
95         \emph{Wait $ActiveSleep()$ packet from the Leader}\;
96         % \emph{After receiving Packet, Retrieve the schedule and the $T$ rounds}\;
97         \emph{Update $RE_j $}\;
98       }  
99       %  }
100   }
101   \Else { Exclude $s_j$ from entering in the current sensing phase}
102   
103  %   \emph{return X} \;
104 \caption{MuDiLCO($s_j$)}
105 \label{alg:MuDiLCO}
106
107 \end{algorithm}
108
109
110
111
112 \section{Primary Points based Multiround Coverage Problem Formulation}
113 \label{ch5:sec:03}
114
115
116 According to our algorithm~\ref{alg:MuDiLCO}, the integer program is based on the model
117 proposed by  \cite{ref156} with some modifications, where  the objective is
118 to find  a maximum number of disjoint cover sets. To fulfill this  goal, the
119 authors proposed an integer  program which forces undercoverage and overcoverage
120 of  targets to  become minimal  at  the same  time.  They  use binary  variables
121 $x_{jl}$ to indicate if  sensor $j$ belongs to cover set $l$. In our model, we
122 consider binary  variables $X_{t,j}$ to determine the  possibility of activating
123 sensor $j$ during round $t$ of  a given sensing phase.  We also consider primary
124 points as targets.  The  set of primary points is denoted by  $P$ and the set of
125 sensors by  $J$. Only sensors  able to  be alive during  at least one  round are
126 involved in the integer program.
127
128
129 For a  primary point  $p$, let $\alpha_{j,p}$  denote the indicator  function of
130 whether the point $p$ is covered, that is
131 \begin{equation}
132 \alpha_{j,p} = \left \{ 
133 \begin{array}{l l}
134   1 & \mbox{if the primary point $p$ is covered} \\
135  & \mbox{by sensor node $j$}, \\
136   0 & \mbox{otherwise.}\\
137 \end{array} \right.
138 %\label{eq12} 
139 \end{equation}
140 The number of  active sensors that cover the  primary point $p$ during
141 round $t$ is equal to $\sum_{j \in J} \alpha_{j,p} * X_{t,j}$ where
142 \begin{equation}
143 X_{t,j} = \left \{ 
144 \begin{array}{l l}
145   1& \mbox{if sensor $j$  is active during round $t$,} \\
146   0 &  \mbox{otherwise.}\\
147 \end{array} \right.
148 %\label{eq11} 
149 \end{equation}
150 We define the Overcoverage variable $\Theta_{t,p}$ as
151 \begin{equation}
152  \Theta_{t,p} = \left \{ 
153 \begin{array}{l l}
154   0 & \mbox{if the primary point $p$}\\
155     & \mbox{is not covered during round $t$,}\\
156   \left( \sum_{j \in J} \alpha_{jp} * X_{tj} \right)- 1 & \mbox{otherwise.}\\
157 \end{array} \right.
158 \label{eq13} 
159 \end{equation}
160 More  precisely, $\Theta_{t,p}$  represents the  number of  active  sensor nodes
161 minus  one  that  cover  the  primary  point $p$  during  round  $t$.   The
162 Undercoverage variable  $U_{t,p}$ of the primary  point $p$ during  round $t$ is
163 defined by
164 \begin{equation}
165 U_{t,p} = \left \{ 
166 \begin{array}{l l}
167   1 &\mbox{if the primary point $p$ is not covered during round $t$,} \\
168   0 & \mbox{otherwise.}\\
169 \end{array} \right.
