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5 %%       CHAPTER 03         %%
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9 \chapter{Evaluation Tools and Optimization Solvers}
10 \label{ch03}
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12 %%-------------------------------------------------------------------------------------------------------%%
13 \section{Introduction}
14 \label{ch3:1}
15 %Performance evaluation and optimization solvers are important tools. 
16 In the last few years, several intensive researches have been done about the WSNs, and for a wide range of real-world applications. Therefore, the performance evaluation of algorithms and protocols becomes challenging at various stages of design, development, and implementation. In fact, to perform an efficient deployment, it is desirable to analyze  the performance of the newly designed algorithms and protocols in WSNs.  Since performance evaluation tools are becoming precious means for evaluating the efficiency of algorithms and protocols in WSNs, they have received a great interest by many researchers around the world. 
17 On the other side, the main challenges in the design of WSNs handle new hard and complex theoretical optimization problems. These optimization problems are related to several topics in WSNs such as coverage, topology control, scheduling, routing, mobility, etc. 
18 %So, the optimization is very important in WSNs because the limited resources of the sensor nodes. 
19 For this reason, several problems are modeled by an optimization problem for instance to optimize the network lifetime while satisfying the application requirements. 
20 %Therefore, in order to get the optimal solutions for these mathematical optimization problems, the optimization solver is the best candidate tool to solve them. The optimization solver takes mathematical optimization problem descriptions in a certain file format and calculates their optimal solution. 
21 Optimization solvers dedicated to specific resolution methods (meta-heuristics, linear programming, etc) are required.
22 %Many important real-world problems have formulated as integer programming problems. 
23 %In this dissertation, we use linear programming because we used integer programs to optimize the coverage and the lifetime in WSNs.
24 In this dissertation, we optimize the coverage and the lifetime in WSNs and the problem is formulated through linear programming. These kind of models allow to obtain optimal solutions satisfying an objective (for instance, maximize coverage)  under constraints (for instance, available remaining energy). 
25
26 The remainder of this chapter is organized as follows. The next section is devoted to the evaluation tools for evaluating and validating the  performance of proposed algorithms and protocols. Section \ref{ch3:3} gives the most popular free and commercial linear optimization solvers to solve  linear programming problems. Finally, we give concluding remarks in section \ref{ch3:4}.
27  
28 \section{Evaluation Tools}
29 \label{ch3:2}
30 On the one hand, several proposed works in WSNs require evaluating the power depletion efficiently and accurately for network lifetime prediction. On the other hand, the wrong energy evaluation leads to waste of energy because the sensor nodes might be rendered useless long time before draining their energy. Furthermore, the sensor nodes might die before of the expected lifetime. However, evaluation experiments on actually deployed WSN suffer some constraints because of the large number of sensor nodes and the deployment in hostile and inaccessible environments. Moreover, the analytical (or theoretical) models might be unrealistic for real world  systems. 
31
32 Two main evaluation tools are available to evaluate and validate the  performance of proposed works of researchers in large-scale wireless sensor networks: testbeds and simulations~\cite{ref180}. The energy consumption results obtained by simulation and testbed evaluation tools give an alternative on time, precision, and cost. 
33
34 %Therefore, the energy consumption results obtained by simulation and testbed evaluations give an alternative on time, precision and cost. Researchers can also evaluate and test their proposed works with simulation tools as well as testbed devices.
35  
36 %Two main evaluation tools are available for evaluating and validating large-scale wireless sensor networks performance: testbeds and simulations~\cite{ref180}.
37
38
39 \subsection{Testbed Tools}  %~\cite{ref180}
40      
41 %The testbed-based evaluations are necessary before deploying the WSN because it provides more  realistic results for the complex physical phenomena constraints of the real world. In this section, only some testbeds are explained. 
42 Testbeds enable researchers and programmers to validate the performance of their algorithms and protocols on a physical network. More extensive details about testbeds are available in~\cite{ref178}. 
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44 \begin{enumerate} [(i)]
45
46 \item \textbf{MoteLab:}
47
48 MoteLab~\cite{ref181,ref182} is a WSN testbed developed at the electrical and computer engineering department of Harvard University. It is a public testbed, researchers can execute their WSN systems using a web-based interface.  Researchers develop and test their applications and protocols on sensor nodes and visualize sensor nodes output via web-based interface.  They are allowed to upload their executable files to run on real mote. Each mote is wall-powered and is connected to a central server that offers scheduling, reprogramming, and data logging.  It is composed of 190~TMote Sky wireless sensor nodes. The wireless sensor node has the following specifications: TI MSP430 processor, 10 KB RAM, 1Mb flash, and Chipcon CC2420 radio. Each node is connected to the Ethernet. The users should  be familiar with  NesC programming language because the MoteLab only supports the TinyOS operating system.