170 \label{eq14} 
171 \end{equation}
172
173 Our coverage optimization problem can then be formulated as follows
174 \begin{equation}
175  \min \sum_{t=1}^{T} \sum_{p=1}^{P} \left(W_{\theta}* \Theta_{t,p} + W_{U} * U_{t,p}  \right)  \label{eq15} 
176 \end{equation}
177
178 Subject to
179 \begin{equation}
180   \sum_{j=1}^{|J|} \alpha_{j,p} * X_{t,j}   = \Theta_{t,p} - U_{t,p} + 1 \label{eq16} \hspace{6 mm} \forall p \in P, t = 1,\dots,T
181 \end{equation}
182
183 \begin{equation}
184   \sum_{t=1}^{T}  X_{t,j}   \leq  \lfloor {RE_{j}/E_{th}} \rfloor \hspace{6 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T
185   \label{eq144} 
186 \end{equation}
187
188 \begin{equation}
189 X_{t,j} \in \lbrace0,1\rbrace,   \hspace{10 mm} \forall j \in J, t = 1,\dots,T \label{eq17} 
190 \end{equation}
191
192 \begin{equation}
193 U_{t,p} \in \lbrace0,1\rbrace, \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T  \label{eq18} 
194 \end{equation}
195
196 \begin{equation}
197  \Theta_{t,p} \geq 0 \hspace{10 mm}\forall p \in P, t = 1,\dots,T \label{eq178}
198 \end{equation}
199
200
201
202 \begin{itemize}
203 \item $X_{t,j}$:  indicates whether  or not the  sensor $j$ is  actively sensing
204   during round $t$ (1 if yes and 0 if not);
205 \item $\Theta_{t,p}$ - {\it overcoverage}:  the number of sensors minus one that
206   are covering the primary point $p$ during round $t$;
207 \item  $U_{t,p}$ -  {\it undercoverage}:  indicates whether  or not  the primary
208   point $p$  is being covered during round $t$ (1  if not covered  and 0 if
209   covered).
210 \end{itemize}
211
212 The first group  of constraints indicates that some primary  point $p$ should be
213 covered by at least  one sensor and, if it is not  always the case, overcoverage
214 and undercoverage  variables help balancing the restriction  equations by taking
215 positive values. The constraint  given by equation~(\ref{eq144}) guarantees that
216 the sensor has enough energy ($RE_j$  corresponds to its remaining energy) to be
217 alive during  the selected rounds knowing  that $E_{th}$ is the amount of energy
218 required to be alive during one round.
219
220 There  are two main  objectives.  First,  we limit  the overcoverage  of primary
221 points in order to activate a  minimum number of sensors.  Second we prevent the
222 absence  of  monitoring  on  some  parts  of the  subregion  by  minimizing  the
223 undercoverage.  The weights  $W_\theta$ and $W_U$ must be  properly chosen so as
224 to guarantee that the maximum number of points are covered during each round. 
225 %% MS W_theta is smaller than W_u => problem with the following sentence
226 In our simulations, priority is given  to the coverage by choosing $W_{U}$ very
227 large compared to $W_{\theta}$.
228
229
230  
231  
232
233 \section{Experimental Study and Analysis}
234 \label{ch5:sec:04}
235
236 \subsection{Simulation Setup}
237 \label{ch5:sec:04:01}
238 We conducted  a  series of  simulations  to  evaluate  the efficiency  and  the
239 relevance  of our  approach,  using  the  discrete   event  simulator  OMNeT++
240 \cite{ref158}. The simulation  parameters are summarized in chapter 4, Table~\ref{tablech4}.  Each experiment  for  a network  is  run over  25~different random topologies and  the results presented hereafter are  the average of these 25 runs.
241 We  performed  simulations for  five  different  densities  varying from  50  to
242 250~nodes deployed  over  a  $50 \times  25~m^2  $  sensing field.  More
243 precisely, the  deployment is controlled  at a coarse  scale in order  to ensure
244 that  the deployed  nodes can  cover the  sensing field  with the  given sensing
245 range.
246
247 Our protocol  is declined into four versions: MuDiLCO-1,  MuDiLCO-3, MuDiLCO-5, and  MuDiLCO-7, corresponding  respectively to  $T=1,3,5,7$ ($T$  the  number of rounds in one sensing period).  In  the following, we will make comparisons with two other methods. DESK \cite{DESK} and GAF~\cite{GAF}.
248 %Some preliminary experiments were performed in chapter 4 to study the choice of the number of subregions  which subdivides  the  sensing field,  considering different  network sizes. They show that as the number of subregions increases, so does the network lifetime. Moreover,  it makes  the MuDiLCO protocol  more robust  against random network  disconnection due  to node  failures.  However,  too  many subdivisions reduce the advantage  of the optimization. In fact, there  is a balance between the  benefit  from the  optimization  and the  execution  time  needed to  solve it. Therefore, 
249 we set the number of subregions to 16 rather than 32 as explained in chapter 4, section ref{ch4:sec:04:05}. We use the modeling language and the optimization solver which are mentioned in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:02}. In addition, the energy consumption model is presented in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:03}. 
250
251 \subsection{Metrics}
252 \label{ch5:sec:04:02}
253 To evaluate our approach we consider the following performance metrics:
254
255 \begin{enumerate}[i)]
256   
257 \item {{\bf Coverage Ratio (CR)}:} The coverage ratio can be calculated by:
258 \begin{equation*}
259 \scriptsize
260 \mbox{CR}(\%) = \frac{\mbox{$n^t$}}{\mbox{$N$}} \times 100,
261 \end{equation*}
262 where $n^t$ is  the number of covered  grid points by the active  sensors of all
263 subregions during round $t$ in the current sensing phase and $N$ is the total number
264 of grid points  in the sensing field of  the network. In our simulations $N = 51
265 \times 26 = 1326$ grid points.
266
267 \item{{\bf Number  of Active Sensors Ratio  (ASR)}:}  The Active Sensors
268   Ratio for round t is defined as follows:
269 \begin{equation*}
270 \scriptsize  \mbox{$ASR^t$}(\%) = \frac{\sum\limits_{r=1}^R
271   \mbox{$A_r^t$}}{\mbox{$|J|$}} \times 100,
272 \end{equation*}
273 where $A_r^t$ is the number of  active sensors in the subregion $r$ during round
274 $t$ in the  current sensing phase, $|J|$  is the total number of  sensors in the
275 network, and $R$ is the total number of subregions in the network.
276
277 \item {{\bf Network Lifetime}:} Described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
278
279 \item {{\bf  Energy Consumption  (EC)}:} the average energy consumption  can be
280   seen as the total energy consumed by the sensors during the $Lifetime_{95}$ or
281   $Lifetime_{50}$  divided  by the  number  of rounds.  EC  can  be computed  as
282   follows:
283
284  % New version with global loops on period
285   \begin{equation*}
286     \scriptsize
287     \mbox{EC} = \frac{\sum\limits_{m=1}^{M} \left[ \left( E^{\mbox{com}}_m+E^{\mbox{list}}_m+E^{\mbox{comp}}_m \right) +\sum\limits_{t=1}^{T} \left( E^{a}_t+E^{s}_t \right) \right]}{\sum\limits_{m=1}^{M} T},
288   \end{equation*}
289
290
291 where  $M$ is  the number  of periods  and  $T$ the  number of rounds in  a
292 period~$m$, both  during $Lifetime_{95}$  or $Lifetime_{50}$. The total energy
293 consumed by the  sensors (EC) comes through taking  into consideration four main
294 energy  factors.   The  first  one  ,  denoted  $E^{\scriptsize  \mbox{com}}_m$,
295 represents  the  energy   consumption  spent  by  all  the   nodes  for  wireless
296 communications  during period  $m$.  $E^{\scriptsize  \mbox{list}}_m$,  the next
297 factor, corresponds  to the energy consumed  by the sensors  in LISTENING status
298 before  receiving   the  decision  to  go   active  or  sleep   in  period  $m$.
299 $E^{\scriptsize \mbox{comp}}_m$  refers to the  energy needed by all  the leader
300 nodes to solve the integer program during a period. Finally, $E^a_t$ and $E^s_t$
301 indicate the energy consumed by the whole network in round $t$.
302
303
304 \item {{\bf Execution Time}:} Described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
305   
306 \item {{\bf Stopped simulation runs}:} Described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:04}.
307
308 \end{enumerate}
309
310
311
312 \subsection{Results Analysis and Comparison }
313 \label{ch5:sec:04:02}
314
315
316 \begin{enumerate}[i)]
317
318 \item {{\bf Coverage Ratio}}
319 %\subsection{Coverage ratio} 
320 %\label{ch5:sec:03:02:01}
321
322 Figure~\ref{fig3} shows  the average coverage  ratio for 150 deployed  nodes. We
323 can notice that for the first thirty rounds both DESK and GAF provide a coverage
324 which is a little bit better than the one of MuDiLCO.  
325
326 This is due  to the fact that, in comparison with  MuDiLCO which uses optimization
327 to put in  sleep status redundant sensors, more sensor  nodes remain active with
328 DESK and GAF. As a consequence, when the number of  rounds increases, a larger
329 number of node failures  can be observed in DESK and GAF,  resulting in a faster
330 decrease of the coverage ratio.   Furthermore, our protocol allows to maintain a
331 coverage ratio  greater than  50\% for far  more rounds.  Overall,  the proposed
332 sensor  activity scheduling based  on optimization  in MuDiLCO  maintains higher
333 coverage ratios of the  area of interest for a larger number  of rounds. It also
334 means that MuDiLCO saves more energy,  with fewer dead nodes, at most for several
335 rounds, and thus should extend the network lifetime.
336
337 \begin{figure}[h!]