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50 \item \textbf{WISEBED:}
51
52 The WISEBED~\cite{ref183} is a large-scale WSN testbed  with a hierarchical architecture that consists of four major parts: wireless sensor nodes, gateways, portal server, and overlay network. The lowest level of the hierarchy corresponds to the WSN in which a set of these sensor nodes is connected to the gateway to provide access to the other remaining sensor nodes. The gateways are connected to a portal server, which not only  supervises the WSN, but also allows user interactions with the testbed. Each WISBED site includes separate portal server. The major goal of this testbed is to provide a multi-level infrastructure of interconnected testbeds of large scale wireless sensor networks for research purposes. It provides an interdisciplinary approach which integrates the hardware, software, algorithms, and data. WISEBED provides heterogeneous large-scale structure because it brings several heterogeneous small-scale devices together to form a large-scale network structure. 
53 %It provides the research with different quality networks due to the heterogeneous structure of the network.
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56
57
58 %Several objectives of WISEBED testbed should be provided such as heterogeneity, virtualization, and facilitate the system evaluation by end users via a variety of interfaces and software environment.
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61 \item \textbf{IoT-LAB:}
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63 IoT-LAB testbed~\cite{ref184,ref185} supplies a very large scale infrastructure service  appropriate for evaluating wireless sensor devices and heterogeneous communicating objects. IoT-LAB includes more than 2700 wireless sensor nodes deployed in six different regions in France.  Different kinds of wireless sensor nodes are available, with different processor architectures (MSP430, STM32, and Cortex-A8) and different wireless chips (802.15.4 PHY @ 800 MHz or 2.4 GHz). Sensor nodes are either mobile or fixed and can be used in different  topologies throughout all the regions. 
64 IoT-LAB provides web-based reservation and tools for protocols and applications development, along with direct command-line access to the platform.  Wireless sensor nodes firmware can be constructed from  source and deployed on reserved nodes, application activity can be controlled and observed, power consumption or radio interference can be measured using the offered tools. IoT-LAB is a part of the FIT (Future Internet of the Things) experimental platform, a set of supplementary elements that enable experimentation with innovative services for academic and industrial users.
65
66 \end{enumerate}
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69 A testbed is a large hardware evaluation tool. However, to construct a suitable tool with capable architecture,  the information about the desired requirements is required. For instance, table \ref{Tablex:ch3} presents each research topic and the required abilities and provisions for a specialized testbed in the corresponding field of study~\cite{ref186}. Many existing testbeds are developed without obvious definition of requirements. Therefore, the research efforts may be halted due to the lack of the precisely defined requirements~\cite{ref186}. The tests and experiments on a large number of sensor nodes lead to a scalability challenge, and a large amount of data for logging, debugging, and measurement output. Another drawback is that there are no enough tools to deal  (semi-)automatically with the amount of data and supporting the researchers to evaluate their systems.  
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72 \begin{table}[h]
73 \caption{WSN research topics vs testbed requirements}
74 \label{Tablex:ch3}
75 \resizebox{\textwidth}{!}{%
76 \begin{tabular}{|c|c|}
77 \hline
78 \textbf{WSN research topic} & \textbf{Testbed requirement} \\ \hline
79 Energy efficiency & Energy consumption estimation and measurement \\ \hline
80 Mobile sensor nodes & Mobile nodes and localization infrastructure \\ \hline
81 Realistic WSN context & Deployment in target environments \\ \hline
82 Scalability and performance in WSNs & simulations and hybrid testbeds, large network size \\ \hline
83 Sensor node design & Development of sensor nodes, monitoring, measurement, debugging \\ \hline
84 Interoperability and platform support & Support for different platforms, heterogeneity \\ \hline
85 Application and protocol design & Tool support for development, debugging and deployment \\ \hline
86 \end{tabular}
87 }
88 \end{table}
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91 Several sensor nodes testbeds are available to support the research efforts in WSNs, but only a few of them provide common evaluation goals for  a large number of users~\cite{ref187,ref181}. However, all the WSN testbeds have usually many common properties, such as a typical number of sensors of the order of hundreds and sometimes only tens of nodes; the deployment of the sensor nodes in a static grid topology; metrics and debug information are obtained via wired connections. Therefore, the WSN testbeds impose strong limitations on the WSNs in terms of size and topology.  Moreover, the cost of performing an experiment on a testbed is much higher than through a simulation because setting up the experiments, instrumenting the nodes, gathering the metrics on the performance, and so on is so expensive. For evaluating the systems and protocols on  large sensor networks, the simulation tools are the better choice due to the costs for hardware and maintenance~\cite{ref186}. Hence, the  simulation tools stay the most practical tools to obtain a feedback on the performance of a new solution~\cite{ref180}.