338 \centering
339  \includegraphics[scale=0.8] {Figures/ch5/R1/CR.pdf}   
340 \caption{Average coverage ratio for 150 deployed nodes}
341 \label{fig3}
342 \end{figure} 
343
344
345 \item {{\bf Active sensors ratio}}
346 %\subsection{Active sensors ratio} 
347 %\label{ch5:sec:03:02:02}
348
349 It is crucial to have as few active nodes as possible in each round, in order to 
350 minimize    the    communication    overhead    and   maximize    the    network
351 lifetime. Figure~\ref{fig4}  presents the active  sensor ratio for  150 deployed
352 nodes all along the network lifetime. It appears that up to round thirteen, DESK
353 and GAF have  respectively 37.6\% and 44.8\% of nodes  in active mode, whereas
354 MuDiLCO clearly  outperforms them  with only 24.8\%  of active nodes.  After the
355 thirty-fifth round, MuDiLCO exhibits larger numbers of active nodes, which agrees
356 with  the  dual  observation  of  higher  level  of  coverage  made  previously.
357 Obviously, in  that case, DESK and GAF have fewer active nodes since they have activated many nodes  in the beginning. Anyway, MuDiLCO  activates the available nodes in a more efficient manner.
358
359 \begin{figure}[h!]
360 \centering
361 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/ASR.pdf}  
362 \caption{Active sensors ratio for 150 deployed nodes}
363 \label{fig4}
364 \end{figure} 
365
366 \item {{\bf Stopped simulation runs}}
367 %\subsection{Stopped simulation runs}
368 %\label{ch5:sec:03:02:03}
369
370 Figure~\ref{fig6} reports the cumulative  percentage of stopped simulations runs
371 per round for 150 deployed nodes. This figure gives the  breakpoint for each method.  DESK stops first,  after approximately 45~rounds, because it consumes the
372 more energy by  turning on a large number of redundant  nodes during the sensing
373 phase. GAF  stops secondly for the  same reason than  DESK.  MuDiLCO overcomes
374 DESK and GAF because the  optimization process distributed on several subregions
375 leads  to coverage  preservation and  so extends  the network  lifetime.  Let us
376 emphasize that the  simulation continues as long as a network  in a subregion is
377 still connected.
378
379
380 \begin{figure}[h!]
381 \centering
382 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/SR.pdf} 
383 \caption{Cumulative percentage of stopped simulation runs for 150 deployed nodes }
384 \label{fig6}
385 \end{figure} 
386
387
388  
389 \item {{\bf Energy consumption}} \label{subsec:EC} 
390 %\subsection{Energy consumption} 
391 %\label{ch5:sec:03:02:04}
392
393 We  measure  the  energy  consumed  by the  sensors  during  the  communication,
394 listening, computation, active, and sleep status for different network densities
395 and   compare   it   with   the  two   other   methods.  Figures~\ref{fig7}(a)
396 and~\ref{fig7}(b)  illustrate  the  energy  consumption,  considering  different
397 network sizes, for $Lifetime_{95}$ and $Lifetime_{50}$.
398
399  
400 \begin{figure}[h!]
401 \centering
402  %\begin{multicols}{1}
403 \centering
404 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
405 %\vfill
406 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/EC50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
407
408 %\end{multicols} 
409 \caption{Energy consumption for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
410 \label{fig7}
411 \end{figure}
412
413
414 The  results  show  that  MuDiLCO  is  the  most  competitive  from  the  energy consumption point of view.  The  other approaches have a high energy consumption due  to activating a  larger number  of redundant  nodes, as  well as  the energy consumed during  the different  status of the  sensor node. Among  the different versions of our protocol, the MuDiLCO-7  one consumes more energy than the other versions. This is  easy to understand since the bigger the  number of rounds and
415 the number of  sensors involved in the integer program is, the larger the time computation to solve the optimization problem is. To improve the performances of MuDiLCO-7, we  should increase the  number of subregions  in order to  have fewer sensors to consider in the integer program.
416
417
418
419  \item {{\bf Execution time}}
420 %\subsection{Execution time}
421 %\label{ch5:sec:03:02:05}
422
423 We observe  the impact of the  network size and of  the number of  rounds on the
424 computation  time.   Figure~\ref{fig77} gives  the  average  execution times  in
425 seconds (needed to solve optimization problem) for different values of $T$. The original execution time is computed as described in chapter 4, section \ref{ch4:sec:04:02}.
426
427 %The original execution time  is computed on a laptop  DELL with Intel Core~i3~2370~M (2.4 GHz)  processor (2  cores) and the  MIPS (Million Instructions  Per Second) rate equal to 35330. To be consistent  with the use of a sensor node with Atmels AVR ATmega103L  microcontroller (6 MHz) and  a MIPS rate  equal to 6 to  run the optimization   resolution,   this  time   is   multiplied   by  2944.2   $\left( \frac{35330}{2} \times  \frac{1}{6} \right)$ and  reported on Figure~\ref{fig77} for different network sizes.
428
429 \begin{figure}[H]
430 \centering
431 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/T.pdf}  
432 \caption{Execution Time (in seconds)}
433 \label{fig77}
434 \end{figure} 
435
436 As expected,  the execution time increases  with the number of  rounds $T$ taken into account to schedule the sensing phase. The times obtained for $T=1,3$ or $5$ seem bearable, but for $T=7$ they become quickly unsuitable for a sensor node, especially when  the sensor network size increases.   Again, we can notice that if we want  to schedule the nodes activities for a  large number of rounds,
437 we need to choose a relevant number of subregions in order to avoid a complicated and cumbersome optimization.  On the one hand, a large value  for $T$ permits to reduce the  energy overhead due  to the three  pre-sensing phases, on  the other hand  a leader  node may  waste a  considerable amount  of energy  to  solve the optimization problem. \\
438
439
440
441 \item {{\bf Network lifetime}}
442 %\subsection{Network lifetime}
443 %\label{ch5:sec:03:02:06}
444
445 The next  two figures,  Figures~\ref{fig8}(a) and \ref{fig8}(b),  illustrate the network lifetime  for different network sizes,  respectively for $Lifetime_{95}$ and  $Lifetime_{50}$.  Both  figures show  that the  network  lifetime increases together with the  number of sensor nodes, whatever the  protocol, thanks to the node  density  which  results in  more  and  more  redundant  nodes that  can  be deactivated and thus save energy.  Compared to the other approaches, our MuDiLCO
446 protocol  maximizes the  lifetime of  the network.   In particular,  the  gain in lifetime for a  coverage over 95\% is greater than 38\%  when switching from GAF to MuDiLCO-3.  The  slight decrease that can be observed  for MuDiLCO-7 in case of  $Lifetime_{95}$  with  large  wireless  sensor  networks  results  from  the difficulty  of the optimization  problem to  be solved  by the  integer program.
447 This  point was  already noticed  in \ref{subsec:EC} devoted  to the
448 energy consumption,  since network lifetime and energy  consumption are directly linked.
449
450
451 \begin{figure}[hi]
452 \centering
453 % \begin{multicols}{0}
454 \centering
455 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT95.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(a) \\
456 %\hfill 
457 \includegraphics[scale=0.8]{Figures/ch5/R1/LT50.pdf}\\~ ~ ~ ~ ~(b)
458
459 %\end{multicols} 
460 \caption{Network lifetime for (a) $Lifetime_{95}$ and (b) $Lifetime_{50}$}
461   \label{fig8}
462 \end{figure}
463
464
465
466 \end{enumerate}
467
468
469 \section{Conclusion}
470 \label{ch5:sec:05}
471
472 We have addressed  the problem of the coverage and of the lifetime optimization in wireless  sensor networks.  This is  a key  issue as  sensor nodes  have limited resources in terms of memory, energy, and computational power. To cope with this problem,  the field  of sensing  is divided  into smaller  subregions  using the concept  of divide-and-conquer  method, and  then  we propose  a protocol  which optimizes coverage  and lifetime performances in each  subregion.  Our protocol,
473 called MuDiLCO (Multiround  Distributed Lifetime Coverage Optimization) combines two  efficient   techniques:  network   leader  election  and   sensor  activity scheduling.
474
475 The activity  scheduling in each subregion  works in periods,  where each period consists of four  phases: (i) Information Exchange, (ii)  Leader Election, (iii) Decision Phase to plan the activity  of the sensors over $T$ rounds, (iv) Sensing Phase itself divided into T rounds.
476
477 Simulations  results show the  relevance of  the proposed  protocol in  terms of lifetime, coverage  ratio, active  sensors ratio, energy  consumption, execution time. Indeed,  when dealing with  large wireless sensor networks,  a distributed approach, like  the one we  propose, allows to  reduce the difficulty of  a single global optimization problem by partitioning it into many smaller problems, one per subregion, that can be solved  more easily. Nevertheless, results also show that it is not possible to plan the activity of sensors over too many rounds because the resulting optimization problem leads to too high-resolution times and thus to an excessive energy consumption. 
478
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