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94 \subsection{Simulation Tools}
95 % take the simulators from paper "Limitations of simulation tools for large-scale wireless sensor networks" \cite{ref179}
96
97 Simulation tools are widely used due to the complexity and difficulty to apply real testbed for WSNs experiments. They permit users to evaluate and validate their systems and protocols on WSNs before the deployment. 
98 Simulation tools reduce the correction actions before operating  the WSN. In addition, most the works on the WSNs use the simulation tools for performance evaluation. So, these tools are considered as predominant techniques to study and analyze the performance of WSNs.
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100 %This can reduce the correction actions before operating  the WSN. 
101 %The large-scale evaluation of systems, applications, and protocols are  practicable in a flexible environment~\cite{ref180}. Most of the papers on the wireless sensor networks use the simulation tools to evaluate the performance of their algorithms and protocols. 
102 %This is a confirmation to consider these tools as predominant techniques used to study and analyze the performance of WSNs. 
103 Several simulation tools are available for WSNs, which vary in their characteristics and capabilities. So, this section introduces only some of these simulators, and more details about simulators are available in~\cite{ref188,ref189,ref190}.
104
105 \begin{enumerate} [(i)]
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107 \item \textbf{NS2:} 
108
109 The Network Simulator-2 (ns-2)~\cite{ref191,ref192} is an open source, discrete event, network simulator. The major goal of ns-2 is to provide a simulation environment for wired as well as wireless networks to simulate different protocols with different network topologies. ns-2 is built in C++ and the simulation interface is provided via OTcl, an object-oriented dialect of Tcl. The network topology is determined by the users by writing OTcl scripts, and then the main program of ns-2 simulates this topology with fixed parameters. ns-2 provides a graphical view of the network by using network animator (Nam). Nam interface includes control features that allow researchers to forward, pause, stop, and control the simulation. ns-2 is the most common and widely used network simulator for scientific research work.   
110
111 The next version, ns-3, is considered as a new simulator and a final replacement of ns-2, not a simple extension~\cite{ref194}. The ns-3 project~\cite{ref193} was started in mid-2006 and is still under intensive development. Like ns-2, ns-3 is an open source, discrete-event network simulator targeted essentially for research and educational use~\cite{ref195}. ns-3 supports both simulation and emulation using sockets. It also provides a tracing facility to help users in debugging. 
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115 \item \textbf{OMNeT++:}
116
117 OMNeT++ (Objective Modular Network Testbed) is an open-source, free, discrete-event, component-based C++ simulation library, modular simulation framework for building network simulators~\cite{ref158,ref203}. Even if OMNeT++ is not a network simulator itself, it is very popular as a network simulation platform for both scientific and industrial communities. The major goal behind the development of OMNeT++ is to provide a strong simulation tool, which can be used by the academic and commercial researchers for simulating different types of networks in a distributed and parallel way~\cite{ref197}. OMNeT++ has an extensive Graphical User Interface (GUI) and intelligence support. It runs on Windows, Linux, Mac OS~X, and other Unix-like systems, and provides a component architecture for models. Components (modules) are first programmed in C++, then assembled into larger components and models using a high-level language (NED)~\cite{ref198}. Several simulation frameworks can be used with OMNeT++ such as INET, INETMANET, MiXiM, and Castalia, where each of them provides a set of simulation facilities (modelity and soon) and can be used for specific applications.\\  \\
118
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120 \item \textbf{OPNET:}
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122 OPNET (Optimized Network Engineering Tool)~\cite{ref192,ref200,ref201} is the first commercial simulation tool developed in 1987 for communication networks. It is a discrete event, object-oriented, general purpose network simulator, which is widely used in industry. It uses C and Java languages. It provides a comprehensive development environment for the specification, simulation, configuration, and performance analysis of the communication network. OPNET allows researchers to develop various models by means of a graphical interface. It provides different types of tools such as Probe Editor, Filter Tool, and Animation Viewer for data collection to model graph and animate the resulting output. Unlike ns-2, OPNET provides modeling for different sensor-specific hardware, such as physical-link transceivers and antennas. It includes sensor-specific models such as ad-hoc connectivity, mobility of nodes, node failure models, modeling of power-consumption, etc. OPNET is, a commercial simulator and the license is very expensive. This represents the main disadvantage of that simulator.
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124 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
125 \iffalse
126
127 \item \textbf{GloMoSim:} 
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129 GloMoSim (Global Mobile System Simulator)~\cite{ref202,ref204,ref205} is an open source, well-documented source code and scalable simulation environment developed in 1998 for mobile wireless networks. It uses a library called Parsec, which is an extension of C for parallel programming. The main feature of GloMoSim simulator is the parallel environment. A parallel network simulation is hard due to the communication among the simulated nodes on different machines. Several types of protocols and models are found in GloMoSim including TCP,
130 IEEE 802.11 CSMA/CA, MAC, UDP, HTTP, FTP, CBR, ODMRP, WRP, DSR, MACA, Telnet, AODV, etc. It uses a VT visualization tool to observe and debug these protocols. The GloMoSim tool is designed to be extensible with all protocols implemented as modules in its library.  It also uses an object-oriented approach. 
131 %It is dividing the nodes, and each object is responsible for executing one layer in the protocol stack of every node for its given division. 
132 This mechanism minimizes the overhead of a large-scale sensor network.
133
134 GloMoSim supports a wide range of protocols and its configuration is easy. Due to the parallel processing nature, it supplies a fast simulation. GloMoSim provides efficient simulation for IP networks whilst it does not give an accurate simulation for many sensor network applications. No releasing updates are available since 2000. It is currently updated as a commercial product called QualNet.      
135
136       
137 \item \textbf{SENSE:}  
138  
139 SENSE (Sensor Network Simulator and Emulator)~\cite{ref206} is an open source, general purpose, discrete event, efficient, easy to use, and powerful network simulator. The main objective of designing this simulator is to support various requirements of the users by taking into consideration the extensibility, reusability, and scalability. The SENSE  uses an object-oriented approach and J-Sim's simulator component based architecture. It supports the parallelization with a poor support for users.
140 SENSE provides a component-port model to release simulation models  from interdependency.  This allows independence among components and enables the extensibility and reusability. A level of reusability is obtained by the extensive use of C++ template, where a component is usually declared as a template class so that it handles different types of data. The designers improved the scalability by using the same packet in the memories of all sensors, assuming that the packet should not be changed. The core of the simulator still lacks a general set of models, routing protocols, and a wide variety of configuration templates for WSNs. In addition, a visualization tool, which can quickly discover the bugs during the simulation, is desirable.
141
142 \fi
143
144 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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146 \item \textbf{TOSSIM:}  
147  
148 TOSSIM~\cite{ref205,ref207,ref208} is a discrete event simulator for TinyOS based sensor networks, where the TinyOS application can be compiled on the TOSSIM framework, which runs on a computer rather than on the mote. This allow the users to test, debug, and analyze theirs algorithms in a controlled and repeatable environment. The users can check up their codes using debuggers and other development tools by executing them on the computer. TOSSIM is regarded as an emulator rather than a simulator because of its ability to simulate both software and hardware of the mote. TOSSIM is specially-designed for TinyOS applications run on Berkeley MICA Motes. TOSSIM needs to be improved to include four requirements:  scalability, completeness, fidelity, and bridging, and to manage a large number of sensor nodes with different configurations to be scalable. For completeness, it has to capture behavior and interactions of a system at a different of levels.  The simulator should capture behavior of a network with accurate timing of interactions on a mote and among motes for fidelity. The bridging requirement is satisfied due to executing the simulated code directly in a real mote. Two programming interfaces are supported by TOSSIM: Python and C++.  The C++ interface transforms the code easily from one form to another. Python allows interaction with an executing simulation dynamically, like a powerful debugger.  TOSSIM provides a high fidelity and scalable simulation of a complete TinyOS sensor network. It visualizes and interacts with executing simulations using GUI tool and TinyViz. The users can develop new visualizations and interfaces for TinyViz using simple plug-in model.  The simulator's effectiveness for analyzing low-level protocols is decreased due to inaccuracies in the probabilistic bit error model. Moreover, TOSSIM is only supported by MICA motes platform.
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150 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
151 \iffalse
152
153 \item \textbf{GTSNetS:}  
154
155 GTSNetS (Georgia Tech Sensor Network Simulator)~\cite{ref209,ref210} is an open-source, C++, large scale, event-driven simulation tool to evaluate the applications, algorithms, and protocols. It is capable of  evaluating  the impact of various architectural choices and designs on the lifetime and performance of a particular sensor network. GTSNetS is constructed on the top of the Georgia Tech Network Simulator (GTNetS), where it uses and expands all the design choices of the existing GTNetS simulator. The main feature of GTSNetS simulator is to support several thousand nodes.
156 It is organized efficiently in a modular way to support large-scale WSNs and designed to be easy to use by the users. Several choices are provided by GTSNetS to users, offering various alternatives in network protocols, energy models, applications, and tracing options. Furthermore, the existing models can be simply extended or replaced according to user need. The network lifetime can be tracked by GTSNetS and the energy consumption of each unit can be evaluated. Therefore, the users can study the impact of different architectural choices on lifetime and energy consumption.  The mobility is inherited from GTNetS simulator. Therefore, it provides a specification of mobile sensor nodes, moving sensed objects, as well as a mobile base station.
157 GTSNetS provides graphical user interface and extensive packet tracing. 
158 %The stopped updating and maintaining the project since Oct, 2008 represents the main disadvantage of this simulator.
159 The tool is no longer maintained since October 2008.
160
161 \fi
162 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
163
164 \end{enumerate}
165
166  
167 In this section, we investigated some simulation tools for WSNs. A large number of simulation tools are available for WSNs, with different characteristics and capabilities. Hence, it seems hard to decide which simulation tool to choose and which one is more appropriate for large-scale WSNs. Table~\ref{table:1} illustrates a comparison among some simulation tools~\cite{ref179}.  According to table~\ref{table:1}, OMNeT++ seems to be a good candidate to be used as an evaluation tool for our proposed protocols in this dissertation. OMNeT++ is a free, extensible, and scalable simulator. It provides an easy-to-use interface using C++ language. Furthermore, several frameworks can be used with OMNeT++ such as INET, INETMANET, Veins, MiXiM, and Castalia to support various needs of users, such as mobility, Internet, vehicular, and sensor networks.
168
169
170
171 \begin{table}[h!]
172 \centering
173 \caption{Comparison among some simulation tools}
174
175 \begin{tabular}{ |>{\centering\arraybackslash}m{0.7in}||>{\centering\arraybackslash}m{0.8in}|>{\centering\arraybackslash}m{1in}|>{\centering\arraybackslash}m{1.2in}|>{\centering\arraybackslash}m{0.8in}|>{\centering\arraybackslash}m{0.8in}|  }
176  \hline
177  \multirow{2}{*} {\begin{minipage}{0.7in}\centering \textbf{Simulation Tool}\end{minipage}} %{\textbf{Simulation Tool} } 
178  &\multicolumn{5}{|c|}{\textbf{Features of Simulation Tool}} \\
179  \cline{2-6}
180  
181    &\textbf{Interface} &\textbf{Accessibility \& User Support}&\textbf{Availability of WSNs Modules}&\textbf{Extensibility}&\textbf{Scalability}\\
182  \hline   \hline
183  
184  \textbf{ns -2} & C++/OTcl with limited visual support & Open source with good user support & Energy model, battery model, mobility & Excellent & Limited \\  
185
186 \hline
187
188  \textbf{OMNeT++} & C++/NED with good GUI and debugging support & Free for academic use, license for commercial use with good user support & Energy model, battery model, accurate wireless channel and radio modeling & Excellent & Large-scale \\  
189
190 \hline
191
192  \textbf{OPNET} & C or C++/Java with Excellent GUI and debugging support & Free for academic use, license for commercial use with excellent user support & Energy model, battery model, routing protocols (directed diffusion), mobility, node failure model & Excellent & Moderate \\  
193
194
195 \hline
196
197 % \textbf{GloMoSim} & Parsec (C-Based) with limited visual support & Open source with poor user support & Sensor network specific MAC and network protocols, mobility model & Good & Large-scale \\  
198
199 %\hline
200
201  %\textbf{SENSE} & C++ with good GUI support & Open source with poor user support & Energy models, battery models, mobility, modeling of physical environment & Excellent & Large-scale \\  
202
203 %\hline
204
205 % \textbf{GTSNetS} & C++ with good user interface \& visual support & Open source with good user support & Energy model, battery model, accuracy model, model applications, mobility & Excellent & Very large-scale \\
206
207 \hline
208
209  \textbf{TOSSIM} & C++/Python with good GUI support & Open source (BSD) with excellent user support & Energy models with power TOSSIM ads-on, Bit-level radio model & Good & Large-scale \\  
210
211 \hline
212 \end{tabular}
213
214
215 \label{table:1}
216 \end{table}
217
218
219 \section{Optimization Solvers}
220 \label{ch3:3}
221 There are several optimization solvers to solve linear optimization problems. Linear programming~\cite{ref211} is a technique for determining the maximum or minimum of a linear function of non-negative variables subject to constraints expressed as linear equalities or inequalities. Linear programming is a special case of mathematical programming (mathematical optimization).
222 Linear programs are problems that can be expressed in canonical form as follows:
223
224     \begin{align} & \text{Maximize}~ (or ~\text{Minimize})~ && \mathbf{c}^\mathrm{T} \mathbf{x}\\ & \text{Subject to} && A \mathbf{x} \leq \mathbf{b} \\ & \text{and} && \mathbf{x} \ge \mathbf{0} \end{align} 
225   
226 where x represents the vector of variables (to be determined), c and b are vectors of (known) coefficients, A is a (known) matrix of coefficients, and $\left( \cdot \right) ^\mathrm{T}$ is the matrix transpose. The term to be maximized or minimized is called the objective function ($c^Tx$ in this case). The inequalities $Ax \leqslant b$ and $x \geqslant 0$ are the constraints which specify a convex polytope over which the objective function is to be optimized. 
227 A linear programming problem, in which  some or all of the unknown variables are restricted to be integers, it is called an integer programming (IP) problem. 
228
229 %IP problems are a special cases of optimization problems, where the variables can only assume integer values. The IP problems are NP-hard. Mixed integer linear programming (MIP) problems are also special cases, where only some of the variables are restricted to integer values. The optimization problems with integer variables can also be linear or nonlinear, depending on the terms of their objective function and their constraints.  However, the terms IP and MIP are almost always associated with problems that have linear features. 
230
231 Linear optimization is used to solve different problems in various fields of study. It is applied for economic, business, and industry problems.  For example, in the industry linear optimization is used to solve transportation, energy, telecommunications, and manufacturing problems. 
232 %Linear optimization is succeeded in modeling different types of problems like planning, routing, scheduling, assignment, and design. 
233
234 Many approaches have been proposed to solve linear programming (IP or Mixed Integer Programming (MIP)) problems and they are classified into two main groups~\cite{ref221}: 
235
236 \begin{itemize}
237
238 \item \textbf{Heuristic Optimization:} provides good solutions, but not necessarily optimal solutions, for problems that can not be solved efficiently and with acceptable computation time by classical optimization methods. There is no guarantee for the optimal solution. Examples of such approaches are genetic algorithms, swarm intelligence, and tabu search \cite{ref237}.
239
240 \item \textbf{Classical Optimization:} provides and guarantees optimal solutions for problems. Examples of such methods are zero-one enumeration algorithms and branch-and-bound algorithm, which are provided by linear optimization solvers \cite{ref221}.  
241
242
243 \end{itemize}
244
245 Linear optimization solvers vary in their characteristics and capabilities. Therefore, in this section, we present the most popular free and commercial linear optimization solvers~\cite{ref212}.
246
247 \begin{enumerate} [(i)]
248
249 \item \textbf{GNU Linear Programming Kit (GLPK):} 
250
251 GLPK~\cite{ref214,ref213,AMPL} is a free and open source software written in C programming language, which  is presented for solving large-scale Linear Programming (LP), Mixed Integer Programming (MIP), and other related problems. It is a mathematical programming project that is a part of the GNU project. The GLPK uses the revised simplex method and the primal-dual interior point method for non-integer problems, and the branch-and-bound algorithm together with Gomory's mixed integer cuts for (mixed) integer problems.
252 The users use either an interactive command line or C++ and java application programming interface (API) in order to interact with GLPK. Several input file formats are accepted by GLPK such as MPS (Mathematical Programming System), Free MPS, LP, GLPK, and MathProg format. The major components of the GLPK package are primal and dual simplex methods, primal-dual interior-point method, branch-and-cut method, translator for GNU MathProg, API, and stand-alone LP/MIP solver.
253
254
255 \item \textbf{lp$\_$solve:} 
256
257 lp$\textunderscore$solve~\cite{ref215,ref213} is a free linear (integer) programming solver based on the revised simplex method and the branch-and-bound method for the integers.  It is freely available under the GNU Lesser General Public License. The primal and dual simplex algorithms are used by lp$\textunderscore$solve for solving LP models.  lp$\textunderscore$solve is written using C programming language and can be compiled on many different platforms like Linux and Windows. The users interact with it using either a command line or an API. It provides  a C, C$\#$, C++, Java, and .NET API. lp$\textunderscore$solve can read the input MPS, Free MPS, and LP file format. The pure linear, (mixed) integer/binary, semi-continuous and special ordered sets (SOS) models are solved. It handles integer variables, semi-continuous variables, and special ordered sets by means of branch-and-bound algorithm.
258
259 \item \textbf{CLP:} 
260
261 The COIN-OR Linear Programming (CLP)~\cite{ref216,ref217} is a free, open-source, linear programming solver written in C++ programming language. It is reliable and able to tackle the very large linear optimization problems. The  CLP is a part of the Coin-OR project that aims at creating open software for the operations research community. COIN-OR projects such as SYMPHONY, BCP (Branch Cut and Price),  and CBC (COIN-OR Branch and Cut) also uses CLP. It includes Dual and Primal Simplex algorithms,  but it also contains an Interior Point algorithm. The CLP is available under the Eclipse Public License version 1.0, and the users interact with it through either an interactive command line or through a C++ API. The CLP is able to use the input MPS, Free MPS, and LP file formats.
262
263
264 \item \textbf{CPLEX:} 
265
266 The IBM ILOG CPLEX Optimization Studio (often informally referred to simply as CPLEX)~\cite{ref218,ref211} is a commercial, analytical decision support, and optimization software toolkit for fast development of optimization models using mathematical and constraint programming. It combines an integrated development environment (IDE) with the powerful Optimization Programming Language (OPL) and high-performance ILOG CPLEX optimizer solvers. The CPLEX is developed by IBM and is designed to tackle the large-scale (mixed integer) linear problems. The CPLEX optimizer includes a modeling layer called "Concert" that provides interfaces to the C++, C$\#$, Python,  and Java languages. Furthermore, it provides a connection to Microsoft Excel and MATLAB. The CPLEX is capable of optimizing the business decisions with high-performance optimization engines. It develops and deploys optimization models quickly by using flexible interfaces and pre-constructed deployment scenarios. %In addition, it creates real-world applications.
267
268
269 \item \textbf{Gurobi:} 
270
271 The Gurobi Optimizer~\cite{ref219,ref220,ref211} is a commercial optimization solver for LP, Quadratic Programming (QP), Quadratically Constrained Programming (QCP), Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed-Integer Quadratic Programming (MIQP), and Mixed-Integer Quadratically Constrained Programming (MIQCP). The Gurobi optimizer is written in C. It is available on all computing platforms and accessible from several programming languages. The Gurobi optimizer supports interfaces for various programming and modeling languages including object-oriented interfaces for C++, Java, .NET, and Python; matrix-oriented interfaces for C, MATLAB, and R; Links to standard modeling languages like AIMMS, AMPL, GAMS, and MPL; and links to Excel through Premium Solver Platform and Risk Solver Platform are available. 
272
273
274 \end{enumerate}
275
276
277 B. Meindl and M. Templ~\cite{ref212} studied the efficiency of above optimization solvers. They used a set of instances of a difficult optimization problem called the Attacker problems (formulated as a LP) \cite{ref240} in order to achieve a performance comparison of GLPK, lp$\_$solve, CLP, GUROBI, and CPLEX optimization solvers. %They considered a total of 200 problem instances for this study, 100 of these problem instances are based on problems with two dimensions, and 100 problem instances are three-dimensional.
278
279 In tables~\ref{my-label1} and  \ref{my-label2}, we report the result of their comparisons the running times of the five linear program solvers to find solutions for instances related to the two-dimensional problem, and for instances related to the three-dimensional problem (with more variables and constraints).
280 %to the 200 two-dimensional, 200 three-dimensional, and all 400 problem instances.  
281 %In order to solve the attacker’s problem for a given problem instance, it is needed to both minimize and maximize any given problem. Therefore, a total of 400  problem instances had been solved when only 200 problem instances have been generated. 
282 The running time of the fastest solver has been scaled to one and the running times of the other linear solvers were scaled to reflect this scaling.
283
284
285 \begin{table}[h]
286 \caption{Total (in seconds) and scaled running times for 2-dimensional problem instances (results of B. Meindl and M. Templ~\cite{ref212})}
287 \label{my-label1}
288 \resizebox{\textwidth}{!}{%
289 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
290 \hline
291 \textbf{Optimization Solvers} & \textbf{GLPK} & \textbf{lp\_solve} & \textbf{CLP} & \textbf{Gurobi} & \textbf{CPLEX} \\ \hline
292 \textbf{Total Running Time} & 180.1 & 2861.9 & 273.9 & 73.6 & 20.9 \\ \hline
293 \textbf{Scaled Running Time} & 9    & 137    & 13    & 4    & 1     \\ \hline
294 \end{tabular}
295 }
296 \end{table}
297
298
299 \begin{table}[h]
300 \caption{Total (in seconds) and scaled running times for 3-dimensional problem instances (results of B. Meindl and M. Templ~\cite{ref212})}
301 \label{my-label2}
302 \resizebox{\textwidth}{!}{%
303 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
304 \hline
305 \textbf{Optimization Solvers} & \textbf{GLPK} & \textbf{lp\_solve} & \textbf{CLP} & \textbf{Gurobi} & \textbf{CPLEX} \\ \hline
306 \textbf{Total Running Time}  &  48405  & 979876  & 666792  & 38634 & 236 \\ \hline
307 \textbf{Scaled Running Time} & 205     & 4149    & 2823    & 164   & 1    \\ \hline
308 \end{tabular}
309 }
310 \end{table}
311
312
313 %\begin{table}[h]
314 %\caption{Total (in seconds) and scaled running times for all problems (results of B. Meindl and M. Templ~\cite{ref212})}
315 %\label{my-label3}
316 %\resizebox{\textwidth}{!}{%
317 %\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|}
318 %\hline
319 %\textbf{Optimization Solvers} & \textbf{GLPK} & \textbf{lp\_solve} & \textbf{CLP} & \textbf{Gurobi} & \textbf{CPLEX} \\ \hline
320 %\textbf{Total Running Time}  &  48585  & 982737  & 667066  & 38708 & 257 \\ \hline
321 %\textbf{Scaled Running Time} & 189     & 3822    & 2594    & 151   & 1    \\ \hline
322 %\end{tabular}
323 %}
324 %\end{table}
325
326
327 The results in tables~\ref{my-label1} and \ref{my-label2}  indicate that open source solvers perform worse than standard commercial solvers when applied to instances of the attacker’s problem. The GLPK outperforms the other free and open source solvers,  but is still slower than CPLEX and GUROBI. We have decided to use the GLPK as an optimization solver in this dissertation to solve the proposed integer programs during the decision phase of the nodes. We motivate the use of the GLPK optimization solver for many reasons, including:
328
329 \begin{enumerate} [(i)]
330
331 \item It is free and its installation is easy.
332 \item The GLPK does not lead to a fast solution of a large problem as in commercial optimization solvers, but it solves the smaller problems with a reasonable time. In this dissertation, we used a divide-and-conquer method to divide the large problem into smaller instances, and then the GLPK optimization solver is used to solve each of them.
333 \item It is easy to use the GLPK  solver and it is possible to call its routines within a simulator.
334 \item The GLPK comes with a stand-alone solver, a callable library, and the modeling language GMPL. The GMPL is compatible with AMPL and is extremely easy to learn.
335  \item  Modeling language and solver can be used independently.
336 \item GUI is available for Windows, Mac OS X, and Linux. Java, Python, and Matlab interfaces are available.
337 %\item Database support and formatted text output.
338 %\item Exact simplex algorithm and branch-and-bound method are integrated with GLPK.
339
340 \end{enumerate}
341
342 \section{Conclusion}
343 \label{ch3:4}
344 \indent In this chapter, an overview of the evaluation tools for wireless sensor networks and optimization solvers has been presented. Major testbeds for wireless sensor network have been demonstrated. We have found that most researchers in the field of WSNs use the simulators to evaluate theirs works because they are free, easy to use, more flexible, and scalable for large WSNs. Several simulators for wireless sensor networks are described. The comparison among some types of network simulators show that OMNeT++ simulator is a good candidate to be used as performance evaluation tool to evaluate the efficiency of our protocols in this dissertation. This chapter also highlights the optimization problem in WSNs and the most popular free and commercial linear optimization solvers. The commercial optimization solvers outperform the free optimization solvers. GLPK has been chosen as a good candidate to solve the proposed optimization problems in this dissertation because it is free, easy to use, and better than some other free optimization solvers.